專利名稱：氣動重力平衡式運動模擬器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及運動模擬器，特別涉及一種氣動重力平衡式運動模擬器。
背景技術：
隨著地面仿真技術的發(fā)展，目前國外很多空中、太空及海洋上的試驗、訓練等都改在地面進行，地面試驗既安全，又能節(jié)約資金。我國也在大力發(fā)展地面仿真技術，但在數量上、技術水平上仍落后與歐美發(fā)達國家，具有很大的發(fā)展空間，同時急需快速發(fā)展。
艦艇、飛行器等的運動是多姿態(tài)的三維空間運動，運動模擬器對其進行比較準確的描述和對其運動狀態(tài)進行動態(tài)仿真。
國內，在中小運動幅值的運動模擬器平臺中大多采用Stewart結構實現六自由度運動，技術相對成熟，而運動幅值很大的，尤其是升沉運動幅值超過±1.5m的運動模擬器尚未有報道。本實用新型則可用于升沉運動幅值達±3.75m的運動模擬，且具有高性能、安全、可靠、節(jié)能、真實的特點。
發(fā)明內容
本實用新型的目的是提供一種氣動重力平衡式運動模擬器，它安全、可靠、功耗低、能夠真實模擬艦船、飛行器等在航(飛)行中的運動及視景的運動模擬器。
為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是包括并聯六自由度運動平臺及安裝在運動平臺上的內有視景系統(tǒng)的模擬艙。它還包括升沉運動平臺系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)；其中1)升沉運動平臺系統(tǒng)包括中間平臺、升沉平臺驅動液壓缸、由兩只或兩只以上的氣缸及其配套氣動系統(tǒng)組成的氣動重力平衡裝置、由三根導軌及其配套滑塊組成的導向機構、移動線纜橋架；中間平臺上面安裝并聯六自由度運動平臺，中間平臺中心點正下方垂直安裝一只升沉平臺驅動液壓缸，活塞桿端用桿端球鉸與中間平臺底面中心安裝的鉸支座連接；中間平臺下面還垂直安裝以驅動液壓缸為中心、對稱布置的兩只或兩只以上的氣缸及配套氣動系統(tǒng)組成的重力平衡裝置；中間平臺兩端和一側面上下分別裝有兩個導軌滑塊，導軌滑塊與垂直安裝在運動模擬器周圍三墻面上的導軌配合組成導向機構；在中間平臺和側面墻之間安裝一移動線纜橋架；2)安全保護系統(tǒng)中間平臺兩端分別安裝兩個雙向安全鉗與垂直安裝在中間平臺兩端墻上的導軌配合，垂直安裝在中間平臺兩端的導軌的上端兩側分別安裝兩個上端緩沖器，在中間平臺下的地面上以升沉平臺驅動液壓缸為中心對稱安裝四個緩沖器。
本實用新型中升沉運動平臺在高精度的導向機構導向下，利用重力平衡裝置平衡模擬器及其負載的重量，由一只長行程液壓缸直接驅動實現大幅值、快速、大加速度、高頻響的升沉運動；在中間平臺上安裝并聯六自由度運動平臺，其與升沉平臺結合實現模擬器的六自由度運動；由于運動模擬器用于載人，所以設計了機械、液壓、電氣安全保護系統(tǒng)三套保護系統(tǒng)并聯保護整個裝置的安全；模擬艙用于載人及相關試驗設備；模擬艙內裝有視景系統(tǒng)的顯示屏幕顯示逼真、實時的航海(飛行)視景。
