新型氣動(dòng)混聯(lián)三自由度運(yùn)動(dòng)感模擬器

1、目錄 運(yùn)動(dòng)模擬器機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)介紹 元件的選定 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 氣缸的設(shè)計(jì) 致謝運(yùn)動(dòng)模擬器機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)介紹如右圖所示為運(yùn)動(dòng)模擬器的基本結(jié)構(gòu)。通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，四根圓周均布的氣動(dòng)人工肌肉，控制上平臺(tái)的各個(gè)角度的傾斜。通過(guò)串聯(lián)機(jī)構(gòu)，氣缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的升降。運(yùn)動(dòng)模擬器機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)介紹右圖為氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖。利用電氣比例閥控制氣動(dòng)人工肌肉內(nèi)腔的壓力，實(shí)現(xiàn)氣功人工肌肉的收縮伸張。利用比例方向控制閥控制氣缸的進(jìn)氣排氣，以控制上平臺(tái)的升降。系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與計(jì)算初步設(shè)定系統(tǒng)的氣壓為初步設(shè)定系統(tǒng)的氣壓為0.5MPa0.5MPa，其余系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，其余系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如下：如下：序號(hào)序號(hào)元件元件尺寸（尺寸（mmmm）1 1

2、上平臺(tái)上平臺(tái)R 250R 2502 2下平臺(tái)下平臺(tái)R 250R 2503 3下平臺(tái)套筒下平臺(tái)套筒R 100R 100H 600H 6004 4上下平臺(tái)距離上下平臺(tái)距離8008005 5下平臺(tái)底座距離下平臺(tái)底座距離8080系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定與計(jì)算另，上平臺(tái)兩自由度傾斜角度范圍初步設(shè)定為另，上平臺(tái)兩自由度傾斜角度范圍初步設(shè)定為1515，上平臺(tái)升降高度為，上平臺(tái)升降高度為550mm550mm。序號(hào)序號(hào)元件元件尺寸（尺寸（mmmm）6 6正六邊形底座正六邊形底座L 300L 3007 7導(dǎo)桿導(dǎo)桿L 880L 8808 8人工肌肉安裝人工肌肉安裝位置位置R 200R 2009 9導(dǎo)桿安裝位置導(dǎo)桿安裝位置R

3、160R 160元件的選定氣動(dòng)人工肌肉的選型 初步選定Festo公司的氣動(dòng)人工肌肉。安裝尺寸要求選定內(nèi)徑為40mm，選用進(jìn)氣口帶壓接接口的DMSP系列。 右圖為DMSP-40系列的工作范圍。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)計(jì)，氣動(dòng)人工肌肉在軸向方向所受拉力很小，可以忽略不計(jì)，所以在工作壓力0.5MPa的情況下，氣動(dòng)人工肌肉的收縮率可達(dá)到25%。元件的選定氣動(dòng)人工肌肉的選型 考慮氣動(dòng)人工肌肉的長(zhǎng)度。其長(zhǎng)度主要受到三方面的限制：一是上下平臺(tái)的距離，二是上平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，三是肌肉在上下平臺(tái)的安裝位置。且氣動(dòng)人工肌肉的收縮時(shí)，收縮量不超過(guò)初始長(zhǎng)度的=25%；拉伸時(shí)，最大長(zhǎng)度不能超過(guò)初始長(zhǎng)度。 21221121)1

4、(llLAallLAaLAaAa元件的選定氣動(dòng)人工肌肉的選型 整理可得氣動(dòng)人工肌肉的長(zhǎng)度范圍為： 121221llAaLAaAa通過(guò)幾何關(guān)系可得：mmAammAa3 .7488 .85121 計(jì)算可得L的長(zhǎng)度范圍為：mmLmm603414最終元整L=450mm，一端進(jìn)氣。最終選取型號(hào)為DMSP-40-450-RM-CM。元件的選定氣缸的選型 要求運(yùn)動(dòng)模擬器處置方向運(yùn)動(dòng)加速度不超過(guò)0.4 ，承載質(zhì)量為乘坐者質(zhì)量100kg，機(jī)構(gòu)重量50kg。2/smMafMgDP2)2(氣源壓力0.5Mpa，效率選取為=0.5，摩擦力忽略不計(jì)，得氣缸內(nèi)經(jīng)： 圓整得D=100mmD=100mm。mmD98.91元件

