Динамічна триступенева платформа

1. Триступенева динамічна платформа, що містить нерухому основу, на якій розміщені три вузли переміщення з приводами, що змінюють положення у просторі пересувного стола платформи, що несе корисне навантаження, блок управління приводами у складі пульта управління, обчислювального пристрою і управляючого комп'ютера, а також датчики зворотного зв'язку, C2 2 (19) 1 3 заторів і які змінюють положення платформи в просторі, при цьому кожний з гідроприводів має електричний вхід управління і складається з послідовно сполучених чутливого елементу, суматора, підсилювача потужності, гідропідсилювача і силового циліндра, причому електричний вхід управління підключений до другого входу суматора, вихід джерела гідроживлення - до другого входу гідропідсилювача, а вхід чутливого елементу пов'язаний з платформою, причому до складу кожного гідроприводу включений блок управління гідроприводами з пультом управління, в який введено обчислювальний пристрій і дві паралельно сполучені ланцюги, що складаються з детектора і керованого підсилювача-обмежувача, включені між суматором і підсилювачем потужності, причому детектори в паралельних ланцюгах мають різну полярність, а управляючі входи керованого підсилювача-обмежувача сполучені з виходом обчислювального пристрою, входи якого сполучені з виходами чутливих елементів гідроприводів, причому стенд містить також датчики зворотного зв'язку [2]. Недоліком пристрою прототипу є неможливість забезпечення високої якості регулювання положення стола платформи за мінімальний час, зокрема в режимі швидкого реверсу, а також неможливість фіксації в певному положенні або стопоріння стола платформи при виключенні електроживлення, що може негативно вплинути на безпеку осіб, що навчаються. В основу винаходу поставлена задача підвищення швидкості і якості регулювання положення стола платформи в умовах динамічних акселераційних навантажень, що змінюються, а також підвищення безпеки осіб, що навчаються, у разі виникнення аварійних ситуацій шляхом введення додаткових елементів, нового конструктивного виконання окремих елементів платформи та їх взаєморозташування. Вказана задача досягається тим, що у триступеневій динамічній платформі, що містить нерухому основу, на якій розміщені три вузли переміщення з приводами, що змінюють положення у просторі пересувного стола платформи, що несе корисне навантаження, блок управління приводами у складі пульта управління, обчислювального пристрою і управляючого комп'ютера, а також датчики зворотного зв'язку, новим є те, що, як приводи платформа містить приводи механічних переміщень, виконані у вигляді асинхронних електродвигунів з короткозамкненими роторами, пов'язаних з частотними перетворювачами і знижувальними редукторами, а як датчики зворотного зв'язку платформа містить абсолютні датчики кута повороту, виконані на основі магніточутливих мікросхем. До нижньої основи пересувного стола платформи жорстко прикріплені три шарнірні вузли кріплення, які сполучені з тягами, що пов'язані із знижувальними редукторами за допомогою важелів. Як знижувальні редуктори платформа містить редуктори черв'ячного типу. Управляючий комп'ю 86673 4 тер містить змінний носій з програмним забезпеченням, що імітує рух автомобіля. Перераховані ознаки пристрою складають сутність винаходу. Наявність причинно-наслідного зв'язку між сукупністю істотних ознак винаходу і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Технічних рішень, що забезпечують підвищення швидкості і якості регулювання положення стола платформи в умовах динамічних акселераційних навантажень, що змінюються, а також підвищення безпеки осіб, що навчаються, у разі виникнення аварійних ситуацій за рахунок застосування приводів вузлів переміщення на основі асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором і знижувальних редукторів черв'ячного, в патентній і науково-технічній літературі не виявлено. Це дозволяє, зокрема, зробити висновок про відповідність винаходу, що заявляється, критерію «винахідницький рівень». Як вузол переміщення стола платформи в пристрої застосований важіль, один кінець якого жорстко закріплений до вихідного валу знижувального редуктора, а до другого кінця важеля з використанням шарнірного з'єднання прикріплена тяга, що передає поступальну ходу важеля платформі в місці (точці) кріплення. Тяга кожного з трьох вузлів переміщення прикріплена через шарнірний вузол до нижньої поверхні стола платформи, що забезпечує можливість нахилу стола в поздовжньо-вертикальній і в