【文章內(nèi)容簡介】 器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數(shù)學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標志性象征。１．搖擺臺可以在要求的工作范圍內(nèi)和動態(tài)滿載條件下實現(xiàn)偏航、縱搖、橫搖三個轉(zhuǎn)動自由度的單軸搖擺運動和復合搖擺運動。２．重型搖擺試驗臺可以其在靜態(tài)滿載的情況下，運動到其工作范圍內(nèi)的任意角度并且保持靜止狀態(tài)。，呈現(xiàn)下平臺安裝在地面的固定基座基上，上平臺為支撐平臺。在運動狀態(tài)下，它由六支油缸，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六只油缸的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，可以在有限范圍內(nèi)進行周期性隨意性的運動。，進行自我檢查，和多重安全保護裝置。，臺體可以鎖定。６．應具有足夠的強度和剛度，布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊。７．應具有良好的傳動性能、工作要可靠、維護要方便。三自由度搖擺試驗臺在滿足上述功能的同時，還有具體的性能指標和工作指標，如表２—１、２—２所示。三自由度搖擺試驗臺主要由機械臺體、動力系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)等組成。機械臺體機械臺體是三自由度搖擺試驗臺的本體結(jié)構(gòu)，機械臺體起到承載被測試件，實現(xiàn)縱、橫向、偏航三個自由度的搖擺運動功能。機械本體結(jié)構(gòu)的設計也是本文的工作重點。動力系統(tǒng)理論上三自由度并聯(lián)搖擺試驗臺的驅(qū)動方式可以有多種，對于小負載、低頻響的搖擺臺，采用電機驅(qū)動方案較佳；而對那些大負載、高頻晌的仿真搖擺臺，采用液壓驅(qū)動為宜。由于三自由度搖擺試驗臺的負載重量大且精度高，故采用液壓系統(tǒng)作為動力源。搖擺臺的液壓系統(tǒng)主要包括泵站、液壓缸、伺服閥、油路、供油環(huán)等組成。電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)主要是通過計算機根據(jù)設定的工作曲線及油缸的輸出位移和速度，計算出ＰＷＭ控制信號，經(jīng)功率放大后，驅(qū)動伺服液壓閻，實現(xiàn)對液壓缸的速度控制及位置控制。它屬于三自由度搖擺試驗臺的控制環(huán)節(jié)，本文不作具體研究。本設計的最大特點就是搖擺試驗臺在運動過程中，他會自我進行周期性的自檢工作，在運動情況下，系統(tǒng)會通過傳感器傳回來的數(shù)據(jù)進行分析比較，進而檢查出試驗臺的運行情況，如系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)緊急情況，系統(tǒng)也在軟件和硬件上提出了改進措施，比如說在緊急情況下會通過發(fā)出警報來通知人員進行機器的緊急停止，搖擺試驗臺也設置有急停按鈕，一旦發(fā)生緊急情況，系統(tǒng)會自動切斷，并停止工作，切斷油泵。而且在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，將不在接受任何指令，知道系統(tǒng)工作結(jié)束。在啟動前，系統(tǒng)也會自動模擬輸入?yún)?shù)來分析檢查工作。三自由度重型搖擺試驗臺的自由度分配如圖２－１所示。六自由度平臺系統(tǒng)由Stewart機構(gòu)的六自由度運動平臺、計算機控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等組成。下平臺安裝在地面的固定基座基上，上平臺為支撐平臺。計算機控制系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制電動缸的行程，實現(xiàn)運動平臺的六個自由度的運動，即笛卡爾坐標系內(nèi)的三個平移運動和繞三個坐標軸的轉(zhuǎn)動。