5、的選定氣動(dòng)人工肌肉控制閥選型 初步選用SMC公司的電氣比例閥控制氣動(dòng)人工肌肉內(nèi)腔的壓力。 計(jì)算單根氣動(dòng)人工肌肉的耗氣量為Q=224L/min。根據(jù)電氣比例閥的流量特性，選取控制閥的型號(hào)為ITV3050ITV3050。3000型，壓力范圍為0.9Mpa，電源信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)24V。元件的選定氣缸控制閥的選型 假設(shè)氣缸的最快往返時(shí)間為5s，得氣缸的最大耗氣量為600L/min。所以選定Festo公司的三位五通比例方向控制閥，型號(hào)為MPYE-5-M5-010-BMPYE-5-M5-010-B。 MPYE系列，三位五通，接口尺寸M5，虛擬電壓信號(hào)控制，B系列。 流量范圍為100-2000L/min，壓力范圍為

6、0-1MPa滿足工作要求。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)上下平臺(tái)的聯(lián)接上下平臺(tái)的聯(lián)接 運(yùn)動(dòng)模擬器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，下平臺(tái)固定，上平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度上的任意傾斜。所以上下平臺(tái)的聯(lián)接需要采用一至少兩自由度的軸承聯(lián)接，且確保上下平臺(tái)的聯(lián)接緊固。采用如圖所示的虎克鉸聯(lián)接上下平臺(tái)，可以保證上平臺(tái)的自由活動(dòng)。且將角度傳感器直接安裝于虎克鉸的中間軸上，直接監(jiān)測(cè)上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)角度，便于實(shí)現(xiàn)控制。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)氣動(dòng)人工肌肉自然伸張時(shí)不可彎折氣動(dòng)人工肌肉自然伸張時(shí)不可彎折 由于運(yùn)動(dòng)模擬器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在工作的初始狀態(tài)下，需向氣動(dòng)人工肌肉內(nèi)腔沖入設(shè)定壓力的氣體，進(jìn)行初始收縮。但是在運(yùn)動(dòng)模擬器不工作時(shí)，氣功人工肌肉自然伸張，若沒(méi)有活動(dòng)空間，就會(huì)

7、導(dǎo)致氣動(dòng)人工肌肉的彎折。采用如圖所示的套桿，保證氣功人工肌肉在工作狀態(tài)和自然伸張狀態(tài)之間有一定的軸向的活動(dòng)空間，以使其不彎折。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)氣動(dòng)人工肌肉與上下平臺(tái)的聯(lián)接氣動(dòng)人工肌肉與上下平臺(tái)的聯(lián)接 氣動(dòng)人工肌肉在不同的動(dòng)作時(shí)，由于上平臺(tái)的兩自由度的傾斜，需要至少兩自由度的聯(lián)接，且要保證上平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)15的運(yùn)動(dòng)范圍；而相對(duì)于下平臺(tái)只有一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。所以與上平臺(tái)采用球頭球頭桿端關(guān)節(jié)軸承桿端關(guān)節(jié)軸承聯(lián)接，與下平臺(tái)采用與氣動(dòng)人工肌肉配套的關(guān)節(jié)軸承關(guān)節(jié)軸承CRSGSCRSGS和雙耳環(huán)和雙耳環(huán)SGASGA聯(lián)接。運(yùn)動(dòng)模擬器裝配圖氣缸的設(shè)計(jì)氣缸安裝形式的確定氣缸安裝形式的確定 根據(jù)運(yùn)動(dòng)模擬器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及

