飞行模拟器主操纵机构的仿真设计

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摘要：基于对飞行模拟器主操纵机构的仿真设计及实际应用条件，着重分析了主操纵机构设计中主要构件和力的传递方式，对操纵联动过程中各绞点产生的误差进行分析，并对如何减小累计误差进行了的论述，另对主操纵机构的参数化设计和虚拟装配技术的应用进行了简单的介绍。

关键词：主操纵机构　仿真设计　误差分析　虚拟装配　参数化设计

中图分类号：V217　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)006-098-02

1　引言

飞机的主操纵机构用于控制飞机飞行轨迹和姿态，由升降舵、副翼和方向舵的操纵机构组成。在航空模拟器中，主操纵机构的准确定位和操纵性直接影响到模拟器的飞行品质和飞行员的受训质量，所以，主操纵机构的仿真设计在整个模拟器研制过程中非常重要。

飞行模拟器主操纵机构是操纵系统中一个很重要的机构，设计时需要考虑的因素较多，不仅需要考虑功能方面的要求，还需考虑强度、刚度等方面的要求，从而导致其设计难度较大。现代设计系统的一个主要要求在于已有设计的可再使用性，所以解决该问题的有效方法之一就是采用知识驱动的设计方案，建立先进的设计平台。这不仅可以提高产品质量，缩短研制周期，降低设计成本，而且对减轻劳动强度也是十分有益的。

2　仿真设计

飞行模拟器操纵系统由主操纵机构、辅助操纵机构、操纵负荷系统等部分组成。主操纵机构由驾驶杆、脚蹬机构、连杆机构和摇臂机构组成。

2.1　主操纵机构主要构件的分析

主操纵机构的传动机构通常分为软式、硬式和混合式三种。其中硬式传动机构主要由摇臂和传动杆等构件所组成。

2.1.1　摇臂

摇臂主要用来传递力、位移或改变它们的大小和方向，有的仅作支撑用。结构形式通常包括单摇臂、双摇臂和复合式摇臂。

2.1.2　传动杆

传动杆又称拉杆，由两端耳片接头(或耳环螺栓)和管材组成。通常把一端或两端耳片接头设计成螺纹连接，便于微调杆长，进行系统装配。

2.2　主操纵机构传动比的计算与分析

以驾驶杆做俯仰运动的行程为例进行计算与分析。驾驶杆俯仰运动的行程为11，操纵负荷的行程为12，传动比为n，

n= 11/ 12

n为一个固定值。在驾驶杆和操纵负荷之间，需要经过多个摇臂的转接，由于安装空间的限制等因素，摇臂的长度不同，在设计摇臂的长度时，既要考虑安装空间的需求，也要考虑传动比。

传动比的数值是衡量飞行模拟器的操纵品质的重要参数之一。传动比的数值不宜过小，也不易过大。如果 比值太小，则操纵输入量小，输出量大，这种飞机对操纵过于敏感，难于精确控制；如果比值过大，则操纵输入量大，输出量小，飞机对操纵反应迟钝，容易使飞行员产生错误判断。如果飞机在作机动飞行时，不需要飞行员复杂的操纵动作，驾驶杆力和杆位移都适当，并且飞机的反应也不过快或者过分的延迟，那么就认为该飞机具有良好的操纵性，该传动比也是合理的。

2.3　主操纵机构力的传递的分析

2.3.1　驾驶杆力的传递分析

当飞行员推拉驾驶杆时，驾驶杆产生了位移，通过拉杆和摇臂的传递，将位移传递给操纵负荷的连接杆，此时操纵负荷的拉／压传感器产生会产生力信号，位移传感器产生位移信号。计算机根据驾驶杆的位移量和飞机当时的飞行高度和速度值，计算出所需的驾驶杆力，该力信号经控制器转换成电枢电流，于是在电机中产生电磁转矩，再经传动机构传到驾驶杆上与外力矩相平衡，系统便会处于一种新的平衡状态。

2.3.2　脚蹬力的传递分析

脚蹬力的传递原理和驾驶杆力的传递相同，不再赘述。

2.4　主操纵机构力的传递误差的分析与解决方法

2.4.1　摇臂的累积误差的分析

(1)累积误差的产生

在飞行模拟器中，由于现有的操纵负荷系统的体积较大，座舱内设备较多，驾驶杆和操纵负荷力的传递需要经过摇臂多次转接才能实现。在理论上，摇臂只受到径向力的作用，不会产生不可接受的误差。在实践当中，由于安装定位精度、摇臂自身重力和加工精度等的原因，摇臂在转动过程中，会产生间隙和其它方向上的分力的影响。经过多个摇臂的转接后，误差便会累积，进而影响摇臂传递的力的准确性。

(2)累积误差的消除

在实践中，由于人工定位的局限性，误差是不可能被完全消除的，但是，我们可以经过其它途径，尽量的减少误差。如图1，摇臂与摇臂座的连接使用了轴承，可大大减小摇臂与摇臂座的摩擦力，在摇臂的两个端面采用双轴承定位，可以减小摇臂轴向摆动，避免产生较大的轴向扭矩。

