气动驱动装置

关键词： 手腕 驱动器 气动 运动

气动驱动装置（精选七篇）

气动驱动装置 篇1

对于存在手腕运动功能障碍的患者,运动康复训练是一种重要的康复治疗手段。目前的手腕康复训练器主要是电机驱动,运动中系统会产生急剧变化的冲击力,严重时会对患者关节造成二次伤害[1,2]。近年来气动柔性驱动器的迅速发展逐渐引起人们的重视,这种新型的驱动器不仅能够提供足够的输出力,更能大幅提高康复装置的安全性与柔顺性[3,4]。本文研制一种气动柔性驱动器的可穿戴式手腕康复装置,为患者提供安全有效的手腕运动康复训练[5]。

1 气动柔性驱动器的设计

1.1 腕关节的运动

腕关节具有多种运动方式,本文设计的手腕康复装置主要实现手腕的屈曲运动和背伸运动,屈曲运动是指手部向手心运动,背伸运动指手部向手背方向的运动,二者的角度范围如图1所示。这个角度范围因人而异,为了符合大多数人的要求,采用60°作为掌曲运动与背伸运动的最大运动角度。

1.2 气动柔性驱动器的工作原理

气动柔性驱动器主要由硅橡胶制作而成,其结构如图2(a)所示。驱动器的内部存在一个气腔,气腔的两侧厚度并不相等,导致两侧的拉伸强度不同。当气腔内充入压缩气体时,薄层的拉伸变形量要远远大于厚层的拉伸变形量,从而使驱动器发生弯曲变形。可以从驱动器的单位截面来分析驱动器的作用原理,如图2(b)所示。作用于端面的气体压力可以简化为作用于内腔质心的一个集中力,而驱动器的变形是沿着外轮廓质心轴来弯曲的。内腔质心与外轮廓质心存在一定程度的偏移,如果把内腔的集中力T平移到外轮廓质心轴,根据力矩平衡定理,会产生一个等效力矩M,就是这个等效力矩M使驱动器产生弯曲变形。

1.3 驱动器的制作

气动柔性驱动器的长度为150 mm,宽度为14 mm,高度为9.2 mm,薄层厚度为1.2 mm,厚层厚度为4 mm。采用硬度为邵氏硬度20°的人体硅橡胶来制作气动柔性驱动器,把硅橡胶两个组份按规定的比例配好,浇注入模具内进行固化。硅橡胶的凝固需要数个小时,加热可以使凝固时间显著缩短。在硅橡胶完全固化后进行脱模处理,插入通气管并固定在橡胶管中,得到气动柔性驱动器的实物,最后充入压力气体后的驱动器变形效果如图3所示。

1.4 驱动器的测试

研究的气动柔性驱动器主要用于驱动手腕做屈曲运动,其输出力矩要达到手腕做屈曲运动的驱动力矩,因此主要通过测量驱动器的输出力矩来验证驱动器是否能够满足工作性能。可以采用一种间接测量力矩的方法,因为输出力矩可以通过力与力臂相乘得到。制作一个旋转机构,由2个杆件与1个旋转关节组成,如图4(a)所示。为了得到驱动器准确的输出力矩结果,把一个杆件固定在另一个杆件上作用一个力传感器,同时用角度传感器记录杆件旋转的角度,用压力传感器记录驱动器内的气压值。对于这样的实验装置,驱动器输出力矩主要取决于2个参数,即气压值与杆件之间的角度。所以有2种实验方案,第1种实验方案是输入一个固定的气压值,驱动器会带动杆件旋转到一定角度,这个过程几乎没有作用负载。然后通过力传感器驱动杆件运动,运动的方向与驱动器的弯曲方向正好相反。记录驱动力与角度,并且做多组不同气压值的实验,可得到驱动力矩与气压值、角度的关系。第2种实验方案是固定杆件的位置(两杆件的角度为一固定值),通过改变气腔的输入气压,得到不同气压下驱动器的输出力矩,然后做多组不同角度的实验,同样也可以得到驱动力矩与气压值、角度的关系。这2种实验得到的结果是一致的,选择第1种实验方案来测量驱动器的输出力矩,实验结果如图4(b)所示。因为手腕的最大活动范围设为60°,当输入气压为0.07 MPa时,驱动器带动杆件旋转到60°可以输出0.12 N·m的力矩,因此布置4根驱动器基本可以满足使用要求。

2 手腕康复装置

使用一些常用的材料制作了手腕康复装置的本体,可以在人手上直接佩戴,佩戴效果如图5所示。

为更好地控制手腕康复装置的动作,气动控制回路采用连续控制系统,其主要气动元件除通断阀、减压阀外,还有电气比例阀,其气动控制回路如图6(a)所示,气体依次经过减压阀、通断阀、电气比例阀,最终作用到手腕康复装置的驱动器上。减压阀用于调整气源输出压力达到电气比例阀的工作气压范围,压力的变化通过电气比例阀进行控制。本文采用SMC公司生产的ITV2050-042L型电气比例阀和研华公司生产的PCI-1720U型板卡,计算机通过板卡向电气比例阀提供连续变化的电信号,输出压力随输入电信号的变化而成比例的变化,这样就可以得到连续变化的气体压力。根据实验的要求及现有的实验条件,搭建的实验台如图6(b)所示。通过计算机编程向电气比例阀输入一个斜坡信号,通过改变斜坡信号的参数来调节康复训练过程。

