38 直升機(jī)操縱線(xiàn)系空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析-劉詩(shī)漢(4).doc

第二十八屆（2012）全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文直升機(jī)操縱線(xiàn)系空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析劉詩(shī)漢 曹?chē)?guó)廷 馬 虎（空軍第一航空學(xué)院，河南信陽(yáng)，464000）摘 要： 直升機(jī)操縱線(xiàn)系中連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題是要實(shí)現(xiàn)輸入輸出兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在空間的線(xiàn)性傳遞。以CATIA為平臺(tái)，對(duì)兩種典型空間連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行骨架設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)模擬，比較了兩種方案的運(yùn)動(dòng)傳遞特性。分析指出：含中間轉(zhuǎn)軸的雙正交RSSR串聯(lián)機(jī)構(gòu)能在較大范圍內(nèi)保持輸出與輸入間的線(xiàn)性關(guān)系。適當(dāng)選擇構(gòu)件尺寸，能使輸出與輸入相等；而直接連接的單RSSR機(jī)構(gòu)能否保持輸出與輸入的線(xiàn)性關(guān)系由初始條件決定。關(guān)鍵詞 空間連桿機(jī)構(gòu); 操縱線(xiàn)系; 線(xiàn)性; 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬; RSSR0 引言直升機(jī)操縱系統(tǒng)中大量使用空間連桿機(jī)構(gòu)，其作用是將駕駛桿繞固定軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到空間另一位置，為伺服機(jī)構(gòu)提供輸入（伺服機(jī)構(gòu)起放大器作用，產(chǎn)生更大的操縱力和運(yùn)動(dòng)距離，以滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)大載荷大行程的要求）。為了使駕駛員正確感受自己的操縱力度和幅度，保證裝備良好的操縱性，駕駛桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、角速度等的大小在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中應(yīng)基本不變或作線(xiàn)性變化。因此，直升機(jī)操縱線(xiàn)系中連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題是要實(shí)現(xiàn)輸入輸出兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在空間的線(xiàn)性傳遞?？臻g連桿機(jī)構(gòu)分析的常用傳統(tǒng)方法是解析法1。現(xiàn)代先進(jìn)的CAD/CAE/CAM軟件為研究空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了精確高效的分析工具。本文利用CATIA強(qiáng)大的三維建模、零部件裝配和運(yùn)動(dòng)模擬功能，對(duì)直升機(jī)操縱線(xiàn)系中的空間連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行骨架設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)模擬2，詳細(xì)討論了兩種典型設(shè)計(jì)方案的運(yùn)動(dòng)傳遞特性3-4，確定了最優(yōu)方案及其設(shè)計(jì)原則。1 初始條件及設(shè)計(jì)要求圖1 空間連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初始條件空間連桿機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系如圖1所示，圖中O點(diǎn)是操縱桿與機(jī)架鉸接的中心點(diǎn)，以O(shè)為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，鉸鏈軸沿x方向，則操縱桿以O(shè)點(diǎn)為中心，繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)。T點(diǎn)是輸出搖臂的鉸鏈中心，鉸鏈軸與y軸平行。T點(diǎn)的坐標(biāo)為（t1,t2,t3）。要求通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)將操縱桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給輸出搖臂，操縱桿的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為（10+12），輸出桿的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍與操縱桿基本相同，并基本保持線(xiàn)性關(guān)系。2 設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述要求的具體的連桿機(jī)構(gòu)很多，但總起來(lái)可以歸納為直接連接和間接連接兩類(lèi)，下面分別討論這兩種連接方式。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將操縱桿和輸出搖臂的初始位置設(shè)置為鉛直向下。方案1：直接連接即用一根連桿將操縱桿的一端與輸出搖臂的一端相連，如圖2所示。圖中A點(diǎn)為操縱桿的下端，r1為其回轉(zhuǎn)半徑。B點(diǎn)為輸出搖臂的下端，r2為其回轉(zhuǎn)半徑。連桿AB的長(zhǎng)度為l。由于A點(diǎn)以O(shè)點(diǎn)為中心繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而B(niǎo)點(diǎn)以T為中心繞平行于y的軸旋轉(zhuǎn)，兩點(diǎn)的運(yùn)行軌跡不在同一平面內(nèi)，連桿AB作空間運(yùn)動(dòng)，因此連桿兩端應(yīng)以球面副進(jìn)行連接。因此這一方案所構(gòu)建的空間連桿機(jī)構(gòu)即為RSSR機(jī)構(gòu)。