本實用新型與背景技術相比，具有的有益的效果是升沉運動由升沉運動平臺或并聯六自由度運動平臺或兩者結合實現。升沉平臺采用一只液壓缸直接驅動，同時利用重力平衡裝置平衡大部分負載的重量，能實現較大幅值的升沉運動，并具有高節(jié)能率、快速、高頻響、大加速度、穩(wěn)定可靠、安全性好等特點，其節(jié)能性、快速性、控制特性、穩(wěn)定性和安全性都優(yōu)于其它形式。而且該方案具有結構簡單、成本低、技術成熟等優(yōu)點。該系統(tǒng)對導軌、對墻的壓力很小，對土建的要求不高。具有很高的實用性，可廣泛應有于需要大幅升沉運動的運動模擬器及其它具有升降運動的設備。
圖1是本實用新型的結構原理示意圖；圖2是本實用新型圖1中間平臺的俯視圖；圖3是本實用新型圖1的側視圖；圖4是本實用新型的重力平衡裝置氣路原理示意圖；圖5是本實用新型的計算機系統(tǒng)組成圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型包括并聯六自由度運動平臺4及安裝在運動平臺上的內有視景系統(tǒng)的模擬艙3。它還包括升沉運動平臺系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)；其中1)升沉運動平臺系統(tǒng)包括中間平臺5、升沉平臺驅動液壓缸8、由兩只或兩只以上的氣缸9及其配套氣動系統(tǒng)組成的氣動重力平衡裝置、由三根導軌2及其配套滑塊7組成的導向機構、移動線纜橋架；中間平臺5上面安裝并聯六自由度運動平臺4，中間平臺5中心點正下方垂直安裝一只升沉平臺驅動液壓缸8，活塞桿端用桿端球鉸與中間平臺底面中心安裝的鉸支座連接；中間平臺5下面還垂直安裝以驅動液壓缸8為中心、對稱布置的兩只或兩只以上的氣缸9及配套氣動系統(tǒng)組成的重力平衡裝置；中間平臺5兩端和一側面上下分別裝有兩個導軌滑塊7，導軌滑塊7與垂直安裝在運動模擬器周圍三墻面14上的導軌2配合組成導向機構；在中間平臺5和側面墻14之間安裝一移動線纜橋架；2)安全保護系統(tǒng)中間平臺5兩端分別安裝兩個雙向安全鉗6與垂直安裝在中間平臺5兩端墻上的導軌2配合，垂直安裝在中間平臺5兩端的導軌2的上端兩側分別安裝兩個上端緩沖器1，在中間平臺5下的地面13上以升沉平臺驅動液壓缸8為中心對稱安裝四個緩沖器10。
如圖4所示，所說的氣動重力平衡裝置氣路包括電機15、空氣壓縮機16、電磁溢流閥17、儲氣罐18、故障保護模塊19、氣缸8、消聲器25；儲氣罐18一端與空氣壓縮機16及電磁溢流閥17連接，儲氣罐18的另一端通過故障保護模塊19接氣缸8的無桿腔，氣缸8有桿腔通大氣。
所說的故障保護模塊19包括節(jié)流閥20、單向閥21、第二氣控單向閥22、第一氣控單向閥23、二位三通換向閥24、消聲器25；儲氣罐18接故障保護模塊的一端與二位三通換向閥24的P口及第一氣控單向閥23的進口連接，第一氣控單向閥23的出氣口與氣缸8的無桿腔連接，二位三通換向閥24的T口經過消聲器25通大氣，A口連接第一、第二氣控單向閥23、22的控制端口，節(jié)流閥20與單向閥21并聯，一端經過消聲器25通大氣，另一端與第二氣控單向閥22的出氣口連接，第二氣控單向閥22的進氣口與氣缸8的無桿腔連接。
理論基礎(1)重力平衡原理計算氣缸下腔通過接近與氣缸下腔面積的鋼管與儲氣罐連為一體，而且鋼管盡可能短，氣缸及鋼管的直徑不小于10mm，這樣氣缸活塞下作用面的壓強與容腔內空氣的壓強相差遠小于系統(tǒng)壓力的1％，在本系統(tǒng)中可以忽略氣缸和鋼管產生的氣阻作用。