поперечно-вертикальній площинах на кут, який визначається довжиною важеля і геометричним розміщенням локальних місць (точок) кріплення тяги до стола. При цьому величина переміщення стола уздовж вертикальної осі дорівнює подвоєній довжині важеля. Стабілізація положення платформи в просторі досягається і за рахунок використання направляючого вузла, що є телескопічною конструкцією, один кінець якої жорстко закріплений в геометричному центрі основи, а другий - з використанням шарнірного з'єднання прикріплений до геометричного центру нижньої поверхні стола. Величина вільного ходу телескопічної конструкції складає не менш подвоєної довжини важеля. Стабілізація положення стола платформи від обертання навколо вертикальної осі забезпечується двома важелями, що мають загальну вісь. Другий кінець нижнього важеля (вісь обертання в поперечний-вертикальній площині) прикріплений до основи в його геометричному центрі, а другий кінець верхнього важеля (вісь обертання в поперечно-вертикальній площині) прикріплений до нижньої поверхні стола в його геометричному центрі. Для розвантаження мотор-редукторів (редукторів) при роботі з корисним навантаженням великої ваги в пристрої застосовані три амортизатори пружинного типу, які працюють на стиснення при опусканні поверхні стола нижче середнього рівня. Як приводи вузлів переміщення застосовані асинхронні електродвигуни (АЕД) з короткозамкненим ротором, що дає можливість управляти швидкістю і напрямом обертання валу електродвигуна, а також його положенням у момент за 5 планованої або незапланованої зупинки шляхом зміни частоти і амплітуди живлячої трифазної напруги (220В, 50Гц). Керована зміна частоти (у діапазоні від 50Гц до 7000Гц) і амплітуди (від 220В до декількох вольт) живлячої трифазної напруги проводиться з використанням частотних перетворювачів, що забезпечують за рахунок плавної зміни частоти і амплітуди безступінчате регулювання швидкості двигуна, а отже, керований розгін, гальмування і реверсування. Зміна частоти і амплітуди живлячої напруги дозволяє змінювати швидкість обертання АЕД від «0» (зупинка) до номінальної, а також підтримувати номінальний момент на валу електродвигуна у всьому діапазоні регулювання швидкості обертання, тобто забезпечувати високі пускові моменти без пускових кидків струму. Управління положенням вихідного валу кожного реверсивного АЕД здійснюється з використанням датчиків зворотного зв'язку, в якості яких використані абсолютні (або, як варіант, відносні) датчики кута повороту, виконані на основі (на базі) магніточутливих мікросхем, що підвищує стабільність, точність і ефективність роботи пристрою. Сигнали від датчиків зворотного зв'язку, відповідні поточному кутовому положенню вихідних валів мотор-редукторів, у цифровому вигляді поступають для обробки в обчислювальний пристрій комп'ютера, що управляє, по стандартному інтерфейсу. Поточне кутове положення вихідних валів мотор-редукторів порівнюють за допомогою обчислювального пристрою комп'ютера, що управляє, і який містить змінний носій з програмним забезпеченням, що імітує рух автомобіля, із заданими кутами повороту, після чого розраховують величину необхідного кута повороту вихідного валу кожного мотор-редуктора. Цю величину перетворюють відповідно до протоколу обміну і подають на частотні перетворювачі, за допомогою яких подають на АЕД трифазну напругу необхідної частоти і амплітуди. У свою чергу те, що управляючий комп'ютер містить змінний носій з програмним забезпеченням, яке імітує рух автомобіля, забезпечує універсальність і автономність роботи пристрою при зміні або удосконаленні програмного забезпечення відповідно до вимог поточних завдань. Пристрій динамічної триступеневої платформи пояснюється Фіг.1-8, де на Фіг.1 показана схема платформи збоку; на Фіг.2 показана схема платформи зверху (із знятим столом); на Фіг.3 показана структурна схема платформи; на Фіг.4 показана структурна схема одного (із трьох) каналу управління платформи; на Фіг.5 показана фотографія платформи; на Фіг.6 - фотографія конструкції вузла кріплення тяги до стола платформи; на Фіг.7 фотографія укрупненого фрагмента конструкції вузла кріплення тяги до стола платформи; на Фіг.8 - фотографія триступеневої динамічної платформи спільно з кабіною тренажера автомобіля. На Фіг.1-8 прийняті наступні позначення: 1 стіл платформи з корисним навантаженням (кабіною тренажера з особою, що навчається); 2, 3, 4 вузол механічного переміщення; 5 - адаптер платформи; 6 - асинхронний електродвигун; 7 - зни 86673 6 жувальний редуктор; 8 - частотний