使用手腕康复装置进行手腕康复训练前,要测试达到患者手腕屈曲运动最大活动角度的气压值,以此作为控制康复训练中的气压最大值。图7是手腕康复装置在手腕达到最大活动角度前的动作图,整个康复过程柔顺性好、安全平稳,实验证明手腕康复装置能很好地辅助病人完成手腕的运动康复任务。

为了进一步测量手腕康复装置的输出力矩,采用与测量驱动器同样的实验设置,把杆件的宽度增大到手腕康复装置的宽度,最后得到的输出力矩结果如图8所示。

由图8可知,当输入气压为0.09 MPa,手腕康复装置在力臂旋转到60°时的输出力矩值为0.4 N·m,达到手腕做屈曲运动所需的驱动力矩。在实际工作中,如果患者手腕的阻力矩超过或不足这个数值,可以通过调整气压值等手段来达到最理想的状态。根据力矩测量实验的结果,可以认为研究的手腕康复装置能够满足手腕康复训练的基本使用要求。

3 结语

以气动柔性驱动器为基础制作了手腕康复训练装置,这种手腕康复训练装置能够实现驱动手腕达到60°的最大弯曲角度,并能够输出0.4 N·m的力矩,能够满足驱动手腕做康复训练的要求,并且其输出力矩可以根据输入气压进行调节。与传统的电机式手腕康复装置相比,具有结构简单,成本低廉,特别是安全性与柔顺性好等特点,具有较高的市场价值与广阔的应用前景。

参考文献

[1]隋立明,包钢,王祖温.气动技术在康复工程中的应用[J].中国临床康复,2005,2(8):320-321.

[2]李小宁,郭钟华.气动技术助力医疗康复技术的现状及发展趋势[J].机械制造与自动化,2012,41(3):1-5.

[3]Yoel Shapiro,Alon Wolf,Kosa Gabor.Bi-bellows:Pneumatic bending actuator[J].Sensors and actuators a:physical,2011,167(2):484-494.

[4]Aline De Greef,Pierre Lambert,Alain Delchambre.Towards flexible medical instruments:Review of flexible fluidic actuators[J].Precision engineering,2007,33(2009):311-321.

气动驱动装置 篇2

在传统的机床夹具设计中, 因为液压传动具有传动平稳稳定、输出力较大等特点[1], 因此其作为动力源仍然占据非常大的比例。但液压传动有油液容易泄漏, 造成环境污染等不好的一面。近年来, 气压传动使用频率越来越高, 气压传动的传递介质是清洁空气, 因此被称为绿色传动。但是气压传动也有一个比较致命缺点:气压压力较小, 只可达到0.4~0.7 MPa[2]。

目前出现的仿生气动肌肉是一种新型气动元件, 它由一根具有能量转换作用的特殊橡胶管装置组成, 如同动物肌肉那样可以产生较大较强的收缩力, 气动肌肉的出现突破了气压传动必须由气体介质推动活塞这一传统概念的限制, 而且与传统的气缸相比, 由于其不含有活塞、活塞杆、缸筒等零部件, 因此没有内部摩擦运动。当管内通入压缩空气后, 仿生气动肌肉可以产生相当于同缸径气缸10倍的惊人的拉伸力[3]。

为此, 提出了一种肘杆-杠杆力放大机构[4,5,6]。这种力放大机构可以利用肘杆、杠杆和肘杆的力放大顺序, 逐级达到三级力放大, 可以达到较为理想的力放大效果。另一创新是使用了气动肌肉, 可以有效地提高输出力。机构具有结构紧凑、对称美观[7]、力传递效率较高的优点。

1 工作原理

如图1所示, 该装置由气动肌肉、肘杆-杠杆增力机构等组成, 该设计使用肘杆-杠杆三级机构。当电磁换向阀如图示位置时, 左边气动肌肉腔通入压缩气体, 气动肌肉产生收缩力, 在该驱动力的作用下, 通过一级肘杆机构、杠杆机构、二级肘杆机构, 总共经历3次力放大, 传递到压紧装置夹紧工件, 对其进行加工。当加工完毕, 切换电磁换向阀开关, 压缩气体进入右压缩肌肉, 机构反向运动, 带动肘杆、杠杆机构复位, 松开工件, 完成加工过程。

所介绍的这种机构, 其杠杆、肘杆三级机构呈对称布置, 可以使输入力和输出力径向平衡, 整个机构的摩擦损耗相应减少, 力的传递效率大幅提高, 相关运动机构的使用寿命也得到延长。

2 力学分析和计算

建立力学模型, 该力放大装置的理论增力系数为

实际增力系数为

气动肌肉的输出力Fi, 则该机构的输出力FO为

式中:α、β为肘杆机构理论压力角 (如图1所示) ;l1、l2为杠杆机构主、被动臂长度 (如图1所示) ;ηMP为气动肌肉的机械效率, 一般可取ηMP=0.85[7];ηMT为肘杆机构的机械效率, 一般可取ηMT=0.90[8];ηML为杠杆机构的机械效率, 可取9]。φ1、φ2为肘杆铰链副当量摩擦角, 计算公式为。式中, r为肘链轴半径, l为肘杆上两肘链孔的中心距, f为铰链副的摩擦因数[7]。

