第１２期２０１９年１２月组合机床与自动化加工技术
ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｎｏ.１２Ｄｅｃ.２０１９
文章编号:１００１－２２６５(２０１９)１２－０１３９－０４㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１３４６２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｍｍｔａｍｔ.２０１９.１２.０３４
收稿日期:２０１９－０１－３１ꎻ修回日期:２０１９－０３－０４
报告怎么写作者简介：崔雄(１９８９ )ꎬ男ꎬ陕西榆林人ꎬ中国飞机强度研究所工程师ꎬ硕士ꎬ研究方向为结构设计及飞机强度研究ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)５７４４０３１４８＠ｑｑ.
ｃｏｍꎮ
航空惯性试验台倾斜调姿装置设计
崔㊀雄ꎬ陈㊀亮ꎬ白钧生ꎬ李㊀宋ꎬ司㊀冀
(中国飞机强度研究所ꎬ西安㊀７１００６５)
摘要：针对目前航空惯性试验台倾斜调姿装置不足ꎬ设计了一种多液压油缸步进式自动倾斜调姿装置ꎮ文中对装置的工作原理及关键部件的结构进行了介绍ꎻ同时ꎬ详细分析了运动过程中误差产生的原因并提出校正措施ꎻ现场验证结果表明：研制的装置不仅能够完成试验台倾斜调姿运动ꎬ而且运动精度高ꎬ实现了自动化控制ꎬ提高了工作效率ꎮ关键词：惯性试验台ꎻ倾斜调姿ꎻ步进运动ꎻ液压驱动中图分类号:ＴＨ１３６ꎻＴＧ６５㊀㊀㊀文献标识码:Ａ
ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｉｌｔＡｔｔｉｔｕｄｅＡｄｊｕｓｔｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅｆｏｒＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＩｎｅｒｔｉａＴｅｓｔ￣ｂｅｄ
ＣＵＩＸｉｏｎｇꎬＣＨＥＮＬｉａｎｇꎬＢＡＩＪｕｎ￣ｓｈｅｎｇꎬＬＩＳｏｎｇꎬＳＩＪｉ
(ＡｉｒｃｒａｆｔＳｔｒｅｎｇｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａꎬＸｉᶄａｎ７１００６５ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｉｌｔａｔｔｉｔｕｄｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｉｎｃｕｒｒｅｎｔａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌｉｎｅｒｔｉａｔｅｓｔ￣ｂｅｄꎬａｍｕｌｔｉ￣ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｓｔｅｐ￣ｂｙ￣ｓｔｅｐａｕｔｏｍａｔｉｃｔｉｌｔａｔｔｉｔｕｄｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.ＴｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎻａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｐｒｏｄｕｃｅｃａｕｓｅｓｏｆｔｈｅｅｒｒｏｒｓｉｎｔｈｅｍｏｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄꎻＦｉｅｌｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ:ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｄｅｖｉｃｅｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｔｉｌｔａｔｔｉｔｕｄｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｓｔ￣ｂｅｄꎬｂｕｔａｌｓｏｈａｓｈｉｇｈｍｏｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙꎬｒｅａｌｉｚｅｓａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｉｎｅｒｔｉａｔｅｓｔ￣ｂｅｄꎻｔｉｌｔａｄｊｕｓｔｍｅｎｔꎻｓｔｅｐｐｉｎｇｍｏｔｉｏｎꎻｈｙｄｒａｕｌｉｃｄｒｉｖｅ
０㊀引言
航空惯性试验台是检验航空轮胎㊁机轮和刹车装置的性能和可靠性的设备[１]ꎬ一般由加载设备㊁鼓轮组件㊁电机㊁辅助设备等组成ꎮ鼓轮组件提供相当于飞机动能的能量ꎬ加载设备模拟飞机重量和姿态带动机轮相对鼓轮表面加载ꎮ
飞机在跑道上着陆㊁滑行过程中ꎬ机身会产生倾斜姿态ꎬ机轮与地面会形成一定的倾斜角度ꎮ为了测试机轮在倾斜状态下的性能ꎬ试验台除能模拟飞机垂直鼓轮轴线(水平面内)加载外ꎬ还应模拟飞机倾斜加载ꎬ包括径向￣侧向联合载荷试验[２]ꎬ动力矩试验等[３]ꎮ
因此ꎬ需要设计一套倾斜调姿装置完成倾斜加载试验ꎮ目前已有的航空惯性试验台ꎬ实现倾斜调姿的方法有如下几种：一种是通过行车驱动绳索㊁导向滑轮拉动加载设备后端在水平面旋转实现倾斜角度模拟ꎮ该设计的缺点是倾斜角度㊁精度难以调整且结构松散ꎻ另一种是将机轮轴依据实际倾斜角度直接设计为倾斜轴ꎬ机轮安装到轴上后即可实现倾斜角度模拟ꎮ该设计缺点是针对不同的倾斜角度需要加工对应的倾斜轴ꎬ轴数量多㊁成本高且不能实现倾斜角度的自动调整ꎮ
１㊀倾斜调姿装置设计
针对目前已有设计的不足ꎬ提出了一种多液压油缸步进式自动倾斜调姿装置设计ꎬ可驱动试验台整个
加载设备后端在水平面内以步进的方式自动旋转ꎬ模拟机轮倾斜角度并进行倾斜加载试验ꎮ机轮倾斜㊁试验台倾斜示意分别如图１㊁图２所示
ꎮ
图１㊀
机轮倾斜示意图
图２㊀试验台倾斜调姿示意图
如图３所示ꎬ该倾斜调姿装置安装在加载设备后端ꎬ主要由步进机构㊁顶升机构㊁圆弧导轨㊁枢轴等组成ꎮ
其中ꎬ步进机构安装在加载设备后端底面ꎬ包含推移油缸㊁插销油缸㊁定位油缸ꎬ且插销油缸与推移油缸活塞杆相连ꎮ顶升机构数量为两套ꎬ对称安装在加载设备后端两侧ꎬ分别包含一个顶升油缸ꎮ枢轴中心位于加载设备前端ꎬ试验台鼓轮表面切线正下方ꎮ圆弧导轨支撑在加载设备底部ꎬ圆心与枢轴中心重合ꎬ表面依据步进角度设计插销孔
ꎮ
图３㊀倾斜调姿装置结构图
整个装置在５个液压油缸逻辑运动及圆弧导轨㊁枢轴配合下ꎬ以步进的方式实现试验台自动倾斜调姿ꎮ１.１㊀工作原理
如图４所示ꎬ运动前插销油缸㊁定位油缸活塞杆均伸出插入到圆弧导轨插销孔中ꎮ
倾斜调姿时ꎬ首先由两个顶升油缸将整个加载设备抬高ꎬ插销油缸活塞杆收回脱离圆弧导轨ꎮ其次ꎬ推移油缸活塞杆伸出ꎬ带动插销油缸向前移动ꎬ到达下一个插销孔位置时推移油缸停止运动ꎬ插销油缸活塞杆伸出插入到圆弧导轨插销孔中ꎬ定位油缸活塞杆收回脱离圆弧导轨ꎮ随后ꎬ推移油缸活塞杆收回ꎬ在收回过程中插销油缸在圆弧导轨插销孔反作用力下驱动整个加载设备绕枢轴旋转至下一个插销孔位置ꎬ推移油缸停止工作ꎬ定位油缸活塞杆伸出插入到圆弧导轨插销孔中ꎬ实现一个完整的步进运动过程ꎮ
上述运动中ꎬ加载设备在单个步进运动过程中调姿的角度为两插销孔间隔角度ꎬ且保持不变ꎮ如此不断地循环步进即可达到所要求的倾斜角度ꎬ最后两个顶升油缸活塞杆收回ꎬ加载设备重新落到圆弧导轨表面ꎬ即可开始试验
ꎮ
图４㊀倾斜调姿运动原理图
１.２㊀圆弧导轨设计通用英文
