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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
航空、航天工業(yè)發(fā)展水平是一個國家科技、經(jīng)濟(jì)和國防實(shí)力的重要標(biāo)志。而轉(zhuǎn)臺則作為航空、航天等領(lǐng)域中進(jìn)行半實(shí)物仿真和測試的關(guān)鍵設(shè)備，也就在其研制過程中起到了極其重要的作用。
采用飛行模擬轉(zhuǎn)臺進(jìn)行仿真不僅加快了武器與飛行控制系統(tǒng)的研制過程，也是研制費(fèi)用大大降低，同時它是保證航空、航天型號產(chǎn)品和武器系統(tǒng)精度及性能的基礎(chǔ)。因此，轉(zhuǎn)臺的研究與制造對航空、航天工業(yè)和國防建設(shè)的發(fā)展具有重要作用。
本次畢業(yè)設(shè)計主要工作有對現(xiàn)有三軸飛行轉(zhuǎn)臺進(jìn)行調(diào)研和分析，明確三軸轉(zhuǎn)臺的工作原理和結(jié)構(gòu)組成部分，同時對實(shí)驗室現(xiàn)有狀況進(jìn)行考察并對其建模，給出其中現(xiàn)有各物件尺寸及相對位置，還有設(shè)計外框馬達(dá)單通道試驗結(jié)構(gòu)、中框馬達(dá)單通道試驗結(jié)構(gòu)和內(nèi)框電機(jī)試驗結(jié)構(gòu)、撰寫論文。
關(guān)鍵字 轉(zhuǎn)臺;仿真;驅(qū)動元件
Abstract
Aviation and aerospace industry development level is an important symbol of national science and technology, economy and national defense strength. While the turntable as aviation, aerospace and other fields ofhardware-in-the-loop simulation and test of key equipment, also in the process of its development has played a very important role.
The flight simulation turntable simulation not only speed up the process of development of weapon and flight control system, also is development cost is greatly reduced, at the same time it is to ensure that aviation and aerospace model product and the basis of weapon system accuracy and performance. Therefore, the study of the turntable and manufacturing for the development of aviation, aerospace industry and national defense construction plays an important role.
The graduation design main job is to the existing research and analysis for three axis turntable flight, clear the working principle and structure of the three-axis turntable part of inspection for the laboratory existing conditions and its modeling, given the current size of various objects and the relative position, and the design frame motor single channel of frame structure, the test motor single channel test structure and frame motor test structure, writing essays.
Keywords turntable;simulation;driving element
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究的目的、背景和意義 1
1.2 國內(nèi)外測試轉(zhuǎn)臺的發(fā)展概況 1
1.2.1 國外對測試轉(zhuǎn)臺的研究 1
1.2.2 國內(nèi)對測試轉(zhuǎn)臺的研究 3
1.3 未來轉(zhuǎn)臺發(fā)展趨勢 5
1.4 本章小結(jié) 5
第2章 半實(shí)物仿真 6
2.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)定義 6
2.2 半實(shí)物仿真的先進(jìn)性及其特點(diǎn) 6
2.3 半實(shí)物仿真的基本組成和原理 6
2.4 三軸飛型轉(zhuǎn)臺與半實(shí)物仿真 7
2.5 本章小結(jié) 8
第3章 三軸轉(zhuǎn)臺的概述 9
3.1 三軸轉(zhuǎn)臺工作原理的概述 9
3.2 仿真轉(zhuǎn)臺驅(qū)動原件的選擇和標(biāo)準(zhǔn) 9
3.2.1 液壓驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn) 9
3.2.2 電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn) 10
3.3 驅(qū)動型式的選擇 10
3.4 本章小結(jié) 11
第4章 驅(qū)動元件試驗場地 13
4.1 實(shí)驗室地基 13
4.2 儲能器 13
4.3 實(shí)驗室整體建模 14
4.4 本章小結(jié) 15
第5章 外框馬達(dá)單通道實(shí)驗方案 16
5.1 試驗環(huán)境 16
5.2 馬達(dá)受力計算 16
5.3 負(fù)載盤設(shè)計 16
5.3.1 設(shè)計條件 16
5.3.2 偏載件 17
5.3.3 負(fù)載盤 17
5.3.4 負(fù)載總成 18
5.4 底座 19
5.5 外框驅(qū)動元件試驗結(jié)構(gòu) 21
5.6 本章小結(jié) 22
第6章 中框馬達(dá)與內(nèi)框電機(jī)試驗 24
6.1 中框馬達(dá)試驗 24
6.1.1 試驗環(huán)境 24
6.1.2 模擬負(fù)載 24
6.1.3 底座 25
6.1.4 安裝彎板 25
6.2 內(nèi)框電機(jī)試驗 25
6.2.1 模擬負(fù)載 25
6.2.2 電機(jī)的安裝及固定 25
6.3 中框馬達(dá)和內(nèi)框電機(jī)試驗 26
6.4本章小結(jié) 27
結(jié)論 28
致謝 29
參考文獻(xiàn) 30
附錄1 32
附錄2 36
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第1章 緒論
1.1 課題研究的目的、背景和意義
航天、航空以及航海事業(yè)的發(fā)展水平反映了一個國家的綜合國力，體現(xiàn)了一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、科技發(fā)展水平以及軍事實(shí)力的綜合體現(xiàn)。這個領(lǐng)域的發(fā)展程度對國防、經(jīng)濟(jì)、政治乃至人民的生活都具有非常重要的意義。當(dāng)今隨著科技的不斷發(fā)展，其在人民生活中也有著越來越重要的意義。同時人類對太空的探索越來越深入，對探索工具及飛行器的精密度、可控性的要求也更加嚴(yán)格，其中航天飛機(jī)的升空飛行、導(dǎo)彈的準(zhǔn)確定位與自動跟蹤均離不開慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)。
在現(xiàn)代軍事工業(yè)、航天工業(yè)中，高精確制導(dǎo)的導(dǎo)彈、自動導(dǎo)航的飛行器，在戰(zhàn)爭中具有越來越重要的作用，因此世界各個國家都極其重視制導(dǎo)系統(tǒng)的研究開發(fā)。在研制的過程中，如何準(zhǔn)確的獲得飛行數(shù)據(jù)和規(guī)律就成為了研制高性能準(zhǔn)備的關(guān)鍵。