2.4.2　拉杆的累积误差的分析

(1)累积误差的产生

拉杆作为传递力的一个部件，在力的传递过程中同样很重要，拉杆是摇臂与摇臂之间、摇臂与驾驶杆之间连接的桥梁，拉杆的刚性及拉杆与摇臂等的连接方式在传动过程中也会产生误差。

(2)累积误差的消除

拉杆是传递摇臂与摇臂之间力的部件，拉杆与摇臂之间有两个接触面，因为操纵要求联动，力的传递需要改变方向，这对装配定位精度的要求就很高，相对的成本也就会很高。在设计之时就应该考虑实际的装配情况。

解决这个问题的办法是选择合适的关节轴承。关节轴承与摇臂、拉杆的连接方式如图2：

当拉杆与摇臂装配后，拉杆在关节轴承的可转动范围内可以自由的摆动，很方便拉杆与摇臂的连接，大大降低了装配的要求，同时也降低了由于装配带来的摩擦、卡滞等现象。

在选用关节轴承的时，普通的民用关节轴承径向间隙较大，多次转接后累积误差较大，影响操纵的可靠性和稳定性，而航标关节轴承径向间隙很小，满足设计需要，所以，在摇臂和拉杆的连接中均选用航标关节轴承。

3　主操纵机构的参数化设计和虚拟装配

前面已经分析了主操纵机构的组成、力的传递、累积误差的消除等，但在实际的设计过程中通常会遇到这样或那样的问题，如零部件的干涉、碰撞等许多问题，常用的CAD等平面软件在解决这些问题时效率相当低。

CATIA是集CAD／CAE／CAM于一体的通用软件，具有强大的CAD、CAM功能，基于完全的三维实体复合建模、特征建模和装配建模技术，能够设计出复杂的产品模型，可用于整个产品的开发过程。

3.1　零件参数化设计

参数化设计方法的目的是存储设计的整个过程，从而设计出一族而不是单一的产品模型。在计算机辅助设计系统中，不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同，映射到几何模型中，就是几何信息不同而拓扑信息相同。因此，在对零件进行拓扑结构归类的基础上建立参数化模型，保证设计过程中几何拓扑关系一致，同时提取几何特征参数并进行用户化命名，建立几何信息和参数的对应机制，通过编辑参数值直接或间接修改几何实体，实现参数化设计。Catia环境下，可通过catia／partdesign提供的相应功能编辑零件参数，从而编辑几何

实体，来实现参数化设计。如图3，只要在"partdesign"环境下打开零件，进入草图编辑窗口后，编辑图中的a或b的数值后，退出草图后，就可以生成一个新的零件。

3.2　虚拟装配

虚拟装配技术是在虚拟设计环境下，完成对产品的总体设计进程控制并进行具体模型定义与分析的过程。它可有效支持自顶向下的并行产品设计、可制造性设计和可装配性设计，以缩短产品开发周期。

3.2.1　虚拟装配的概念

“虚拟装配”(Virtual Assembly)是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。虚拟装配是在计算机上完成产品零部件的实体造型，进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程，并通过统一的产品数据管理，实现产品三维设计过程与产品零部件制造、装配过程的高度统一。

3.2.2　虚拟装配在主操纵机构设计中的应用

(1)总体设计阶段

根据主操纵机构总体设计要求以及基本的设计参数，建立主操纵机构主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶段主要包括以下基本步骤：

1)根据已知的主操纵机构的理论数据，建立各部件的相对位置关系；

2)布置各部件的主要结构部分的初始模型(摇臂、转轴等)；

3)根据联动关系，初步布置、建立初始模型。

本阶段结束时，必须冻结已经建立的产品主模型空间，作为研制工作的基础。

(2)装配设计阶段

这是主操纵机构模型具体建立阶段。本阶段主要包括以下基本步骤：

1)建立主操纵机构主体结构简单的实体模型；

2)定义具体结构装配的分解线路；

3)定义部件之间的连接界面；

4)用简单实体方式，进行初期布局；

5)建立模型间的装配约束关系：

6)进行主操纵机构三维实体模型的具体设计：

7)进行计算机装配，干涉检查，如果有干涉，需要重新进行装配或者修改模型的几何要素。

(3)详细设计阶段

本阶段完成主操纵机构所有零件的设计工作，保证主操纵机构所有零件干涉自由。本阶段包括以下基本内容：

1)完善主操纵机构三维实体模型的细节设计；

2)进行主操纵机构模型的计算机装配、干涉检查，做到模型干涉自由。

4　结束语

主操纵机构的可操纵性和可靠性是飞行模拟器的重要指标之一，所以，对主操纵机构的设计要求很高。在设计主操纵机构的过程中，应用了零件参数化设计和虚拟装配技术，很好的解决了复杂机构设计过程中常出现的干涉、碰撞等问题，使仿真设计的主操纵机构的性能完全满足使用要求。