3 结语

本文介绍的夹紧装置, 可以极大地提高输出力, 整体机构对称美观, 结构紧凑。所提出的气动肌肉这一结构, 可以解决气压传动的输出力不足的问题, 从而有效提高系统输出压力。

由于未采用液压传动, 也就避免了液压油泄漏引起的污染问题, 因此本夹紧结构具有绿色环保的优点。

摘要：介绍了一种基于气动肌肉的肘杆-杠杆串联力放大夹紧装置的设计创新思路和方法。分析和介绍了其工作原理及技术特点, 并给出了夹紧力计算公式。设计的机构具有力输出大、结构美观、节能环保等特点。

关键词：肘杆-杠杆,夹紧装置,气动肌肉

参考文献

[1]刘延俊, 关浩, 周德繁.液压与气压传动[M].北京:高等教育出版社, 2007.

[2]崔金岭, 钟康民.基于无杆活塞与压板夹紧的气动柔性夹具[J].液压与气动, 2008 (6) :60-61.

[3]韦晓孝, 钟康民, 郭旭红.一种气动肌肉驱动的偏心夹具[J].液压与气动, 2005 (10) :70-71.

[4]苏东宁, 钟康民, 李国平.对称布局的铰杆一杠杆一铰杆三级串联力放大机构及其应用[J].机床与液压, 2007.8:94-96.

[5]崔金岭, 钟康民.基于杠杆-斜楔-肘杆三级增力的冲击式手动夹具[J].工具技术, 2008 (7) :85-86.

[6]钟康民.简论对称性美学思想指导下的机械设计创新[J].机械设计, 2004 (增刊1) :94-95.

[7]宋学义.袖珍液压气动技术手册[M].北京:机械工业出版社, 1995.

[8]陆雯, 钟康民.平行同步双边肘杆增力机构及其在液压传动中的应用[J].工程机械, 2005 (1) :45-46.

[9]林文焕, 陈本通.机床夹具设计[M].北京:国防工业出版社, 1987.

气动升降式警戒门装置 篇3

1 气动升降式警戒门原理

气动升降式警戒门是利用气动千斤顶、细钢丝绳、滑轮与警戒牌连接, 通过操作手把控制气动千斤顶的伸缩达到牌板的升降, 实现警戒。非打运状态时, 将牌板提起固定到顶板, 车辆、行人可以正常通过; 打运过程, 将牌板放下, 实现警戒。

2 气动升降式警戒门的实现

2. 1 警戒门分拆成不同的组件加工, 实现组装式安装

为了满足车辆通过的安全间隙, 我们设计的警戒门规格为:高×宽=3100mm×2500mm。若将警戒门加工成一个整体, 装车、搬运、安装都会很困难。我们便将警戒门分为A、B、C、D、E、F6大部分进行加工。A的两端焊有长螺丝, 可以插入到B、C中;D为警戒网牌, 两端为1寸半铁管, B、C为1寸铁管, 可以直接插入到D的两端;B、C的下端头焊有一直径26mm的螺帽, E、F的上部焊有一直径26mm的螺帽, 通过26的螺丝可以将B、C和E、F连接 (如图所示) 。

通过加工成不同的组件, 警戒门被分成若干个小部分, 很容易带到井下, 如果某一部件损坏或尺寸不符合, 只需重新设计加工这一部件, 实现了安装、更改的方便、灵活。

2. 2 通过粗管套细管, 实现滑道功能

为了实现牌板能够垂直升降, 而不受风力的影响随风摆动, 牌板的升降必须有光滑的轨道。

设计之初, 我们采用的是在1 寸管子上开一个3. 5mm宽左右的纵向槽口, 将警戒牌固定到一3mm厚扁铁上, 扁铁两端插入到槽口中实现滑行。但这样的设计有几大难点: ( 1) 在一个圆形的铁管上开一个直线型的槽口, 工艺上很难达到; ( 2) 开的槽口很难实现光滑; ( 3) 铁管上开一个槽口后, 降低了铁管的强度, 容易折断。

后来经过讨论、研究, 我们采用了粗管套细管的方式解决垂直升降的问题。

2. 3 利用“皮带机涨紧皮带原理”, 解决气动千斤顶行程不足

为了保证车辆打运大件时也能通过警戒门, 我们设计的警戒门装置降到最低点时, 距底板高度为1. 2m, 升到最高点时, 距底板至少2. 5m高, 这就要求气动千斤顶的行程达到1. 3m以上, 但是矿用气动千斤顶行程只有700mm左右, 如果警戒网牌直接通过钢丝绳、滑轮与气动千斤顶连接, 根本无法满足升高要求, 我们通过研究, 利用了皮带涨紧的原理, 可以实现警戒牌升降的距离是气动千斤顶行程的2 倍。

2. 4 利用双滑轮, 解决单滑轮升降高度三角“死区”问题

利用单滑轮提拉警戒牌, 受三角形“死区”影响, 高度不可能达到最大化, 而且不美观。我们通过改用双滑轮, 最大的利用了气动千斤顶的行程, 使牌板上升到最大高度。

2. 5 气动升降式警戒门受风摆动问题

气动升降式警戒门下部是通过混凝土浇筑在底板内, 但上部却悬在空中, 受风力影响, 摆动较为严重, 通过直径16mm的圆钢, 一端插入到警戒门上端的1 寸管内, 另一端插入巷道帮中, 解决了警戒门摆动问题。

