CN102252813A - 具有机械容错功能的大型重载振动模拟器 - Google Patents

Abstract

一种机械自动化技术领域的具有容错功能的大型重载振动模拟器，包括：振动模拟平台、六条运动支链、机械协调机构、机械协调冗余驱动单元以及三十二个冗余驱动电机，其中：振动模拟平台的三个不同的正交侧面上分别布置有三个、两个和一个运动支链，每个具有机械协调机构的运动支链的末端分别设有两个或四个机械协调冗余驱动单元，所述的运动支链为I型运动支链或II型运动支链。本发明与现有技术相比增强了承载力和驱动力，制造和设置容易，当地位对等的冗余驱动源之间不同步或发生故障时，系统可以继续工作，避免了驱动源因载荷相反且超出额定载荷而导致系统部件损坏或振动模拟平台倾覆等灾难性事故，使得设备的安全性和可靠性得到保证。

Description

具有机械容错功能的大型重载振动模拟器

技术领域

本发明涉及的是一种机械自动化技术领域的装置，具体是一种具有容错功能的大型重载振动模拟器。

背景技术

大型重载多自由度振动模拟器是研究振动破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗振能力和衡量减振、隔振效果的重要仪器设备，应用于核电、海洋结构工程、水工结构、桥梁工程等重要领域。为保证此类设备的大承载能力、低惯性、高加速度高以及较好的刚度等特性，目前并联机构被广泛采用(N.Ogawa，K.Ohtani，T.Katayama and H.Shibata.Construction of athree-dimensional，large-scale shaking table and development of core technology.PhilosophicalTransactions：Mathematical，Physical and Engineering Sciences.2001，359(1786)：1725-1751.)。为了保证使用寿命并可获得强大的驱动力，驱动源被限制在液压驱动上，多采用大型伺服油缸驱动，并配备大型蓄能装置，导致设备庞大，制造、维护费用高，液压油易泄漏造成控制精度降低、环境污染，内部摩擦力大导致传动效率降低、浪费能源，液压油对温度和尘土敏感使之不能在高温、低温或灰尘多的工作环境下工作。以伺服电机为驱动源的电气机械系统驱动虽无上述液压驱动的缺点，但目前没有符合其动力要求的合适伺服电机，且大功率伺服电机的研发费用高并存在技术瓶颈。

经过对现有技术的检索发现，《一种局部并联冗余驱动机械手》(T.Kokkinis，P.Millies.AParallel Robot-Arm Regional Structures with Actuational Redundancy.Mechanism andMachine Theory.1991，6(26)：629-641)；以及文献《动力冗余并联操作器的运动性能》(Kokkinis，T，Millies，P.Kinetostatic Performance of a Dynamically Redundant Parallel Robot.International Journal of Robotics&Automation.1992，7(1)：30-37))等文献，从理论上提出了一些冗余驱动的方法并进行了一定的性能指标分析，为实现多电机冗余输入替代液压驱动提供了可能。用多个较小电机作为驱动源，提供较大的驱动力和输出功率，不但可以克服上述液压驱动的缺点，而且相对于同功率大电机驱动也能够降低成本.多个小电机作为驱动源还可以弥补由于大电机的大惯性所导致的响应较慢的不足。

但上述技术中所提及的冗余驱动多为局部的驱动冗余且仅仅停留于理论推导，也并未考虑实际的机构形式和结构组成。特别是对于具有大型重载振动模拟器特点的电气机械冗余驱动系统的机构构型、结构形式以及实现技术并未涉及。

现有技术的另一不足是并未从机构上解决大型重载振动模拟器冗余支链过约束所引起的问题，系统也不具备协调冗余驱动单元间受力不均匀的容错模块。无论是液压的冗余驱动还是电机的冗余驱动，都存在冗余驱动引起的过约束问题。过约束对系统的变形和制造、设置及控制误差敏感，其存在对系统的影响主要表现在以下几个方面：1)导致构件及运动副元素在运转过程中的强制变形，使运动副中的作用力急剧增大，机械效率降低；还使运动副的磨损加快，降低机械工作的可靠性、精度和使用寿命。2)要求各部件具有较高的制造精度、装配精度和结构刚度，提高了制造、设置拆卸的难度和成本。3)对控制精度要求较高，不允许地位对等的约束任何一方出现运行故障，也不允许出现较大的控制误差，提高了控制系统的成本和难度。一般的电气机械驱动单元刚度较大，当存在系统误差或控制误差时，各冗余驱动单元间的受力不均衡，为避免该缺陷，现有技术需使用力反馈控制，而在重载、高速场合必须使用动力特性好、承载能力强的力传感器，且控制算法复杂并引入新的非线性化因素，导致控制难度和制造成本大幅度提高，控制的稳定性和鲁棒性下降。液压冗余驱动虽因液压油的非绝对不可压缩性和低刚性而对过约束表现出一定的容忍性，但一旦出现大的误差和地位对等的驱动源中有一个或几个出现故障，也必然造成各冗余驱动单元间的受力不均衡，以致影响部件寿命，甚至损坏部件造成模拟平台倾覆等灾难性事故。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有机械容错功能的大型重载振动模拟器。此具有无过约束及机械容错功能的运动模拟器，具有承载力大、动态响应快、容错性能好、无过约束、制造成本低、无污染等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：振动模拟平台、六条具有机械协调机构的运动支链以及若干个机械协调冗余驱动单元，其中：振动模拟平台的三个相邻的正交侧面上依次设有三个、两个和一个运动支链，六条具有机械协调机构的运动支链的末端分别设有两个或四个机械协调冗余驱动单元。

