一种五自由度持续载荷模拟平台的制作方法

本实用新型涉及飞行模拟领域，具体为一种五自由度持续载荷模拟平台。

背景技术：

飞行员训练是一个复杂的体系，为满足训练效率以及安全性、经济性等方面的需求，针对不同的训练目标，发展出了不同的环境模拟平台。如针对操作训练的地面多自由度模拟平台，针对耐力承受训练的高过载模拟平台；以及针对定向障碍训练的低过载多自由度模拟平台。

一种五自由度持续载荷模拟平台能够产生持续过载，可提供逼近飞机的真实载荷模拟环境，实现飞行员的过载训练、空间定向障碍训练。其相对于四自由度载人离心机多出一个自由度，使模拟环境更加逼近飞行的真实环境，同时也能提供高过载模拟环境，进行人员选拔、耐力训练等，可实现持续载荷环境中任意姿态变化，特别适合于空间定向障碍训练。

空间定向障碍定义为：相对地球参考坐标系或飞机在由重力垂直线构成的坐标系中，飞行员不能正确感知自身位置、运动和姿态等信息。常常会引发飞行员的错误知觉。空间定向障碍是目前严重威胁飞行安全的一个重大航空医学问题，具有普遍性、高危性等特点。

进行空间定向障碍训练，即通过模拟器产生易发生空间定向障碍的环境，对受训飞行员进行原理现象展示、空间定向障碍场景及意识、产生空间障碍后的克服应对方法、人在回路中的自主控制训练等阶次训练。

现有的模拟平台虽然形式较多，但基本上是针对某种应用需求设计的平台，由于无法提供较高的载荷，因此无法运用到飞行模拟训练上，同时现有的模拟平台大多数为四自由度模拟平台，存在自由度不够的缺点，无法提供更逼近飞机的真实载荷模拟环境，使得定向障碍环境的模拟范围较小，导致其应用面小，无法满足复杂环境的模拟要求，现有的模拟平台还存在六自由度的载荷平台，但六自由度的载荷平台体积过于庞大，导致驱动系统无法提供较大的动力，导致六自由度载荷平台无法提供较高的载荷，达不到真实训练的环境，因此，设计一种具有多自由度和能提供较高载荷的模拟平台是非常有必要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种五自由度持续载荷模拟平台，实现多种姿态可调的运动模拟，同时模拟平台提供持续可控的高过载及快速过载变化的环境模拟。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种五自由度持续载荷模拟平台，包括多自由度运动平台、垂直运动系统、主旋转臂系统和主驱动系统，所述主驱动系统支撑主旋转臂系统并带动其转动，所述垂直运动系统设置在所述主旋转臂系统上，所述垂直运动系统上设置有所述多自由度运动平台，所述垂直运动系统带动所述多自由度运动平台垂直于所述主旋转臂系统做上下直线运动；

所述多自由度运动平台包括滚转框系统、偏航框系统和座舱，所述座舱设置在所述偏航框系统内并绕着与所述偏航框系统的连接点旋转，所述偏航框系统设置在所述滚转框系统内并绕着与所述滚转框系统连接点旋转，所述座舱的旋转中心与所述偏航框系统的旋转中心垂直，所述滚转框系统设置在所述垂直运动系统上并绕着与所述垂直运动系统的连接点旋转，所述滚转框系统的旋转中心与所述偏航框系统的旋转中心垂直。

进一步地，所述主驱动系统包括基座、主电机和主传动轴支座，所述主电机设置在所述基座内，所述基座的顶部设置有所述主传动轴支座，所述主传动轴支座内通过轴承连接有主轴，所述基座上设置有主轴安装孔，所述主轴的一端置于主轴安装孔内并与所述主电机的输出轴连接，所述主轴的另一端转动连接有所述主旋转臂系统，所述的主轴安装孔内设置有轴承系，所述主轴通过轴承系与基座转动连接。