如何使搖擺試驗臺平穩(wěn)安全的運行，是設計的一大問題之一。但是經(jīng)過不懈的努力，最終還通過急停按鈕來緊急切斷油泵，使機器緊急停止。是設計出了搖擺試驗臺的安全自檢系統(tǒng)，在系統(tǒng)啟動之前會自動輸入?yún)?shù)來進行自檢，如果出現(xiàn)意外緊急情況，系統(tǒng)設置有急停按鈕，工作人員可以。，但是這種結(jié)構(gòu)也存在些缺點。由于載荷質(zhì)量大，完全采用液壓缸束支撐對液壓缸的剛度要求較高；通過改變不同液壓缸行程的組合來實現(xiàn)三個自由度使得控制實現(xiàn)較為困難：另外，這種結(jié)構(gòu)不能直接測量各自由度的角度變化。因此考慮搖擺試驗臺的每個自由度由單獨液壓缸驅(qū)動來實現(xiàn)，并且采用雙層結(jié)構(gòu)，其設計方案原理如圖２—２所示，采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)。三自由度搖擺試驗臺的機械本體包括上、下臺面、鋼絲球軸承、十字軸、支座、底座等組成。搖擺試驗臺的外形設計結(jié)構(gòu)也別具一格，他的支架提供了穩(wěn)定的支撐，使其重心平穩(wěn)。在搖擺臺進行各個角度運動或靜止時，提供穩(wěn)定系統(tǒng)。首先，用戶輸入期望的運動參數(shù)（運動平臺位姿、速度或加速度），如X向正弦運動。該運動參數(shù)傳輸給運動控制計算機，運動計算機通過運動學反解計算出六個電動缸的運動參數(shù)（電動缸位移量）；然后，運動計算機根據(jù)六支電動缸運動參數(shù)和六個電動缸的位移反饋量，驅(qū)動六個伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)六個電動缸閉環(huán)位置控制，使六個電動缸達到所要求的位移量，那么運動平臺也就達到了所期望的運動姿態(tài)。被測試件固定在上臺面上，這樣只要使上臺面進行三自由度擺動就可以帶動試件進行擺動了。上臺麗通過鋼絲球軸承與下臺面連接并可以相對轉(zhuǎn)動，偏航液壓缸的缸體、缸桿分別連接在卜、下臺而上，這樣通過缸桿的伸縮運動就可以帶動上臺面相對下臺面進行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)上臺面的偏航運動。上、下臺面之間只有相對轉(zhuǎn)動，故只要推動下臺面進行橫搖和縱搖擺動，上臺面就會隨著下臺面一同擺動。根據(jù)搖擺臺的功能要求，下臺面要實現(xiàn)單軸方向擺動和橫搖、縱搖的復合運動，采用十字軸的連接支撐方式。出于橫搖、縱搖兩個自由度位置關(guān)系的限制，十字軸設計成兩軸不同長度的形式，長軸端通過軸承與下臺面連接，短軸端通過軸承與支座連接。下臺面的四個支點與液壓缸的缸桿通過關(guān)節(jié)軸承連接，缸體通過關(guān)節(jié)軸承與底座連接，四個液壓缸兩兩對稱放置。與長軸端在‘直線的兩個液壓缸一推一拉驅(qū)動下臺面繞短軸線擺動’實現(xiàn)縱搖運動；同理，與短軸端在一直線的兩個液壓缸一推一拉驅(qū)動下臺面繞長軸線擺動，實現(xiàn)橫搖運動；十字軸回轉(zhuǎn)中心與四個關(guān)節(jié)軸承的回轉(zhuǎn)中心在同一個平面內(nèi)，這樣在兒何關(guān)系上保證了驅(qū)動橫搖、縱搖的兩兩液壓缸能夠同步工作，并且四個液壓缸可以實現(xiàn)聯(lián)動，最終實現(xiàn)三自由度搖擺試驗臺的性能要求。一般來說我們利用液壓系統(tǒng)來作為搖擺試驗臺的動力源，采用液壓系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（１）液壓系統(tǒng)的工作性質(zhì)是通過液壓管內(nèi)的液壓油來進行運動，液壓油也是系統(tǒng)工作必須檢查的部分，也存在很大的安全隱患。（２）液壓系統(tǒng)的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單、空間占用體積較少、承載能力較大、對于過載保護來說易于實現(xiàn)。（３）驅(qū)動平穩(wěn)、安全可靠、噪聲小、輸出剛度高。 