气悬浮支撑系统在六自由度电动运动平台上的应用研究

　， ， ， (空军航空大学 军事仿真技术研究所， 吉林 长春　130022)

引言

电动平台具有清洁无污染、功耗低、操作使用方便、动态响应高、噪声低等优点，与液压平台相比较，还不需要液压泵站等辅助能源，占地面积小，使用成本低，使用维护方便，多项指标均优于液压平台，特别是电动平台的运动精度高，更是液压运动平台无法比拟的，因而近年来电动平台在国内外发展很快，广泛地应用于模拟训练和工程设计的运动载体模拟设备、六自由度并联机器人、武器校准平台、各种军用武器随动系统、六自由度数控机床、航天对接模拟设备等，具有显著的军事和经济效益。

六自由度电动运动平台有6根电动缸，由于电动缸只是用来加速或减速运动系统而不是举起系统，为减轻电动缸的负载，需加入气悬浮支撑系统，提高电动运动平台的承载能力，使六自由度电动运动平台能应用到大载荷的运动载体模拟设备中。

1　气悬浮支撑系统组成

气悬浮支撑系统是保证六自由度电动运动平台系统负载能力、响应速度和安全性的关键环节。气悬浮支撑系统采用了气动缸，利用气体的黏性来提高间隙中的压力，从而使物体悬浮起来。气悬浮支撑系统主要由气动缸、储气罐、空气压缩机、过滤罐、连接空气罐的软管等部分组成，可以支撑更多的有效负载，像弹簧一样平衡着静态的负载。气悬浮支撑系统主要部件在六自由度电动运动平台中的位置示意图如图1所示。在气悬浮支撑系统系统中，3根气动缸下端与固定平台相连、上端与活动平台相连。

六根电动缸通过协同运动改变活塞杆伸出长度控制活动平台的空间位置和姿态，气悬浮支撑系统的气动缸活塞杆随着活动平台的运动做被动运动并输出向上的抬升力，通过控制气动缸下端的进气压力，提供给平台一个稍低于平台载重的推力，起到了主支撑作用，因此提高了整个系统的响应速度，也起到了对平台的安全保护。

图1　气悬浮支撑系统主要部件位置示意图

气动缸主要参数如下：

使用环境：室内

环境温度：+5 ℃～+35 ℃

环境湿度：≤85%

工作介质：经过除水过滤的压缩空气，过滤精度25～35 μm，除水效率不低于80%

压缩空气工作压力：1.2 MPa

最低启动压力：≦0.05 MPa

活塞的运动速度：500～1000 mm/s

结构参数：缸径260 mm，杆径80 mm，最大行程2070 mm

理论输出力：工作压力1.0 MPa时气动缸的理论输出力为5306.6 kg，工作压力1.2 MPa时气动缸的理论输出力为6368 kg。

强度试验压力：气动缸通入1.8 MPa压力下，保压1 min，各部件不得有松动、永久变形及其他异常现象。

密封性能：气动缸通入1.2 MPa压力，活塞的内泄漏量不得大于42 cm3/min，活塞杆处的泄漏量不得大于15 cm3/min，其他部位不允许有泄漏现象。

气动缸下腔通入压缩气体，上腔通大气。为降低噪声，通气孔设置消声器。气动缸活塞采用自润滑防腐设计。

储气罐内壁有防腐涂层，空气压缩机出口和储气罐出口均设置空气干燥和净化组件。

2　气悬浮支撑系统工作原理

图2给出了气悬浮支撑系统工作原理框图。空气压缩机接通电源后，其测量系统自动保证储气罐的压力在设定范围内。当储气罐压力下降低于设定范围时，空气压缩机自动开始通过滤罐向3个储气罐供气；当由于环境变化等因素使储气罐内压力升高超过安全设定值时，安全阀门自动放气降压。通过排水口可以定期排出冷凝的水分。

图2　气悬浮支撑系统工作原理框图图

气悬浮支撑系统通过3个气压传感器测量每个气动缸的压力，系统设定压力为0.4 MPa，上限为0.5 MPa， 下限为0.3 MPa，当气压低于0.34 MPa时，空气压缩机会自动启动以向储气罐充气，直到使气压恢复到0.4 MPa时停止供气；当气压高于上限0.5 MPa 或低于下限0.3 MPa时，电动平台会自动回到底位以保证平台安全；同时当气压高于0.7 MPa时，空气压缩机会自动关机以保证系统安全。