在本系統(tǒng)中氣缸活塞下作用面的壓強主要是由于容腔體積的變化引起的，將氣缸活塞伸縮的過程相當于密封容腔體積增大縮小的過程，近似為一個絕熱過程，計算如下
對于氣體絕熱過程有 pvk＝常數式中p-密封容腔內空氣壓強v-密封容腔的容積k-氣體比熱容比空氣的比熱容比k為1.4，要求容腔容積增大時其中空氣壓強減小量小于10％，計算密封容腔容積變化量，p×v1.4＝(0.9×p)×vx1.4計算得 vx＝1.0782v即密封容腔的體積變化7.82％。
根據以上計算結果設計氣缸在伸縮過程中導致的容腔容積的變化率小于7.82％，即可實現工作壓力變化小于10％。
(2)重力平衡后升沉系統(tǒng)功耗降低的計算重力平衡前系統(tǒng)功率 P＝m·(g+a)·v重力平衡后系統(tǒng)功率近似為P′＝m·a·v重力平衡前后功率的比值為P′P=ag+a]]>式中m-物體質量g-重力加速度a-物體運動加速度在運動模擬器中升沉運動加速度一般小于1g，所以系統(tǒng)節(jié)能50％以上。
裝置結構及工作原理(一)升沉運動平臺升沉運動平臺包括包括中間平臺5、升沉平臺驅動液壓缸8、由兩只或兩只以上的氣缸9及其配套氣動系統(tǒng)組成的氣動重力平衡裝置、由三根導軌2及其配套滑塊7組成的導向機構、移動線纜橋架。
中間平臺5主要由兩個箱形主梁構成。
中間平臺5中心點正下方垂直安裝一只升沉平臺驅動液壓缸8，液壓缸體可完全安裝在地面上或完全埋于地面以下或部分埋于地面以下，活塞桿端用桿端球鉸與中間平臺底面中心安裝的鉸支座連接。液壓缸采用特殊結構單出桿對稱結構，利用對稱閥控制對稱缸，以解決模擬器運動的拐點問題。
中間平臺5下面還垂直安裝以驅動液壓缸8為中心、對稱布置的兩只或兩只以上的氣缸9及配套氣動系統(tǒng)組成的重力平衡裝置。
中間平臺5兩端和一側面上下分別裝有兩個導軌滑塊7，導軌滑塊7與垂直安裝在運動模擬器周圍三墻面14上的導軌2配合組成導向機構，其中兩根位于中間平臺X軸兩端延伸處，另一根安裝于中間平臺側面，Y軸延伸處。每根導軌配兩個滑塊7。
在中間平臺5和側面墻14之間安裝一移動線纜橋架；在中間平臺5和側面墻14間安裝一移動線纜橋架，保護并聯六自由度運動平臺的油管、電源線、信號線及模擬艙的管線等離開平臺到油源、電源、信號源的懸空部分，移動線纜橋架上的鉸鏈使它們可被彎曲。
升沉運動平臺在高精度導向機構導向下，利用重力平衡裝置平衡運動模擬器及其負載的大部分重力，由升沉平臺驅動液壓缸8直接驅動實現大幅值、快速、大加速度、高頻響的升沉運動。根據理論基礎(2)，重力平衡裝置能大幅減小升沉系統(tǒng)的功耗。
(二)并聯六自由度運動平臺如圖1、圖2所示，并聯六自由度運動平臺4安裝在中間平臺5上。
并聯六自由度運動平臺4采用Stewart結構，由上、下平臺及并聯連接兩者的六個驅動液壓缸12組成，液壓缸與上、下平臺之間分別采用虎克鉸11連接。并聯六自由度運動平臺可實現沿X、Y、Z向的平移和繞X、Y、Z軸的旋轉運動。
并聯六自由度運動平臺4與升沉平臺結合實現模擬器的六自由度運動。其中升沉運動可由升沉運動平臺或并聯六自由度運動平臺或兩者結合起來實現。
六個驅動液壓缸12均采用特殊結構單出桿對稱液壓缸，利用對稱閥控制對稱缸，以解決模擬器運動的拐點問題。
(三)安全保護系統(tǒng)由于運動模擬器用于載人，所以設計了機械、液壓、電氣安全保護系統(tǒng)三套保護系統(tǒng)并聯保護整個裝置的安全。