在早期的導(dǎo)彈、飛行器的研制過程中。為了獲得這些飛行數(shù)據(jù)，使用的是外場地試驗法，就是在武器本身上安裝各種傳感器，并在實(shí)際飛行中測量實(shí)驗數(shù)據(jù)，在根據(jù)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并評價系統(tǒng)的性能，由于這種方法成本太高，不具備重復(fù)性，會造成財力、物力、人力的浪費(fèi)，同時這樣有限的試驗所獲得的規(guī)律不可能十分準(zhǔn)確，也就不利于飛行器的研制和更新?lián)Q代。
另一種方法就是在轉(zhuǎn)臺上測試，仿真設(shè)備在地面測試和評價制導(dǎo)系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)。仿真轉(zhuǎn)臺是用于類似飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器姿態(tài)仿真的運(yùn)動模擬器，是整個制導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)動仿真或轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)控制與測試的核心設(shè)備之一，主要功能是用來模擬導(dǎo)彈在空中的三種角姿態(tài)（俯仰、偏航、橫滾）運(yùn)動，作用是將仿真機(jī)計算出來的飛行姿態(tài)的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性負(fù)載和轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)可以識別的機(jī)械轉(zhuǎn)角信號，便于導(dǎo)彈或飛行器的研發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
1.2 國內(nèi)外測試轉(zhuǎn)臺的發(fā)展概況
1.2.1 國外對測試轉(zhuǎn)臺的研究
轉(zhuǎn)臺的研究與發(fā)展，一直都是以美國為代表的。美國式最先進(jìn)的制造轉(zhuǎn)臺的國家。第一臺轉(zhuǎn)臺于1945年誕生于麻省理工學(xué)院，這種轉(zhuǎn)臺后來被命名為A型轉(zhuǎn)臺。這種轉(zhuǎn)臺使用滾珠軸承支撐，交流力矩電機(jī)直接驅(qū)動，位置分辨率為角分級，這就是美國轉(zhuǎn)臺發(fā)展的第一階段。后來麻省理工在A型轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，用精密齒輪系代替直接驅(qū)動裝置，研究出了B型和C型轉(zhuǎn)臺。從那時起美國的轉(zhuǎn)臺研究就無論是在數(shù)量、種類還是精度和自動化程度上都居于世界領(lǐng)先水平，代表了當(dāng)今世界轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平和方向。轉(zhuǎn)臺的發(fā)展經(jīng)歷從單軸、低精度、單功能到多軸、高精度、多功能的各個階段。
1954年，D型轉(zhuǎn)臺研制成功，這標(biāo)志著轉(zhuǎn)臺的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一個新的水平。D型轉(zhuǎn)臺的軸的支撐采用成對的精密錐形滾珠軸承，用直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動軸系，使動態(tài)性能得到改善。轉(zhuǎn)臺的角位置測量采用光電敏感系統(tǒng)。為了減少軸系的摩擦，降低干擾力矩，1959年開始，研究出了D型液壓軸承轉(zhuǎn)臺，大大提高了測試精度。
1968年，在D型液壓軸承轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)上設(shè)計和制造了E型轉(zhuǎn)臺，這被認(rèn)為是進(jìn)入美國轉(zhuǎn)臺發(fā)展的第二階段。E型轉(zhuǎn)臺采用徑向和軸向有壓力補(bǔ)償?shù)囊簤狠S承，并在耳軸上采用空氣軸承，由一個光學(xué)讀出系統(tǒng)測量角度，轉(zhuǎn)臺的定位精度在3角秒之內(nèi)。這一時期的美國轉(zhuǎn)臺主要采用空氣軸承和交流力矩電機(jī)直接驅(qū)動，從而因摩擦力的減小而大大提高了轉(zhuǎn)臺的位置精度和速率精度與速率平穩(wěn)性。并開始應(yīng)用計算機(jī)參與系統(tǒng)控制，如菲克公司研制的3768型、3769型單軸轉(zhuǎn)臺及5769型雙軸轉(zhuǎn)臺。
六十年代以后，由于美國的陸海軍和民用部門應(yīng)用慣性系統(tǒng)越來越多，對陀螺精度要求也越來越高，因此轉(zhuǎn)臺的研究進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的時期。這一時期的轉(zhuǎn)臺大多采用氣浮軸承，力矩電機(jī)直接驅(qū)動，直至發(fā)展為采用計算機(jī)控制，這一時期轉(zhuǎn)臺對漂移率（陀螺、加速度計等慣性原件及平臺系統(tǒng)的性能指標(biāo)）的測試精度已經(jīng)達(dá)到0.001o/h以上。
1969年以后，美國的轉(zhuǎn)臺設(shè)計和制造進(jìn)入了系列化階段，技術(shù)進(jìn)一步得到發(fā)展和完善，相應(yīng)的轉(zhuǎn)臺也成為一種廣泛使用的測試設(shè)備。從那時候至今，位于美國賓夕法尼亞洲的康特維斯-戈爾茲公司（Contraves-Georz Corporation 簡稱CGC）成為美國制造慣導(dǎo)測試設(shè)備和運(yùn)動模擬系統(tǒng)的主要廠商，并一直代表美國乃至世界慣性設(shè)備，尤其是轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平。
從20世紀(jì)70年代初開始，CGC著手研制并生產(chǎn)系列多軸陀螺測試轉(zhuǎn)臺，具體為：1972年為Draper實(shí)驗室的第三代陀螺儀和HoneyWell公司的靜電支撐陀螺儀，研制成功了53D型和53E型轉(zhuǎn)臺，1979年為西德航空航天研究試驗院研制成功了53G型轉(zhuǎn)臺。此外，這個系列的轉(zhuǎn)臺還有53B型、53W型等型號，均是為了各種飛行器的慣性測試而研制的。53系列轉(zhuǎn)臺的主要特點(diǎn)是：臺體形式均為多軸，其中53B型為四軸慣性制導(dǎo)測試系統(tǒng)，53D型、53E型、53G型、53W型為三軸轉(zhuǎn)臺，普遍采用氣浮軸承，軸系回轉(zhuǎn)精度和正交精度均達(dá)到角秒級；使用感應(yīng)同步器作測試元件，測試精度和定位精度均達(dá)到1角秒。
從1984年起，CGC公司提出了改進(jìn)的三周測試轉(zhuǎn)臺（Improved Three-Axis Test Table,簡稱ITATT）的制造方案，在CGC的設(shè)計方案中，規(guī)定ITATT是臺超精密三軸轉(zhuǎn)臺設(shè)備。能評定下一代慣導(dǎo)系統(tǒng)和慣性元件，能測試下一代的天體定位儀表，要求它的三軸綜合指向誤差小于0.1角秒，這些指標(biāo)比當(dāng)時的慣導(dǎo)測試儀器幾乎提高了30倍：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度在速率為0.001°/s~200o/s內(nèi)，比當(dāng)時的水提高了10~20倍，綜合技術(shù)指標(biāo)提高一個數(shù)量級以上。ITATT三軸測試轉(zhuǎn)臺可用于艦船導(dǎo)航和空間傳感器的測試，主要指記載光學(xué)附件和天體跟蹤器、定位裝置等的測試，還可用于戰(zhàn)略系統(tǒng)測試。在方案中，不僅規(guī)定了這臺高精度三軸轉(zhuǎn)臺的性能指標(biāo)，而且還影響其設(shè)計與制造的主要方面，如對機(jī)械的結(jié)構(gòu)、臺體的材料、軸承型號、驅(qū)動裝置、測角元件、控制系統(tǒng)、信號傳輸?shù)冗M(jìn)行廣泛的研究，采用新技術(shù)等。ITATT的許多性能指標(biāo)代表了當(dāng)前慣導(dǎo)測試轉(zhuǎn)臺的技術(shù)發(fā)展水平。
1989年5月，CGC公司簽訂了高級三軸測試轉(zhuǎn)臺的設(shè)計、制造及測試內(nèi)框周的第一階段任務(wù)合同，在過去的幾年里，公司已經(jīng)學(xué)習(xí)到許多有關(guān)高級三軸測試臺“設(shè)計中提出的問題”，同時已能鑒別必須提出的若干高新風(fēng)險區(qū)。其他轉(zhuǎn)臺研制和生產(chǎn)比較出名的還有美國Carco公司和德國的MBB公司等。
