王吉平 曹俊杰 趙勇超

摘 要：根據(jù)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺的動(dòng)作要求，設(shè)計(jì)了以液壓站為中心的動(dòng)力系統(tǒng)，其主要控制6個(gè)液壓油缸，使平臺完成俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)、上下垂直運(yùn)動(dòng)、左右平移、前后平移以及6個(gè)姿態(tài)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。筆者通過分析和理解液壓系統(tǒng)的組成及一些典型的液壓回路，以液壓站為核心動(dòng)力系統(tǒng)的來源，完全可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺的各種規(guī)定動(dòng)作。通過實(shí)踐表明，以液壓站為動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，可靠性高，完全能夠滿足平臺的運(yùn)動(dòng)要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力系統(tǒng);液壓站;六自由度平臺

中圖分類號：U471文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）08-0038-03

Power System Design of Shared Virtual Cockpit

WANG Jiping CAO Junjie ZHAO Yongchao

（Nanjing University of Science and Technology Zijin College，Nanjing Jiangsu 210046）

Abstract： According to the action requirements of 6-DOF motion platform， a power system centered on hydraulic station is designed， which mainly controls six hydraulic cylinders， so that the platform can complete pitch， yaw， roll， up and down vertical movement， left and right translation and fore-and-aft translation as well as six complex motion postures. By analyzing and understanding the composition of the hydraulic system and some typical hydraulic circuits， the author takes the hydraulic station as the source of the core power system， and can completely realize various specified actions of the moving platform. Practice shows that the design of the hydraulic station as the power system is reasonable and reliable， which can fully meet the movement requirements of the platform. Practice shows that the design of hydraulic station as power system is reasonable， reliable and can fully meet the motion requirements of the platform.

Keywords： dynamic system;hydraulic station;6-DOF Platform

人民生活水平不斷提高，文化娛樂業(yè)在近幾年不斷深入發(fā)展，已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化?，F(xiàn)代科技有力推動(dòng)著文化產(chǎn)品的生產(chǎn)創(chuàng)新和消費(fèi)的多元化，各行業(yè)和領(lǐng)域融合互動(dòng)，衍生出了許多新興產(chǎn)業(yè)。目前，汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使得該領(lǐng)域已衍生出了各式各樣的虛擬駕駛艙以滿足人們的駕駛訓(xùn)練需求。虛擬駕駛艙擁有巨大的發(fā)展前景和廣闊的市場需求。由于相關(guān)的技術(shù)水平的限制，國內(nèi)在這方面的精力主要集中在中低端產(chǎn)品的開發(fā)和制造上，產(chǎn)品沒有技術(shù)上的優(yōu)勢。因此，從虛擬駕駛艙的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)著手，設(shè)計(jì)出高效的虛擬駕駛艙動(dòng)力系統(tǒng)，有著重要的理論指導(dǎo)意義和很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 動(dòng)力需求分析

平臺三維圖如圖1所示，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺是由6支油缸、上、下各6只萬向鉸鏈以及上、下兩個(gè)平臺組成[1]。本動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了使運(yùn)動(dòng)平臺借助6支油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺在空間6個(gè)自由度（α，β，γ，X，Y，Z）的運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

動(dòng)力系統(tǒng)作為運(yùn)動(dòng)平臺的心臟，其性能技術(shù)直接決定了平臺在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中的安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)效益，重要程度不言而喻。其主要控制6個(gè)液壓油缸，使平臺完成俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)、上下垂直運(yùn)動(dòng)、左右平移、前后平移以及6個(gè)姿態(tài)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓站的工作原理及其組成

液壓站是獨(dú)立的液壓裝置，它按驅(qū)動(dòng)裝置的需求供油，并控制油流的方向、壓力以及流量，適用于主機(jī)與液壓裝置可分離的各種液壓機(jī)械下，由電機(jī)帶動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn)，泵從油箱中吸油后打油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能。只要將液壓站與執(zhí)行機(jī)構(gòu)用油管相連，液壓機(jī)械即可實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作和工作循環(huán)。

