内容简介：: 硬件结构设计：机械结构：1.整体设计思路：整个平台由两组平台组成，上平台为海浪运动模拟平台，下平台为稳定平台。实验时，由上平台产生模拟海浪的随机运动，运动通过位移传感器，倾角传感器和位移传感器传至控制中心，只要有合适的控制策略和软件，就可以通过控制高速开关阀使下部肌肉产生相应的运动，与上部肌肉的运动叠加后最终使上平台保持稳定。2.气动肌肉的选型：气动肌肉是整个平台的执行元件，而且也是需要直接购买的元件，因此，首先应当选择气动肌肉的型号，尺寸。首先选择FESTO公司的气动肌肉，主要有三种型号表2-1 三种不同直径的气动肌肉比较型号承受最大压缩力压力范围最大伸缩比MAS-10-400N08bar20%MAS-20-1200N06bar20%MAS-40-4000N06bar25%平台所承受的力大约为1000N，在所需的力相同的情况下，直径越粗则长度越小，可以使用FESTO公司提供的软件计算，得出在行程120mm，压力设定6bar，所需力1000N的情况下，直径20mm时额定长度为1653mm，直径40mm时长度为480mm，显然，应当选直径40mm的肌肉，此时的肌肉出厂时长度为600mm，可伸缩的范围为-18150mm，即肌肉的最大长度为618mm，最小长度为450mm。可以选定540mm为肌肉安装在平台上静止时的长度。3.平台与气动肌肉的连接：无论哪个平台都要与气动肌肉相连接，要使平台能随肌肉的伸长、缩短和转动而上下摆动，应使用三自由度的球铰来进行连接。平台需要能够上下各15转动，因此，要求球铰可以旋转30。查看THK公司的TBS型球绞(图1)，共有四种型号：TBS6、TBS8、TBS10、TBS12。考虑到肌肉的长度，下半平台选用TBS12型的球铰，它两边的螺纹分别是M301.5和M121.75,而上半平台的球铰应略小于TBS12型的，由于TBS10型球铰的螺纹M251.5并非第一系列，因此，选用TBS8型球铰，两边螺纹分别是M221.5和M81.25。图.球铰4.平台外形的设计上下两组平台形状基本一致，只是尺寸略有不同，按对称结构，动平台采用圆形，三个铰支点沿同一圆周均匀分布，圆半径在200mm250mm之间。为便于和电控柜（固定比例阀，气源处理单元等）的连接，下大平台采用正方形，而下小平台采用圆形，可以适当节省材料。上大平台与下小平台连接在一起，也为圆形，上小平台同样为圆形。具体结构见图2。5.球铰与平台及肌肉的连接在上平台由于尺寸较小，可以在平台上打螺纹孔，直接将球铰拧入螺纹孔中即可。而下平台的尺寸很大，应该采用一个平台与球铰的连接装置，如图3所示，左边有四个孔可以与平台用螺栓相连接，而右边凸出的部分中间有一螺纹孔，用来与球铰（图）的左半部分相连，这样可以有效的将平台与球铰连接起来。球铰与肌肉之间也要通过类似的元件相连接，肌肉可以分为上下两部分，两部分的连接件是不同的，因为下部分在连接球铰和肌肉的同时也要连接给肌肉供气的气管，需要额外打孔来通气。以下平台为例，肌肉上半部分的连接件如图所示，左边有外螺纹，可以直接与肌肉相配合，而右边有螺纹孔，与球铰相配合。下半部分连接件如图所示，与上半部分不同的是在中间开有一个螺纹孔，可以与气管相连接，气体可以通过球铰肌肉连接件进入气动肌肉，从而控制肌肉的伸缩。上平台的连接件与下平台相仿。图平台球铰连接件图平台球铰连接件图平台示意图图上部球铰肌肉连接件图下部球铰肌肉连接件6.中心立柱：中心立柱在平时起着支撑平台的作用，并且当平台运动时是以立柱上面的球铰球心为中心点进行旋转的，因此，立柱的长度是最为重要的一个尺寸，只有当长度选取合适时，才可以使平台能够达到理想的旋转角度。计算过程：中心立柱与下半平台的连接主要是通过螺栓或者螺钉紧固。而与上半平台的连接则需要球铰立柱连接件（图6），它的一端与球铰连接，而另一端则攻有外螺纹，可以在立柱上打一个螺纹孔，与之相连接。图球铰立柱连接件7.下小平台与上大平台的连接：由图2可以看出，两平台是相连在一起的，连接时可以在两平台的相同位置打直径一样的通孔，再用螺栓将这两个平台以及球铰立柱连接件同时连接起来。这样可以用四个螺栓来连接三个元件。8.防护罩的选择：由于平台主要工作在海洋环境下，气候极为潮湿，腐蚀也很容易发生，为了使得平台能够在海洋环境下也正常的生存，因此需要防护罩来将肌肉、位移传感器与外界相隔绝。防护罩首先应当与上下平台都紧紧的连接在一起，同时还能随肌肉的伸缩而轴向伸缩。因此，最简单的方法就是选用一个由橡胶制成的，可以轴向伸缩的元件（图7），两边有两块板，分别有四个孔可以与上下平台相连，中间是可以轴向伸缩的关节。这样的防护罩在肌肉运动时不会产生很大的阻力。要求关节处的最小直径也要大于肌肉和位移传感器的最大直径。这样才能保证两者互不接触，不会影响到肌肉的正常运动。