CN1516082A - 高压气动重力平衡式空间运动模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压气动重力平衡式空间运动模拟器。由并联六自由度运动平台，模拟舱，升沉运动平台和安全保护系统组成。升沉运动平台系统的中间平台上面安装并联六自由度运动平台，中间平台中心下方垂直安装一只驱动液压缸和气缸及配套气动系统组成的重力平衡装置；中间平台两端和一侧面安装导轨滑块与运动模拟器周围三墙面上的导轨配合；安全保护系统是在中间平台两端分别安装双向安全钳与中间平台两端的导轨配合，中间平台两端导轨的上端两侧和中间平台下安装缓冲器。它实现六自由度运动，升沉运动由升沉运动平台或并联六自由度运动平台或两者结合实现。它安全、可靠、功耗低，可广泛用于需要大幅值升沉运动的运动模拟器及其它具有升降运动的设备。

Description

高压气动重力平衡式空间运动模拟器

所属技术领域

本发明涉及运动模拟器，特别涉及一种高压气动重力平衡式空间运动模拟器。

背景技术

随着地面仿真技术的发展，目前国外很多空中、太空及海洋上的试验、训练等都改在地面进行，地面试验既安全，又能节约资金。我国也在大力发展地面仿真技术，但在数量上、技术水平上仍落后与欧美发达国家，具有很大的发展空间，同时急需快速发展。

舰艇、飞行器等的运动是多姿态的三维空间运动，运动模拟器对其进行比较准确的描述和对其运动状态进行动态仿真。

国内，在中小运动幅值的运动模拟器平台中大多采用Stewart结构实现六自由度运动，技术相对成熟，而运动幅值很大的，尤其是升沉运动幅值超过±1.5m的运动模拟器尚未有报道。本发明则可用于升沉运动幅值达±3.75m的运动模拟，且具有高性能、安全、可靠、节能、真实的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压气动重力平衡式空间运动模拟器，它安全、可靠、功耗低、能够真实模拟舰船、飞行器等在航(飞)行中的运动及视景的运动模拟器。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括并联六自由度运动平台及安装在运动平台上的内有视景系统的模拟舱。它还包括升沉运动平台系统、安全保护系统；其中：

1)升沉运动平台系统：包括中间平台、升沉平台驱动液压缸、由两只或两只以上的气缸及其配套气动系统组成的气动重力平衡装置、由三根导轨及其配套滑块组成的导向机构、移动线缆桥架；中间平台上面安装并联六自由度运动平台，中间平台中心点正下方垂直安装一只升沉平台驱动液压缸，活塞杆端用杆端球铰与中间平台底面中心安装的铰支座连接；中间平台下面还垂直安装以驱动液压缸为中心、对称布置的两只或两只以上的气缸及配套气动系统组成的重力平衡装置；中间平台两端和一侧面上下分别装有两个导轨滑块，导轨滑块与垂直安装在运动模拟器周围三墙面上的导轨配合组成导向机构；在中间平台和侧面墙之间安装一移动线缆桥架；

2)安全保护系统：中间平台两端分别安装两个双向安全钳与垂直安装在中间平台两端墙上的导轨配合，垂直安装在中间平台两端的导轨的上端两侧分别安装两个上端缓冲器，在中间平台下的地面上以升沉平台驱动液压缸为中心对称安装四个缓冲器。

本发明中升沉运动平台在高精度的导向机构导向下，利用重力平衡装置平衡模拟器及其负载的重量，由一只长行程液压缸直接驱动实现大幅值、快速、大加速度、高频响的升沉运动；在中间平台上安装并联六自由度运动平台，其与升沉平台结合实现模拟器的六自由度运动；由于运动模拟器用于载人，所以设计了机械、液压、电气安全保护系统三套保护系统并联保护整个装置的安全；模拟舱用于载人及相关试验设备；模拟舱内装有视景系统的显示屏幕显示逼真、实时的航海(飞行)视景。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：升沉运动由升沉运动平台或并联六自由度运动平台或两者结合实现。升沉平台采用一只液压缸直接驱动，同时利用重力平衡装置平衡大部分负载的重量，能实现较大幅值的升沉运动，并具有高节能率、快速、高频响、大加速度、稳定可靠、安全性好等特点，其节能性、快速性、控制特性、稳定性和安全性都优于其它形式。而且该方案具有结构简单、成本低、技术成熟等优点。该系统对导轨、对墙的压力很小，对土建的要求不高。具有很高的实用性，可广泛应有于需要大幅升沉运动的运动模拟器及其它具有升降运动的设备。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明图1中间平台的俯视图；

