新型数字液压2自由度摇摆台建模与试验研究

　　0 前言

　　摇摆台作为一种运动机构被广泛用来模拟舰船、车辆、飞机的运动姿态，在车船设备测试、驾驶模拟器等国防和民用领域都有很高的应用价值。目前研究比较多的是6 自由度摇摆台[1]，但在很多场合下可能只需要其中某几自由度的运动，例如1、2、3、4 自由度的摇摆台[2-6]。在摇摆台的驱动技术方面，一般采用伺服电动机或伺服液压两种方式驱动，伺服电动机驱动的摇摆台一般用在负载较小的场合[5]，而伺服液压驱动存在控制复杂、对油液精度要求高的不足。本研究拟采用新型的数字液压技术来研制2 自由度摇摆台。

　　步进电动机与某些液压零件可以组成数字滑阀、数字式液压缸、数字液压马达、数字伺服阀等数字式机电液一体化装置，这类设计和应用的思想由来已久[7-8]，随着步进电动机和微电子等相关技术的发展，这方面的研究和应用在近年来逐渐增多。美国Victory Controls公司生产系列数字伺服步进液压缸及控制器，并提供技术解决方案[9]。德国BoschRexroth 公司于2003 年曾推出其最新型的数字液压缸。章海等[10]对一种基于螺旋机构设计的数字伺服液压缸进行了研究，魏祥雨等[11]采用步进电动机和编码器结合液压缸构建了闭环控制的数字缸系统，并给出了半自动转塔车床主进给运动的实例。

　　本文介绍数字液压2 自由度摇摆台的结构与工作原理，对系统的构成单元进行具体建模与仿真，并结合试验结果进行分析，最后得到结论。

　　1 摇摆台结构与工作原理

　　国内某著名高校研制的数字液压2 自由度摇摆台如图1 所示，主要用来模拟船舶1-DOF 或 2-DOF摇摆运动，其外框为横摇框架，内框为纵摇框架。横摇框架由固定于地基的摆动缸驱动，纵摇框架由固定于横摇框架上的非对称液压缸驱动。横摇(纵摇)机构主要由横摇(纵摇)台架、液压摆动缸(非对称液压缸)、数字液压阀、反馈同步带、横摇(纵摇)旋转编码器和轴承支撑装置等组成。从摇摆台结构可知，数字液压阀与横摇摆动对称液压缸和纵摇单出杆非对称液压缸构成了2 自由度摇摆台的驱动主体。不失一般性，在此主要研究结构原理上更复杂的纵摇数字液压阀控制非对称液压缸系统，该系统由细分驱动器、增量式步进电动机、四边滑阀、阀控非对称液压缸、反馈机构、纵摇平台、编码器等构成，原理图如图2 所示。工作时，计算机根据摇摆指令控制数字液压阀(虚线框所示)使液压缸活塞杆伸缩，液压缸驱动纵摇平台转动，反馈同步带将纵摇角通过反馈螺母实时转化为滑阀阀芯的直线位移，它与步进电动机的作用方向相反，使阀口开度减小直至关闭，这样达到控制摇摆角度的目的。显然该设计已从硬件上构成了摇摆角度的机液伺服内闭环反馈，而编码器采集实际纵摇角只是作为上位机监视用，并不真正参与反馈控制(虚线箭头)，所以对于控制者而言近似为开环控制。而控制脉冲的数量、频率、方向分别对应摇摆台的角度、角速度、方向，所以系统控制为简单的PID 控制。