УСТРОЙСТВО СОЗДАНИЯ УДАРНЫХ УСКОРЕНИЙ В ТРЕНАЖЕРАХ МАШИН

Полезная модель относится к области учебно-тренировочных средств и может быть использована для создания ударных ускорений в тренажерах экскаваторов, горнодобывающих машин, транспортных средств и боевых машин.
Известны устройства, обеспечивающие имитацию колебаний шасси (кабины, кресла специалиста по эксплуатации) в тренажерах машин различного назначения (US 5018973, G09B 9/04, опубл. 28.05.1991; RU 31869 U1, G09B 9/04, опубл. 27.08.2003; RU 82911 U1, G09B 9/04, опубл. 10.05.2009). Подобные устройства характеризуются возможностью имитации колебаний в тренажерах машин и в целом обеспечивают задачу отработки специалистами необходимых практических навыков эксплуатации.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному является динамическая платформа тренажера транспортного средства (RU 82911 U1, G09B 9/04, опубл. 10.05.2009), содержащая подвижную столешницу для размещения кабины и неподвижную станину, на которой установлены три электропривода (мотор-редукторы), связанные через кривошипно-аксиальные механизмы с подвижной столешницей в трех точках, являющихся вершинами воображаемого треугольника, блок управления приводами и подпружиненная подвижная стойка, верхний конец которой через карданный шарнир соединен со столешницей в центре масс треугольника, а нижний - через шлицевое соединение с неподвижной станиной, вторую пружину, концентрично установленную относительно первой, при этом пружины имеют разную длину и разный шаг навивки и расположены так, что направление навивки одной пружины противоположно направлению другой. Устройство имеет три степени свободы и обеспечивает движение полезной нагрузки по трем направлениям: поступательное движение вдоль вертикальной оси, вращение вокруг поперечной оси (тангаж), вращение вокруг продольной оси (крен). Движение осуществляется путем соответствующего изменения положения каждого из трех валов мотор-редукторов.
Недостатком аналогов является низкое подобие имитации ускорений при ударах, свойственных режимам эксплуатации машин, например удара ковша экскаватора о грунт, прохождения боевой машиной уступа или танкового рва, выстрела орудия танка и т.п. Этот недостаток обусловлен отсутствием инструментальной оценки подобия создаваемых ударных ускорений реальным (требуемым). Аналоги содержат, по крайней мере, два узла конструкции, например узел передачи от вала редуктора к подвижному основанию и само кресло специалиста, в которых переходная характеристика не контролируется, но которые влияют на величину создаваемых ускорений. Разделить и подстроить амплитудно-частотную характеристику каждого из узлов, используя только расчет управляющего воздействия приводов при отсутствии контроля параметров вышеуказанных узлов, представляется нетривиальной задачей.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленной полезной модели, заключается в разработке устройства создания ударных ускорений с требуемыми параметрами, обеспечивающими приближение условий обучения специалистов на тренажерах машин к реальным.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в повышении качества имитации ударных ускорений за счет увеличения их подобия ускорениям, возникающим при ударах в виртуальном пространстве сцены тренажера и в реальной работе машин и механизмов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство создания ударных ускорений в тренажерах машин, включающее неподвижное основание, на котором установлены три привода, связанные через кривошипно-шатунные механизмы в трех точках с подвижным основанием, на котором установлено кресло специалиста, и соединенные с блоком управления приводами, и подпружиненную подвижную шлицевую пару, шлицевой вал которой через карданный шарнир соединен с подвижным основанием в ее центре масс, а шлицевая втулка установлена на неподвижном основании, введены датчик подвижного основания, установленный на подвижном основании, и датчик кресла специалиста, установленный на кресле специалиста, которые соединены с микропроцессорным блоком, соединенным с блоком управления приводами и выполненным с возможностью обмена сигналами с внешним вычислителем в реальном масштабе времени.
Технический результат достигается также тем, что:
в качестве привода использован сервомотор ESMA, Delta Electronics, INCs, с редуктором серии AB/ABR, Apex Dynamics, INCs, и инкрементными энкодерами;
в качестве блока управления приводами использован сервопривод ASDA-A2, Delta Electronics, INCs, с интерфейсом CANbus и протоколом управления CANOpen;
в качестве датчика кресла специалиста использован трехосевой датчик ускорений с диапазоном измерений ±4g;
в качестве датчика подвижного основания использован трехосевой датчик ускорений с диапазоном измерений ±16g;
микропроцессорный блок выполнен на процессоре Nvidia Tegra 2.