图3是本发明图1的侧视图；

图4是本发明的重力平衡装置气路原理示意图；

图5是本发明的计算机系统组成图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3所示，本发明包括并联六自由度运动平台4及安装在运动平台上的内有视景系统的模拟舱3。它还包括升沉运动平台系统、安全保护系统；其中：

1)升沉运动平台系统：包括中间平台5、升沉平台驱动液压缸8、由两只或两只以上的气缸9及其配套气动系统组成的气动重力平衡装置、由三根导轨2及其配套滑块7组成的导向机构、移动线缆桥架；中间平台5上面安装并联六自由度运动平台4，中间平台5中心点正下方垂直安装一只升沉平台驱动液压缸8，活塞杆端用杆端球铰与中间平台底面中心安装的铰支座连接；中间平台5下面还垂直安装以驱动液压缸8为中心、对称布置的两只或两只以上的气缸9及配套气动系统组成的重力平衡装置；中间平台5两端和一侧面上下分别装有两个导轨滑块7，导轨滑块7与垂直安装在运动模拟器周围三墙面14上的导轨2配合组成导向机构；在中间平台5和侧面墙14之间安装一移动线缆桥架；

2)安全保护系统：中间平台5两端分别安装两个双向安全钳6与垂直安装在中间平台5两端墙上的导轨2配合，垂直安装在中间平台5两端的导轨2的上端两侧分别安装两个上端缓冲器1，在中间平台5下的地面13上以升沉平台驱动液压缸8为中心对称安装四个缓冲器10。

如图4所示，所说的气动重力平衡装置气路包括电机15、空气压缩机16、电磁溢流阀17、储气罐18、故障保护模块19、气缸8、消声器25；储气罐18一端与空气压缩机2及电磁溢流阀3连接，储气罐18的另一端通过故障保护模块1 9接气缸8的无杆腔，气缸8有杆腔通大气。

所说的故障保护模块19包括节流阀20、单向阀21、第二气控单向阀22、第一气控单向阀23、二位三通换向阀24、消声器25；储气罐18接故障保护模块的一端与二位三通换向阀24的P口及第一气控单向阀23的进口连接，第一气控单向阀23的出气口与气缸8的无杆腔连接，二位三通换向阀24的T口经过消声器25通大气，A口连接第一、第二气控单向阀23、22的控制端口，节流阀20与单向阀21并联，一端经过消声器25通大气，另一端与第二气控单向阀22的出气口连接，第二气控单向阀22的进气口与气缸8的无杆腔连接。

理论基础

(1)重力平衡原理计算

气缸下腔通过接近与气缸下腔面积的钢管与储气罐连为一体，而且钢管尽可能短，气缸及钢管的直径不小于10mm，这样气缸活塞下作用面的压强与容腔内空气的压强相差远小于系统压力的1％，在本系统中可以忽略气缸和钢管产生的气阻作用。