(1)機械安全保護系統(tǒng)a.雙向安全鉗如圖1所示，中間平臺5的X軸向兩端分別安裝兩個雙向安全鉗6與垂直安裝在中間平臺5兩端墻上的導軌2配合。系統(tǒng)正常工作時，安全鉗為打開狀態(tài)，掉電或液壓系統(tǒng)失壓時，則卡緊導軌，使平臺減速直至停止。同時，可與行程開關、超速檢測系統(tǒng)、緊急開關等配合，完成減速功能。
b.緩沖器如圖1、圖2、圖3所示，垂直安裝在中間平臺5兩端的導軌2的上端兩側分別安裝兩個上端緩沖器1，在中間平臺5下的地面13上以升沉平臺驅動液壓缸8為中心對稱安裝四個緩沖器10。當平臺控制系統(tǒng)失靈，安全鉗也沒能將平臺止動時，緩沖器將起到避免平臺直接沖頂和撞底的作用。
c.安全窗安裝于模擬艙頂部。當艙門發(fā)生意外損壞，導致人員無法出入時，便于艙內人員的逃生或是檢修人員的進入。安全窗設有電氣連鎖裝置，當安全窗打開時，平臺就無法運行。只有當安全窗關好后，平臺才能運行。
(2)液壓安全保護系統(tǒng)a.液壓保護模塊。
用于并聯六自由度運動平臺和升降液壓缸。系統(tǒng)掉電時或系統(tǒng)失壓時，液壓系統(tǒng)中的雙向液壓鎖能封鎖油缸兩腔的壓力油，使平臺不縮回或甩出，從而確保升降平臺的安全性。同理，亦可用于保護并聯并聯六自由度運動平臺的安全。
b.液壓缸內緩沖升降平臺和并聯六自由度運動平臺所用液壓缸均設計缸內緩沖。
c.液壓系統(tǒng)的對模擬器的安全保護設計可抑制回路中的異常高壓，以防止液壓油泵的損壞，并防止處于過載狀態(tài)。油源壓力異常、油源狀態(tài)異常、管路漏油、濾油器堵塞等故障報警、處理和急停等。
(3)電控安全保護系統(tǒng)a.運動模擬艙裝有電氣聯鎖，使模擬艙只能位于底部所規(guī)定的位置時，艙門才能開啟，而且艙門開啟后模擬平臺停止運動且不能啟動。
b.模擬艙頂部活板門打開時，運動模擬器不能啟動。
c.在控制程序中對升降平臺和并聯六自由度運動平臺的運動進行保護。并設計應急操作控制系統(tǒng)。
d.急停開關① 艙內急停開關采用非自動復位開關，當平臺運行失控將出現危險時，扳動艙內急停開關，可使平臺迅速停止。
② 主控制室急停開關安裝在主控制室，主要供調試及監(jiān)測人員使用。
③ 升降平臺急停開關安裝在升降平臺上，主要用于檢修時。
④ 導軌底部急停開關安裝在導軌底部，主要用于檢修時。
e.報警系統(tǒng)當模擬艙內發(fā)生故障或是遇到危險情況時，艙內人員可以通過報警系統(tǒng)通知值班人員。艙內設置警鈴按鈕，按下按鈕可使值班室的報警系統(tǒng)工作。
f.超載保護當模擬器負載超標時，平臺不能起動，并報警；運行狀態(tài)中平臺降至最低位置，系統(tǒng)停止運行。
g.備有應急照明系統(tǒng)。
(四)模擬艙及視景系統(tǒng)模擬艙用于載人及相關試驗設備。
模擬艙內設有桌椅、舷窗及各種試驗設備的固定孔及電源，大屏幕顯示器用于顯示逼真、實時的航海(飛行)視景。
模擬艙前窗用三通道顯示器顯示120水平視場角三維視景，顯示器安裝在模擬艙內與運動平臺一起運動。
圖形系統(tǒng)的硬件平臺采用高檔微機加高性能專業(yè)三維圖形加速卡的模式；軟件平臺采用實時視景管理軟件及視景建模軟件及自行開發(fā)的用于支撐上述軟件的一些專用工具軟件。
模擬艙內還安裝有音響模擬系統(tǒng)，逼真模擬航海、飛行時艙內的真實音響。