перетворювач; 9 - випрямляч; 10 - блок живлення; 11 - вузол мікрозбирання біполярних польових транзисторів з ізольованим затвором; 12 - мікроконтролер; 13 обчислювальний пристрій; 14 - перетворювач інтерфейсу; 15 - абсолютний датчик кутових переміщень (датчик зворотного зв'язку); 16 - важіль; 17 - тяга; 18 - вузол шарнірного кріплення тяги до стола платформи; 19 - вузол шарнірного кріплення тяги до важеля; 20 - направляючий вузол телескопічного типу; 21 - основа платформи; 22 - шарнірний вузол кріплення стола платформи до направляючого вузла; 23 - верхній важіль осьової стабілізації; 24 - нижній важіль осьової стабілізації; 25 - амортизатор; 26 - корисне навантаження (кабіна тренажера); 27 - управляючий комп'ютер. Пропонована триступенева динамічна платформа (див. Фіг.1-8) є основою (21), на якій розміщені три частотні перетворювачі (8), блок адаптера платформи (5), направляючий вузол телескопічного типу (20), три амортизатори (25), три вузли механічного переміщення (2, 3, 4), кожний з яких включає асинхронний електродвигун (6), знижувальний редуктор (7), важіль (16) і тягу (17). Пересувна частина платформи, а саме стіл (1), кріпиться до нижньої частини основи шарнірним вузлом (22) до направляючого вузла (20) в геометричному центрі стола (1). До нижньої поверхні стола (1) в трьох місцях (точках) з використанням шарнірів (18) прикріплені тяги (17). Обертальний рух валу АЕД (6) за допомогою знижувального редуктора (7), важеля (16) і тяги (17) перетворюється в зворотно-поступальний рух, що використовується для зміни положення стола (1) платформи щодо місця (точки) кріплення стола до направляючого вузла (20). Шарнірна конструкція кріплення (22) забезпечує нахил стола (1) у поздовжньо-вертикальній і поперечновертикальній площинах. Телескопічна конструкція направляючого вузла (20) забезпечує переміщення стола (1) уздовж вертикальної осі направляючого вузла (20). При цьому величина вертикального переміщення визначається довжиною важелів (16). Нижня частина направляючого вузла (20) жорстко прикріплена до основи (21) платформи, а верхня - за допомогою шарнірного з'єднання (22) до нижньої частини поверхні стола (1), що забезпечує необхідний кут нахилу площини стола щодо шарніра вузла кріплення (22). Кути нахилу стола (1) визначаються геометричними розмірами важелів (16) і тяги. (17) і вибираються з умови забезпечення заданих кутів нахилу в поздовжньовертикальній і поперечно-вертикальній площинах, а також припустимого навантаження на важелі (16) і тяги (17). Для зниження навантаження на важелі (16) і редуктори (7) при роботі з корисним навантаженням (28) вагою більше 600кг в пристрої застосовані три амортизатори пружинного типу (25), які працюють на стиснення при опусканні площини стола (1) нижче середнього рівня. Пружність пружин амортизаторів (25) вибрана з умови зменшення на 7 20% навантажень на кожен редуктор (7) в нижньому положенні важеля (16). Тип передачі знижувального редуктора (7) черв'ячний, що у разі припинення управління асинхронними електродвигунами (6) забезпечує збереження положення стола (1) платформи в положенні, яке він займав до припинення управління. Таке виконання передачі знижувального редуктора (7) підвищує рівень безпеки осіб, що навчаються, і які знаходяться в кабіні (26), розміщеній на столі (1), у випадках виникнення аварійних ситуацій (виключення зовнішнього електроживлення, виходу з ладу частотних перетворювачів (8), збоїв в роботі управляючого комп'ютера (27). Розміри важелів (16), геометричне положення редукторів (7) і локальних місць (точок) кріплення тяги (17) до стола (1) вибрані з умови забезпечення кутів нахилу в подовжньо-вертикальній площині (тангажу) і в поперечно-вертикальній площині (крен) від -20 градусів до +20 градусів щодо горизонтального положення. Передавальне число знижувальних редукторів (7) вибрано з умови забезпечення максимальної швидкості зміни положення стола (1) платформи по тангажу і крену 20 градусів/с. Управління АЕД (6), а саме кутом і швидкістю повороту валу кожного двигуна, в процесі навчання здійснюється за рахунок зміни частоти і амплітуди живлячої напруги (220В, 50Гц), яка формується відповідно до алгоритму роботи частотних перетворювачів (8), керованих сигналами від програми руху об'єкту за допомогою управляючого комп'ютера (27). Управління частотними перетворювачами (8) здійснюється за допомогою програмного забезпечення, що імітує рух автомобіля, по стандартному інтерфейсу. Вироблені за допомогою управляючого комп'ютера (27) сигнали управління від частотних