圆弧导轨结构如图５所示ꎬ采用 工 字型结构ꎬ主要作用是支撑整个加载设备旋转ꎬ同时通过插销孔为步进机构提供驱动反作用力ꎮ导轨表面依据单次步进角度确定插销孔位置ꎬ依据试验台倾斜角度确定插销孔数量ꎬ销孔间距通过数控加工保证分度准确
ꎮ
图５㊀圆弧导轨结构图
１.３㊀步进机构设计
步进机构结构如图６所示ꎬ由推移油缸㊁插销油缸㊁定位油缸㊁插销㊁底座㊁滑块㊁连接杆㊁导杆等结构组成ꎬ主要作用是驱动整个加载设备进行旋转ꎮ
其中推移油缸和插销油缸通过底座与加载设备固定ꎬ插销油缸通过滑块㊁连接杆与推移油缸活塞杆连接ꎮ工作时ꎬ推移油缸活塞杆带动插销油缸运动并驱动整个加载设备旋转
ꎮ
图６㊀步进机构结构图
在步进机构的设计中ꎬ有如下几个关键点ꎮ(１)插销结构设计
步进机构在运动过程中ꎬ为了保证运动精度ꎬ插销与圆弧导轨插销孔配合间隙很小ꎮ加工制造㊁安装㊁控制信号等因素所造成的误差都有可能导致插销无法插入到圆弧导轨插销孔中ꎬ进而导致整个运动过程的中断ꎮ因此ꎬ将插销顶端设计为圆锥面并倒圆角ꎬ该部分设计详见后述内容ꎮ
(２)作动筒保护设计
步进机构在运动过程中ꎬ插销油缸活塞杆受到插销孔单点侧向载荷作用ꎬ在反复的运动过程中会对作动筒造成损害ꎮ因此ꎬ在插销油缸和定位油缸插销处设计滑动轴承ꎬ相当于在作动筒活塞杆处增加一个支点ꎬ活塞杆双点承受侧向载荷ꎬ能够有效保护作动筒ꎮ１.４㊀顶升机构设计
顶升机构结构如图７所示ꎬ由外壳㊁顶升油缸㊁滚轮㊁移动托架㊁限位导轨㊁调节螺母㊁夹头等结构组成ꎮ主要作用是在倾斜调姿前将整个加载设备抬高ꎬ支撑加载设备旋转ꎮ
其中ꎬ外壳与加载设备固连ꎬ顶升油缸安装在外壳顶部ꎬ滚轮通过移动托架㊁调节螺母与顶升油缸的活
塞杆相连ꎮ工作时ꎬ顶升油缸活塞杆伸出带动移动托架沿限位导轨向下滑动ꎬ滚轮与圆弧导轨接触后在反向作用力下将整个加载设备抬高ꎮ同时滚轮可在圆弧导轨上滚动ꎬ带动整个加载设备旋转ꎬ降低运动过程中的摩擦阻力ꎮ微信怎么转让群主
０４１ 组合机床与自动化加工技术㊀第１２期
图７㊀顶升机构结构图
在顶升机构的设计中ꎬ有如下几个关键点ꎮ
(１)调节螺母设计
顶升机构对称安装在加载设备两侧ꎬ由于制造㊁安装误差等可能会导致两个顶升机构高度不一致ꎬ为保证整个加载设备的水平ꎬ需要在设计中预留高度调节装置ꎮ
因此ꎬ通过在顶升油缸活塞杆上安装两个调节螺母实现对顶升机构高度的调节ꎮ
(２)外壳倾斜角度设计
在运动过程中ꎬ由于加载设备在滚轮支撑下沿圆弧导轨进行旋转ꎬ滚轮运动轨迹必须与圆弧导轨中心线保持一致ꎮ因此ꎬ外壳初始设计倾斜一定角度ꎬ如图８所示ꎬ保证顶升机构运动时与圆弧导轨中心线切线方向一致
ꎮ
图８㊀顶升机构安装示意图
(３)限位导轨设计
在倾斜调姿过程中ꎬ滚轮运动轨迹必须与圆弧导轨始终保持一致ꎮ为了防止滚轮在运动过程中方向发生改变ꎬ在顶升机构上设计有限位导轨ꎮ在运动过程中ꎬ限位导轨通过移动托架将滚轮限制在固定方向ꎬ并且支撑移动托架上下滑动ꎬ有效的防止滚轮运动方向的改变ꎮ
２㊀运动误差分析及解决措施
长方体的体积公式
上述倾斜调姿装置采用液压驱动方式ꎬ通过５个液压油缸逻辑步进运动实现试验台倾斜角度ꎮ其基本运动原理是以推移油缸活塞杆的直线运动实现加载设备的圆弧旋转运动ꎬ如图９所示ꎮ
图９㊀运动原理示意图
假设圆弧导轨中心半径为Ｒꎬ单次步进角度分度为αꎬ角度精度要求为βꎬ推移油缸到达下一个插销孔中心位置活塞杆位移为Ｌꎮ则插销中心相对插销孔中心位置会产生偏差δꎬ有
Ｌ＝Ｒˑｓｉｎ
α２ˑ２ˑｃｏｓ(π２－π－α２)＝２Ｒｓｉｎα２ｃｏｓα２
(１)
δ＝Ｒˑｓｉｎα２ˑ２ˑｓｉｎα２＝２Ｒｓｉｎ２
α
２
(２)式中ꎬα为单次步进角度ꎻＬ为推移油缸活塞杆位移ꎻＲ为圆弧导轨中心半径ꎻδ为插销中心相对插销孔中心位置偏差ꎮ
该偏差的产生会导致插销无法插入圆弧导轨插销孔中ꎬ整个倾斜调姿过程无法顺利进行ꎬ为此采取如下解决措施ꎮ