进一步地，所述主旋转臂系统包括离心平台和配重，所述离心平台的一端通过轴承可转动的套设在所述主轴上，所述离心平台的顶部开设有模拟腔，所述模拟腔内设置有所述垂直运动系统，所述离心平台靠近所述主轴的一端设置有所述配重。

进一步地，所述模拟腔的两侧壁上均竖直开设有垂直运动槽，两个所述垂直运动槽对称设置，两个所述垂直运动槽内均设置有所述垂直运动系统，所述垂直运动系统包括底座、导向杆和直线驱动系统，所述底座可滑动的设置在所述垂直运动槽内，所述底座靠近所述垂直运动槽的一侧固定有导向座，所述导向杆设有两个，两个所述导向杆均可滑动的穿设在所述导向座内且两端分别与所述垂直运动槽的顶部和底部固定，所述模拟腔的底部设置有所述直线驱动系统，所述直线驱动系统与所述底座的底部连接。

进一步地，所述滚转框系统包括滚转框体、滚转电机、驱动转轴和滚转框从动轴，所述滚转框体为环形对称结构，所述滚转框体外侧的两端分别固定有所述驱动转轴和滚转框从动轴，所述驱动转轴和滚转框从动轴均设置在所述滚转框体的对称中心线上，所述驱动转轴和滚转框从动轴远离所述滚转框体的一端分别可转动的穿设在所述两个底座内，设有所述驱动转轴的底座内固定有所述滚转电机，所述滚转电机的输出轴与所述驱动转轴连接。

进一步地，所述偏航框系统包括偏航框体、偏航电机、偏航转轴和偏航从动轴，所述偏航框体为环形对称结构，所述偏航框体外侧的两端分别固定有所述偏航转轴和偏航从动轴，所述偏航转轴和偏航从动轴均设置在所述偏航框体的对称中心线上，所述偏航转轴和偏航从动轴远离所述偏航框体的一端均与所述滚转框体转动连接，所述偏航转轴穿过所述滚转框体并与所述偏航电机的输出轴连接，所述偏航电机固定在所述滚转框体上。

进一步地，所述座舱包括舱体、俯仰电机、俯仰转轴和俯仰从动轴，所述舱体为立方体结构，所述舱体的两端分别固定有所述俯仰转轴和俯仰从动轴，所述俯仰转轴和俯仰从动轴均设置在所述舱体的对称中心线上，所述俯仰转轴和俯仰从动轴远离所述舱体的一端均与所述偏航框体转动连接，所述俯仰转轴穿过所述偏航框体并与所述俯仰电机的输出轴连接，所述俯仰电机固定在所述偏航框体上。

进一步地，所述的轴承系包括第一推力轴承、球轴承、第三角接触轴承和轴承套筒，所述轴承套筒安装在所述基座的主轴安装孔内，所述的第一推力轴承、球轴承、第三角接触轴承均设置在轴承套筒内。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的主驱动系统驱动主旋转臂系统，产生持续离心过载加速度；主旋转臂系统驱动滚转框系统产生相对于受训飞行员的滚转角运动；垂直运动系统驱动滚转框系统产生垂直于主旋转臂系统的直线运动；滚转框系统驱动偏航框系统产生相对于受训飞行员的偏航角运动；偏航框系统驱动座舱产生相对于受训飞行员的俯仰角运动，受训飞行员坐在座舱中，承受离心过载加速度和空间四个姿态角运动，实现多种姿态可调的运动模拟，同时提供持续可控的高过载及快速过载变化的环境模拟，拓宽了模拟平台的模拟能力，使模拟环境更加贴近真实的飞行环境。

2.本实用新型的座舱、滚转框系统、偏航框系统、均设计成轴对称结构，同时对主旋转臂系统进行配重平衡，做到力平衡和力偶平衡，能够减少主旋转臂系统和多自由度运动平台系统承受的倾覆力矩和转臂弯矩，降低离心平台垂向变形，同时降低系统的振动。