液壓剛的工作在系統(tǒng)運行狀態(tài)下各個支架的壓力，可以在一定程度上確定液壓缸的工作壓力，除此之外，還需要綜合考慮以下幾點因素：１）不同設備的適用場所和其各自的特點。２）通過綜合考慮經(jīng)濟、重量等因素之后，可以得出：壓力選得越低，相應的組件尺寸就越大，重量也就越重；反之，壓力選得相對高一些，組件尺寸就越小，重量也就越輕。但是這對組件的制造精度、密封性能要求就越高。按照機械類型選液壓缸的工作壓力如表２－１，三自由度重型搖擺試驗臺屬于工程機械，其工作負載量大，并且其在油路工作中存在壓力損失、效率等問題，因此初選壓力為３２ＭＰａ。機械類型工作壓力／ＭＰａ在系統(tǒng)運動狀態(tài)下，由液壓油為工作介質(zhì)來傳遞運動和信號進行運動，所以一般選用170mm的活塞，直徑為110mm。第３章三自由度搖擺試驗臺三維建模與有限元分析為了在計算機上更加直觀的反應出三自由度重型搖擺試驗臺的機械結(jié)構(gòu)的三維模型，我們運用了Ｐｒｏ／Ｅ軟件來建立。通過此軟件，可以在設計階段改進和消除模型誤差。提高設計效率，節(jié)約設計成本。除此之外，針對搖擺試驗臺工作載荷較大的問題，我們利用力學和可靠性校驗這兩種方法對搖擺試驗臺的關(guān)鍵承載部件進行分析與檢驗。本章將運用有限元方法對搖擺試驗臺上、下臺面以及十字軸進行分析。設計師在做產(chǎn)品分析時主要是對意識中的工件投影，一般情況是將零件實體通過投影的方式投影為二維的視圖。一般情況下，工作人員會將零件的三維視圖轉(zhuǎn)化為二維視圖，或者將三維視圖轉(zhuǎn)化為二維視圖，這樣考驗的是設計人員的意識能力以及想象能力，三維視圖的情況下，零件的形狀形態(tài)更為直觀，使設計人員便于觀察，工廠也便于加工，打破了以往人工繪制草圖的方法。這種情況下效率更高，對零件的表現(xiàn)也更為直觀。設計者通過計算機輔助系統(tǒng)將無形的產(chǎn)品構(gòu)思轉(zhuǎn)化為有形的實體的三維模型。他需要設計人員熟練運用Cad等軟件，需要一定的技術(shù)基礎，并切這樣為零件的生產(chǎn)制造也打下了堅實的基礎。在搖擺臺模型完成虛擬的設計和裝配后，三維實體建模技術(shù)可以為我們提供整體的和個別的質(zhì)量檢測；提供各個零件的間隙參數(shù)；提供零件組合中的干涉關(guān)系。經(jīng)過上面的分析檢查我們可以得出實體建模的效率性以及合理性，為接下來的設計制造更進一步的得出結(jié)論。本章運用了三維實體建模的技術(shù)來對機械本體結(jié)構(gòu)進行三維實體模型建立，實驗數(shù)據(jù)的分析和檢測，進而驗證了整個模件的合理性以及結(jié)構(gòu)性。然后通過相關(guān)軟件來對整個數(shù)據(jù)進行分析整理驗證。進而歲結(jié)構(gòu)進行檢測。使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定運行。進而證實了三自由度搖擺試驗臺總體結(jié)構(gòu)設計的可靠性。第4章鋼絲鋼絲球軸承內(nèi)外環(huán)和滾動體不僅應具有堅硬性、 韌性、 耐磨性和超級彈性，而且其材料應具有較高純度。鋼絲滾道材料選用６５Ｍｎ，滾動體材料選用軸承鋼，內(nèi)外環(huán)選用硬鋁材料，可以保證軸承的剛度，內(nèi)外環(huán)變形量微小。保持架同樣采用高強度的硬鋁作為材料。鋼絲球軸承采用脂潤滑，填充在鋼絲管道中，填充量使其能達到足夠長的潤滑脂更換間隔期限。鋼絲球軸承中也存在著許多問題，其中之一的接觸問題就是最大的問題，他的特點就是在計算過程開始不會給出，而是計算結(jié)果給出。這兩個問題會隨著載荷的變化而變化，這其中的摩擦損耗也是極為嚴重。而且是不可恢復的問題。在鋼絲球運動的過程中，多個滾動體來承受力，這就屬于了多體接觸問題。對于鋼絲球軸承來說，軸承的滾動體接觸面比較小，而接觸應力大。如果操作不當?shù)那闆r下，會發(fā)生不可逆的塑性變形，進而會改變接觸的形狀，對零件的損耗也是極為嚴重，大大減少了零件的使用壽命。 通常情況下，對鋼絲球軸承分析的基礎是接觸應力以及變形。在軸承的使用壽命計算情況下，接觸應力對軸承的磨損大大減少了軸承