英、法、德等國也進(jìn)行轉(zhuǎn)臺的研制工作，但無論投入的人力和財力，還是所達(dá)到的水平都不如美國，俄羅斯的慣性技術(shù)水平也比較高，但由于其保密性強(qiáng)，對其具體情況不甚了解。
1.2.2 國內(nèi)對測試轉(zhuǎn)臺的研究
我國一直把這一關(guān)鍵設(shè)備的研制工作放在航天工作的首位。國內(nèi)自20世紀(jì)60年代中期起開始轉(zhuǎn)臺的研制工作，從已經(jīng)研制成功和正在研制的各型轉(zhuǎn)臺來看，我國的轉(zhuǎn)臺研制工作盡管起步比較晚但是發(fā)展卻很快，自60年代研制出第一臺三軸液壓仿真轉(zhuǎn)臺以來，轉(zhuǎn)臺的研制工作處于良好的發(fā)展?fàn)顟B(tài)中，其發(fā)展現(xiàn)狀大致如下:
1966年，707所為高精度單自由液浮積分陀螺儀而考試研制的DT-1型單軸低速伺服轉(zhuǎn)臺，1974年進(jìn)行全面的精度測定，1975年該轉(zhuǎn)臺通過技術(shù)鑒定。轉(zhuǎn)臺由機(jī)械臺體和電子控制箱兩部分組成，測角系統(tǒng)采用感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器組成，機(jī)械系統(tǒng)采用氣浮軸承，驅(qū)動電機(jī)采用交流力矩電機(jī)直接驅(qū)動組成。
1975年，由303所研制成功的SFT-1.1型伺服轉(zhuǎn)臺，首次利用光柵作為精密測角元件。可提供三種工作狀態(tài)：伺服狀態(tài)、速率狀態(tài)、位置狀態(tài)。主要是進(jìn)行慣性器件的伺服實(shí)驗，可測定漂移率為0.01°/h的慣性系統(tǒng)和陀螺儀。
1979年，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)、441廠和原六機(jī)部6345所共同研制成功，我國第一臺雙軸伺服臺——TPCT-1型雙軸氣浮軸承臺，又稱為“7191”雙軸空氣軸承轉(zhuǎn)臺（“7191”雙軸臺）。
1983年，由航天部一院13所研制的SSFT伺服轉(zhuǎn)臺是我國最大的雙軸伺服臺。它是為測量漂移率為0.01°/h是雙自由度陀螺、三自由度陀螺和加速度計等慣性元件及平臺系統(tǒng)的性能設(shè)計的。
從20世紀(jì)80年代初開始，我國對計算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺和自動測試進(jìn)行一系列的研究，并進(jìn)行了轉(zhuǎn)臺計算機(jī)測試系統(tǒng)的研制工作。
1985年，由哈工大研制的DPCT單軸計算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺，是我國第一臺計算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺。計算機(jī)參與控制，提高了控制精度，提高了轉(zhuǎn)臺的靈活度和測試自動水平。此外，計算機(jī)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時處理，提高了測試效率和精度。這臺轉(zhuǎn)臺的測角精度達(dá)到了1角秒，設(shè)計指標(biāo)為測試漂移率為0.001°/h的陀螺。
1987年，哈工大與6354所共同研制成功的CCGT-1型陀螺測試轉(zhuǎn)臺，是我國第一臺計算機(jī)控制的雙軸測試轉(zhuǎn)臺，該轉(zhuǎn)臺對我國研制的漂移率為0.0006°/h的靜電陀螺進(jìn)行了測試。
1990年，中國航空精密機(jī)械研究院所研制成功了SGT-1三軸捷聯(lián)慣導(dǎo)測試轉(zhuǎn)臺。這是我國第一臺計算機(jī)控制的高精度三軸慣導(dǎo)測試臺。該轉(zhuǎn)臺的主要性能指標(biāo)是：三軸回轉(zhuǎn)精度為±2角秒，相鄰兩軸垂直度為±1角秒，測角精度為三軸綜合1角秒。SGT-1三軸轉(zhuǎn)臺為我國研制捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供了迫切需要的高精度慣導(dǎo)測試設(shè)備。其電控系統(tǒng)采用了與美國CGC公司研制的MPACS30H相類似的模塊化系統(tǒng)。
1996年，6354所成功研制出測角系統(tǒng)采用開環(huán)鑒幅型高速動態(tài)測角模塊方案、控制系統(tǒng)采用數(shù)字-模擬混合控制模塊方案的三軸模擬轉(zhuǎn)臺。目前我國轉(zhuǎn)臺綜合性能指標(biāo)精度最高的哈爾濱工業(yè)大學(xué)慣導(dǎo)中心研制的三軸測試轉(zhuǎn)臺，其性能指標(biāo)達(dá)到美國CGC公司八十年代研制的53系列水平。
通過對國外轉(zhuǎn)臺研究的了解并與中國轉(zhuǎn)臺發(fā)展的對比，不難看出在轉(zhuǎn)臺的開發(fā)研究領(lǐng)域，中國和世界先進(jìn)水平還是有很大差距的，像對于轉(zhuǎn)臺相關(guān)技術(shù)缺乏深入研究，轉(zhuǎn)臺可靠性差，沒有批量生產(chǎn)能力，同時在一些領(lǐng)域存在空白等，這都需要我們不斷努力，迎頭趕上。
1.3 未來轉(zhuǎn)臺發(fā)展趨勢
不斷應(yīng)用新技術(shù)來提高轉(zhuǎn)臺的測試精度，增強(qiáng)轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性是轉(zhuǎn)臺以后發(fā)展主要的方面。其中包括：
1）進(jìn)一步提高技術(shù)指標(biāo)；
2）實(shí)現(xiàn)測試自動化，與計算機(jī)控制之間的聯(lián)系會更加緊密；
3）對測試的可靠性、穩(wěn)定性有更高要求，要求其越加接近實(shí)際環(huán)境所碰到的問題；
4）加強(qiáng)各種環(huán)境下的測試，控制環(huán)境對測試精度的影響，如溫度、濕度、壓力、地基等的影響。
同時，由于轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用越來越廣泛并趨于商品化使得在保證轉(zhuǎn)臺精度的情況下要不斷考慮成本的下降，則要求應(yīng)用各種新材料和新工藝，這也是轉(zhuǎn)臺發(fā)展的趨勢。
1.4 本章小結(jié)
通過查詢轉(zhuǎn)臺的相關(guān)技術(shù)資料，對比國外與國內(nèi)轉(zhuǎn)臺的發(fā)展過程，讓我對轉(zhuǎn)臺的發(fā)展有了進(jìn)一步的了解，轉(zhuǎn)臺作為半實(shí)物仿真中重要的設(shè)備組成部分，其性能的好壞極大的影響著仿真的準(zhǔn)確性與可靠性，同時也更加體會到轉(zhuǎn)臺未來的發(fā)展前景，它對國家的經(jīng)濟(jì)、國防軍事工業(yè)都有著不可缺少的影響。對于三軸轉(zhuǎn)臺來說，驅(qū)動元件又是其重要組成部分，它保證著轉(zhuǎn)臺的正常工作和性能要求，本次論文課題就時對轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件性能的測試，試驗其是否滿足轉(zhuǎn)臺對性能的要求。
第2章 半實(shí)物仿真
2.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)定義
半實(shí)物仿真，又稱為硬件在回路中的仿真(Hardware in the Loop Simulation)，是指在仿真實(shí)驗系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實(shí)物的實(shí)時仿真。實(shí)時性是進(jìn)行半實(shí)物仿真的必要前提。
半實(shí)物仿真同其它類型的仿真方法相比具有經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)更高真實(shí)度的可能性。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，半實(shí)物仿真允許在系統(tǒng)中接入部分實(shí)物，意味著可以把部分實(shí)物放在系統(tǒng)中進(jìn)行考察，從而使部件能在滿足系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的環(huán)境中得到檢驗，因此半實(shí)物仿真是提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和研制質(zhì)量的必要手段。
2.2 半實(shí)物仿真的先進(jìn)性及其特點(diǎn)