3 优点及改进方向

气动升降式警戒门是一套通过气动控制来实现升降警戒的装置, 有以下几大优点: ( 1) 通过气动控制, 实现了警戒的自动化; ( 2) 牌板永远固定到警戒网上, 不需要来回挪移, 避免了牌板挪移过程中磨损甚至损坏; ( 3) 提高了警戒的正规性, 增强了打运警戒的可靠性。

气动升降式警戒门的成功设计, 开辟了警戒自动化这一方向, 在以后的发展改进过程中, 可以通过安装中间继电器装置实现警戒不到位, 绞车无法启动这一功能, 最终实现打运、警戒的全自动控制。

4 结束语

气动驱动装置 篇4

由于空气的可压缩性好, 故气动驱动器的柔顺性较好;气动驱动器还具有结构简单、可直接驱动 (无需减速机构) 、动作灵活、不会损害操作对象等特点。

气动驱动器的代表是McKibben驱动器[1,2,3], 因为其运动特性与生物肌肉极为相似, 也称之为气动人工肌肉。此外, 日本东芝公司研制了三自由度驱动器FMA[4,5] (flexible microactuator) , 日本冈山大学研制了旋转型柔性驱动器[6], 德国卡尔斯鲁厄计算机科学应用研究中心提出了柔性流体驱动器[7], 江南大学章军等[8]提出了基于弹性波壳伸缩的气动驱动器。以上驱动器在具体结构上各有特色, 均具有柔顺性好、动作平滑、噪声小、无污染等特点, 并已应用于各种机器人柔性多指手的设计中。

近年来, 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室提出了气动柔性驱动器 (flexible pneumatic actuator , FPA) [9,10], 并以此为基础设计了气动柔性弯曲关节[11,12]。该关节在FPA的橡胶管壁内嵌入了一条轴向的约束钢丝, 约束钢丝的两端通过螺钉与端盖固定。我们在分析橡胶管内腔压力与弯曲角度两者之间关系的基础上建立了静态模型, 通过实验验证了模型的正确性。但是, 由于橡胶管具有易变形的特点, 当关节受到垂直于弯曲运动平面的外载荷时, 关节会朝该外载荷方向产生扭曲变形。为了更好地模拟人类手指弯曲关节运动, 笔者改进了原有气动柔性弯曲关节的结构, 其关节侧向刚度得到了加强。

1 弯曲关节结构

关节设计是机械手设计的关键问题之一, 关节的结构和灵活性直接决定着机械手的空间尺寸和功能。基于FPA的刚柔性弯曲关节由转轴、连杆、连接件、左端盖、右端盖、橡胶管、螺旋钢丝及进气接头组成, 其中, FPA由橡胶管和螺旋钢丝组成 (图1) 。在橡胶管的内壁安装了螺旋钢丝, 橡胶管通过强力胶与左端盖及右端盖密封连接。压缩气体从右端盖通入FPA的内腔, 由于螺旋钢丝的约束作用橡胶管不产生径向膨胀, 于是橡胶管产生轴向伸长, 并通过连接件推动连杆以转轴为中心转过一定角度。释放FPA内腔的压缩气体, 在橡胶管的弹性力的作用下, FPA恢复到初始状态, 关节连杆也回转到原来位置。由于空气的可压缩性, FPA的刚度通常是很低的, 即弯曲关节的回转副柔性较好, 另一方面, 除了气动驱动器外, 弯曲关节的其他零件均为刚性构件, 具有较高的刚度, 较好地模拟了人类手指关节弯曲运动。

1.连接件 2.左端盖 3.连杆4.转轴 5.橡胶管 6.螺旋钢丝7.右端盖 8.进气接头 (a) 弯曲关节结构图 (b) 弯曲关节实物照片

2 弯曲关节静态模型

2.1 转角静态模型

首先计算FPA的伸长量及壁厚, 为此定义弯曲关节驱动器FPA橡胶管的初始有效长度为Lb, 其平均半径为rb, 橡胶管的初始厚度为tb, 橡胶管的弹性模量为Eb, 关节转轴中心线与橡胶管中心线之间的距离为H。在气压p的作用下橡胶管开始伸长, 使得刚性关节产生弯曲, 其弯角角度大小为θ, 如图2所示。设橡胶管中心弧$\stackrel{⌢}{EF}$的曲率半径为ρ:

$\rho =\frac{L{}_{\text{b}}}{2}\cot \frac{\theta }{2}+{\rm H}$ (1)

由于橡胶管产生了弯曲, 故其伸长量Lϕ不仅

与弯曲角度有关, 还与角度ϕ相关[13]:

Lϕ=ρ θ-rbθcos ϕ 0≤ϕ≤2π (2)

橡胶管在角度ϕ处的伸长量为

$\text{Δ}L{}_{\text{ϕ}}=L{}_{\text{b}}(\frac{\theta }{2}\cot \frac{\theta }{2}-1)+{\rm H}\theta -r{}_{\text{b}}\theta \cos \text{ϕ}$ (3)

为了便于计算, 取橡胶管中心线处的伸长量作为橡胶管的平均伸长量, 即

文献[13]详细分析了气动柔性弯曲关节在运动过程中的径向变形情况, 并得出弯曲关节的径向变形可以忽略不计的结论, 即弯曲关节在弯曲运动过程中平均半径保持不变, 由此可得角度ϕ处的橡胶管壁厚tϕ为

tϕ=tbLb/Lϕ (5)