8、其運(yùn)動(dòng)要求，氣缸用過(guò)活塞桿的伸縮用以實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)在豎直方向上的升降。由于負(fù)載在垂直方向上有動(dòng)作要求，所以最終選用后缸蓋法蘭式連接，如圖所示。氣缸的設(shè)計(jì)缸筒缸筒 氣缸筒選用圓筒形結(jié)構(gòu)，選用材料為鋁合金。 由于氣缸的動(dòng)作需要，要求缸筒材料內(nèi)表面具有一定的硬度，以抵抗活塞運(yùn)動(dòng)的磨損。鋁合金管需經(jīng)影志陽(yáng)極氧化處理，硬質(zhì)氧化膜厚度為30-50m。 氣缸筒應(yīng)能承受1.5倍于最高動(dòng)作壓力條件下的耐壓試驗(yàn)，并不得有泄漏。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選定，缸筒壁厚為4mm氣缸的設(shè)計(jì)活塞桿活塞桿 活塞桿是承受力的重要元件，需要能承受拉伸、壓縮、振動(dòng)等載荷，不能銹蝕。 利用經(jīng)驗(yàn)公式選定活塞桿的直徑為32mm。 經(jīng)過(guò)強(qiáng)

9、度校核以及縱向彎曲極限力校核，直徑取32mm，完全滿足要求。 選用材料為45。氣缸的設(shè)計(jì)活塞活塞 要求活塞具有足夠的強(qiáng)度和良好的滑動(dòng)特性，防止過(guò)度磨損和發(fā)生“咬缸”。 現(xiàn)在活塞一般制成整體型。采用鋁合金的整體活塞，具有良好的潤(rùn)滑性和減震耐沖擊性能。 中型氣缸一般選用c所示的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向環(huán)一般采用聚四氟乙烯制成，使得活塞具有更加良好的滑動(dòng)性能。氣缸的設(shè)計(jì)導(dǎo)向套導(dǎo)向套 導(dǎo)向套的作用是作為活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向，因此，同對(duì)活塞的要求一樣，要求導(dǎo)向套具有良好的滑動(dòng)性能，能承受對(duì)于活塞桿受重負(fù)載時(shí)引起的桿彎曲、振動(dòng)和沖擊。 導(dǎo)向套一般采用聚四氟乙烯制成。氣缸的設(shè)計(jì)缸蓋缸蓋 缸蓋多為鑄件，也有焊接件。 對(duì)于

10、需要緩沖機(jī)構(gòu)的氣缸，缸蓋上除了進(jìn)排氣孔外，還需要設(shè)計(jì)加工緩沖裝置的的孔道。 缸蓋的厚度主要考慮安裝進(jìn)排氣管以及密封圈和導(dǎo)向裝置、緩沖裝置等所占的空間。 缸蓋的常用材料有鑄鐵和鋁合金，本氣缸選用球墨鑄鐵材料。 和對(duì)于缸筒的要求一樣，裝配后，應(yīng)在1.5倍工作壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不應(yīng)有漏氣現(xiàn)象。非加工表面應(yīng)涂漆防銹。氣缸的設(shè)計(jì)氣缸緩沖裝置氣缸緩沖裝置 對(duì)中型氣缸一般采用緩沖氣腔來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖，其結(jié)構(gòu)如圖所示，從氣缸運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到緩沖行程開(kāi)始，緩沖柱塞將排氣口堵死形成以封閉氣腔，其中空氣受到壓縮，其背壓便起到降低活塞運(yùn)動(dòng)速度的緩沖作用。1 1活塞；活塞；2針閥；針閥；3緩沖柱塞緩沖柱塞氣缸的設(shè)計(jì)缸筒與缸蓋的連接缸

11、筒與缸蓋的連接 為了便于加工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用拉桿式螺栓連接。因?yàn)闅飧椎南露松w要利用法蘭固定在運(yùn)動(dòng)模擬器的底板上，所以采用如圖所示的拉桿螺栓連接。氣缸的設(shè)計(jì)氣缸密封的選擇氣缸密封的選擇 活塞桿與前端蓋的密封采用O型密封圈密封，并采用J型密封圈防塵，保護(hù)活塞桿不被劃傷。 端蓋與缸筒的密封采用O型密封圈實(shí)現(xiàn)密封。 緩沖柱塞與后端蓋之間采用氣缸緩沖專用QH型外露骨密封圈，實(shí)現(xiàn)緩沖密封。 活塞與活塞桿之間采用O型密封圈密封。 氣缸的設(shè)計(jì)氣缸使用注意事項(xiàng)氣缸使用注意事項(xiàng)氣缸應(yīng)在正常的工作條件下使用：環(huán)境溫度為-35-80，工作壓力為0.4-0.6MPa；安裝前，應(yīng)在1.5倍工作壓力條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不應(yīng)漏氣；