半實(shí)物仿真技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世直到目前美國研制航天飛機(jī)，始終盛行不衰。美國大多數(shù)國防項目承包商都有一個或多個半實(shí)物仿真實(shí)驗室，這些實(shí)驗室代表了當(dāng)前世界先進(jìn)水平。其先進(jìn)性體現(xiàn)在：
1) 有高速高精度的仿真機(jī)；
2) 有先進(jìn)完備的環(huán)境模擬設(shè)備。國內(nèi)半實(shí)物仿真技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)、火箭控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制等應(yīng)用研究方面也達(dá)到了較高水平。
半實(shí)物仿真的特點(diǎn)是：
1) 在回路中接入實(shí)物，必須實(shí)時運(yùn)行，即仿真模型的時間標(biāo)尺和自然時間標(biāo)尺相同；
2) 需要解決控制器與仿真計算機(jī)之間的接口問題；
3) 半實(shí)物仿真的實(shí)驗結(jié)果比數(shù)學(xué)仿真更接近實(shí)際。
2.3 半實(shí)物仿真的基本組成和原理
半實(shí)物仿真系統(tǒng)屬于實(shí)時仿真系統(tǒng)。它是一種硬件在環(huán)實(shí)時技術(shù)，把實(shí)物利用計算機(jī)接口嵌入到軟件環(huán)境中去，并要求系統(tǒng)的軟件和硬件都要實(shí)時運(yùn)行，從而模擬整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。而實(shí)時系統(tǒng)由以下幾部分組成：
1)仿真計算機(jī)
仿真計算機(jī)是實(shí)時仿真系統(tǒng)的核心部分，它運(yùn)行實(shí)體對象和仿真環(huán)境的數(shù)學(xué)模型和程序。一般來說，采用層次化、模塊化的建模法，將模塊化程序劃分為不同的速率塊，在仿真計算機(jī)中按速率塊實(shí)時調(diào)度運(yùn)行。對于復(fù)雜的大型仿真系統(tǒng)，可用多臺計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時運(yùn)行。
2)物理效應(yīng)設(shè)備
物理效應(yīng)設(shè)備的作用是模擬復(fù)現(xiàn)真實(shí)世界的物理環(huán)境，形成仿真環(huán)境或稱為虛擬環(huán)境。物理效應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑多種多樣，方案之一是采用伺服控制回路，通過伺服控制回路控制形成相應(yīng)的物理量，方案之二是在已儲存好的數(shù)據(jù)庫中搜索相應(yīng)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理量。
3)接口設(shè)備
仿真計算機(jī)輸出的驅(qū)動信號經(jīng)接口變換后驅(qū)動相應(yīng)的物理效應(yīng)設(shè)備。接口設(shè)備同時將操作人員或?qū)嵨锵到y(tǒng)的控制輸入信號饋入仿真計算機(jī)。
在仿真計算機(jī)中通過對動力學(xué)系統(tǒng)和環(huán)境的數(shù)學(xué)模型解算，獲得系統(tǒng)和環(huán)境的各種參數(shù)。對半實(shí)物仿真系統(tǒng)，這些參數(shù)通過物理效應(yīng)設(shè)備生成傳感器所需要的測量環(huán)境，從而構(gòu)成完整的閉環(huán)仿真系統(tǒng)。物理效應(yīng)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)所需要的中間環(huán)節(jié)，它的動態(tài)特性、靜態(tài)特性和時間延遲都將對仿真系統(tǒng)的置信度和精度產(chǎn)生影響，應(yīng)該有嚴(yán)格的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)要求。半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理框圖如圖2-1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理圖所示。
圖2-1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理框圖
2.4 三軸飛型轉(zhuǎn)臺與半實(shí)物仿真
三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺是進(jìn)行飛行器半實(shí)物仿真實(shí)驗的重要設(shè)備之一，其作用就是在地面上模擬飛行器在空中的動態(tài)特性和各種姿態(tài)。而隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與傳感技術(shù)為主導(dǎo)的信息技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)作為高科技、定量化的輔助研究手段，在科研、軍事等領(lǐng)域研究中發(fā)揮著越來越重要的地位。半實(shí)物仿真作為仿真技術(shù)的重要代表之一，其經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益日益凸顯，特別在武器系統(tǒng)研究、軍事裝備訓(xùn)練等重要方面有著舉足輕重的作用。同時其也廣泛的應(yīng)用于航天、電工、化工、通信，特別是軍事等領(lǐng)域方面的工程設(shè)計研究，成為現(xiàn)代高技術(shù)的代表之一。
2.5 本章小結(jié)
通過對半實(shí)物仿真的不斷了解和學(xué)習(xí)，我明白了半實(shí)物仿真對當(dāng)今世界各項科研事業(yè)所起到的重要影響，提對產(chǎn)品的不斷提高和更新有著重要作用，有了它的幫助可以大大減少產(chǎn)品更新時間，利于占領(lǐng)市場，同時也可以節(jié)省很大部分研究成本，減少人力、物、力財力的浪費(fèi)，而三軸轉(zhuǎn)臺作為半實(shí)物仿真中重要的組成部分，起到了不可替代的作用。
通過對轉(zhuǎn)臺的研究學(xué)習(xí)，我更加深刻的了解到我本次課題的意義，它對國防軍事的研發(fā)有著極為重要的作用。
第3章 三軸轉(zhuǎn)臺的概述
3.1 三軸轉(zhuǎn)臺工作原理的概述
三軸轉(zhuǎn)臺主要是根據(jù)計算機(jī)的指令，實(shí)時跟隨指令信號，控制轉(zhuǎn)臺的滾動、俯仰、航向軸系運(yùn)動，模擬姿態(tài)角位移的變化，與仿真計算機(jī)和射頻系統(tǒng)形成閉合回路。
機(jī)械系統(tǒng)由三個框架和機(jī)座組成，主要為負(fù)載提供安裝基準(zhǔn)和滾動、俯仰、航向三軸系回轉(zhuǎn)運(yùn)動。電氣系統(tǒng)主要完成轉(zhuǎn)臺的起停、轉(zhuǎn)臺監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制等功能，主要由控制臺、電控柜等組成，工作時，電氣系統(tǒng)為三軸轉(zhuǎn)臺的三個框架的驅(qū)動原件提供動力保障，使轉(zhuǎn)臺能夠驅(qū)動負(fù)載做各種運(yùn)動，完成所需要的運(yùn)動，控制系統(tǒng)根據(jù)仿真機(jī)的控制指令，經(jīng)調(diào)解后，輸出控制信號給相應(yīng)框架的驅(qū)動元。
應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺和計算機(jī)的實(shí)時通訊，記錄轉(zhuǎn)臺三個框架的角位置數(shù)據(jù)，并對實(shí)驗的各軸角位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制運(yùn)動曲線監(jiān)控各軸的運(yùn)動參數(shù)，實(shí)時進(jìn)行安全性評估進(jìn)行各軸控制率運(yùn)算，控制轉(zhuǎn)臺正確運(yùn)動。
3.2 仿真轉(zhuǎn)臺驅(qū)動原件的選擇和標(biāo)準(zhǔn)