液壓站如圖2所示，它是由液壓泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、油箱、方向閥、節(jié)流閥以及溢流閥等構(gòu)成的液壓源裝置。液壓泵是系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)能量控制的關(guān)鍵元件。驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)進(jìn)行工作運(yùn)轉(zhuǎn)。集成塊由液壓閥及通道體組合而成，它對液壓油實(shí)行方向、壓力以及流量調(diào)節(jié)。

液壓站按照泵裝置的結(jié)構(gòu)形式和安裝位置可分為上置立式、上置臥式以及旁置式。本動(dòng)力系統(tǒng)采用的是上置臥式，以便于流量的調(diào)節(jié)。

2.2 液壓缸的簡單設(shè)計(jì)

液壓缸的工作壓力與液壓設(shè)備的類型有主要關(guān)系[3]。不同類型的液壓設(shè)備所產(chǎn)生的工作壓力也大不相同。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺根據(jù)其載重和工作條件，選擇適合的工作壓力。由于液壓缸的回油腔存在背壓，所以根據(jù)不同的設(shè)備類型選擇合適的背壓力[4]。

根據(jù)實(shí)際情況確定平臺負(fù)載與上平臺及鉸鏈等構(gòu)件作用在單杠上的壓力，要保證液壓缸最大運(yùn)行速度和最大加速度。選用合適的活塞桿直徑d與液壓缸內(nèi)徑D之比，結(jié)合式（1）即可求得活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑。

[π4D2P1=F+F1+π4D2+d2P2]? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P1為液壓缸進(jìn)油腔工作壓力;P2為液壓缸回油腔背壓力;d為活塞桿直徑;D為液壓缸內(nèi)徑;F為工作循環(huán)中最大的外載荷;F1為液壓缸密封處摩擦力，按液壓缸機(jī)械效率η進(jìn)行估算，F(xiàn)+F1=F/η，η為液壓缸的機(jī)械效率。

2.3 電機(jī)的選型

通過計(jì)算電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)工作最大功率來選擇電動(dòng)機(jī)的規(guī)格[3]。最大功率的計(jì)算如式（2）所示：

[Pmax=pqη]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[Pmax]為電動(dòng)機(jī)需要提供的最小功率;p為執(zhí)行元件的工作壓力;q為油液的總流量;η為機(jī)械效率。

本系統(tǒng)不需要去驅(qū)動(dòng)無特殊性能要求的機(jī)械設(shè)備，所以選擇三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)。相較于其他電動(dòng)機(jī)而言，三相異步電動(dòng)機(jī)效率高、轉(zhuǎn)矩高、噪聲低、節(jié)能且可靠性高。

2.4 油箱的設(shè)計(jì)

油箱是由不銹鋼板焊的半封閉容器，上面還裝有濾油網(wǎng)和空氣濾清器等，被用來儲(chǔ)存油、進(jìn)行油的冷卻及過濾[5]。因此，在設(shè)計(jì)油箱時(shí)需要考慮到油箱的容積和油液的冷卻等問題。

油箱的有效容量可根據(jù)壓力范圍粗略確定為：低壓系統(tǒng)中V=（2～4）Q;中壓系統(tǒng)中V=（5～7）Q;中高壓或高壓大功率系統(tǒng)中V=（6～12）Q。其中，V為液壓油箱有效容量，Q為液壓泵的額定流量。油箱的容量共有18種規(guī)格，分別為25、40、63、100、160、250、400、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500、3 200、4 000、5 000 L以及6 000 L。根據(jù)實(shí)際情況來選擇恰當(dāng)?shù)挠拖洹?/p>

油溫的控制方面，由于駕駛艙為共享狀態(tài)，因此為避免駕駛員的等待及發(fā)生周圍擁堵的狀況，油箱采用的冷卻方式為強(qiáng)迫冷卻，即安裝冷卻器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。

3 動(dòng)力系統(tǒng)的工作流程設(shè)計(jì)