为了便于计算, 取橡胶管中心线处的壁厚作为橡胶管的平均壁厚, 即

$t=t{}_{\text{ϕ}}|{}_{\text{ϕ}=\text{π}/2}=\frac{L{}_{\text{b}}}{L{}_{\text{b}}+\text{Δ}L}t{}_{\text{b}}$ (6)

橡胶管弹性力为

Fa=σ A (7)

橡胶管应力为

σ=E ε (8)

橡胶管应变为

ε=ΔL/Lb (9)

橡胶管截面面积为

$A=\text{π}(r{}_{\text{b}}+\frac{t}{2}){}^2-\text{π}(r{}_{\text{b}}-\frac{t}{2}){}^2=2\text{π}r{}_{\text{b}}\frac{L{}_{\text{b}}}{L{}_{\text{b}}+\text{Δ}L}t{}_{\text{b}}$ (10)

将式 (6) 、式 (8) ～式 (10) 代入式 (7) 可得

$F{}_{\text{a}}=2E\text{π}r{}_{\text{b}}\frac{\text{Δ}L}{L{}_{\text{b}}+\text{Δ}L}t{}_{\text{b}}$ (11)

假定关节O处的滚动摩擦阻力矩忽略不计, 以O点为转动中心可得力矩平衡方程。关节内腔压力p与大气压力patm产生的力矩应等于橡胶弹性力产生的力矩, 即

FaH- (p-patm) π r2bH=0 (12)

将式 (11) 代入式 (12) 可得

$p=\frac{2E{}_{\text{b}}t{}_{\text{b}}}{r{}_{\text{b}}}\frac{L{}_{\text{b}}\frac{\theta }{2}\cot \frac{\theta }{2}+{\rm H}\theta -L{}_{\text{b}}}{L{}_{\text{b}}\frac{\theta }{2}\cot \frac{\theta }{2}+{\rm H}\theta }+p{}_{\text{a}\text{t}\text{m}}$ (13)

2.2 输出力静态模型

在气压p的作用下弯曲关节产生角度大小为θ的弯曲, 此时在外约束的限制下关节连杆不再继续转动, 同时进一步增大FPA内腔的气压值到p+Δp (Δp为压力增加值) 。与典型的气动人工肌肉驱动器输出力形式不同, FPA的输出力F是推力, 该力对关节转轴中心的力矩Mout即为弯曲关节的输出力矩。考虑到橡胶管的壁厚变化对橡胶管内腔面积大小的影响甚小, 可以忽略不计, 为了便于计算, 在计算力/力矩时假定橡胶管的壁厚不变, 则有

F=π (rb-tb/2) 2Δp (14)

Mout=π (rb-tb/2) 2HΔp (15)

3 实验与分析

3.1 实验平台

前面在理论上讨论分析了基于FPA的弯曲关节的特性, 下面验证建立的数学模型。实验用的弯曲关节照片见图1b, 结构参数如下:rb=5.25mm, tb=2mm, Lb=32mm, patm= 0.1MPa, 经实验测定橡胶管的弹性模量Eb= 2.3MPa, 关节材料用铝材制作, 所以其转动惯量较小。

建立的弯曲关节特性实验平台如图3所示。其中电气比例阀ITV0050-3BS可以在调压范围内连续调节出口压力, 用于直接控制进入FPA内腔的压缩气体压力大小, 其附带的压力传感器可及时检测并反馈压力大小。用于测量弯曲关节转角的角位移传感器AS5045是一种无接触式磁旋转编码器, 它与弯曲关节不接触, 二者之间无阻尼作用, 可以忽略传感器对弯曲关节本身的影响, 测量的角度值通过单片机系统以CAN总线方式传输给工控机。力传感器NS-TH1用于测量弯曲关节自由端输出力值, 测量时先将弯曲关节的一端固定, 在一定的压力作用下, 自由端转过一定角度, 接着将自由端中心与力传感器的测力头垂直接触, 然后进一步增大FPA中的气压, 记录力传感器输出的电压值。

3.2 转角静态特性实验

为了消除FPA的橡胶管的黏滞性带来的影响, 每次加压之后停留5s然后再采集弯曲关节的转角数据。弯曲关节的压力转角曲线见图4。可以看出, 曲线的前半段实验曲线与理论曲线吻合较好;当压力上升到0.3MPa后, 实际转角比理论转角要大, 主要原因是:FPA拉伸之后, 由于内嵌的螺旋钢丝分布不够均匀, 橡胶管在轴线上表现为厚薄不一致。

3.3 转角开环阶跃响应

给弯曲关节系统输入0.49MPa的气压, 实际转角约为40°, 如图5所示。从图5可以看出, 开环控制情况下, 弯曲关节系统对于阶跃信号的响应没有超调和振荡, 这说明实验用的弯曲关节黏性阻尼系数较大, 实验系统是一个过阻尼系统, 响应平稳, 无超调和振荡, 但是响应速度慢, 约为1s左右。

