設(shè)計(jì)要求：

臺(tái)面尺寸：3m×3m振動(dòng)方向：三向六自由度（X、Y、Z向）；大負(fù)載：60噸

抗傾覆力矩：110tm工作頻段：0.1~50Hz

臺(tái)面滿載大加速度：水平X向±1.2g

臺(tái)面滿載大加速度：水平Y(jié)向、垂直Z向±1.0g

臺(tái)面空載大加速度：X、Y、Z向±4.0g

臺(tái)面滿載大速度：±0.8m/s

臺(tái)面大位移：水平X、Y向±150mm，水平Z向±125mm大偏心距：0.6m

驅(qū)動(dòng)方式：電液伺服；控制方式：數(shù)字控制；控制波形：正弦波，地震波，隨機(jī)波。

大被試件質(zhì)心高度：4m；油源泵站系統(tǒng)工作壓力28MPa，冷卻功率按100%考慮。

系統(tǒng)組成：

振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-23所示。主要由以下幾部分組成：

承載平臺(tái)，1個(gè)；

水平X向作動(dòng)器，共2套；水平Y(jié)向作動(dòng)器，共2套；垂直Z向作動(dòng)器，共4套；

蓄能器 共1套；液壓源，1套；液壓分配器及管路；1套；伺服控制系統(tǒng)；1套；

液壓源控制系統(tǒng)；1套；連接電纜；1套；

基礎(chǔ)/預(yù)埋件設(shè)計(jì)(賣方只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)及驗(yàn)收，由買方負(fù)責(zé)施工)

圖2- 23系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)原理

振動(dòng)臺(tái)工作原理如圖2-24所示。參見圖2-1-1，平臺(tái)由8個(gè)液壓作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，其中X向2個(gè)，Y向2個(gè)，Z向4個(gè)，分別實(shí)行三個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)，而同方向的作動(dòng)器差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)繞三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，即平臺(tái)在8個(gè)作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。作動(dòng)器由伺服控制系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器按要求的信號(hào)運(yùn)動(dòng)。

圖2- 24振動(dòng)臺(tái)控制原理

六自由度振動(dòng)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的主要作用是將對(duì)臺(tái)面的自由度驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)各單系統(tǒng)（激振器）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過控制激振器的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)加速度控制，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量并拓展系統(tǒng)頻寬，還要采用三狀態(tài)控制和極點(diǎn)配置等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度的目的。

為了提高控制精度，在伺服控制系統(tǒng)的外環(huán)加上振動(dòng)控制，通過迭代運(yùn)算對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行修正，進(jìn)一步減小系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)與期望信號(hào)的差別，形成一種真正意義上的振動(dòng)閉環(huán)控制。

令表示伺服系統(tǒng)的頻響函數(shù)，則振動(dòng)控制的迭代補(bǔ)償原理可以表示為圖2-25所示形式。

圖2- 25振動(dòng)控制迭代補(bǔ)償原理

圖中，表示系統(tǒng)阻抗。頻響函數(shù)的逆為系統(tǒng)阻抗，有：

將期望信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)阻抗修正后的值作為伺服系統(tǒng)的輸入信號(hào)，則伺服系統(tǒng)的輸出即為期望信號(hào)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、平臺(tái)上表面用于連接負(fù)載，負(fù)載在平臺(tái)帶動(dòng)下完成各種姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)。

平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾個(gè)問題：

（1）平臺(tái)的******振型的頻率，優(yōu)于100Hz；

（2）平臺(tái)與液壓作動(dòng)器的連接處的強(qiáng)度和整個(gè)平臺(tái)的各方向剛度；

（3）平臺(tái)的形位公差，如作動(dòng)器安裝平面間的平行度和垂直度公差，上表面與垂直向作動(dòng)器安裝面的平行度誤差等；

（4）被試件與平臺(tái)的安裝方式。

為了準(zhǔn)確地將電液伺服系統(tǒng)的力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律傳遞給負(fù)載，平臺(tái)在保證具有足夠大的剛度和較高的固有頻率的同時(shí)，應(yīng)盡量減輕其重量。為此平臺(tái)采用二層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，用鋼板焊接而成。