2：間接連接圖2 設(shè)計(jì)方案1即通過(guò)中間機(jī)構(gòu)將操縱桿與輸出搖臂聯(lián)結(jié)起來(lái)，如圖3所示是最為簡(jiǎn)捷的間接連接方案。圖中DCE為中間搖臂，C點(diǎn)為其回轉(zhuǎn)中心，轉(zhuǎn)軸方向與z軸平行。中間搖臂與操縱桿之間用連桿AD相連，連桿長(zhǎng)，搖臂回轉(zhuǎn)半徑r3；中間搖臂與輸出搖臂之間用連桿BE相連，連桿長(zhǎng)l2，搖臂回轉(zhuǎn)半徑r4。初始狀態(tài)時(shí)，AD平行于y軸，BE平行于x軸，ADCD，BECE。由于A點(diǎn)以O(shè)點(diǎn)為中心繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而D點(diǎn)以C為中心繞平行于z的軸旋轉(zhuǎn)，AD兩點(diǎn)的運(yùn)行軌跡不在同一平面內(nèi)，連桿AD作空間運(yùn)動(dòng)，因此連桿AD兩端應(yīng)以球面副進(jìn)行連接。同理，連桿BE兩端也應(yīng)以球面副連接。這樣，在O與C之間形成一個(gè)RSSR機(jī)構(gòu)，在C與T之間形成另一個(gè)RSSR機(jī)構(gòu)，中間在C處共一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，前一機(jī)構(gòu)的輸出是后一機(jī)構(gòu)的輸入，兩個(gè)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，且其輸入軸分別與各自的輸出軸垂直。這里稱(chēng)之為雙正交RSSR串聯(lián)機(jī)構(gòu)。圖3 設(shè)計(jì)方案22.2 輸入輸出轉(zhuǎn)角的關(guān)系初始狀態(tài)時(shí)各點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A（0,0, r1），B（t1, t2, t3r2），C（r3, l1, r1），D（0, l1, r1），E（t1l2, t2, t3r2），且有t12+t22+( t3r2+ r1)2=l2 （1）l 1+ r4= t2 （2）l 2+ r3= t1 (3)圖4 輸入輸出轉(zhuǎn)角的傳遞關(guān)系設(shè)操縱桿轉(zhuǎn)過(guò)角度1時(shí)，輸出搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度2。如圖4所示。此時(shí)A轉(zhuǎn)至A， A點(diǎn)坐標(biāo)為（0, r1sin1, r1cos1）；B轉(zhuǎn)至B， B點(diǎn)坐標(biāo)為（t1r2sin2, t2, t3r2cos2）。按方案1設(shè)計(jì)時(shí)，A、B兩點(diǎn)由連桿連接，由于桿長(zhǎng)l一定，則有(t1r2sin2)2+( t2+r1sin1)2+( t3r2cos2+ r1cos1)2=l2 （4）式（4）中只有一個(gè)未知數(shù)2，給定一個(gè)輸入轉(zhuǎn)角1時(shí)，便可求得一個(gè)輸出轉(zhuǎn)角2（去掉不合理值）。按方案2設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)操縱桿轉(zhuǎn)過(guò)角度1，A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)，中間搖臂的CD支臂轉(zhuǎn)過(guò)角度3，D點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)；支臂CE轉(zhuǎn)過(guò)角度4，E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到E點(diǎn)。由于CD支臂和CE支臂固聯(lián)，必有3=4 (5)D點(diǎn)的坐標(biāo)為（r3r3cos3, l1 r3sin3, r1），E 點(diǎn)的坐標(biāo)為（t1l2r4sin4, t2r4+r4cos4, t3r2）。A、D之間由桿長(zhǎng)為l1的連桿連接，則有(r3r3cos3)2+( l1 r3sin3+ r1sin1)2+( r1 r1cos1)2= l12 (6)B、E之間由桿長(zhǎng)為l2的連桿連接，則有(r2sin2 l2r4sin4) 2+(r4r4cos4)2+( r2r2cos2)2= l22 (7)式（5）、（6）、（7）中只有三個(gè)未知數(shù)，有確定的解。即對(duì)于給定的輸入轉(zhuǎn)角1，可求得一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)角2（去掉不合理值）。3 運(yùn)動(dòng)模擬及結(jié)果分析圖5 輸入轉(zhuǎn)角1與輸出轉(zhuǎn)角2的關(guān)系在CATIA零件設(shè)計(jì)工作臺(tái)中進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)，在CATIA裝配設(shè)計(jì)工作臺(tái)中進(jìn)行零件的裝配。這里采用自頂向下的設(shè)計(jì)模式4-5，按照?qǐng)D2和圖3所示各零件的裝配位置，設(shè)計(jì)操縱桿、輸出搖臂、中間搖臂和連桿。進(jìn)入CATIA機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的設(shè)置，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，機(jī)構(gòu)中各參數(shù)的值如表1所示，兩種設(shè)計(jì)方案的模擬結(jié)果如圖5所示。表1 機(jī)構(gòu)中各參數(shù)的取值（單位：mm）t1t2t3r1r2r3r4ll1l2988800-5617056145561271744843對(duì)于方案1，輸入搖臂的轉(zhuǎn)角從22變化到24時(shí)，輸出搖臂的轉(zhuǎn)角從約90變化到約75，在（1010）范圍內(nèi)有較好的線(xiàn)性度，而在（1010）范圍外，線(xiàn)性度變差，輸入轉(zhuǎn)角小于15時(shí)線(xiàn)性度明顯惡化。而在（2224）范圍外，無(wú)法有效地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳遞。對(duì)于方案2，輸入轉(zhuǎn)角從50變化到50時(shí)，輸出轉(zhuǎn)角從約60變化到約80，在（5030）范圍內(nèi)有較好的線(xiàn)性度，輸入轉(zhuǎn)角大于30時(shí)，線(xiàn)性度變差，大于40時(shí)，線(xiàn)性度明顯惡化。