3.4 转角闭环控制

由于弯曲关节的转角与驱动器内腔压力近似存在一定的比例关系, 因此, 在点到点位置控制中, 就可以在给定角度信号后加入一个前馈输入给驱动器, 使得关节在前馈压力作用下运动到期望位置附近, 然后再进行闭环控制, 这样可以提高系统的响应时间。根据控制理论可知, 比例控制可以调节系统的开环增益, 提高响应的快速性, 减小稳态误差, 但无法消除稳态误差;在控制算法中引入积分控制, 有利于消除稳态误差;微分控制对于噪声非常敏感, 微分作用常随偏差发生阶跃变化, 引起执行机构剧烈动作。因此, 综合上述考虑, 针对弯曲关节的闭环控制策略采用带前馈补偿的PI闭环控制, 其控制策略框图见图6, 图中Kc为前馈系数, KF为转角与压力值之间的比例系数。

给定期望转角40°, 对弯曲关节采用带前馈补偿的PI控制, KP=0.056, KI=0.14, 实验结果如图5所示。相对于开环响应, 带前馈的PI控制可以使弯曲关节无超调地达到期望的目标转角, 并且克服了静态模型的不准确性, 没有出现开环控制中的稳态误差, 但是增大了上升时间。

3.5 输出力静态特性实验

当弯曲关节转过15°后, 记录当时的压力值, 同时将关节的自由端与力传感器连接在一起, 然后继续增大FPA内腔的气压, 采集压力值和力值, 得到弯曲关节的压力增加值与输出力的曲线, 见图7。可以看出实际关节输出力在仿真曲线附近上下波动, 但吻合较好, 其原因是:电气比例阀对气压控制是一个连续的动态过程, 气压的波动造成FPA的自由端有冲击振动现象, 当压力增加值超过0.2MPa后, FPA中部外侧位置发生较明显的凸起扭曲变形, 由于采用了刚性转动结构, 对输出力值的影响并不明显。

3.6 输出力开环阶跃响应

给弯曲关节系统输入0.2MPa的气压增值, 输出力约为11N, 与理论值11.35N基本一致, 其动态响应过程如图8所示。与转角开环阶跃响应相比, 输出力开环阶跃响应速度快一些, 约为0.5s左右, 其原因是:转角响应慢主要是因为橡胶材料具有迟滞性;输出力响应时间是在关节运动受限时测量的, 其响应快慢基本上取决于气压的调节时间。

4 结论

(1) 基于气动柔性驱动器FPA提出了气动弯曲关节, 分别建立了关节的转角和输出力静态模型。

(2) 对该关节进行了实验研究, 转角静态特性实验曲线的前半部分与仿真曲线基本吻合, 实验曲线的后半部分与仿真曲线的误差较大。通过闭环控制可以实现较精确的转角控制。输出力静态特性实验曲线与仿真曲线吻合较好, 可以通过压力控制实现关节输出力/力矩的控制。

(3) 进行了弯曲关节的角位移开环阶跃响应实验, 实验结果表明关节转角的响应时间在1s左右, 关节输出力的响应时间在0.5s左右, 基本可以满足机器人多指灵巧手的设计与应用。

气动驱动装置 篇5

关键词：健身器,机械能,气动装置,压力能,储存

1 引言

随着人们对健康生活追求的意识不断增强, 体育锻炼活动已成为人们工作之余的必修项目, 而体育健身设施作为居民社区的必备用品已基本普及, 它正成为人们健身锻炼的首选。根据调查结果显示:城市社区约有超过48%的居民经常健身, 其中有70%以上的居民通过使用小区健身器进行健身, 因此社区健身器材的使用率是非常高的。

但由于种种原因, 目前社区安装的健身器材大都功能单一, 只能用于健身锻炼, 而没有其它附加功能。如若能将现有的健身装置作一些改进, 设计开发出一套能同时实现健身、发电功能的装置, 无疑意义巨大。笔者通过资料查阅, 结合自己的一些思考, 提出了一种能实现健身与发电双重功能的综合健身装置的设计方案, 与大家一起探讨。

2 装置的总体设计

目前用于居民小区的健身器材虽然其设计样式五花八门, 但其产生的运动方式均有相似之处, 不外乎作回转运动或摆动, 这样就给我们集聚人们在运动锻炼时产生的机械能提供了方便。本装置主要由能量转换及储存装置和发电及电能储存装置组成。具体原理见图1。

3 气动结构设计

实际使用过程中, 由于居民运动锻炼具体时间、运动时长、用力大小、人员多少都是随机的, 因此锻炼时所产生的动力输出也是不稳定的, 且其转速又较低, 故不能简单地将锻炼时产生的运动直接输入发电机来实现发电功能, 还必须设置一些中间构件来实现恒定的、持续性地向发电机提供动力。

本设计思路是把运动功能相同或相近 (尤其是规格、型号相同) 的若干健身器, 参照电路知识中的串、并联原理, 将若干台分散独立的、并且能提供同一运动方式的健身器, 通过集中安装及连接, 再通过增加传动轴、齿轮、超越式离合器等零部件对运动集中收集并输出;而对只能提供摆动运动的健身器, 通过安装齿轮齿条机构和棘轮机构, 将摆动运动转化为旋转运动, 然后再由输出轴集中输出。同一区域如有多种不同规格型号健身器材, 可视情况多增加几台压缩机来较好解决动力难以集中的问题。