飛行仿真轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動原件有兩大類：一類是所有框架都是由液壓馬達(dá)驅(qū)動，稱為液壓仿真轉(zhuǎn)臺，如圖3-1液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)臺所示；另一類是所有框架都是由電動機(jī)驅(qū)動，稱作電動仿真轉(zhuǎn)臺，如圖3-2電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺所示。還有的轉(zhuǎn)臺內(nèi)框由電動機(jī)驅(qū)動，中、外框由液壓馬達(dá)驅(qū)動，稱為復(fù)合驅(qū)動式仿真轉(zhuǎn)臺。本次論文所針對的三軸轉(zhuǎn)臺就是復(fù)合驅(qū)動式仿真轉(zhuǎn)臺。
3.2.1 液壓驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
1）傳動裝置重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。如相同功率的液壓馬達(dá)的體積為電機(jī)的12%~13%；
2）可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，借助閥或變量泵、變量馬達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)1:2000，并可在液壓裝置運(yùn)行的過程中進(jìn)行。
3）傳遞運(yùn)動均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時速度較平穩(wěn)；
4）液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)——借助于溢流閥等裝置，同時液壓裝置能實(shí)現(xiàn)自動潤滑因此使用壽命長；
5）由于液壓傳動是油管連接，所以借助油管的連接可以方面靈活的布置傳動機(jī)構(gòu)。借助于各種控制閥，能很容易的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循環(huán)，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
缺點(diǎn)：液壓系統(tǒng)比較容易暴露，低速性能不佳，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要配備油源等。
3.2.2 電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
1）電動機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)，而液壓馬達(dá)則不能；
2)液壓馬達(dá)需要油源而電動機(jī)則不需要。
缺點(diǎn)：功率轉(zhuǎn)換方式的效率低、體積大、大功率器件價格高又容易損壞、調(diào)制干擾嚴(yán)重等。
所以這次論文所針對的三軸轉(zhuǎn)臺，其外框、中框驅(qū)動原件采用了液壓馬達(dá)作為驅(qū)動元件，而內(nèi)框驅(qū)動原件采用了電機(jī)作為驅(qū)動元件。
3.3 驅(qū)動型式的選擇
驅(qū)型形式可以分為直接驅(qū)動和間接驅(qū)動。直接驅(qū)動是將電動機(jī)或液壓馬達(dá)的輸出軸直接和轉(zhuǎn)臺框架軸固連，其優(yōu)點(diǎn)是有利于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度，主要缺點(diǎn)是其低速性能主要取決于驅(qū)動原件本身的低速性能。間接驅(qū)動是將電動機(jī)或液壓馬達(dá)的輸出軸經(jīng)過齒輪減速之后在于框架固連，其優(yōu)點(diǎn)是;1)可以提高系統(tǒng)的超低速性能；2)可以利用小的力矩電動機(jī)驅(qū)動大的負(fù)載力矩。但其缺點(diǎn)是由于齒輪嚙合間隙以及齒面磨損后的精度的喪失等問題影響系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，所以當(dāng)前國內(nèi)外大多數(shù)采用的都是直接驅(qū)動型式。
電機(jī)驅(qū)動常見的電動機(jī)是力矩電動機(jī)和直流伺服電動機(jī)。力矩電動機(jī)允許轉(zhuǎn)速低，可直接與框架連接形成直接驅(qū)動。但當(dāng)驅(qū)動力矩增大時，其允許的最高轉(zhuǎn)速也降低，所以當(dāng)框架最大轉(zhuǎn)速較高時不宜選用力矩電動機(jī)，而采用直流伺服電動機(jī)經(jīng)齒輪驅(qū)動的方案。但直流伺服電動機(jī)的軸向尺寸較大，不宜用于轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框、中框軸的驅(qū)動。
近年來，已經(jīng)研究出一種直流無刷電動機(jī)，它具有力矩電動機(jī)的調(diào)速也行而且調(diào)速范圍也很大，可用于直接驅(qū)動，是一種很有發(fā)展前途和研發(fā)前景的驅(qū)動元件，對轉(zhuǎn)臺的研發(fā)設(shè)計也必將產(chǎn)生根本的影響。
圖3-1 電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺AC3337
圖3-2 液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)臺HD7736
3.4 本章小結(jié)
通過對三軸轉(zhuǎn)臺的不斷深入學(xué)習(xí)，讓我對三軸轉(zhuǎn)臺的工作原理有了大體的了解，對比液壓馬達(dá)和電動機(jī)最為驅(qū)動元件的各項優(yōu)缺點(diǎn)，我也深刻的理解了本次課題中所涉及的轉(zhuǎn)臺對驅(qū)動元件的考量，每種驅(qū)動元件都有著自己不同的優(yōu)點(diǎn)和不足，所以我們要結(jié)合自身的性能要求，來綜合考量，只有滿足性能要求的驅(qū)動原件才能使轉(zhuǎn)臺在各種環(huán)境下都能正常工作，而在轉(zhuǎn)臺運(yùn)作過程中，對各項參數(shù)都有著很精確的要求，這就要求我們要仔仔細(xì)細(xì)地考慮各部分工作配合情況，只有最適合的配合才能達(dá)到完美的工作狀況，所以轉(zhuǎn)臺的各部分的選擇都很重要，不能有半點(diǎn)馬虎大意。
第4章 驅(qū)動元件試驗場地
4.1 實(shí)驗室地基
驅(qū)動元件試驗要在實(shí)驗室進(jìn)行，而基座的固定要使用到現(xiàn)有實(shí)驗室地基的T型槽，經(jīng)過和老師們的商量分析，決定使用實(shí)驗室中一塊長方形的地基來完成驅(qū)動元件的試驗，該地基如圖4-1 長型地基所示。
圖4-1 長型地
4.2 儲能器
儲能器的作用是：1）短期內(nèi)大量供油；2）系統(tǒng)保壓；3）應(yīng)急能源；4）緩和沖擊壓力；5）吸收脈動壓力。在外框馬達(dá)和中框馬達(dá)試驗時需要油源來提供壓力油，由于本次試驗所需壓力油流量較大，而實(shí)驗室并沒有滿足要求的儲能器，所以需要將現(xiàn)有的兩個儲能器連接到一起，來保證試驗時所需要的足夠壓力及流量。如圖4-2 儲能器所示。
圖4-2 儲能器
4.3 實(shí)驗室整體建模
在本次驅(qū)動元件試驗中，試驗場地為實(shí)驗室A區(qū)，所以在做試驗之前需要對實(shí)驗室現(xiàn)有狀況有所了解，則需對實(shí)驗室進(jìn)行建模，了解各個關(guān)鍵部分尺寸大小和所在位置關(guān)系，以來劃分試驗時各個不同的工作區(qū)域，并進(jìn)行必要的清場處理，而且實(shí)驗室的環(huán)境狀況還關(guān)系到后面對試驗時管路的設(shè)計及布線的要求都有著重要的影響。如圖4-3 實(shí)驗室整體模型。
圖4-3 實(shí)驗室整體模型
4.4 本章小結(jié)
在本次試驗的最開始階段，首先是對試驗的具體進(jìn)程有了一定的了解，明白了本次試驗要完成所需要的各種各樣的條件，第一方面就是試驗場地的要求，像是試驗時馬達(dá)基座的連接擺放問題，試驗時外框馬達(dá)、中框馬達(dá)所需要的油源流量及壓力要求，而本次試驗是在實(shí)驗室進(jìn)行的，就需要對實(shí)驗室有總體的了解，包括其中現(xiàn)有各物件的形狀尺寸、所占相對位置關(guān)系等，要保證試驗時實(shí)驗室中現(xiàn)有物件不與本次試驗發(fā)生干涉，不然為保證試驗的順利進(jìn)行就需要進(jìn)行清場處理。在這次對實(shí)驗室建模過程中，我不僅對Inventor的使用有了更深層的了解，也進(jìn)一步訓(xùn)練了我的實(shí)際動手能力，實(shí)驗室中各物件尺寸、相對位置關(guān)系都需要我動手去測量，特別是對T型槽的建模過程中，因為我要在其上面安裝基座，所以就對T型槽的各種尺寸有著很嚴(yán)格的要求，通過這次的學(xué)習(xí)，我深深的明白了理論設(shè)計要想獲得成功一定不能離開實(shí)際的考量。