平臺(tái)上表面為安裝負(fù)載的基準(zhǔn)面，為滿足用戶安裝試件的需要，基準(zhǔn)面面積為3000mm×3000mm，平臺(tái)上表面分布有螺紋孔，供負(fù)載連接，如圖2-26所示。

圖2- 26 承載平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

X、Y向作動(dòng)器示意圖如圖3-1-2所示。

 圖2- 27 振動(dòng)臺(tái)水平向作動(dòng)器示意圖

作動(dòng)器參數(shù)與配置如下：

X、Y向作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)平臺(tái)各向的振動(dòng)，各向需要2個(gè)作動(dòng)器，作動(dòng)器配置內(nèi)置式位移傳感器。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)及負(fù)載方向的振動(dòng)。作動(dòng)器見圖2-28。

圖2- 28 X向作動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

每個(gè)作動(dòng)器包括：液壓缸（雙出桿對(duì)稱缸）、三級(jí)電液伺服閥、壓差傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、連接鉸等。作動(dòng)器與平臺(tái)和基礎(chǔ)間用關(guān)節(jié)鉸連接，采用自潤(rùn)滑可調(diào)間隙關(guān)節(jié)鉸，即能實(shí)現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，又沒有間隙，能夠保證了振動(dòng)臺(tái)的精度。

垂直Z向作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)Z向、繞X和繞Y軸三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。其布置情況如圖2-29所示，Z1、Z2、Z3和Z4就是Z向的四個(gè)作動(dòng)器。

圖2- 29Z向作動(dòng)器示意圖

作動(dòng)器參數(shù)與配置如下:

Z向作動(dòng)器共有4個(gè)，不僅實(shí)現(xiàn)平臺(tái)Z向的振動(dòng)，還能夠抵抗由于水平振動(dòng)引起的傾覆力矩。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)及負(fù)載Z方向1.0g的振動(dòng)，同時(shí)平衡由于水平振動(dòng)引起的傾覆力矩。Z向作動(dòng)器見圖2-30。 

圖2- 30 垂向液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

每個(gè)作動(dòng)器包括：液壓缸（雙出桿對(duì)稱缸）、三級(jí)電液伺服閥、壓差傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、連接鉸等。作動(dòng)器與平臺(tái)和基礎(chǔ)間用關(guān)節(jié)鉸連接，采用自潤(rùn)滑可調(diào)間隙關(guān)節(jié)鉸，即能實(shí)現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，又沒有間隙，能夠保證了振動(dòng)臺(tái)的精度。

靜力平衡裝置

靜力平衡裝置與Z向作動(dòng)器串聯(lián)，用于平衡平臺(tái)和負(fù)載的重量，減小Z 向作動(dòng)器的出力。靜力平衡裝置的原理見圖2-31。

圖2- 31 靜力平衡裝置的原理圖

液壓源

液壓源采用液壓泵和蓄能器聯(lián)合供油，液壓泵只提供振動(dòng)需要的平均流量，而高于平均流量部分由蓄能器提供。液壓源能夠滿足Z或X或Y 向的振動(dòng)試驗(yàn)。經(jīng)分析，液壓源的流量為700L/min見圖2-32。

圖2- 32 液壓源的結(jié)構(gòu)圖

液壓源蓄能器

主要提供系統(tǒng)所需超過系統(tǒng)平均流量的瞬時(shí)大流量。液壓源蓄能器選擇800L的，采用8個(gè)100L的囊式蓄能器并聯(lián)而成。