输出轴输出的运动, 直接作为压缩机的原动力, 确保压缩机正常工作。具体气动结构设计原理图见图2。

1.空气压缩机2.冷却器3.分水排水阀4.单向阀5.储气罐6.溢流阀7.分水滤气器8.顺序阀9.减压阀10.油雾器11.气动马达

其工作原理为:压缩机产生出压缩空气, 通过气道向设置在较远处 (考虑到安全等其它因素) 的储气罐进行供气, 并将这些分散的、间歇性产生的气体收集起来。待到储气罐的空气压力达到某一设定值时, 回路中设置的顺序阀动作, 将输出气道打开, 并由压力阀将气道内输出的空气压力恒定在某一设定值, 源源不断地向气动马达供气, 气动马达再带动小型发电机实现连续发电, 所发电能通过蓄电池进行储存, 直至储气罐压力小到压力阀关闭设定值时, 储气罐输出气道自动关闭, 气动马达停止工作, 气动回路开始进入下一个工作循环。如若健身器上能保证经常有人运动, 则气动回路能源源不断地向储气罐连续供气, 实现气动马达连续工作较长时间, 所发出的电能也将越多。

4 结语

虽然从结构上看, 这套装置相对比较复杂, 但它能实现将单个分散的、间歇性的、不同运动方式的运动集中起来, 较好地解决由于单个健身器直接与发电机相连所带来的转速不高或难以连续转动、电压稳定性不好等弱点, 特别是对小区规模较大、同型号品种健身器台数较多的小区, 其实施可能性更大, 完全可以通过自发电的形式来解决小区某些楼道或公共区域的照明用电, 从而实现节能、环保的要求。

参考文献

[1]赵亮培, 等.机械设计基础[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2010.

[2]徐小东.液压与气动应用技术[M].北京:电子工业出版社, 2009.

[3]梁洪洁.液压与气压传动案例教程[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2010.

[4]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[5]张俊, 健身器储能装置传动机构的设计[D].南京:航空航天大学, 2009.

探讨气动装置在印刷机械中的运用 篇6

随着时代的不断发展, 传统的印刷机械已经不能满足印刷厂的需求, 而气动装置及电器元件的研究及利用妥善的解决了该问题。从当前印刷企业实际发展情况来看, 气动装置印刷机械应用问题尚不够成熟, 大部分工作操作人员并没有全面掌握该技术, 会影响印刷机械功效正常发挥。为了解决该问题, 下文将从当前启动装置在印刷机械中的应用实况入手, 阐述如何提升应用效率。

1 气动装置在印刷机械中的应用

从目前我国大部分印刷企业的实际情况来看, 都是通过印刷机、装订机以及各种版制机等。所有机械的功能都是为了将印版图文油墨通过技术转换的方式承载到印刷物的表面上, 最终实现印刷物的大批量印刷。目前我国使用的气动装置大多都是依赖进口的, 气动装置的基本任务就是保证印刷机械的印刷质量以及印刷效率, 在技术的层面上对其进行支撑。

2 气动装置在印刷机械中应用的关键问题

从近年来的应用情况来看, 气动装置的组成部分包含空压机、过滤减压阀、电磁阀以及气缸, 这四个组成部分共同构成了气动装置, 为其正常使用提供保障, 所以本文也将以这四大部分作为主要研究目标进行详细的分析。

2.1 空压机分析

从工作模式上来说, 空压机在机动装置当中起到的作用是压发生。以印刷机械为前提来分析, 空压机可以将系统内部供应处的机械能转换成气体压力。与传统的机械工作模式相比, 该种空压机的特点集中在可以在机械能转化过程当中完成发出气体质量净化工作, 提升工作质量。通常情况下, 印刷机械中使用的空压机以及企业参数都需要控制在6-8bar区域中。空压机排气量的指标参数明确之后, 便可以明确空压机在特定时间内的运转气量, 估算其最大值。在使用空压机时, 必须严格按照产品使用说明书当中的各项规定来明确放水操作流程及放水方式, 避免污水直接进入到气缸中, 给气缸的安全性带来隐患。

2.2 过滤减压阀

从目前过滤减压阀发展的实际情况来看, 主要是由过滤器和减压阀装置这两部分来构成过滤减压阀的。过滤减压阀是气动装置当中最重要的一个辅助装置, 可以在空压机相配合在过程当中给印刷机提供主要技术支撑, 下文也将主要从过滤器和减压阀装置双方面入手, 阐述其在印刷机械中的应用。

在装置构成零件中, 过滤器是其中最为关键的组成部分, 可以将压缩空气当中存在的冷凝水组织和固体颗粒当中组织较大的油质和杂质分离开。从目前气动装置在印刷机械中的实际应用情况来看, 在使用过滤器的时候必须要关注下述几方面的问题。首先, 如果需要在印刷机械当中使用过滤器, 必须要保证过滤器始终是垂直放置的, 不可以倒放。其次, 需要关注过滤器日常维护及日常管理问题, 工作人员也要随时的对过滤器当中存在的固体残渣、冷凝水等进行清洗, 保证过滤器中残留物质高度在挡水板水位高度之下, 提升过滤器使用时的过滤性能。在工作的过程中发现, 过滤器经常会出现漏气的情况, 严重时甚至会影响密封圈的质量。产生该问题的原因是因为过滤器安装不规范, 没有按照安装说明中的内容保证安装的科学性。在对过滤器进行安装时, 必须要按照两侧气流传递方向上的箭头标志来明确过滤器的安装方位。