(五)氣動重力平衡裝置如圖4所示為重力平衡裝置氣路原理圖。氣動重力平衡裝置氣路包括電機15、空氣壓縮機16、電磁溢流閥17、儲氣罐18、故障保護模塊19、氣缸8、消聲器25；儲氣罐18一端與空氣壓縮機16及電磁溢流閥17連接，儲氣罐18的另一端通過故障保護模塊19接氣缸8的無桿腔，氣缸8有桿腔通大氣。
故障保護模塊19包括節(jié)流閥20、單向閥21、第二氣控單向閥22、第一氣控單向閥23、二位三通換向閥24、消聲器25；儲氣罐18接故障保護模塊的一端與二位三通換向閥24的P口及第一氣控單向閥23的進口連接，第一氣控單向閥23的出氣口與氣缸8的無桿腔連接，二位三通換向閥24的T口經過消聲器25通大氣，A口連接第一、第二氣控單向閥23、22的控制端口，節(jié)流閥20與單向閥21并聯，一端經過消聲器25通大氣，另一端與第二氣控單向閥22的出氣口連接，第二氣控單向閥22的進氣口與氣缸8的無桿腔連接。
工作過程初始時氣缸8活塞桿是處于回縮狀態(tài)，利用空氣壓縮機向儲氣罐內充高壓空氣，直至達到預定工作壓力，壓縮機停止，工作過程中，當壓力低于設定值時，壓縮機自動開啟。工作時，儲氣罐和氣缸構成一個密封容腔，工作過程中氣缸活塞桿隨動，跟隨升沉平臺驅動缸同步伸縮，同時能夠保持一定的向上的推力以平衡負載重力。根據理論基礎(1)，設計氣缸在伸縮過程中導致的容腔容積的變化率小于7.82％，即可實現工作壓力變化小于10％，可較好的實現平衡負載的功能。根據理論基礎2，重力平衡裝置能大幅減小升沉系統(tǒng)的功耗。
(六)計算機系統(tǒng)如圖5所為計算機系統(tǒng)組成圖，描述了運動模擬器的計算機系統(tǒng)組成。
模擬器計算機系統(tǒng)包括有中心計算機、視景系統(tǒng)管理規(guī)劃級計算機、圖形解算計算機、運動控制管理規(guī)劃級計算機、升沉運動實時控制系統(tǒng)、并聯六自由度運動平臺實時控制系統(tǒng)等。系統(tǒng)的功能有提供友好的人機界面、實現模擬器運動的伺服控制、視景的同步生成播放、模擬器系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測及安全保護等。
閥控缸電液伺服控制系統(tǒng)是實現運動模擬器大幅度升沉運動的動力執(zhí)行單元，由伺服放大器、伺服閥、液壓缸和位移傳感器組成。伺服液壓缸的主反饋回路是位置環(huán)，輔助反饋信號有速度、壓力和力順饋補償回路。
運動模擬器多級計算機控制系統(tǒng)的工作原理是，中心計算機進行模型實時解算或是運動歷程的復現，將運動姿態(tài)信號傳送給運動控制管理規(guī)劃級計算機，同時將同步的視景信號傳送給視景系統(tǒng)管理規(guī)劃級計算機，由兩臺管理規(guī)劃級計算機進行進一步計算處理后發(fā)送指令給下一級計算機系統(tǒng)，最終控制執(zhí)行機構運行或在顯示器上顯示。
