氣懸浮支撐系統(tǒng)在六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的應(yīng)用研究

　， ， ， (空軍航空大學(xué) 軍事仿真技術(shù)研究所， 吉林 長(zhǎng)春　130022)

引言

電動(dòng)平臺(tái)具有清潔無(wú)污染、功耗低、操作使用方便、動(dòng)態(tài)響應(yīng)高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，與液壓平臺(tái)相比較，還不需要液壓泵站等輔助能源，占地面積小，使用成本低，使用維護(hù)方便，多項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于液壓平臺(tái)，特別是電動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度高，更是液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無(wú)法比擬的，因而近年來(lái)電動(dòng)平臺(tái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，廣泛地應(yīng)用于模擬訓(xùn)練和工程設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)載體模擬設(shè)備、六自由度并聯(lián)機(jī)器人、武器校準(zhǔn)平臺(tái)、各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)、六自由度數(shù)控機(jī)床、航天對(duì)接模擬設(shè)備等，具有顯著的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)有6根電動(dòng)缸，由于電動(dòng)缸只是用來(lái)加速或減速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而不是舉起系統(tǒng)，為減輕電動(dòng)缸的負(fù)載，需加入氣懸浮支撐系統(tǒng)，提高電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的承載能力，使六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能應(yīng)用到大載荷的運(yùn)動(dòng)載體模擬設(shè)備中。

1　氣懸浮支撐系統(tǒng)組成

氣懸浮支撐系統(tǒng)是保證六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)負(fù)載能力、響應(yīng)速度和安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。氣懸浮支撐系統(tǒng)采用了氣動(dòng)缸，利用氣體的黏性來(lái)提高間隙中的壓力，從而使物體懸浮起來(lái)。氣懸浮支撐系統(tǒng)主要由氣動(dòng)缸、儲(chǔ)氣罐、空氣壓縮機(jī)、過(guò)濾罐、連接空氣罐的軟管等部分組成，可以支撐更多的有效負(fù)載，像彈簧一樣平衡著靜態(tài)的負(fù)載。氣懸浮支撐系統(tǒng)主要部件在六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的位置示意圖如圖1所示。在氣懸浮支撐系統(tǒng)系統(tǒng)中，3根氣動(dòng)缸下端與固定平臺(tái)相連、上端與活動(dòng)平臺(tái)相連。

六根電動(dòng)缸通過(guò)協(xié)同運(yùn)動(dòng)改變活塞桿伸出長(zhǎng)度控制活動(dòng)平臺(tái)的空間位置和姿態(tài)，氣懸浮支撐系統(tǒng)的氣動(dòng)缸活塞桿隨著活動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)做被動(dòng)運(yùn)動(dòng)并輸出向上的抬升力，通過(guò)控制氣動(dòng)缸下端的進(jìn)氣壓力，提供給平臺(tái)一個(gè)稍低于平臺(tái)載重的推力，起到了主支撐作用，因此提高了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，也起到了對(duì)平臺(tái)的安全保護(hù)。

圖1　氣懸浮支撐系統(tǒng)主要部件位置示意圖

氣動(dòng)缸主要參數(shù)如下：

使用環(huán)境：室內(nèi)

環(huán)境溫度：+5 ℃～+35 ℃

環(huán)境濕度：≤85%

工作介質(zhì)：經(jīng)過(guò)除水過(guò)濾的壓縮空氣，過(guò)濾精度25～35 μm，除水效率不低于80%

壓縮空氣工作壓力：1.2 MPa

最低啟動(dòng)壓力：≦0.05 MPa

活塞的運(yùn)動(dòng)速度：500～1000 mm/s

結(jié)構(gòu)參數(shù)：缸徑260 mm，桿徑80 mm，最大行程2070 mm

理論輸出力：工作壓力1.0 MPa時(shí)氣動(dòng)缸的理論輸出力為5306.6 kg，工作壓力1.2 MPa時(shí)氣動(dòng)缸的理論輸出力為6368 kg。

強(qiáng)度試驗(yàn)壓力：氣動(dòng)缸通入1.8 MPa壓力下，保壓1 min，各部件不得有松動(dòng)、永久變形及其他異?，F(xiàn)象。