在本系统中气缸活塞下作用面的压强主要是由于容腔体积的变化引起的，将气缸活塞伸缩的过程相当于密封容腔体积增大缩小的过程，近似为一个绝热过程，计算如下：

对于气体绝热过程有：pvk＝常数

式中：p-密封容腔内空气压强

v-密封容腔的容积

k-气体比热容比

空气的比热容比k为1.4，要求容腔容积增大时其中空气压强减小量小于10％，计算密封容腔容积变化量，

                      p×v^1.4＝(0.9×p)×v_x ^1.4

计算得：                 v_x＝1.0782v

即密封容腔的体积变化7.82％。

根据以上计算结果设计气缸在伸缩过程中导致的容腔容积的变化率小于7.82％，即可实现工作压力变化小于10％。

(2)重力平衡后升沉系统功耗降低的计算

重力平衡前系统功率：P＝m·(g+a)·v

重力平衡后系统功率近似为：P′＝m·a·v

重力平衡前后功率的比值为： $\frac{P^{\′}}{P}=\frac{a}{g+a}$

式中：m-物体质量

g-重力加速度

a-物体运动加速度

在运动模拟器中升沉运动加速度一般小于1g，所以系统节能50％以上。

装置结构及工作原理

(一)升沉运动平台

升沉运动平台包括包括中间平台5、升沉平台驱动液压缸8、由两只或两只以上的气缸9及其配套气动系统组成的气动重力平衡装置、由三根导轨2及其配套滑块7组成的导向机构、移动线缆桥架。

中间平台5主要由两个箱形主梁构成。

中间平台5中心点正下方垂直安装一只升沉平台驱动液压缸8，液压缸体可完全安装在地面上或完全埋于地面以下或部分埋于地面以下，活塞杆端用杆端球铰与中间平台底面中心安装的铰支座连接。液压缸采用特殊结构单出杆对称结构，利用对称阀控制对称缸，以解决模拟器运动的拐点问题。

中间平台5下面还垂直安装以驱动液压缸8为中心、对称布置的两只或两只以上的气缸9及配套气动系统组成的重力平衡装置。

中间平台5两端和一侧面上下分别装有两个导轨滑块7，导轨滑块7与垂直安装在运动模拟器周围三墙面14上的导轨2配合组成导向机构，其中两根位于中间平台X轴两端延伸处，另一根安装于中间平台侧面，Y轴延伸处。每根导轨配两个滑块7。

在中间平台5和侧面墙14之间安装一移动线缆桥架；在中间平台5和侧面墙14间安装一移动线缆桥架，保护并联六自由度运动平台的油管、电源线、信号线及模拟舱的管线等离开平台到油源、电源、信号源的悬空部分，移动线缆桥架上的铰链使它们可被弯曲。

升沉运动平台在高精度导向机构导向下，利用重力平衡装置平衡运动模拟器及其负载的大部分重力，由升沉平台驱动液压缸8直接驱动实现大幅值、快速、大加速度、高频响的升沉运动。根据理论基础(2)，重力平衡装置能大幅减小升沉系统的功耗。

(二)并联六自由度运动平台

如图1、图2所示，并联六自由度运动平台4安装在中间平台5上。

并联六自由度运动平台4采用Stewart结构，由上、下平台及并联连接两者的六个驱动液压缸12组成，液压缸与上、下平台之间分别采用虎克铰11连接。并联六自由度运动平台可实现沿X、Y、Z向的平移和绕X、Y、Z轴的旋转运动。

并联六自由度运动平台4与升沉平台结合实现模拟器的六自由度运动。其中升沉运动可由升沉运动平台或并联六自由度运动平台或两者结合起来实现。

六个驱动液压缸12均采用特殊结构单出杆对称液压缸，利用对称阀控制对称缸，以解决模拟器运动的拐点问题。

(三)安全保护系统

由于运动模拟器用于载人，所以设计了机械、液压、电气安全保护系统三套保护系统并联保护整个装置的安全。

(1)机械安全保护系统

a.双向安全钳

如图1所示，中间平台5的X轴向两端分别安装两个双向安全钳6与垂直安装在中间平台5两端墙上的导轨2配合。系统正常工作时，安全钳为打开状态，掉电或液压系统失压时，则卡紧导轨，使平台减速直至停止。同时，可与行程开关、超速检测系统、紧急开关等配合，完成减速功能。

b.缓冲器

如图1、图2、图3所示，垂直安装在中间平台5两端的导轨2的上端两侧分别安装两个上端缓冲器1，在中间平台5下的地面13上以升沉平台驱动液压缸8为中心对称安装四个缓冲器10。当平台控制系统失灵，安全钳也没能将平台止动时，缓冲器将起到避免平台直接冲顶和撞底的作用。

c.安全窗

安装于模拟舱顶部。当舱门发生意外损坏，导致人员无法出入时，便于舱内人员的逃生或是检修人员的进入。安全窗设有电气连锁装置，当安全窗打开时，平台就无法运行。只有当安全窗关好后，平台才能运行。