气悬浮支撑系统是被动的，意味着气动缸不被控制。在安装时，以使电机电流最小为优化目标，通过调整调压过滤器和空气压缩机出口压力使系统压力调到最优的压力值。压缩机经过单向阀及调压过滤器与每个储气罐相接，对于泄漏的空气给予及时的填充。压缩机是间断工作(可能每天只工作几分钟)。

3　气悬浮支撑系统的使用方法及注意事项

1) 气悬浮支撑系统开机前检查

气悬浮支撑系统加电前应仔细检查下列所有事项，无异常后，系统可正常启动运行，如发现问题，待问题处理完成后再启动运行。

(1) 检查所有螺栓连接处有无松动(主要检查螺栓防松标记)；

(2) 检查机械结构处是否有裂纹情况；

(3) 气动部分各阀门是否处于正常状态、气管有无泄漏等情况。

2) 气悬浮支撑系统启动

(1) 接通空气压缩机电源开关；

(2) 长按空气压缩机控制面板上的启动按钮，空气压缩机启动工作。空气压缩机会自动给系统提供必要的气压，在气动面板上会显示空气压缩机的电源接通、运行等状态，显示的供压数值是系统当前压力，当到达设定的压力时(六自由度电动运动平台出厂前已设置完毕，用户不可自行调整)，空气压缩机会自动关闭，压力表的读数在各个储气罐的罐体上。

3) 气悬浮支撑系统关闭顺序

(1) 当六自由度电动运动平台回到底位后，按空气压缩机控制面板上的关闭按钮；

(2) 关闭空气压缩机电源开关。

4) 气悬浮支撑系统注意事项

(1) 每周检查事项检查气悬浮支撑系统的气压状况及管路进出口处连接状况，如出现裂纹或锈蚀情况请及时进行更换;

(2) 每月对储气罐和过滤罐放水储气罐的放水口共有两处：一是在罐体的最下面，打开阀门即可，另一个在过滤减压阀门的下侧，在压力过低时它能自动排泄。过滤罐的放水口只有一个，在罐体的最下面，打开阀门即可。在上述操作中即放掉储气罐中的空气时，观察气压表的值，等气压表读数降到零后，才可以打开储气罐下方的放水阀门和过滤罐的放水阀门；

(3) 每半年要对气悬浮支撑系统进行漏气检查，方法如下： ① 只打开气动系统电源，不打开电气控制柜上的钥匙开关，给气动部分充气，大约0.4 MPa即可；② 用肥皂水或洗衣粉水涂抹在气罐各管路的连接处，观察有无气泡冒出，若有，说明此处的连接漏气；③ 找到漏气处后放掉气罐中的气体，拧开漏气处的管路，若管路接口有破损请更换管路接口，若没有破损说明密封处漏气，须重新涂抹密封胶。涂抹胶水后拧紧接口。

5) 气悬浮支撑系统安全事项

(1) 系统的维护应由专业人员进行操作；

(2) 机械维护过程中应佩戴防护用具；

(3) 气悬浮支撑系统进行元器件更换时，应先放气再进行更换；

(4) 给储气罐充气和放气过程中，避免站在放气阀的正前方，以免发生危险；

(5) 系统运行过程中，人员应站在安全区域。

4　结论

气悬浮支撑系统的特点是“轻巧、干净、运转平滑、摩擦力小、寿命长和噪声小，适用于高精度高灵敏度的动平衡支承系统。六自由度电动运动平台系统中加入气悬浮支撑系统，减轻了电动缸的负载，提高了六自由度电动运动平台的承载能力和控制精度。带有气悬浮支撑系统的六自由度电动运动平台，现在已经广泛地应用到飞行部队、民航等大载荷的飞行模拟器中。

参考文献：

[1]祁玉宁.气动系统在防爆胶轮车上的应用[J].液压与气动，2012，(12):28-30.

[2]王占勇，唐有才，刘振岗,等.某型飞机气动元件自动测试台的设计与实现[J].液压与气动，2012，(3):46-48.

[3]李书明，但敏，胡玉冰.基于数字控制的飞机气动活门测试台气路设计[J].液压与气动，2013，(4):75-78.

[4]卢彦铮，郭志平，王敬新,等.一种载人绞车气动系统的设计[J].液压与气动，2013，(7): 79-82.

[5]刘金标,王思伟,牟伟.基于六自由度模拟平台液压控制系统的设计[J].液压与气动,2011,(4):13-15.

[6]邱法维,沙锋强,黄兴宏,王刚,张宏基,刘作印.并联六自由度运动模拟平台的研制[J].液压与气动,2011,(6):59-61.