第5章 外框馬達(dá)單通道實(shí)驗方案
三軸飛行轉(zhuǎn)臺由外框、中框和內(nèi)框組成，其中外框的驅(qū)動原件選擇的是液壓馬達(dá)，為保證三軸飛型轉(zhuǎn)臺的各項要求，現(xiàn)需對馬達(dá)進(jìn)行測試。
5.1 試驗環(huán)境
1)外框軸系質(zhì)量2374kg；
2)外框軸系轉(zhuǎn)動慣量981kgm2；
3)偏載質(zhì)量545kg，偏載質(zhì)心距三軸交點(diǎn)距離570mm。
5.2 馬達(dá)受力計算
單個馬達(dá)承重1187kg、負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量490.5kgm2、偏載質(zhì)量272.5kg、偏載質(zhì)心距離三軸交點(diǎn)距離570mm。
壓軸力
F=PS=8450000×0.265×(0.625+0.345)/2=1086666N （5-1）；
壓軸力彎矩（兩軸承跨距678mm）
T1=0.678/2×F=368379N （5-2）；
負(fù)載重力彎矩（軸端距前端軸承313mm）
T2=0.313×1187×9.8=3641N （5-3）；
偏載力彎矩
偏載力
F2=m×a=272.5×8000/57.3×0.57=21685.6N （5-4）；
偏載力矩
T2=F×l=6787.6Nm （5-5）；
5.3 負(fù)載盤設(shè)計
5.3.1 設(shè)計條件
負(fù)載盤設(shè)計考慮通用性和擴(kuò)展性。設(shè)計的負(fù)載盤除了滿足本次軸頸280mm負(fù)載模擬外還要滿足軸頸300mm時的要求。
1)45鋼抗拉強(qiáng)度按600MPa設(shè)計。
按軸頸300mm脹套外徑375mm，傳遞力矩100000Nm計算套筒厚度＞30mm,這里取套筒外徑為455mm；
2)負(fù)載盤滿足轉(zhuǎn)動慣量490.5 kgm2；
3)負(fù)載盤質(zhì)量1187kg±10%；
4)偏載質(zhì)心距離三軸交點(diǎn)距離570mm附近；
5)一面加入部分加強(qiáng)筋提高負(fù)載盤剛度（考慮實(shí)現(xiàn)難度，本條去掉）。
5.3.2 偏載件
1)質(zhì)量157.6×2kg；
2)中心外側(cè)偏移三軸交點(diǎn)590mm，內(nèi)側(cè)偏移三軸交點(diǎn)651mm；
3)對軸轉(zhuǎn)動慣量127.60kgm2
則偏載件的設(shè)計如圖5-1 偏載件的結(jié)構(gòu)設(shè)計所示。
圖5-1 偏載件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.3.3 負(fù)載盤
采用輪轂與盤片連接形式，質(zhì)量759.48kg，對軸轉(zhuǎn)動慣量260.53kgm2，尺寸：盤面外徑1700mm、厚40mm，如圖5-2 外框負(fù)載盤所示。
圖5-2 外框負(fù)載盤
環(huán)形負(fù)載質(zhì)量159.52kg，轉(zhuǎn)動慣量102.37kgm2；
尺寸：內(nèi)徑1498mm、外徑1700mm、厚40mm，如圖5-3 外框負(fù)載盤配重所示。
圖5-3 外框負(fù)載盤配重
5.3.4 負(fù)載總成
負(fù)載盤、環(huán)形負(fù)載、輪轂、偏載件通過螺釘固定在一起，如圖5-4 外框負(fù)載盤總成所示。
圖5-4 外框負(fù)載盤總成
5.4 底座
采用在兩個現(xiàn)有基座改造后上加一安裝板連接方式來實(shí)現(xiàn)外框驅(qū)動試驗。安裝板如圖5-5 外框馬達(dá)試驗安裝板結(jié)構(gòu)圖所示，座在兩個改造后的小基座上。兩個小基座固定在實(shí)驗室現(xiàn)有地基上，改造后的兩個基座如圖5-6 改造后兩個基座所示，需要加工4×Φ25的固定孔，并在底座側(cè)面銑長580mm寬100mm深3mm的兩個長條固定彎板面，并在其上鉆4×M20的螺紋孔，用來固定彎板，固定彎板如圖5-7 外框馬達(dá)單通道試驗固定彎板結(jié)構(gòu)圖所示。
圖5-5 外框馬達(dá)試驗安裝板結(jié)構(gòu)圖
圖5-6 改造后兩個基座
圖5-7 外框馬達(dá)單通道試驗固定彎板結(jié)構(gòu)圖
5.5 外框驅(qū)動元件試驗結(jié)構(gòu)
試驗是通過把外框馬達(dá)固定在安裝板上，而安裝板固定在兩個底座上，底座是通過T型塊、地角螺柱、墊鐵、壓板來實(shí)現(xiàn)固定的。馬達(dá)軸與外框負(fù)載盤之間通過脹套連接并固定，且外框馬達(dá)試驗需要油源，則需要結(jié)合實(shí)驗室現(xiàn)有管路設(shè)計管路的走向及管道的固定，如圖5-8 外框馬達(dá)單通道試驗安裝結(jié)構(gòu)圖所示。
圖5-8 外框馬達(dá)單通道試驗安裝結(jié)構(gòu)圖
5.6 本章小結(jié)
通過具體的計算給出了外框負(fù)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計，剛開始設(shè)計的外框負(fù)載是通過焊接，來使各零件組合到一起的，但后來在跟老師的商討后，覺得還是通過螺釘來連接固定，其負(fù)載件要滿足質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)性慣量的要求，特別是偏載件的要求，而在考慮實(shí)驗時外框馬達(dá)的固定時，根據(jù)實(shí)驗室現(xiàn)有基座的情況進(jìn)行的選擇，實(shí)驗室現(xiàn)有基座有長條型和兩個方型的基座，長條型基座因與馬達(dá)上閥塊發(fā)生干涉而不用，兩個方型基座也得經(jīng)過改造，特別是上面有一些以前留下的鉆孔，需要考慮避開，防止發(fā)生干涉現(xiàn)象，影響固定效果，負(fù)載與外框馬達(dá)軸用脹套來連接固定。
根據(jù)實(shí)驗室T型槽情況，設(shè)計用T型塊、遞交螺柱、墊鐵壓板來把基座固定在實(shí)驗室地面上，根據(jù)現(xiàn)有T型塊情況選擇地腳螺柱為M22，實(shí)驗時外框馬達(dá)需要油源來提供壓力油，根據(jù)閥塊上壓力油口和回油口等綜合考慮。決定使用最外側(cè)兩個口，而中間兩個口需要設(shè)計擋板堵死，這樣就能比較方便的接管，根據(jù)實(shí)驗室現(xiàn)有軟管情況，設(shè)計油路需要硬管和軟管配合使用，且硬管需要用管夾來固定。
第6章 中框馬達(dá)與內(nèi)框電機(jī)試驗
6.1 中框馬達(dá)試驗
6.1.1 試驗環(huán)境
1.）中框軸系質(zhì)量545kg，每個馬達(dá)272.5kg；
2.）外框軸系轉(zhuǎn)動慣量260kgm2，每個馬達(dá)130 kgm2；
3.）偏載質(zhì)心距三軸交點(diǎn)距離570mm。
6.1.2 模擬負(fù)載
質(zhì)量：285.824kg；
質(zhì)心距轉(zhuǎn)軸距離：570.283mm；
繞軸線轉(zhuǎn)動慣量
J=37.246+285.824×0.570282=130.20 kgm2。 （6-1）；
為測量馬達(dá)各個性能指標(biāo)，對中框負(fù)載件設(shè)計如圖6-1 中框負(fù)載見所示。
圖6-1 中框馬達(dá)單通道負(fù)載結(jié)構(gòu)圖
6.1.3 底座
使用現(xiàn)有的底座，但須經(jīng)過改造（需在底座上加工4×M16螺紋孔），并在底座上加一改造后的彎板，為配合彎板后加工孔的位置需要在基座上再加工出四個螺紋孔，如圖5-6 改造后的兩基座所示。
6.1.4 安裝彎板
使用原有彎板改造，并進(jìn)行改造（底板加工四個沉頭孔）并加工原有馬達(dá)安裝孔，如圖6-2 中框馬達(dá)單通道試驗彎板結(jié)構(gòu)圖所示。
圖6-2 中框馬達(dá)單通道試驗彎板結(jié)構(gòu)圖
6.2 內(nèi)框電機(jī)試驗
6.2.1 模擬負(fù)載
三種模擬負(fù)載分別為：
a) 70kg，1.4 kgm2；
b) 50kg，1.0 kgm2；
c) 25kg，0.5 kgm2。
6.2.2 電機(jī)的安裝及固定
內(nèi)框電機(jī)安裝在改造后的底座圓形孔中，通過16×M12內(nèi)六角螺釘固定，并進(jìn)行立式和臥式兩種方式的測試，在立式試驗時需要設(shè)計限位支架如圖6-3 內(nèi)框定塊限位支架所示，底座通過T型塊、地角螺柱、墊鐵、壓板固定在實(shí)驗室基座上。
圖6-3 內(nèi)框定塊限位支架
6.3 中框馬達(dá)和內(nèi)框電機(jī)試驗