(2)液压安全保护系统

a.液压保护模块。

用于并联六自由度运动平台和升降液压缸。系统掉电时或系统失压时，液压系统中的双向液压锁能封锁油缸两腔的压力油，使平台不缩回或甩出，从而确保升降平台的安全性。同理，亦可用于保护并联并联六自由度运动平台的安全。

b.液压缸内缓冲

升降平台和并联六自由度运动平台所用液压缸均设计缸内缓冲。

c.液压系统的对模拟器的安全保护设计

可抑制回路中的异常高压，以防止液压油泵的损坏，并防止处于过载状态。油源压力异常、油源状态异常、管路漏油、滤油器堵塞等故障报警、处理和急停等。

(3)电控安全保护系统

a.运动模拟舱装有电气联锁，使模拟舱只能位于底部所规定的位置时，舱门才能开启，而且舱门开启后模拟平台停止运动且不能启动。

b.模拟舱顶部活板门打开时，运动模拟器不能启动。

c.在控制程序中对升降平台和并联六自由度运动平台的运动进行保护。并设计应急操作控制系统。

d.急停开关

①舱内急停开关：采用非自动复位开关，当平台运行失控将出现危险时，扳动舱内急停开关，可使平台迅速停止。

②主控制室急停开关：安装在主控制室，主要供调试及监测人员使用。

③升降平台急停开关：安装在升降平台上，主要用于检修时。

④导轨底部急停开关：安装在导轨底部，主要用于检修时。

e.报警系统

当模拟舱内发生故障或是遇到危险情况时，舱内人员可以通过报警系统通知值班人员。舱内设置警铃按钮，按下按钮可使值班室的报警系统工作。

f.超载保护：

当模拟器负载超标时，平台不能起动，并报警；运行状态中平台降至最低位置，系统停止运行。

g.备有应急照明系统。

(四)模拟舱及视景系统

模拟舱用于载人及相关试验设备。

模拟舱内设有桌椅、舷窗及各种试验设备的固定孔及电源，大屏幕显示器用于显示逼真、实时的航海(飞行)视景。

模拟舱前窗用三通道显示器显示120水平视场角三维视景，显示器安装在模拟舱内与运动平台一起运动。

图形系统的硬件平台采用高档微机加高性能专业三维图形加速卡的模式；软件平台采用实时视景管理软件及视景建模软件及自行开发的用于支撑上述软件的一些专用工具软件。

模拟舱内还安装有音响模拟系统，逼真模拟航海、飞行时舱内的真实音响。

(五)气动重力平衡装置

如图4所示为重力平衡装置气路原理图。气动重力平衡装置气路包括电机15、空气压缩机16、电磁溢流阀17、储气罐18、故障保护模块19、气缸8、消声器25；储气罐18一端与空气压缩机2及电磁溢流阀3连接，储气罐18的另一端通过故障保护模块19接气缸8的无杆腔，气缸8有杆腔通大气。

故障保护模块19包括节流阀20、单向阀21、第二气控单向阀22、第一气控单向阀23、二位三通换向阀24、消声器25；储气罐18接故障保护模块的一端与二位三通换向阀24的P口及第一气控单向阀23的进口连接，第一气控单向阀23的出气口与气缸8的无杆腔连接，二位三通换向阀24的T口经过消声器25通大气，A口连接第一、第二气控单向阀23、22的控制端口，节流阀20与单向阀21并联，一端经过消声器25通大气，另一端与第二气控单向阀22的出气口连接，第二气控单向阀22的进气口与气缸8的无杆腔连接。

工作过程：初始时气缸8活塞杆是处于回缩状态，利用空气压缩机向储气罐内充高压空气，直至达到预定工作压力，压缩机停止，工作过程中，当压力低于设定值时，压缩机自动开启。工作时，储气罐和气缸构成一个密封容腔，工作过程中气缸活塞杆随动，跟随升沉平台驱动缸同步伸缩，同时能够保持一定的向上的推力以平衡负载重力。根据理论基础(1)，设计气缸在伸缩过程中导致的容腔容积的变化率小于7.82％，即可实现工作压力变化小于10％，可较好的实现平衡负载的功能。根据理论基础2，重力平衡装置能大幅减小升沉系统的功耗。