3.一种五自由度持续载荷模拟平台，使多自由度运动平台与持续载荷离心平台完美结合，为可实现多种姿态可调的运动模拟平台提供持续可控的高过载及快速过载变化的环境模拟。

附图说明

图1为本实用新型一种五自由度持续载荷模拟平台的整体结构示意图；

图2为图1中a处放大图；

图3为本实用新型一种五自由度持续载荷模拟平台中离心平台结构示意图；

图4为本实用新型一种五自由度持续载荷模拟平台中多自由度运动平台结构示意图；

图5为本实用新型一种五自由度持续载荷模拟平台中滚转框系统结构示意图；

图6为本实用新型一种五自由度持续载荷模拟平台中偏航框系统和座舱机构示意图；

图7为图6中c处放大图；

图8为图6中b处放大图；

图中，1-主驱动系统，2-主旋转臂系统，3-垂直运动系统，4-多自由度运动平台，11-基座，12-主电机，13-主传动轴支座，14-主轴，21-离心平台，22-配重，23-模拟腔，31-底座，32-导向杆，33-垂直运动槽，34-导向座，41-滚转框系统，42-偏航框系统，43-座舱，411-滚转框体，412-滚转电机，413-驱动转轴，414-滚转框从动轴，421-偏航框体，422-偏航电机，423-偏航转轴，424-偏航从动轴，431-舱体，432-俯仰电机，433-俯仰转轴，434-俯仰从动轴。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1至图8所示，一种五自由度持续载荷模拟平台，包括多自由度运动平台4、垂直运动系统3、主旋转臂系统2和主驱动系统1，主驱动系统1支撑主旋转臂系统2并带动其转动，主驱动系统1驱动主旋转臂系统2以一定的角速度和角加速度在水平面上受控旋转，提供飞行训练所需的过载环境，垂直运动系统3设置在主旋转臂系统2上，垂直运动系统3上设置有多自由度运动平台4，垂直运动系统3带动多自由度运动平台4垂直于主旋转臂系统2做上下直线运动，垂直运动系统3驱动多自由度运动平台4在主旋转臂系统2上做垂直运动，提供飞行训练所需的垂直运动，多自由度运动平台4具有三个自由度，多自由度运动平台4、垂直运动系统3和主旋转臂系统2相结合实现了五自由度的运动，使其运动模拟功能更加强大，能够实现定向障碍环境的模拟，从而具备定向障碍以及错觉训练的能力。

如图4所示，多自由度运动平台4包括滚转框系统41、偏航框系统42和座舱43，座舱44设置在偏航框系统42内并绕着与偏航框系统42的连接点旋转，提供飞行训练所需的俯仰运动，偏航框系统42设置在滚转框系统41内并绕着与滚转框系统41连接点旋转，座舱44的旋转中心与偏航框系统42的旋转中心垂直，提供飞行训练所需的偏航运动，滚转框系统41设置在垂直运动系统3上并绕着与垂直运动系统3的连接点旋转，滚转框系统41的旋转中心与偏航框系统42的旋转中心垂直，提供飞行训练所需的滚转运动。

本方案中主驱动系统1支撑主旋转臂系统2并提供主旋转臂系统2在水平面上旋转的动力，从而带动多自由度运动平台4做旋转运动，进而带动多自由度运动平台4上的座舱43做旋转运动，此作为座舱43的第一自由度，垂直运动系统3提供多自由运动平台4做垂直于主旋转臂系统2的直线运动，从而带动座舱43做直线运动，此作为座舱43的第二自由度，在主旋转臂系统2提供多自由运动平台4过载旋转的同时，垂直运动系统3可同时提供多自由运动平台4做上下的直线运动，滚转框系统41旋转时提供滚转运动，滚转框系统41的旋转中线为水平方向，滚转框系统41带动其上的偏航框系统42和座舱43一起做滚转运动，此作为座舱43的第三自由度，偏航框系统42在滚转框系统41内旋转提供偏航运动，偏航框系统42的旋转中心垂直于滚转框系统41的旋转中心，为竖直方向，偏航框系统42同时带动座舱43一起做偏航运动，此作为座舱43的第四自由度，座舱43在偏航框系统42内旋转提供俯仰运动，座舱44的旋转中心与偏航框系统42的旋转中心垂直，为水平方向，此作为座舱43的第五自由度。座舱43内的受训人员具有过载旋转、竖直方向的直线运动、滚转运动、偏航运动和俯仰运动五种运动状态，其中可使座舱43具有其中一种运动状态的模拟环境，或者任意两种运动状态相组合的模拟环境，再或者两种运动状态以上的组合模拟环境，从而提供了多种多样的训练模拟环境，在实际使用时，可根据训练的强度和模式选择合适的组合，从而达到更贴近实际飞行的环境模拟，同时也能提供高过载模拟环境，进行人员选拔、耐力训练等。