典型的液壓回路如圖3所示，六自由度液壓系統(tǒng)回路如圖4所示，可看作由前者衍生擴(kuò)展而來。圖3中，電動(dòng)機(jī)接通電源開始運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓泵由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)后開始泵油，油液經(jīng)過連接油管到達(dá)單向閥后，左邊一路流向截止閥并最終流向壓力指示表，右邊一路流向溢流閥并最終流回油箱，中間一路流經(jīng)節(jié)流閥后到達(dá)三位四通電磁換向閥。通過控制電信號即可對電磁換向閥進(jìn)行控制，進(jìn)而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電磁換向閥未受到電信號即滑閥中位狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)保壓;當(dāng)電磁換向閥收到電信號位于右位后，液壓缸伸出;當(dāng)電磁換向閥位于左位時(shí)，液壓缸縮回。

如圖4所示為六自由度平臺液壓系統(tǒng)圖，其中1、2、3、4、5、6為液壓缸，7、8、9、10、11、12為電磁換向閥，13為冷卻器，14為節(jié)流閥，15為壓力表，16為截止閥，17為液壓泵，18為電動(dòng)機(jī)，19為過濾器，20為溢流閥。使用控制器中編寫的程序控制各個(gè)電磁換向閥的電位狀態(tài)，即可分別控制每一個(gè)液壓缸的伸縮。將每一個(gè)液壓缸的伸長或收縮組合在一起，即可完成相應(yīng)的動(dòng)作姿態(tài)。下面分別介紹初始狀態(tài)時(shí)進(jìn)行俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)、上下垂直運(yùn)動(dòng)、左右平移以及前后平移這6個(gè)基本的動(dòng)作。圖1視角為后視且液壓缸標(biāo)號與圖4中對應(yīng)。

①前傾：電磁換向閥7、8、9、10右位，液壓缸1、2、3、4縮回;電磁換向閥11、12左位，液壓缸5、6伸出。②后仰：電磁換向閥7、8、9、10左位，液壓缸1、2、3、4伸出;電磁換向閥11、12右位，液壓缸5、6縮回。③左傾：電磁換向閥7、8、11右位，液壓缸1、2、5縮回;電磁換向閥9、10、12左位，液壓缸3、4、6伸出。④右傾：電磁換向閥7、8、11左位，液壓缸1、2、5伸出;電磁換向閥9、10、12右位，液壓缸3、4、6縮回。⑤左旋：電磁換向閥7、10、12右位，液壓缸1、4、6縮回;電磁換向閥8、9、11左位，液壓缸2、3、5伸出。⑥右旋：電磁換向閥7、10、12左位，液壓缸1、4、6伸出;電磁換向閥8、9、11右位，液壓缸2、3、5縮回。⑦左移：電磁換向閥7、8、9、12左位，液壓缸1、2、3、6伸出;電磁換向閥10、11右位，液壓缸4、5縮回。⑧右移：電磁換向閥7、9、10、11左位，液壓缸1、3、4、5伸出;電磁換向閥8、12右位，液壓缸2、6縮回。⑨前移：電磁換向閥8、10、11、12右位，液壓缸2、4、5、6縮回;電磁換向閥7、9左位，液壓缸1、3伸出。⑩后移：電磁換向閥8、10、11、12左位，液壓缸2、4、5、6伸出;電磁換向閥7、9右位，液壓缸1、3縮回。?上移：電磁換向閥7、8、9、10、11、12全部左位，液壓缸1、2、3、4、5、6全部伸出。?下移：電磁換向閥7、8、9、10、11、12全部右位，液壓缸1、2、3、4、5、6全部縮回。

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)介紹了液壓站的結(jié)構(gòu)組成和工作流程，較為清晰地展示了以液壓站為核心的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。簡單地對液壓缸、電機(jī)以及油箱進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并闡述了怎樣通過6支液壓缸之間的相互協(xié)作而實(shí)現(xiàn)6種典型的動(dòng)作，為讀者日后的樣機(jī)搭建提供了一個(gè)思路。通過液壓站中各部件的相互配合、能量之間的轉(zhuǎn)換以及控制液壓油的進(jìn)與出、快與慢等，使六自由度運(yùn)動(dòng)平臺可以輕松完成各式各樣規(guī)定的動(dòng)作，具有真實(shí)的安全性與可靠性。

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