(六)计算机系统

如图5所为计算机系统组成图，描述了运动模拟器的计算机系统组成。

模拟器计算机系统包括有中心计算机、视景系统管理规划级计算机、图形解算计算机、运动控制管理规划级计算机、升沉运动实时控制系统、并联六自由度运动平台实时控制系统等。系统的功能有提供友好的人机界面、实现模拟器运动的伺服控制、视景的同步生成播放、模拟器系统的状态监测及安全保护等。

阀控缸电液伺服控制系统是实现运动模拟器大幅度升沉运动的动力执行单元，由伺服放大器、伺服阀、液压缸和位移传感器组成。伺服液压缸的主反馈回路是位置环，辅助反馈信号有速度、压力和力顺馈补偿回路。

运动模拟器多级计算机控制系统的工作原理是，中心计算机进行模型实时解算或是运动历程的复现，将运动姿态信号传送给运动控制管理规划级计算机，同时将同步的视景信号传送给视景系统管理规划级计算机，由两台管理规划级计算机进行进一步计算处理后发送指令给下一级计算机系统，最终控制执行机构运行或在显示器上显示。

Claims (3)

1、一种高压气动重力平衡式空间运动模拟器，包括并联六自由度运动平台(4)及安装在运动平台上的内有视景系统的模拟舱(3)，其特征在于：它还包括升沉运动平台系统、安全保护系统；其中：

1)升沉运动平台系统：包括中间平台(5)、升沉平台驱动液压缸(8)、由两只或两只以上的气缸(9)及其配套气动系统组成的气动重力平衡装置、由三根导轨(2)及其配套滑块(7)组成的导向机构、移动线缆桥架；中间平台(5)上面安装并联六自由度运动平台(4)，中间平台(5)中心点正下方垂直安装一只升沉平台驱动液压缸(8)，活塞杆端用杆端球铰与中间平台底面中心安装的铰支座连接；中间平台(5)下面还垂直安装以驱动液压缸(8)为中心、对称布置的两只或两只以上的气缸(9)及配套气动系统组成的重力平衡装置；中间平台(5)两端和一侧面上下分别装有两个导轨滑块(7)，导轨滑块(7)与垂直安装在运动模拟器周围三墙面(14)上的导轨(2)配合组成导向机构；在中间平台(5)和侧面墙(14)之间安装一移动线缆桥架；

2)安全保护系统：中间平台(5)两端分别安装两个双向安全钳(6)与垂直安装在中间平台(5)两端墙上的导轨(2)配合，垂直安装在中间平台(5)两端的导轨(2)的上端两侧分别安装两个上端缓冲器(1)，在中间平台(5)下的地面(13)上以升沉平台驱动液压缸(8)为中心对称安装四个缓冲器(10)。

2、根据权利要求1所述的一种高压气动重力平衡式空间运动模拟器，其特征在于：所说的气动重力平衡装置气路包括电机(15)、空气压缩机(16)、电磁溢流阀(17)、储气罐(18)、故障保护模块(19)、气缸(8)、消声器(25)；储气罐(18)一端与空气压缩机(2)及电磁溢流阀(3)连接，储气罐(18)的另一端通过故障保护模块(19)接气缸(8)的无杆腔，气缸(8)有杆腔通大气。

3、根据权利要求2所述的一种高压气动重力平衡式空间运动模拟器，其特征在于：所说的故障保护模块(19)包括节流阀(20)、单向阀(21)、第二气控单向阀(22)、第一气控单向阀(23)、二位三通换向阀(24)、消声器(25)；储气罐(18)接故障保护模块的一端与二位三通换向阀(24)的P口及第一气控单向阀(23)的进口连接，第一气控单向阀(23)的出气口与气缸(8)的无杆腔连接，二位三通换向阀(24)的T口经过消声器(25)通大气，A口连接第一、第二气控单向阀(23)、(22)的控制端口，节流阀(20)与单向阀(21)并联，一端经过消声器(25)通大气，另一端与第二气控单向阀(22)的出气口连接，第二气控单向阀(22)的进气口与气缸(8)的无杆腔连接。

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