主驱动系统1包括基座11、主电机12和主传动轴支座13，主电机12设置在基座11内，基座11的顶部设置有主传动轴支座13，主传动轴支座13内通过轴承连接有主轴14，基座11上设置有主轴14安装孔，主轴14的一端置于主轴14安装孔内并与主电机12的输出轴连接，主轴14的另一端转动连接有主旋转臂系统2，的主轴14安装孔内设置有轴承系，主轴14通过轴承系与基座11转动连接。主电机12驱动主轴14转动，使主轴14带动主旋转臂系统2转动，主电机12驱动主旋转臂系统2以一定的角速度和角加速度在水平面上受控旋转，从而使主旋转臂系统2上的多自由度运动平台4具有一定的过载环境，通过轴承系保证主轴14运动的平稳性，可以将以往的单一转台复合承载改为常规轴承组成的轴承组承载，可以降低轴承成本，并且便于后续产品规模的提升。

进一步地，轴承系包括第一推力轴承、球轴承、第三角接触轴承和轴承套筒，轴承套筒安装在基座11的主轴14安装孔内，的第一推力轴承、球轴承、第三角接触轴承均设置在轴承套筒内。本方案中轴承套筒过止口定位、通过螺钉固定在基座11的主轴14安装孔内，主轴14穿过第一推力轴承、球轴承、第三角接触轴承与轴承套筒转动连接，第三角接触轴承外圈自由，内圈分别用轴肩定位和轴套定位，保证第三角接触轴承不承受轴向力，将轴向力仅由第一推力轴承承受，轴承系能够承受轴向力、径向力和弯矩，通过轴承套筒能够降低轴承安装难度。

如图1和图3所示，主旋转臂系统2包括离心平台21和配重22，离心平台21的一端通过轴承可转动的套设在主轴14上，离心平台21的顶部开设有模拟腔23，模拟腔23内设置有垂直运动系统3，离心平台21靠近主轴14的一端设置有配重22。离心平台21为轴对称结构，配重22安装在离心平台21的一端，对离心平台的重心进行调节，保证主轴14连接在离心平台21的重心位置，配重22随着离心平台21一起转动，实现系统的静平衡，减少不平衡引发的系统振动，同时，模拟腔23也关于离心平台21的轴线对称设置，保证多自由运动平台4在模拟腔23内运动的平稳性，减少对离心平台21的振动，使模拟平台的运转更加的稳定，降低了振动带来的损伤。

如图2所示，模拟腔23的两侧壁上均竖直开设有垂直运动槽33，两个垂直运动槽33对称设置，两个垂直运动槽33内均设置有垂直运动系统3，垂直运动系统3包括底座31、导向杆32和直线驱动系统，底座31可滑动的设置在垂直运动槽33内，底座31靠近垂直运动槽33的一侧固定有导向座34，导向杆32设有两个，两个导向杆32均可滑动的穿设在导向座34内且两端分别与垂直运动槽33的顶部和底部固定，模拟腔23的底部设置有直线驱动系统，直线驱动系统与底座31的底部连接。本方案中直线驱动系统驱动底座31沿着导向杆32上下移动，移动方向为竖直方向（即垂直与离心平台21运动），从而提供模拟环境的直线运动，通过导向杆32的导向作用，使模拟环境的直线运动更加的平稳。