而且方案2的輸入輸出關(guān)系曲線(xiàn)各點(diǎn)的斜率明顯比方案1的小，這表明一定的輸入角度變化引起的輸出角度變化小，兩者大致保持等量關(guān)系，這種關(guān)系對(duì)于操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很重要，因?yàn)椴僮魅藛T能感受自己動(dòng)作的幅度和力度，如果操作人員的微小操縱導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)大幅度的運(yùn)動(dòng)，將給操縱人員造成錯(cuò)覺(jué)，使機(jī)構(gòu)的操縱性變差6。由圖5知，當(dāng)1很小時(shí)，2也小，對(duì)于方案2，可以推知3和4也很小，則有sin11，sin22，sin3=sin43=4，cos11，cos21, cos31，cos41，將以上關(guān)系代入（4）、（6）、（7）式，考慮（1）、（2）、（3）式，忽略1、2、3、4的高階項(xiàng)，化簡(jiǎn)后得：2=( t2 r1/ t1r2)1 (8)2=( r4/ r2)( r1/r3)1 (9)（8）式表明，對(duì)于方案1，輸出角度與輸入角度的關(guān)系由初始條件確定，即與輸入輸出搖臂的長(zhǎng)度和輸入輸出轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置有關(guān)，只有當(dāng)t2 r1= t1r2時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)輸出與輸入相等的運(yùn)動(dòng)傳遞。（9）式表明，輸出角度與輸入角度的關(guān)系只與輸入輸出搖臂及中間搖臂的長(zhǎng)度有關(guān)，而與輸入輸出轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)中間搖臂時(shí)，使r3=r1，r4=r2，即能保證輸出角度與輸入角度相等，有利于提高裝置的操作性。4 結(jié)論用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)含有空間運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳遞時(shí)，可以用連桿通過(guò)球面副直接連接，也可以通過(guò)中間搖臂進(jìn)行連接。直接連接方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)，在小角度輸入時(shí)，輸出與輸入具有線(xiàn)性關(guān)系，這種關(guān)系由初始條件決定，不便于實(shí)現(xiàn)特定的設(shè)計(jì)要求。間接連接方式能夠在較大范圍內(nèi)保持輸入輸出之間的線(xiàn)性關(guān)系，且只與輸入輸出搖臂的長(zhǎng)度有關(guān)而與輸入輸出轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置無(wú)關(guān)。適當(dāng)選擇構(gòu)件的幾何參數(shù)，能使輸出角度與輸入基本相等。參 考 文 獻(xiàn)1 韓建友.高等機(jī)構(gòu)學(xué)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2 盛選禹，盛選軍，等.CATIA V5運(yùn)動(dòng)和力學(xué)分析實(shí)例教程M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：35-793 張玉茹.空間連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)指標(biāo)J. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 1992, 2:32-344 單巖，謝龍漢. CATIA V5機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例M. 北京：清華大學(xué)出版社，2004. 105 張長(zhǎng). 基于CATIA軟件平臺(tái)的自頂向下參數(shù)化裝配設(shè)計(jì) 青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）J. 2007, 1: 83-85 6 楊一棟. 直升機(jī)飛行控制M. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011. 6On the Design of Spatial Linkage Mechanism Used in Helicopters Malipulation System Liu Shihan Cao Guoting Ma Hu (The First Aeronautical Institute of The Air Force, Xinyang464000, China) Abstract： The essential task of designing a linkage machanism used in a helicopters malipulation system is to achieve linear transmission between the input rotation and the output rotation. Two kimds of typical mechanisms are constructed in terms of skeleton and kinematic simulation is conducted within CATIA. Then motion transmission characteristics of the two kinds of mechanisms are compared. Conclusions are drawn from the comparation for the design of Spatial Linkage Mechanism Used in Helicopters Malipulation System. For the serial dual orthogonal RSSR mechanism with a medium rotation shaft, its input can be transmitted linearly to its output within a wide range of rotaton angle. By optimizing parameters of the mechanism structure, the output can be the samd as the input. But for the single RSSR mechanism in which the input rod is