２.１㊀插销结构设计
首先ꎬ依据试验台整体受力工况确定插销直径ꎻ其次ꎬ为保证插销顺利插入ꎬ插销与圆弧导轨插销孔设计为间隙配合ꎬ且将插销顶端设计为圆锥面并倒圆角ꎮ
运动时插销与插销孔的间隙及插销圆锥面设计可保证插销圆锥面首先顺利插入插销孔中ꎬ随后在插销油缸的推动力下插销可沿圆锥面整体插入到插销孔中ꎬ保证单次步进运动完成ꎮ插销孔直径㊁圆锥面顶端直径及圆锥面夹角计算如下ꎮ
φ２<φ１＝φ２＋２Ｒｓｉｎ
β２
(３)φ３<φ１－δ＝φ１－２Ｒｓｉｎ２α２
(４)θ＝ａｒｃｔａｎ
φ２－φ３
２Ｌ
(５)
式中ꎬφ１为圆弧导轨插销孔直径ꎻφ２为插销直径ꎻφ３为插销圆锥面顶端直径ꎻθ为插销圆锥面夹角ꎻＬ为圆锥面高度ꎮ
２.２㊀运动误差校正
上述插销结构设计ꎬ仅能够保证单次步进运动的顺利完成ꎮ由于插销与插销孔始终存在配合间隙ꎬ在下次步进运动时会形成误差的累积ꎬ导致机构不能实现连续步进运动ꎮ因此ꎬ采取定位油缸校正运动误差ꎬ如图１０所示ꎮ
(ａ)推移油缸伸出后误差产生
(ｂ)单次步进运动后误差仍存在
(ｃ)校正后误差得到了消除
图１０㊀运动误差校正原理示意图
１４１ ２０１９年１２月㊀㊀崔㊀雄ꎬ等：航空惯性试验台倾斜调姿装置设计
具体校正方法为：在初始设计时ꎬ依据圆弧导轨插销孔位置精确设计定位油缸位置ꎬ即定位油缸插销中心位置与圆弧导轨插销孔中心位置重合ꎬ且定位油缸与插销孔公差配合ꎬ间隙很小ꎮ将定位油缸插销同样设计为圆锥面ꎬ当插销油缸每步进运动一次产生偏差时ꎬ定位油缸通过与插销孔的配合将产生的运动误差校正ꎬ从而保证步进机构连续运动ꎮ
３㊀应用实例
在国内某航空惯性试验台设计中ꎬ研制上述倾斜调姿装置ꎮ
在该试验台中ꎬ整个加载设备总重量为３０ｔꎬ圆弧导轨中心半径为７５１０ｍｍꎬ要求试验台最大倾斜角度为ʃ１０ʎꎬ角度精度优于ʃ０.１ʎꎬ以单次步进角度为１ʎ进行试验台倾斜调姿ꎮ
３.１㊀误差校正设计
时间管理表
在实际设计中ꎬ首先依据试验台在倾斜加载试验载荷工况确定插销油缸插销直径为４０ｍｍꎻ随后根据式(１)~式(５)分别确定圆弧导轨插销孔直径为４２ｍｍꎬ插销圆锥面顶端直径为２６.３ｍｍꎬ圆锥面夹角为７０ʎꎬ单次步进运动推移油缸直线位移为１３１.０７ｍｍꎮ
对于定位油缸插销ꎬ外径为４２ｍｍ且与圆弧导轨
插销孔采用公差配合ꎬ公差为Ｈ９
ｄ９
ꎬ该设计可有效地校
正运动过程中产生的误差ꎬ精度可达０.００２ʎꎮ
３.２㊀液压㊁电气控制系统设计
为实现倾斜调姿的自动控制ꎬ试验台配套设计了液压系统㊁电气控制系统ꎬ如图１１㊁图１２所示ꎮ通过电气控制系统㊁信号开关等设备控制各个液压阀组动作顺序ꎬ对５个液压油缸进行逻辑步进控制ꎬ实现试验台的自动倾斜调姿
ꎮ
图１１㊀
倾斜调姿装置液压系统图
图１２㊀倾斜调姿电气控制操作界面图
３.３㊀现场验证
如图１３所示为倾斜调姿装置在某惯性试验台完成１０ʎ倾斜调姿运动现场图
ꎮ
图１３㊀试验台完成１０ʎ倾斜调姿现场图
整个运动过程在液压系统㊁电气控制系统逻辑控制下完成ꎬ实现了自动化控制ꎮ
通过实际测量ꎬ试验台倾斜调姿运动精度达到０.０１ʎꎬ较理论精度相差０.００８ʎꎬ分析上述原因ꎬ主要由机械装配误差㊁控制误差等因素导致ꎬ但仍满足实际要求精度(０.１ʎ)ꎮ
试验台完成１０ʎ倾斜调姿时间约为７ｍｉｎꎬ远小于现有航空惯性试验台倾斜调姿时间(至少３０ｍｉｎ)ꎬ大大提高了工作效率ꎮ
４㊀结论
步进式倾斜调姿装置不仅能够完成试验台倾斜调姿运动ꎬ而且运动精度高ꎬ实现了自动化控制ꎬ大大提高了工作效率ꎮ该装置的设计不仅为航空惯性试验台倾斜调姿实现提供了一种新的设计方法ꎬ而且可借鉴到其他行业试验设备中ꎬ具备一定的参考价值ꎮ
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(编辑㊀李秀敏)
２４１ 组合机床与自动化加工技术湖北电网
㊀第１２期