液壓分配器及管路

液壓分配器作為液壓源與液壓缸的接口模塊，具有如下功能：為作動(dòng)器提供瞬時(shí)大流量

實(shí)現(xiàn)三級(jí)伺服閥前置級(jí)單獨(dú)供油；掉電卸荷功能；高低壓和截止功能；超壓保護(hù)功能；油溫油壓檢測(cè)功能；液壓分配器的結(jié)構(gòu)見圖2-33。

圖2- 33 液壓分配器

伺服控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。

伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：振動(dòng)臺(tái)的人機(jī)界面；振動(dòng)臺(tái)的數(shù)字閉環(huán)控制；振動(dòng)臺(tái)的位移和加速度控制；內(nèi)力紛爭(zhēng)解耦控制；道路譜的精確復(fù)現(xiàn)；系統(tǒng)狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)與安全保護(hù)；系統(tǒng)故障顯示、與記錄；硬件看門狗，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急保護(hù)；急停按鈕，用于系統(tǒng)急停；聲光報(bào)警。

伺服控制系統(tǒng)硬件組成

伺服控制系統(tǒng)包括任務(wù)管理計(jì)算機(jī)和伺服控制柜，見圖2-34。

圖2- 34 伺服控制系統(tǒng)硬件組成

（1）任務(wù)管理計(jì)算機(jī)

任務(wù)管理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)任務(wù)設(shè)置和管理，由一臺(tái)DELL Precision商用臺(tái)式計(jì)算機(jī)組成（配置以DELL新型號(hào)為準(zhǔn)），完成振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及液壓源啟停管理等。

（2）伺服控制柜

伺服控制柜由控制機(jī)柜、伺服控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理單元、直流穩(wěn)壓電源以及UPS不間斷電源等組成。

圖2- 35伺服控制單元

伺服控制軟件

  IEST MTarget是公司開發(fā)的多通道伺服控制軟件，能提供多種試驗(yàn)功能。運(yùn)行于Windows XP或Windows 7操作系統(tǒng)上。IEST MTarget系統(tǒng)軟件所有模塊均采用窗口操作方式，可以根據(jù)用戶類別設(shè)定不同操作權(quán)限，該軟件操作簡(jiǎn)單，功能完善。

需方實(shí)驗(yàn)室配套條件

實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室由三部分組成：

⑴    地坑面積為：4米*4米

⑵    液壓源間面積為：不小于5*10米，隔音要求:50dB

⑶    控制間面積為3*5米，環(huán)境要求：應(yīng)有空調(diào)，溫度16℃～25℃。

配水配電

液壓源配電要求為：

配電功率：370kw，三相380VAC（五線制）；回路數(shù)：3

伺服控制柜的動(dòng)力配電要求為：

配電功率：不小于3 kW，單相220VAC（三線制）；回路數(shù)：1。

PLC控制柜的動(dòng)力配電：

配電功率不小于2 kW，單相220VAC（三線制）

液壓源的冷卻水要求為：

不小于40m3/h；冷卻器冷卻水側(cè)壓力：60kPa；冷卻器入口水溫低于33℃；

冷卻水采用經(jīng)過過濾的淡水。

地線要求

控制間有單獨(dú)地線，地線的要求為：

在伺服控制柜的安放地點(diǎn)1米距離內(nèi)安裝接地銅排；接地銅排的接地電阻為1Ω。

布置與基礎(chǔ)

試驗(yàn)室由試驗(yàn)大廳、液壓源間、控制間等部分構(gòu)成，其中液壓源間需要隔音處理。設(shè)備布置圖如圖2-36，2-37。

其中設(shè)備基礎(chǔ)應(yīng)滿足以下要求：

（1）基礎(chǔ)內(nèi)邊緣尺寸滿足地震臺(tái)運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)要求；