在做三軸飛行轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件試驗時，中框馬達(dá)試驗是通過把中框馬達(dá)安裝在改造后的彎板馬達(dá)安裝孔內(nèi)，并用12×M16內(nèi)六角螺釘進(jìn)行固定，把彎板固定在改造后的底座上，中框負(fù)載件與中框馬達(dá)軸通過脹套連接固定，底座通過T型塊、地角螺柱、墊鐵、壓板固定在實(shí)驗室基座上，所需壓力油管和回油管通過管夾固定在基座上。內(nèi)框電機(jī)實(shí)驗需要做立式與臥式兩種情況，電機(jī)安裝在基座孔中，基座經(jīng)過改造滿足電機(jī)安裝要求，基座通過T型塊、地腳螺柱、墊鐵、壓板固定在實(shí)驗室地面上，而且內(nèi)框電機(jī)在立式實(shí)驗時需要進(jìn)行定塊的撞擊試驗，所以需要設(shè)計定塊限位支架來吧定塊支起來，支架應(yīng)該滿足剛度等要求并不能與電機(jī)發(fā)生干涉現(xiàn)象。
并且中框馬達(dá)試驗與內(nèi)框電機(jī)試驗除了單個要測試性能外，還需要測試中框馬達(dá)和內(nèi)框電機(jī)協(xié)同配合能力，所以就需要在擺放中框馬達(dá)、內(nèi)框電機(jī)時負(fù)載件運(yùn)動不能發(fā)生干涉現(xiàn)象。如圖6-4 中框馬達(dá)和內(nèi)框電機(jī)試驗結(jié)構(gòu)圖所示。
圖6-4 中框馬達(dá)和內(nèi)框電機(jī)試驗結(jié)構(gòu)圖
6.4本章小結(jié)
在設(shè)計中框馬達(dá)單通道實(shí)驗的時候，考慮實(shí)驗室現(xiàn)有情況，借助基座、彎板的改造來實(shí)現(xiàn)中框馬達(dá)的固定，彎板的改造只需要在原有馬達(dá)安裝孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)孔，已達(dá)到馬達(dá)的安裝要求，并在基座現(xiàn)有孔的基礎(chǔ)上加工四個螺紋孔來固定彎板，而基座和實(shí)驗室地面的固定也是通過T型塊、地腳螺柱、墊鐵、壓板來實(shí)現(xiàn)基座的固定，中框負(fù)載件是一個整體的件經(jīng)過加工來實(shí)現(xiàn)工作要求的，其與馬達(dá)軸間是通過脹套來實(shí)現(xiàn)連接固定的。同時中框馬達(dá)實(shí)驗也需要油源的供油，硬管連接油口并通過管夾固定在基座上，然后通過軟管與分油塊連接在一起。
結(jié) 論
在本次試驗中我所負(fù)責(zé)的主要工作有對試驗場地的整體建模，包括試驗場地中的現(xiàn)有各物件的形狀尺寸、相對位置關(guān)系等，并設(shè)計外框馬達(dá)試驗結(jié)構(gòu)，包括兩個基座的改造、臺架鋼板、負(fù)載件和試驗所需的各種附件，設(shè)計試驗時馬達(dá)與油源間管路的連接與固定。設(shè)計中框馬達(dá)試驗結(jié)構(gòu)，包括基座、彎板的改造、負(fù)載件的設(shè)計、馬達(dá)與油源間管路的連接形式等。內(nèi)框電機(jī)試驗時，基座的改造及做定塊撞擊試驗時限位支架的設(shè)計。
我所做的工作是保證本次驅(qū)動元件試驗?zāi)茼樌M(jìn)行下去的保證，是試驗的基本組成部分。在試驗場地做試驗時，需要保證試驗時不與場地內(nèi)其他物件發(fā)生干涉現(xiàn)象，馬達(dá)試驗需要提供油源，而馬達(dá)與油源間需要通過管路來連接，管路不能發(fā)生震動，就需要進(jìn)行必要的固定，這都是本次試驗所要考慮的。
在這次試驗中，存在著一些不足之處，像對基座沒有完全按照實(shí)際物件來建模，就造成后期改造過程中出現(xiàn)偏差，有些設(shè)計脫離了實(shí)際，只能滿足理論要求而沒有考慮實(shí)際加工難度，就造成了一些設(shè)計產(chǎn)品并沒有滿足本次試驗要求。
致 謝
在本論文即將完成之時，謹(jǐn)向所有給予我關(guān)心、幫助和支持的老師、同學(xué)們致以我最真摯的謝意，感謝你們在這段時間對我的關(guān)心和照顧，讓我受益匪淺。
首先，感謝我的導(dǎo)師董彥良老師，他對工作的嚴(yán)謹(jǐn)要求、廣博的專業(yè)識和工作作風(fēng)是我學(xué)習(xí)的榜樣。無論在畢業(yè)設(shè)計還是生活中遇到什么樣的問題他都會耐心地給我講解和指導(dǎo)，讓我對自己的專業(yè)知識有了一次總體的了解和學(xué)習(xí)，所以，在這里我向董彥良老師致以我最真摯的謝意。
另外，吳盛林教授在我做畢業(yè)設(shè)計的過程中，給予了精心的指導(dǎo)，吳盛林老師對我的每次指導(dǎo)都是隨我不斷的的鞭策和前進(jìn)的動力，每次遇到問題我都會首先找到吳老師，而每次老師都會對我耐心的指導(dǎo)讓我學(xué)習(xí)到了很多知識。
再次，感謝張彪老師的精心教悔，設(shè)計上的熱心指導(dǎo)，一絲不茍的作風(fēng)加深了我對本次課題研究的深入理解。
還有，感謝李晨光老師在設(shè)計過程中的耐心指導(dǎo)和幫助，使我明白了對待科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹匾?，還有對于專業(yè)知識的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化的重要性，而且也讓我第一次從生產(chǎn)的角度進(jìn)行研究及考慮問題。
此外感謝所有老師在這段期間給予我的無私幫助，學(xué)生在這里向各位老師表以最高的敬意和由衷的感謝。
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附錄1
轉(zhuǎn)臺廣泛應(yīng)用十航空、航天、兵器、航海等領(lǐng)域，有各種不同的類型和用途。本文所研究的二軸轉(zhuǎn)臺與可見光目標(biāo)模擬器一起構(gòu)成可見光目標(biāo)模擬檢測系統(tǒng)，用以完成導(dǎo)引頭裝前測試?？梢姽饽繕?biāo)模擬器模擬產(chǎn)生電視導(dǎo)引頭在測試和試驗過程中所需的各種目標(biāo)，由二軸轉(zhuǎn)臺帶動目標(biāo)模擬器形成滿足導(dǎo)引頭要求的圖像視場及目標(biāo)運(yùn)動特性，作為導(dǎo)引頭測試的模擬目標(biāo)。可見，二軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣對能否成功地完成導(dǎo)引頭的性能測試和檢驗有重要的影響。
1.1 轉(zhuǎn)臺控制算法概述
本文所研究的二軸轉(zhuǎn)臺，包括方位軸和俯仰軸，每一軸的控制通常采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即由內(nèi)到外依次是速度環(huán)和位置環(huán)。速度環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的剛度來抑制系統(tǒng)的非線性及外部擾動，控制系統(tǒng)的精度由位置環(huán)來保證。從控制律的類型來看，速度環(huán)通常采用pi控制，采用模擬方式實(shí)現(xiàn)。種類繁多的控制算法多數(shù)在位置環(huán)實(shí)現(xiàn)。其是轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的核心，是影響轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。
從模擬控制系統(tǒng)開始，到數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)及計算機(jī)控制系統(tǒng)的長期發(fā)展過程中，形成了許多行之有效的控制方法。從它們的發(fā)展過程和應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，大體可分為二類:傳統(tǒng)控制策略，現(xiàn)代控制策略和智能控制策略人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的一個主要分支。它是一些科學(xué)家從模仿人腦神經(jīng)細(xì)胞的組成、結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理出發(fā)，提出的一套思想方法。其目的在于研究一種新的理論，實(shí)現(xiàn)一種新的系統(tǒng)使之能夠完成人腦的功能[[12,13]。盡管在理論和應(yīng)用方面還存在很多不足之處，但它的出現(xiàn)卻給遇到挑戰(zhàn)的自動控制帶來了新的生機(jī)和曙光。
1.2 模糊控制的發(fā)展