密封性能：氣動(dòng)缸通入1.2 MPa壓力，活塞的內(nèi)泄漏量不得大于42 cm3/min，活塞桿處的泄漏量不得大于15 cm3/min，其他部位不允許有泄漏現(xiàn)象。

氣動(dòng)缸下腔通入壓縮氣體，上腔通大氣。為降低噪聲，通氣孔設(shè)置消聲器。氣動(dòng)缸活塞采用自潤(rùn)滑防腐設(shè)計(jì)。

儲(chǔ)氣罐內(nèi)壁有防腐涂層，空氣壓縮機(jī)出口和儲(chǔ)氣罐出口均設(shè)置空氣干燥和凈化組件。

2　氣懸浮支撐系統(tǒng)工作原理

圖2給出了氣懸浮支撐系統(tǒng)工作原理框圖?？諝鈮嚎s機(jī)接通電源后，其測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)保證儲(chǔ)氣罐的壓力在設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力下降低于設(shè)定范圍時(shí)，空氣壓縮機(jī)自動(dòng)開(kāi)始通過(guò)濾罐向3個(gè)儲(chǔ)氣罐供氣；當(dāng)由于環(huán)境變化等因素使儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力升高超過(guò)安全設(shè)定值時(shí)，安全閥門(mén)自動(dòng)放氣降壓。通過(guò)排水口可以定期排出冷凝的水分。

圖2　氣懸浮支撐系統(tǒng)工作原理框圖圖

氣懸浮支撐系統(tǒng)通過(guò)3個(gè)氣壓傳感器測(cè)量每個(gè)氣動(dòng)缸的壓力，系統(tǒng)設(shè)定壓力為0.4 MPa，上限為0.5 MPa， 下限為0.3 MPa，當(dāng)氣壓低于0.34 MPa時(shí)，空氣壓縮機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)以向儲(chǔ)氣罐充氣，直到使氣壓恢復(fù)到0.4 MPa時(shí)停止供氣；當(dāng)氣壓高于上限0.5 MPa 或低于下限0.3 MPa時(shí)，電動(dòng)平臺(tái)會(huì)自動(dòng)回到底位以保證平臺(tái)安全；同時(shí)當(dāng)氣壓高于0.7 MPa時(shí)，空氣壓縮機(jī)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)以保證系統(tǒng)安全。

氣懸浮支撐系統(tǒng)是被動(dòng)的，意味著氣動(dòng)缸不被控制。在安裝時(shí)，以使電機(jī)電流最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整調(diào)壓過(guò)濾器和空氣壓縮機(jī)出口壓力使系統(tǒng)壓力調(diào)到最優(yōu)的壓力值。壓縮機(jī)經(jīng)過(guò)單向閥及調(diào)壓過(guò)濾器與每個(gè)儲(chǔ)氣罐相接，對(duì)于泄漏的空氣給予及時(shí)的填充。壓縮機(jī)是間斷工作(可能每天只工作幾分鐘)。

3　氣懸浮支撐系統(tǒng)的使用方法及注意事項(xiàng)

1) 氣懸浮支撐系統(tǒng)開(kāi)機(jī)前檢查

氣懸浮支撐系統(tǒng)加電前應(yīng)仔細(xì)檢查下列所有事項(xiàng)，無(wú)異常后，系統(tǒng)可正常啟動(dòng)運(yùn)行，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，待問(wèn)題處理完成后再啟動(dòng)運(yùn)行。

(1) 檢查所有螺栓連接處有無(wú)松動(dòng)(主要檢查螺栓防松標(biāo)記)；

(2) 檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)處是否有裂紋情況；

(3) 氣動(dòng)部分各閥門(mén)是否處于正常狀態(tài)、氣管有無(wú)泄漏等情況。

2) 氣懸浮支撐系統(tǒng)啟動(dòng)