如图5至图8所示，滚转框系统41包括滚转框体411、滚转电机412、驱动转轴413和滚转框从动轴414，滚转框体411为环形对称结构，滚转框体411外侧的两端分别固定有驱动转轴413和滚转框从动轴414，驱动转轴413和滚转框从动轴414均设置在滚转框体411的对称中心线上，驱动转轴413和滚转框从动轴414远离滚转框体411的一端分别可转动的穿设在两个底座31内，设有驱动转轴413的底座31内固定有滚转电机412，滚转电机412的输出轴与驱动转轴413连接。本方案中滚转电机412驱动驱动转轴413转动，从而驱动滚转框体411绕着与底座31的连接点旋转，提供飞行训练的滚转运动。滚转框体411为环形对称结构，同时驱动转轴413和滚转框从动轴414均设置在滚转框体411的对称中心线上，使滚转框系统41在底座31上的滚转运动更加的稳定，同时降低了系统的振动。

偏航框系统42包括偏航框体421、偏航电机422、偏航转轴423和偏航从动轴424，偏航框体421为环形对称结构，偏航框体421外侧的两端分别固定有偏航转轴423和偏航从动轴424，偏航转轴423和偏航从动轴424均设置在偏航框体421的对称中心线上，偏航转轴423和偏航从动轴424远离偏航框体421的一端均与滚转框体411转动连接，偏航转轴423穿过滚转框体411并与偏航电机422的输出轴连接，偏航电机422固定在滚转框体411上。本方案中偏航电机422驱动偏航框体421在滚转框体411内转动，提供飞行训练所需的偏航运动，偏航框体421为环形对称结构，偏航转轴423和偏航从动轴424均设置在偏航框体421的对称中心线上，使偏航框系统42在滚转框体411内的旋转更加的稳定，同时降低了系统的振动。滚转框体统41做滚转运动时，带动偏航框系统42和座舱43一起做滚转运动，偏航框系统42做偏航运动时，带动座舱43一起做偏航运动，因此，座舱43除了做单一的滚转运动和偏航运动，还能做滚至运动的同时又做偏航运动，增加了模拟环境的种类，使模拟环境更加贴近真实环境，使飞行训练的强度更高和训练效果更好。

座舱43包括舱体431、俯仰电机432、俯仰转轴433和俯仰从动轴434，舱体431为立方体结构，舱体431的两端分别固定有俯仰转轴433和俯仰从动轴434，俯仰转轴433和俯仰从动轴434均设置在舱体的对称中心线上，俯仰转轴433和俯仰从动轴434远离舱体431的一端均与偏航框体421转动连接，俯仰转轴433穿过偏航框体421并与俯仰电机432的输出轴连接，俯仰电机432固定在偏航框体421上。本方案中俯仰电机432驱动座舱431旋转，提供飞行训练所需的俯仰运动，舱体431为立方体结构，俯仰转轴433和俯仰从动轴434均设置在舱体431两端的中心上，同时俯仰转轴433和俯仰从动轴434均设置在舱体的对称中心线上，保证舱体431运动的平稳性，降低了系统的振动。由于模拟平台为大型设备，同时应用于飞行训练的模拟平台需要较大的载荷，使模拟平台在运转的过程中会产生较大的振动，本实用新型中的多自由度运动平台4中的滚转框系统41的旋转轴线、偏转框系统42的旋转轴线和座舱43的旋转轴线相交于一点，且分别位于x轴y、轴和z轴上使之相互垂直，大大的降低了多自由度运动平台4运转产生的振动，同时，配重22对离心平台21的重心进行调节，从而降低了整个系统的振动。

综上，本实用新型提供了一种五自由度的载荷模拟平台，相对于四自由度平台，大大的提高了平台的模拟能力，能模拟出多种多样和更加复杂的实际飞行环境，而对于六自由度平台而言，由于六自由度平台体积过于庞大，导致不能提供飞行所需的过载环境，因此，五自由度的载荷模拟平台更加适用于强化的飞行模拟训练。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。