（2）滿足各液壓作動(dòng)器連接處的強(qiáng)度要求和剛度要求；

（3）基礎(chǔ)振動(dòng)要滿足作動(dòng)器控制系統(tǒng)的精度要求；

（4）基礎(chǔ)振動(dòng)要符合試驗(yàn)室操作人員的健康要求，以使能長(zhǎng)期操作運(yùn)行。一般應(yīng)小于0.2g；

對(duì)試驗(yàn)室房屋的振動(dòng)影響，一般應(yīng)控制在相當(dāng)于地震烈度為七度范圍內(nèi)（相當(dāng)于0.1g），此時(shí)房屋設(shè)計(jì)應(yīng)以八度地震烈度設(shè)計(jì)。

圖2- 36 實(shí)驗(yàn)室安裝示意

圖2- 37 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備布置示意

系統(tǒng)的安全保護(hù)

為了保證振動(dòng)臺(tái)長(zhǎng)期安全運(yùn)行，需要對(duì)其可能發(fā)生的各種故障進(jìn)行分析，同時(shí)針對(duì)各種故障進(jìn)行故障處理和安全保護(hù)設(shè)計(jì)，這是六自由度振動(dòng)臺(tái)研制的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。

機(jī)械系統(tǒng)的安全性

機(jī)械系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)，主要指機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要保證機(jī)械系統(tǒng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度，還要保證振動(dòng)臺(tái)在任何可能的運(yùn)動(dòng)中（包括正常運(yùn)動(dòng)和故障狀態(tài)），機(jī)械部件之間不能發(fā)生干涉碰撞。避免平臺(tái)與作動(dòng)器間干涉；避免鉸座組件與作動(dòng)器間干涉；需要對(duì)基礎(chǔ)地坑有防護(hù)措施。

液壓源安全性

為了使液壓系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，進(jìn)行了液壓源的安全性設(shè)計(jì)，主要包括：

（1）超溫保護(hù)：利用溫度傳感器檢測(cè)液壓源高壓管路的液壓油溫度，如果溫度過高，提示液壓油溫度高；

（2）壓力故障保護(hù)：利用壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)壓力，如果壓力超限，則提示報(bào)警；

（3）卸荷功能：系統(tǒng)掉電狀態(tài)下，卸荷閥開啟，可以實(shí)現(xiàn)液壓源蓄能器卸荷。

控制系統(tǒng)安全性

硬件保護(hù)策略

（1）具有實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)和市電供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，一旦檢測(cè)到故障狀態(tài)，將發(fā)出一個(gè)使能信號(hào)，進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作；

（2）具有急停保護(hù)按鈕，當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有出現(xiàn)故障狀態(tài)可能時(shí)，可以在現(xiàn)場(chǎng)和控制間按下急停保護(hù)按鈕，達(dá)到安全保護(hù)的目的。

軟件保護(hù)策略

控制軟件將故障分為報(bào)警、保護(hù)和急停三種，在運(yùn)行信息里都會(huì)給出提示。

報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，故障暫時(shí)基本沒有危害性，軟件只給用戶提示信息，而不做任何處理。

保護(hù)故障是對(duì)系統(tǒng)的一種保護(hù)，以防硬件損壞，軟件將使平臺(tái)自動(dòng)回到零位。

此時(shí)用戶只能是重新啟動(dòng)下位機(jī)、上位機(jī)程序，然后依次按照系統(tǒng)的啟動(dòng)步驟重新啟動(dòng)系統(tǒng)，否則不能對(duì)平臺(tái)進(jìn)行正常控制。

急停故障可通過現(xiàn)場(chǎng)急停按鈕實(shí)現(xiàn)，急停類故障一般是嚴(yán)重故障。急停后，同時(shí)平臺(tái)落回工作零位。報(bào)警顯示部分閃爍。在急停狀態(tài)下，用戶所能做的是按照平臺(tái)回落的程序依次走，而后將系統(tǒng)卸荷，待管路壓力回零后，重新啟動(dòng)程序，否則無法回到正常狀態(tài)，即無法恢復(fù)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行閉環(huán)控制。