同时，还需要最大拉伸量应大于60mm，而最小压缩量也应大于60mm。才可以保证在肌肉正常工作时防护罩也能正常伸缩。图防护罩传感器的选择与安装：1. 位移传感器：选用ASM公司的WS31型拉线式位移传感器，它结构紧凑，且具有可测量距离长，质量轻，精度高等特点。气动肌肉两端做安装板，将传感器安装在上面，即可测量出气动肌肉的位移量，并通过电路将其反馈至工控机中。2. 压力传感器：压力传感器选择FESTO公司的SDE型传感器，它可以根据输入压力的变化，按照一定的比例关系输出电信号，压力范围较大，结构简单且安装容易。它通过一个双螺纹接头安装在阀块上，具体安装见阀块部分介绍。3. 倾角传感器：倾角传感器安装在上小平台之上（见图1），可以设计一个简易的安装板（图8）将它与上小平台连接在一起。后边的两个孔为安装传感器所用，用螺钉可以将安装板与传感器连接在一起，而下面的四个孔可以用螺栓将之与上小平台连接在一起。传感器的不会与螺栓相接触，这样才能保证测量结果准确。图8倾角传感器安装板气动结构的设计与选型：1. 气源处理单元（三联件）：本系统的动力传输介质是压缩空气，由气源（各种气泵）提供压缩空气来供给整个系统，以使执行器动作而达到预定控制。空气中含有水分,油污,尘埃,铁锈颗粒。水以自然空气湿度的形式存在于空气中,在压缩空气冷却过程中,有大量的水分被析出。对压缩空气的干燥处理可防止对气动系统和设备的腐蚀及损坏。油污残渣不能起到驱动件的润滑作用,反而造成敏感部件的阻塞。尘埃等污染物会加速对滑动表面和密封件的磨损，影响气动元件功能和使用寿命27。因此,压缩空气必须进行过滤除尘,去污净化,油雾润滑等处理。过滤器可以去除压缩空气中的固态颗粒，水滴和油雾等。油雾器可确保气动元件在必需时有足够的润滑。减压阀可保持恒定的工作气压（出口），与系统（进口）的压力变化和空气消耗无关。安全阀能限制系统压力不致过高，在系统突受高压冲击时起到保护系统的作用。上述各单元可以根据需要自由选择组合。对本系统，采用气源处理单元为D系列气源处理单元，型号为LFR-1/4-D-MINI-KG。2. 阀的选择：由于下平台为实际运用中所需要的稳定平台，因此对阀的要求很高，需要以极快的速度来适应上平台的变化，从而使中间平台能够得以保持稳定。因此，对控制阀最重要的要求就是响应快。因此，我们选择了高速开关阀来作为肌肉的控制元件。选用FESTO公司的MHP4和MHA4两种类型的阀。这两种型号的主要区别仅在于口的位置不同，他们都是两位三通阀，有编号为1、2、3的三个口，1口即为图9中的左下角的口，2口是左上角的口，3口是右下角的口。MHA4型阀的三个口均在阀体的下部，MHP4型的阀1、3两个口在阀体的下部，而2口则位于阀体的上部。因此，为了阀块的设计简单，应选择两种阀来组成控制部分。这两种阀的响应时间可以达到210Hz，完全能够实现平台的要求。工作电压是24V(DC),工作压力可以为0.98bar。响应时间快且耐腐蚀能力较强，正好适用于海洋潮湿腐蚀大的环境下。对一根肌肉的控制是通过两个阀来实现的，如图9所示，左阀的下部分接三联件，而上部分接气动肌肉。两个阀共同控制一个肌肉的运动。它们的通电时间刚好相反，当左阀通电时，即左边接入回路，右阀处于断电状态，此时肌肉充气，开始收缩。反之，当左阀断电时，右半部分接入回路，右阀处于通电状态，左半部分接入回路，压缩气体会通过阀进入大气，从而实现放气的过程。图9高速开关阀控制气动肌肉实际中有三根肌肉，因此应有三组，共六个阀来对肌肉进行控制，为了更容易的将这六个阀集中起来进行控制和防护，可以设计一个阀块。3. 阀块的设计：前面提到控制一个肌肉需要用到两个阀，一个MHA4型和一个MHP4型号的。可以使用MHA4型来作为图9中的左阀，而MHP4型来作为右阀。因为右阀的2口是要接大气的，通常是通过一个消声器与大气相连通，如果使用MHP4型的阀，那么这个消声器就可以直接接在阀的上部，而不需要再在阀块上来设计结构，这样就大大简化了阀块的设计，也减小了阀块的高度。阀块的设计主要是孔与孔之间的关系。从图9可以看出，拿一组阀为例，左阀的1孔与气源相通，2孔接肌肉，同时为了测定输入的压力，还应在接肌肉的同时接一个压力传感器，3孔则与右阀的1孔相通，右阀的2孔可直接接消声器与大气相通，3孔则没有实际用途。首先根据对六个阀进行定位，选定第一个的位置后，即可以确定定位螺钉孔、定位销孔和阀的三个通气孔的位置，这样依次排列至第六个阀即可。在所有阀定位完成之后，首先对内部的孔要进行分层，由高向低算起：最高层的孔是第一组阀的连通3孔与1孔的孔，还有第三组阀的连通3孔与1孔的孔，因为这两组可以从阀块的两个方向打孔；低一

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