從1965年美國著名控制論學(xué)者L. A. Zadeh發(fā)表開創(chuàng)性論文，首次提出一種完全不同十傳統(tǒng)數(shù)學(xué)與控制理論的模糊集合理論以來，模糊集和模糊邏輯理論迅速發(fā)展，形成了一門完善的數(shù)學(xué)理論。1974年E. H. Mamdani首次將模糊控制理論應(yīng)用十蒸氣機(jī)及鍋爐的控制，取得了優(yōu)十常規(guī)調(diào)節(jié)器的控制品質(zhì)，從此，模糊控制誕生了。模糊控制理論和技術(shù)變成智能控制領(lǐng)域最活躍的學(xué)科之一，受到廣泛地重視和發(fā)展，并取得了有目共睹的成就。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，控制對象的非線性和不確定性增強(qiáng)，使得現(xiàn)代控制的數(shù)學(xué)建模困難，控制效果不佳，甚至無能為力，使傳統(tǒng)的控制理論面臨嚴(yán)峻的考驗，模糊控制理論的崛起為這些問題的解決開辟了新的途徑，尤其在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中。在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中，被控對象通常具有非線性、時變以及種類繁多的干擾，使得常規(guī)控制方法無法獲得滿意的控制效果。模糊控制是傳統(tǒng)控制發(fā)展的高級階段，模糊控制具有不依賴十系統(tǒng)模型、學(xué)習(xí)過程短、良好的實(shí)時性，并具有自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)強(qiáng)的特點(diǎn)。從學(xué)術(shù)角度來看，采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的精確控制，具有一定的學(xué)術(shù)價值;從工程角度來看，將模糊控制方法應(yīng)用到伺服系統(tǒng)中，為伺服系統(tǒng)控制器的設(shè)計提供了一種新的思路和方法，為研制高性能的、多功能的伺服系統(tǒng)開辟了一條道路，預(yù)示著模糊算法在伺服系統(tǒng)中必定有著廣闊的應(yīng)用前景。
轉(zhuǎn)臺是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，本身存在著許多不利十控制系統(tǒng)設(shè)計的因素，并不是通過簡單的線性模型就可以完整、準(zhǔn)確的描述。作為轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)訓(xùn)一者，一方面要對轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)中的種種不利影響有著清醒的認(rèn)識，在控制系統(tǒng)設(shè)計中盡量削弱其對控制器的影響;另一方面要考慮研究和采用更為先進(jìn)的控制方案。在這種情況下，模糊控制理論在轉(zhuǎn)臺上的應(yīng)用進(jìn)行研究和實(shí)驗就有其實(shí)際的工程意義和切實(shí)的理論背景。
1.3 驅(qū)動元件的確定
目前，轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動方式基本上都采用直接驅(qū)動方式，驅(qū)動組件主要由兩大類:即電動機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動。轉(zhuǎn)臺則可以根據(jù)其所采用的驅(qū)動組件分為二類:一類是所有框架均由電動機(jī)驅(qū)動，稱為電動轉(zhuǎn)臺;另一類是所有框架均由液壓馬達(dá)驅(qū)動，稱為液壓轉(zhuǎn)臺;還有一類是各框架分別采用不同的驅(qū)動組件，例如，內(nèi)框架由電動機(jī)驅(qū)動，中、外框架利用液壓馬達(dá)驅(qū)動，稱為復(fù)合驅(qū)動轉(zhuǎn)。
由于液壓馬達(dá)存在驅(qū)動轉(zhuǎn)角范圍小，配套設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)困難，危險性大等缺點(diǎn)，因此，在指標(biāo)允許的情況下轉(zhuǎn)臺大多采用電動機(jī)直接驅(qū)動。與液壓馬達(dá)相比，電動機(jī)具有可連續(xù)回轉(zhuǎn)、安裝方便、使用及維護(hù)簡單等優(yōu)勢。針對現(xiàn)有的直流力矩電機(jī)存在的最高轉(zhuǎn)速小、力矩波動大、電刷引起的火花干擾、摩擦力矩及電刷維護(hù)等諸多問題，交流永磁同步電機(jī)逐漸被使用到轉(zhuǎn)臺驅(qū)動中。
電動機(jī)驅(qū)動是轉(zhuǎn)臺驅(qū)動組件的發(fā)展趨勢。為了滿足整個伺服系統(tǒng)工作性能指標(biāo)的要求，必須對系統(tǒng)的相關(guān)部件進(jìn)行精心的選擇，使由它們所組成的整個系統(tǒng)能夠合理地運(yùn)行。系統(tǒng)中比較重要的部件包括有伺服電機(jī)，減速器和位置檢測組件，下面具體對相應(yīng)的部件進(jìn)行選擇。
1.4 電機(jī)的選擇
轉(zhuǎn)臺執(zhí)行電機(jī)的選擇除要滿足功率要求外，還要考慮以下要求:
(1)靈活方便的位置控制，定位準(zhǔn)確精度高;
(2)可靠性好;
(3)方便計算機(jī)控制;
(4)響應(yīng)快，換向性能好;
(5)能長時間連續(xù)工作不需要維護(hù)。
常用的伺服電機(jī)有二類:直流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)。
1.5 轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計
轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計為包括速度環(huán)和位置環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，雙環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則:首先，在對系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析時，根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和外環(huán)對內(nèi)環(huán)的設(shè)計要求，從外環(huán)到內(nèi)環(huán)逐步確定各環(huán)的性能指標(biāo)要求;然后，在進(jìn)行系統(tǒng)各環(huán)控制器設(shè)計時，從內(nèi)環(huán)開始，根據(jù)系統(tǒng)對每一環(huán)的性能要求和環(huán)路固有特性，設(shè)計各個環(huán)路的控制器。設(shè)計過程為，從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展，在對任一環(huán)進(jìn)行設(shè)計時，為簡化設(shè)計，其內(nèi)環(huán)可以適當(dāng)簡化為較為簡單的形式。在這里，首先設(shè)計速度環(huán)，然后設(shè)計位置環(huán)，在設(shè)計位置環(huán)時，為了簡化位置環(huán)的設(shè)計，將速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)簡化為慣性環(huán)節(jié);最后根據(jù)位置反饋設(shè)計結(jié)果設(shè)計位置環(huán)控制器。根據(jù)系統(tǒng)帶寬要求，俯仰軸控制系統(tǒng)位置環(huán)帶寬要求為不大。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)字仿真研究的結(jié)果和以往工程設(shè)計經(jīng)驗，在臺體諧振頻率足夠高、電機(jī)驅(qū)動能力充分的情況下，位置加控制裝置校正后的系統(tǒng)的跟蹤帶寬與無控制器校正時的系統(tǒng)的帶寬的一半相當(dāng)，也就是說，若無控制器的位置系統(tǒng)的頻帶寬度，那么加入控制器后，系統(tǒng)的跟蹤帶寬可以達(dá)到。按照上述進(jìn)行考慮，將俯仰軸位置環(huán)的最大帶寬設(shè)計大約為63rad/s(6.28 rad/s )。一般情況下閉環(huán)系統(tǒng)帶寬約為系統(tǒng)開環(huán)截止頻率的1.5倍，由此可選擇位置環(huán)開環(huán)截止頻率最大為42rad/s。為減少速度回路對位置回路的影響，將速度環(huán)的開環(huán)截止頻率確定為位置環(huán)反饋系統(tǒng)開環(huán)截止頻率的3倍，因此選擇速度環(huán)開環(huán)截止頻率最大為126rad/s。
1.6 Pm控制
經(jīng)典Pm控制