Сущность заявляемого устройства создания ударных ускорений в тренажерах машин поясняется чертежом, на котором представлены его кинематическая и структурная схемы.
Устройство создания ударных ускорений в тренажерах машин включает (см. чертеж) неподвижное основание 1, подвижное основание 2, кресло 3 специалиста, приводы 4, 5 и 6, кривошипно-шатунные механизмы 7, 8 и 9, шлицевой вал 10 и шлицевую втулку 11, образующие подвижную шлицевую пару, пружину 12, карданный шарнир 13, блок 14 управления приводами, датчик 15 подвижного основания, датчик 16 кресла специалиста и микропроцессорный блок 17.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Пространственное положение подвижного основания 2 определяется положениями вершин точек присоединения тяг кривошипно-шатунных механизмов 7, 8, 9.
Управление производится при помощи блока 14 управления приводами, связанного с внешним вычислителем, путем подачи на приводы 4, 5 и 6 управляющих сигналов, сформированных в процессе виртуальной эксплуатации машины.
Статический вес подвижного основания 2 с установленным на нем креслом 3 специалиста удерживается пружиной 12. Исключение побочных вращений подвижного основания 2 обеспечивается подвижной шлицевой парой, шлицевая втулка 11 которой жестко соединена с неподвижным основанием 1.
В процессе работы микропроцессорный блок 17 детектирует уровень удара в виртуальном пространстве сцены тренажера машины.
p
min
i
p
i
r
i
i
1
i
2
i
3
i
При отсутствии ударов в виртуальном пространстве сцены тренажера машины, то есть при значении ускорения a подвижного основания 2 менее заданного минимального порогового значения a, и при наличии значимого изменения ориентации машины в пространстве от внешнего вычислителя в микропроцессорный блок 17 поступают текущие расчетные значения параметров положения подвижной платформы 2 в момент времени t: углов тангажа ϕ(t), крена ϕ(t) и высоты h(t), которые преобразуются в значения углов ϕ(t), ϕ(t), ϕ(t) соответствующих выходных валов приводов 4, 5 и 6. Эти расчетные значения подаются в блок 14 управления приводами, где формируется группа синхронных сигналов, поступающих на входы приводов 4, 5, 6. Приводы 4, 5 и 6 отрабатывают новое заданное положение подвижной платформы 2.
Вращение вокруг поперечной оси (тангаж) обеспечивается синхронной работой двух приводов 4 и 6 и противофазной работой третьего привода 5. При подаче с внешнего вычислителя на блок 14 управления приводами сигнала «угол тангажа» последний вырабатывает группу синхронных сигналов, поступающих на входы приводов 4 и 6 в фазе, и противофазный сигнал, поступающий на вход привода 5. Приводы 4, 5 и 6, воздействуя через кривошипно-шатунные механизмы 7, 8, 9 на подвижное основание 2 совместно с двухстепенным карданным шарниром 13, обеспечивают поворот кресла 3 специалиста вокруг поперечной оси.
Вращение вокруг продольной оси (крен) обеспечивается противофазной работой двух приводов 4 и 6 при неподвижном третьем приводе 6. Сигнал управления «угол крена» от внешнего вычислителя поступает в блок 14 управления приводами, который вырабатывает противофазные сигналы, поступающие на приводы 4 и 6. Эти приводы через кривошипно-шатунные механизмы 7, 9 синхронно воздействуют на подвижное основание 2, совместно с двухстепенным карданным шарниром 13 обеспечивая подвижному основанию 2 с креслом 3 специалиста поворот вокруг продольной оси, то есть крен.