перетворювачів (8), що визначають кутове положення і швидкість обертання валу асинхронного електродвигуна (6), через адаптер (5) поступають в перетворювач інтерфейсу (14) і далі, відповідно до протоколу обміну частотного перетворювача, в обчислювальний пристрій (13). За допомогою обчислювального пристрою (13), відповідно до алгоритму перерахунку, виробляють сигнали управління, що поступають через вбудований мікроконтролер на вузол мікрозбирання польових транзисторів з ізольованим затвором (11), на виході якого формують силову трифазну напругу відповідної амплітуди і частоти, яка надалі поступає на АЕД (6), вихідний вал якого обертається з відповідною швидкістю. Для визначення поточного положення вихідного валу кожного редуктора (7) застосовані абсолютні датчики кута повороту (15), виконані на базі магніточутливих мікросхем, що підвищує ефективність і точність роботи пристрою. Сигнали зворотного зв'язку з цих датчиків поступають через адаптер (5) в програму руху управляючого комп'ютера (27), де ці сигнали використовуються для розрахунків кутів повороту вихідних валів знижувальних редукторів (7) і надходження відповідних сигналів управління на частотні перетворювачі (8) відповідно до змін параметрів руху об'єкта. 86673 8 Адаптер (5) призначений для перетворення сигналів зворотного зв'язку від датчиків кута повороту (15) в послідовний код відповідно до протоколу обміну лінії зв'язку з управляючим комп'ютером (27), а також для перетворення сигналів управління частотними перетворювачами (8) від управляючого комп'ютера (27) у відповідний код. Триступенева динамічна платформа встановлюється в приміщенні з твердим покриттям на горизонтальний майданчик. На стіл (1) кріпиться вібраційний майданчик або кабіна тренажера (26). Підключається живлення частотних перетворювачів (8) (220В, 50Гц), кабелі зворотного зв'язку і кабель зв'язку адаптера (5) з управляючим комп'ютером (27). Включається управляючий комп'ютер (27) і перевіряється завантаження змінного програмного забезпечення управління рухом. Після цього триступенева динамічна платформа готова до роботи. Однофазну напругу (220В, 50Гц) подають на частотні перетворювачі (8), за допомогою яких відповідно до сигналів управління формують силову трифазну напругу живлення необхідної частоти і амплітуди для відпрацювання із заданими швидкостями асинхронними електродвигунами (6) необхідних кутів, що надалі відпрацьовуються за допомогою знижувальних редукторів (7). Положення вихідних валів редукторів (7) визначає положення (крен і тангаж) стола (1). Поточне положення вихідних валів редукторів (7) визначають за допомогою датчиків зворотного зв'язку (15), сигнали від яких через адаптер (5) поступають в змінний носій управляючого комп'ютера (27) з програмним забезпеченням, що імітує рух автомобіля, порівнюють з новим положенням вихідних валів редукторів (7). Розраховують необхідний кут повороту і швидкість повороту валів редукторів (7). Відповідні сигнали управління через адаптер (5) поступають на частотні перетворювачі (8), які формують силову напругу живлення необхідної частоти і амплітуди для повороту валів АЕД (6). Вали двигунів (6) і редукторів (7) повертаються на необхідний кут, що приводить до зміни положення стола (1). Такий цикл управління повторюється із швидкістю 9600біт/с, що забезпечує безперервність, плавність і необхідну точність управління положенням стола (1) платформи по крену і тангажу до швидкості 20градусів/с. Проведені випробування конструкції триступеневої динамічної платформи показали, що заявлений пристрій значно розширює в порівнянні з аналогами і прототипами можливості платформи при імітації руху реальних об'єктів по місцевості. Винахід може застосовуватись спільно з вібраційними пристроями у складі стендів для випробування вузлів і устаткування автомобілів на стійкість до дії акселераційних і вібраційних навантажень, а також для використання у складі тренажерів водіння легкових і вантажних автомобілів для забезпечення адекватності імітації процесу руху автомобіля за рахунок відтворення акселераційних ефектів, що виникають при наборі швидкості, гальмуванні і поворотах, при подоланні 9 перешкод, а також відтворення кутів нахилу автомобіля на трасі водіння (дорозі). 86673 10 Джерела інформації 1. Техническое описание динамического стенда КТС-ТУ 204, БКПКБМ, г.Пенза. 2. Динамический многостепенной стенд. RU №96124554, 1999. МПК 6 G09B9/08, F15B9/17. 11 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 86673 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601