權利要求1.一種氣動重力平衡式運動模擬器，包括并聯六自由度運動平臺(4)及安裝在運動平臺上的內有視景系統(tǒng)的模擬艙(3)，其特征在于它還包括升沉運動平臺系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)；其中1)升沉運動平臺系統(tǒng)包括中間平臺(5)、升沉平臺驅動液壓缸(8)、由兩只或兩只以上的氣缸(9)及其配套氣動系統(tǒng)組成的氣動重力平衡裝置、由三根導軌(2)及其配套滑塊(7)組成的導向機構、移動線纜橋架；中間平臺(5)上面安裝并聯六自由度運動平臺(4)，中間平臺(5)中心點正下方垂直安裝一只升沉平臺驅動液壓缸(8)，活塞桿端用桿端球鉸與中間平臺底面中心安裝的鉸支座連接；中間平臺(5)下面還垂直安裝以驅動液壓缸(8)為中心、對稱布置的兩只或兩只以上的氣缸(9)及配套氣動系統(tǒng)組成的重力平衡裝置；中間平臺(5)兩端和一側面上下分別裝有兩個導軌滑塊(7)，導軌滑塊(7)與垂直安裝在運動模擬器周圍三墻面(14)上的導軌(2)配合組成導向機構；在中間平臺(5)和側面墻(14)之間安裝一移動線纜橋架；2)安全保護系統(tǒng)中間平臺(5)兩端分別安裝兩個雙向安全鉗(6)與垂直安裝在中間平臺(5)兩端墻上的導軌(2)配合，垂直安裝在中間平臺(5)兩端的導軌(2)的上端兩側分別安裝兩個上端緩沖器(1)，在中間平臺(5)下的地面(13)上以升沉平臺驅動液壓缸(8)為中心對稱安裝四個緩沖器(10)。
2.根據權利要求1所述的一種氣動重力平衡式運動模擬器，其特征在于所說的氣動重力平衡裝置氣路包括電機(15)、空氣壓縮機(16)、電磁溢流閥(17)、儲氣罐(18)、故障保護模塊(19)、氣缸(8)、消聲器(25)；儲氣罐(18)一端與空氣壓縮機(16)及電磁溢流閥(17)連接，儲氣罐(18)的另一端通過故障保護模塊(19)接氣缸(8)的無桿腔，氣缸(8)有桿腔通大氣。
3.根據權利要求2所述的一種氣動重力平衡式運動模擬器，其特征在于所說的故障保護模塊(19)包括節(jié)流閥(20)、單向閥(21)、第二氣控單向閥(22)、第一氣控單向閥(23)、二位三通換向閥(24)、消聲器(25)；儲氣罐(18)接故障保護模塊的一端與二位三通換向閥(24)的P口及第一氣控單向閥(23)的進口連接，第一氣控單向閥(23)的出氣口與氣缸(8)的無桿腔連接，二位三通換向閥(24)的T口經過消聲器(25)通大氣，A口連接第一、第二氣控單向閥(23)、(22)的控制端口，節(jié)流閥(20)與單向閥(21)并聯，一端經過消聲器(25)通大氣，另一端與第二氣控單向閥(22)的出氣口連接，第二氣控單向閥(22)的進氣口與氣缸(8)的無桿腔連接。
專利摘要本實用新型公開了一種氣動重力平衡式運動模擬器，由并聯六自由度運動平臺，模擬艙，升沉運動平臺和安全保護系統(tǒng)組成。升沉運動平臺系統(tǒng)的中間平臺上面安裝并聯六自由度運動平臺，中間平臺中心下方垂直安裝一只驅動液壓缸和氣缸及配套氣動系統(tǒng)組成的重力平衡裝置；中間平臺兩端和一側面安裝導軌滑塊與運動模擬器周圍三墻面上的導軌配合；安全保護系統(tǒng)是在中間平臺兩端分別安裝雙向安全鉗與中間平臺兩端的導軌配合，中間平臺兩端導軌的上端兩側和中間平臺下安裝緩沖器。它實現六自由度運動，升沉運動由升沉運動平臺或并聯六自由度運動平臺或兩者結合實現。它安全、可靠、功耗低，可廣泛用于需要大幅值升沉運動的運動模擬器及其它具有升降運動的設備。
文檔編號G09B25/00GK2648525SQ0321015
公開日2004年10月13日 申請日期2003年8月25日 優(yōu)先權日2003年8月25日
發(fā)明者王宣銀, 丁凡, 陶國良, 王慶豐, 楊華勇, 程佳, 魏建華, 徐兵 申請人:浙江大學