新型氣動混聯(lián)三自由度運動感模擬器

1、目錄 運動模擬器機構及系統(tǒng)介紹 元件的選定 機械結構設計 氣缸的設計 致謝運動模擬器機構及系統(tǒng)介紹如右圖所示為運動模擬器的基本結構。通過并聯(lián)機構，四根圓周均布的氣動人工肌肉，控制上平臺的各個角度的傾斜。通過串聯(lián)機構，氣缸的伸縮，實現(xiàn)上平臺的升降。運動模擬器機構及系統(tǒng)介紹右圖為氣動控制系統(tǒng)原理圖。利用電氣比例閥控制氣動人工肌肉內(nèi)腔的壓力，實現(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氣排氣，以控制上平臺的升降。系統(tǒng)參數(shù)的設定與計算初步設定系統(tǒng)的氣壓為初步設定系統(tǒng)的氣壓為0.5MPa0.5MPa，其余系統(tǒng)參數(shù)設定，其余系統(tǒng)參數(shù)設定如下：如下：序號序號元件元件尺寸（尺寸（mmmm）1 1

2、上平臺上平臺R 250R 2502 2下平臺下平臺R 250R 2503 3下平臺套筒下平臺套筒R 100R 100H 600H 6004 4上下平臺距離上下平臺距離8008005 5下平臺底座距離下平臺底座距離8080系統(tǒng)參數(shù)的設定與計算另，上平臺兩自由度傾斜角度范圍初步設定為另，上平臺兩自由度傾斜角度范圍初步設定為1515，上平臺升降高度為，上平臺升降高度為550mm550mm。序號序號元件元件尺寸（尺寸（mmmm）6 6正六邊形底座正六邊形底座L 300L 3007 7導桿導桿L 880L 8808 8人工肌肉安裝人工肌肉安裝位置位置R 200R 2009 9導桿安裝位置導桿安裝位置R

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

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

5、的選定氣動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人工肌肉內(nèi)腔的壓力。 計算單根氣動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，選取控制閥的型號為ITV3050ITV3050。3000型，壓力范圍為0.9Mpa，電源信號標準24V。元件的選定氣缸控制閥的選型 假設氣缸的最快往返時間為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。機構設計要點上下平臺的聯(lián)接上下平臺的聯(lián)接 運動模擬器運動過程中，下平臺固定，上平臺要實現(xiàn)兩個自由度上的任意傾斜。所以上下平臺的聯(lián)接需要采用一至少兩自由度的軸承聯(lián)接，且確保上下平臺的聯(lián)接緊固。采用如圖所示的虎克鉸聯(lián)接上下平臺，可以保證上平臺的自由活動。且將角度傳感器直接安裝于虎克鉸的中間軸上，直接監(jiān)測上平臺的運動角度，便于實現(xiàn)控制。機構設計要點氣動人工肌肉自然伸張時不可彎折氣動人工肌肉自然伸張時不可彎折 由于運動模擬器的結構設計，在工作的初始狀態(tài)下，需向氣動人工肌肉內(nèi)腔沖入設定壓力的氣體，進行初始收縮。但是在運動模擬器不工作時，氣功人工肌肉自然伸張，若沒有活動空間，就會

7、導致氣動人工肌肉的彎折。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空間，以使其不彎折。機構設計要點氣動人工肌肉與上下平臺的聯(lián)接氣動人工肌肉與上下平臺的聯(lián)接 氣動人工肌肉在不同的動作時，由于上平臺的兩自由度的傾斜，需要至少兩自由度的聯(lián)接，且要保證上平臺能夠實現(xiàn)15的運動范圍；而相對于下平臺只有一個自由度的運動。所以與上平臺采用球頭球頭桿端關節(jié)軸承桿端關節(jié)軸承聯(lián)接，與下平臺采用與氣動人工肌肉配套的關節(jié)軸承關節(jié)軸承CRSGSCRSGS和雙耳環(huán)和雙耳環(huán)SGASGA聯(lián)接。運動模擬器裝配圖氣缸的設計氣缸安裝形式的確定氣缸安裝形式的確定 根據(jù)運動模擬器的機構設計，以及

8、其運動要求，氣缸用過活塞桿的伸縮用以實現(xiàn)上平臺在豎直方向上的升降。由于負載在垂直方向上有動作要求，所以最終選用后缸蓋法蘭式連接，如圖所示。氣缸的設計缸筒缸筒 氣缸筒選用圓筒形結構，選用材料為鋁合金。 由于氣缸的動作需要，要求缸筒材料內(nèi)表面具有一定的硬度，以抵抗活塞運動的磨損。鋁合金管需經(jīng)影志陽極氧化處理，硬質(zhì)氧化膜厚度為30-50m。 氣缸筒應能承受1.5倍于最高動作壓力條件下的耐壓試驗，并不得有泄漏。 經(jīng)過計算，參考機械設計手冊選定，缸筒壁厚為4mm氣缸的設計活塞桿活塞桿 活塞桿是承受力的重要元件，需要能承受拉伸、壓縮、振動等載荷，不能銹蝕。 利用經(jīng)驗公式選定活塞桿的直徑為32mm。 經(jīng)過強

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。氣缸的設計活塞活塞 要求活塞具有足夠的強度和良好的滑動特性，防止過度磨損和發(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，具有良好的潤滑性和減震耐沖擊性能。 中型氣缸一般選用c所示的結構。導向環(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性能。氣缸的設計導向套導向套 導向套的作用是作為活塞桿往復運動時的導向，因此，同對活塞的要求一樣，要求導向套具有良好的滑動性能，能承受對于活塞桿受重負載時引起的桿彎曲、振動和沖擊。 導向套一般采用聚四氟乙烯制成。氣缸的設計缸蓋缸蓋 缸蓋多為鑄件，也有焊接件。 對于

10、需要緩沖機構的氣缸，缸蓋上除了進排氣孔外，還需要設計加工緩沖裝置的的孔道。 缸蓋的厚度主要考慮安裝進排氣管以及密封圈和導向裝置、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。 和對于缸筒的要求一樣，裝配后，應在1.5倍工作壓力下進行實驗，不應有漏氣現(xiàn)象。非加工表面應涂漆防銹。氣缸的設計氣缸緩沖裝置氣缸緩沖裝置 對中型氣缸一般采用緩沖氣腔來實現(xiàn)緩沖，其結構如圖所示，從氣缸運動進入到緩沖行程開始，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動速度的緩沖作用。1 1活塞；活塞；2針閥；針閥；3緩沖柱塞緩沖柱塞氣缸的設計缸筒與缸蓋的連接缸

11、筒與缸蓋的連接 為了便于加工，結構簡單，采用拉桿式螺栓連接。因為氣缸的下端蓋要利用法蘭固定在運動模擬器的底板上，所以采用如圖所示的拉桿螺栓連接。氣缸的設計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，保護活塞桿不被劃傷。 端蓋與缸筒的密封采用O型密封圈實現(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。 氣缸的設計氣缸使用注意事項氣缸使用注意事項氣缸應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，應在1.5倍工作壓力條件下進行實驗，不應漏氣；