(1) 接通空氣壓縮機(jī)電源開(kāi)關(guān)；

(2) 長(zhǎng)按空氣壓縮機(jī)控制面板上的啟動(dòng)按鈕，空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)工作?？諝鈮嚎s機(jī)會(huì)自動(dòng)給系統(tǒng)提供必要的氣壓，在氣動(dòng)面板上會(huì)顯示空氣壓縮機(jī)的電源接通、運(yùn)行等狀態(tài)，顯示的供壓數(shù)值是系統(tǒng)當(dāng)前壓力，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的壓力時(shí)(六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)出廠(chǎng)前已設(shè)置完畢，用戶(hù)不可自行調(diào)整)，空氣壓縮機(jī)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，壓力表的讀數(shù)在各個(gè)儲(chǔ)氣罐的罐體上。

3) 氣懸浮支撐系統(tǒng)關(guān)閉順序

(1) 當(dāng)六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)回到底位后，按空氣壓縮機(jī)控制面板上的關(guān)閉按鈕；

(2) 關(guān)閉空氣壓縮機(jī)電源開(kāi)關(guān)。

4) 氣懸浮支撐系統(tǒng)注意事項(xiàng)

(1) 每周檢查事項(xiàng)檢查氣懸浮支撐系統(tǒng)的氣壓狀況及管路進(jìn)出口處連接狀況，如出現(xiàn)裂紋或銹蝕情況請(qǐng)及時(shí)進(jìn)行更換;

(2) 每月對(duì)儲(chǔ)氣罐和過(guò)濾罐放水儲(chǔ)氣罐的放水口共有兩處：一是在罐體的最下面，打開(kāi)閥門(mén)即可，另一個(gè)在過(guò)濾減壓閥門(mén)的下側(cè)，在壓力過(guò)低時(shí)它能自動(dòng)排泄。過(guò)濾罐的放水口只有一個(gè)，在罐體的最下面，打開(kāi)閥門(mén)即可。在上述操作中即放掉儲(chǔ)氣罐中的空氣時(shí)，觀察氣壓表的值，等氣壓表讀數(shù)降到零后，才可以打開(kāi)儲(chǔ)氣罐下方的放水閥門(mén)和過(guò)濾罐的放水閥門(mén)；

(3) 每半年要對(duì)氣懸浮支撐系統(tǒng)進(jìn)行漏氣檢查，方法如下： ① 只打開(kāi)氣動(dòng)系統(tǒng)電源，不打開(kāi)電氣控制柜上的鑰匙開(kāi)關(guān)，給氣動(dòng)部分充氣，大約0.4 MPa即可；② 用肥皂水或洗衣粉水涂抹在氣罐各管路的連接處，觀察有無(wú)氣泡冒出，若有，說(shuō)明此處的連接漏氣；③ 找到漏氣處后放掉氣罐中的氣體，擰開(kāi)漏氣處的管路，若管路接口有破損請(qǐng)更換管路接口，若沒(méi)有破損說(shuō)明密封處漏氣，須重新涂抹密封膠。涂抹膠水后擰緊接口。

5) 氣懸浮支撐系統(tǒng)安全事項(xiàng)

(1) 系統(tǒng)的維護(hù)應(yīng)由專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作；

(2) 機(jī)械維護(hù)過(guò)程中應(yīng)佩戴防護(hù)用具；

(3) 氣懸浮支撐系統(tǒng)進(jìn)行元器件更換時(shí)，應(yīng)先放氣再進(jìn)行更換；

(4) 給儲(chǔ)氣罐充氣和放氣過(guò)程中，避免站在放氣閥的正前方，以免發(fā)生危險(xiǎn)；

(5) 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，人員應(yīng)站在安全區(qū)域。

4　結(jié)論

氣懸浮支撐系統(tǒng)的特點(diǎn)是“輕巧、干凈、運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、摩擦力小、壽命長(zhǎng)和噪聲小，適用于高精度高靈敏度的動(dòng)平衡支承系統(tǒng)。六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)中加入氣懸浮支撐系統(tǒng)，減輕了電動(dòng)缸的負(fù)載，提高了六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的承載能力和控制精度。帶有氣懸浮支撐系統(tǒng)的六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到飛行部隊(duì)、民航等大載荷的飛行模擬器中。

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