Возвратно-поступательное движение вдоль вертикальной оси обеспечивается синхронной работой всех трех приводов 4, 5 и 6. Сигнал «вертикальное перемещение» от внешнего вычислителя поступает в блок 14 управления приводами, который вырабатывает совпадающие по фазе сигналы, поступающие на входы всех трех приводов 4, 5 и 6. Приводы 4, 5 и 6, работая синхронно и воздействуя через кривошипно-шатунные механизмы 7, 8, 9 на подвижное основание 2, совместно с двухстепенным карданным шарниром 13, пружиной 12 и удерживаемой от побочных перемещений подвижной шлицевой парой обеспечивают подвижному основанию 2 с креслом 3 специалиста возвратно-поступательное движение вдоль вертикальной оси.
p
min
i
p
k
p
р
1
i
2
i
3
i
p
p
k
При возникновении удара в виртуальном пространстве сцены тренажера машины, то есть при значении ускорения a подвижного основания 2 не менее заданного порогового значения a в каждой из трех плоскостей x, у, z, от внешнего вычислителя в микропроцессорный блок 17 поступает дополнительно массив параметров i-го удара, включая время начала удара t, массив заданных значений ускорений  подвижного основания 2 и временной интервал дискретизации dt массива в трех плоскостях х, у, z, массив заданных значений ускорений кресла специалиста 3 и временной интервал дискретизации dt массива в трех плоскостях х, у, z. В начальный момент, при значении поправочного коэффициента K для ускорений a подвижного основания 2, равного единице, в микропроцессорном блоке 17 вычисляется массив значений углов поворота приводов 4, 5, 6 соответственно ϕ(t, j), ϕ(t, j), ϕ(t, j) и с заданным дискретом времени dt последовательно подается в блок 14 управления приводами, где формируется группа синхронных сигналов, поступающих на входы приводов 4, 5, 6. Параллельно в микропроцессорный блок 17 с датчика 15 подвижного основания поступает массив значений ускорений  подвижного основания 2 и временной интервал дискретизации dt массива в трех плоскостях x, у, z, а с датчика 16 кресла специалиста поступает массив значений ускорений  кресла 3 специалиста и временной интервал дискретизации dt массива в трех плоскостях x, у, z, где вычисляются среднеквадратические ускорения:
р
p
для массивов заданных значений  и измеренных значений подвижного основания 2 на интервале Т=Jdt по формулам:
k
k
для массивов заданных значений  и измеренных значений  кресла 3 специалиста на интервале Т=Jdt по формулам:
На основе полученных значений вычисляются:
поправочный коэффициент для ускорений подвижного основания 2 по формуле
p
wp2
wp1
K=a/a;
поправочный коэффициент для ускорений кресла 3 специалиста по формуле
k
wk2
wkl
K=a/a.
р
p
k
При последующем ударе в процессе имитации колебаний в тренажерах машин в микропроцессорный блок 17 от внешнего вычислителя поступает массив заданных значений ускорений  подвижного основания 2, которые корректируются путем деления на поправочный коэффициент K. Далее заявленное устройство работает согласно вышеизложенному алгоритму. За счет учета значения поправочного коэффициента K при формировании в блоке 14 управления приводами группы синхронных сигналов, поступающих на входы приводов 4, 5, 6, обеспечивается увеличение подобия создаваемых ускорений, возникающих на подвижном основании 2. Дополнительно из микропроцессорного блока 17 передается во внешний вычислитель значение поправочного коэффициента K, которое свидетельствует о степени подобия ускорений, имитируемых в кресле 3 специалиста, и о наличии или отсутствии необходимости регулировки жесткости и демпфирования самого кресла 3 специалиста.
Заявленная полезная модель реализована в опытном образце тренажера экскаватора ЭКГ-18Р, в котором в качестве приводов 4, 5 и 6 использованы сервомоторы ESMA, Delta Electronics, INCs, с редуктором серии AB/ABR, Apex Dynamics, INCs, и инкрементными энкодерами, в качестве блока 14 управления приводами использован сервопривод ASDA-А2, Delta Electronics, INCs, с интерфейсом CANbus и протоколом управления CANOpen, в качестве датчика 15 подвижного основания использован трехосевой датчик ускорений LSM303DLHC, STMicroelectronics, с диапазоном измерений ±16g, в качестве датчика 16 кресла специалиста использован трехосевой датчик ускорений LSM303DLHC, STMicroelectronics, с диапазоном измерений ±4g, а микропроцессорный блок 17 выполнен на процессоре Nvidia Tegra 2.
Результаты предварительных испытаний опытного образца тренажера экскаватора ЭКГ-18Р подтверждают повышение качества имитации ударных ускорений, возникающих при ударах в виртуальном пространстве сцены тренажера и в реальной работе экскаватора.