2.3 减压阀装置

要提升气动装置的应用效率, 必须要先使用减压阀装置为气动装置提供气压调节。减压阀装置可以接受空压机输送出多气体, 对气体进行调整和加工, 保证输出气体气压满足印刷机械在参数方面的需求。和空压机的工作原理及工作要求基本相同, 减压阀装置当中的气体压力参数指标也要控制在6-8bar区间中, 才能保证正常工作效率。为了避免因为压力过大导致气缸出现损毁以及压力过小导致印刷工作效率低等问题, 如果气动装置在运行的过程中出现了减压阀装置漏气等问题, 工作人员必须要在第一时间寻找密封垫垫圈上存在的故障根源, 让印刷机械停止运行, 更换损坏的部件, 待检修完成以后再使其重新投入到工作中。

2.4 电磁阀

通常印刷机械气动装置当中电磁阀可以对气动装置的传气流方向以及气缸装置的运动方向进行控制。如果气缸装置当中活塞杆需要进行外向移动, 则电磁阀右位会和气路相互连接, 导致气缸从后方进气, 从前方出气, 使塞杆产生外移。如果气缸装置当中, 活塞杆需要进行内向移动, 则电磁阀装置左位会和整体气路相互连接, 使气缸进气和气缸出气位置出现偏差, 提升活塞杆内运动效率。在使用印刷机械的过程中发现, 气缸经常会出现动作失误或者是动作失灵等问题。从以往的工作经验来看, 判断故障成因时, 可以按照下述步骤进行判断;首先要暂停工作印刷机械, 之后将进气管装置卸下来, 再通过手动的方式控制电磁阀的运转, 最后观察装置的进气管中是气体是否正常生成。如果观察发现有气体生成, 则可表明故障的产生原因是因为气缸故障导致的, 再进行后续检测, 适量更换部件, 使其正常工作。

2.5 气缸

气缸起到的是执行作用, 是气动装置可心部分, 可以将压缩空气能力转化成机械能, 促使气缸运转。如果印刷机械气缸产生故障, 需要先对气缸压力参数进行实时监测, 如果气路当中依然存在气压, 则要对电磁阀装置进行后续测试, 测试方法与电磁阀故障检测方式一致。

3 结束语

随着时代的不断发展, 印刷厂也要不断转变传统工作模式, 提升工作质量。从气压装置的印刷机械中的应用以及2.气动装置在印刷机械中应用的关键问题两方面入手, 阐述了气压装置的应用问题, 提升印刷厂市场综合竞争力。

摘要：近年来, 社会经济发展速度较快, 印刷业的竞争也越来越激烈。各大印刷厂都在研究如何通过降低产品废弃率、提升印刷速度以及印刷质量等方式来提升企业的市场综合竞争力, 所以必须生产高性能、高精密性以及高稳定性的印刷机, 使其为印刷机制造厂服务。

关键词：印刷厂发展,气动装置,运用

参考文献

[1]史利花, 孙长立, 徐永新, 李俊波.气动装置在印刷机械上的应用[J].印刷杂志, 2011 (03) :61-62.

[2]全代伦.通用凸轮曲线设计在印刷机械中的应用[J].上海电气技术, 2011 (03) :59-62.

[3]侯评梅.自动化技术为印刷机械的变革插上腾飞的翅膀[J].自动化博览, 2013 (04) :36-38.

[4]孙玉秋.气动技术在印刷机械中的应用研究[J].液压与气动, 2014:59-61.

气动驱动装置 篇7

汽车零部件压印装置的工作示意图如图1所示, 其工作过程为:当踏下启动按钮后, 打印气缸伸出对汽车零部件进行压印加工, 从第二次开始, 每次压印都延时一段时间, 等操作者把工件放好后, 才对工件进行压印加工。这种装置在一汽各子公司应用普遍, 但是当踏下启动按钮后, 经常出现打印气缸不工作的情况, 为此本文对其气动系统原理及出现故障的原因进行了分析。

1 气动系统原理分析

汽车零部件压印装置的气动系统, 见图2。当踏下启动按钮后, 由于延时阀1.6已有输出, 所以, 双压阀1.8有压缩空气输出, 使主控阀1.1换向, 压缩空气经主控阀的左位再经单向节流阀1.02进入气缸的左腔, 使气缸1.0伸出。

2 故障原因分析

通过上述对汽车零部件压印装置的气动系统原理进行分析, 可知当踏下启动按钮后, 打印气缸不工作导致这种故障产生的元器件有可能为气缸1.0、单向节流阀1.02、主控阀1.1、压力控制阀0.3、双压阀1.8、延时阀1.6、行程阀1.4及启动按钮1.2。

据此, 可以绘制出当踏下启动按钮后, 导致打印气缸不工作这种故障的诊断逻辑推理框图, 如图3所示。

3 结语

通过本文对汽车零部件压印装置气动系统原理及故障发生的原因进行分析, 很好地解决了当踏下启动按钮后, 打印气缸不工作的问题, 从而提高了该装置的工作可靠性, 满足了汽车零部件加工高产高效的需要。

摘要：介绍了汽车零部件压印装置气动系统的工作原理及常见故障的原因分析。该装置能实现对汽车零部件进行压印加工。

关键词：压印装置,气动系统,故障分析

参考文献

[1]宋新萍.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社, 2012.

[2]崔学红, 孙余一.液压与气动系统及维护[M].北京:机械工业出版社, 2012.