所述的运动支链为I型运动支链或II型运动支链，其中：

I型运动支链包括：I型机械协调机构和机架，其中：I型机械协调机构的两端分别与振动模拟平台和固定设置于机架上的四个机械协调冗余驱动单元相连接，机架固定设置于地面；

II型运动支链包括：II型机械协调机构和机架，其中：II型机械协调机构的两端分别与振动模拟平台和固定设置于机架上的两个机械协调冗余驱动单元相连接，机架固定设置于地面。

所述的机械协调冗余驱动单元包括：机械协调齿轮、双螺母滑块和导轨、两组丝杠和两台电机，其中：机械协调齿轮分别与双螺母滑块固定连接，导轨设置于机架上，滑块活动设置于导轨上，两组丝杠与双螺母滑块配合组成双丝杠螺母副，两台电机分别与丝杠配合并固定于机架上并提供冗余驱动力。

所述的I型机械协调机构包括：与振动模拟平台连接的第一铰链以及依次串联的四铰连板、第二铰组、第一杆件组和第三铰组。

所述的II型机械协调机构包括：与振动模拟平台连接的第一铰链以及依次串联的二铰连板、第四铰组第二杆件组和第五铰组。

本发明通过以下二级机械协调方式去除冗余所引起的过约束影响：

第一级：无论是I型运动支链还是II型运动支链的滑台上，均装有机械协调冗余驱动单元。其工作方式是当两冗余电机中的任何一个发生故障而停机时，滑台仍能输出，系统仍能工作，避免了因其中一个电机损坏而导致整个系统停止工作或进一步损坏系统的事故发生。而当两电机均正常工作时，机械协调冗余驱动单元也可以协调冗余电机之间的位置不同步或力不均衡。第一级冗余容错协调为驱动级协调。

第二级：对于I型运动支链，I型机械协调机构具有第二级机械协调功能，即当四个机械协调冗余驱动单元相互之间由于机械误差等原因导致彼此不同步或出力不均匀时，此机构总能进行协调，甚至当其中任何一个机械协调冗余驱动单元的双电机同时坏掉时，此机构也能在一定范围内工作，具有容错功能；对于II型运动支链，II型机械协调机构也具有第二级机械协调功能，即当两个机械协调冗余驱动单元相互之间由于机械误差等原因导致彼此不同步或出力不均匀时，此机构总能进行协调，甚至当其中任何一个机械协调冗余驱动单元的双电机同时坏掉时，此机构也能在一定范围内工作，具有容错功能。第二级冗余容错协调为支链的传动级容错。

本发明解决了大型运动模拟器使用传统液压设备导致的结构复杂，制造和维护费用高，传动效率低，受温度和环境制约，液压系统易泄漏、造成环境污染和控制精度低等缺点；由于本发明设计在机构构型上的合理布局和巧妙构思，使其具有多达32个电机的输入，增强了设备的承载力和驱动能力，此构型布局也从份考虑了竖直方向承载力大和水平两向驱动能力应相当的特点；由于本发明设计在每个支链上均采用I型机械协调机构或II型机械协调机构，以及每个机械协调冗余驱动单元上均采用机械协调装置，解决了过约束对系统造成的影响，对设备制造、设置及控制精度无苛刻要求，使设备制造和设置容易，控制系统中也无须价格昂贵的力传感器，进一步降低了成本；由于本发明设计所述的传动支链上的机械协调机构和驱动单元的机械协调装置均具有容忍故障特性，使得当地位对等的冗余驱动源之间不同步或发生故障时，系统可以继续工作，避免了驱动源因载荷相反且超出额定载荷而导致系统部件损坏或振动模拟平台倾覆等灾难性事故，使得设备的安全性和可靠性得到保证。

附图说明

图1为本发明系统结构原理示意图。

图2为本发明机构中I型运动支链示意图。

图3为本发明机构中的机械协调冗余驱动单元。

图4为本发明机构中II型运动支链示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：运动支链1-6，振动模拟平台7、机架8，其中：振动模拟平台1的三个不同的正交侧面上分别布置有三个、两个和一个运动支链，其中：第一运动支链1和第六运动支链6为I型运动支链，第二至第五运动支链2-5为II型运动支链。

如图2所示，所述的I型运动支链包括：I型机械协调机构和机架8，其中：I型机械协调机构的两端分别与振动模拟平台7和固定设置于机架8上的四个机械协调冗余驱动单元相连接，机架8固定设置于地面。

所述的I型机械协调机构包括：与振动模拟平台连接的第一铰链9、与第一铰链9另一端连接的四铰连板10、与四铰连板10连接的第二铰组11-14(共四个铰链)、与第二铰组11-14另一端连接的杆件组15-18(共四个连杆)、与杆件组15-18另一端连接的第三铰组19-22(共四个铰链)。

如图3所示，所述的机械协调冗余驱动单元包括：机械协调齿轮23和24、双螺母滑块25、导轨26、两组丝杠27和28、两台电机29和30，其中：机械协调齿轮23和24互相啮合且均与双螺母滑块25固定连接，导轨26设置于机架8上，双螺母滑块25活动设置于导轨26上，两组丝杠27和28分别与双螺母滑块25配合组成双丝杠螺母副，用于提供冗余驱动力的电机29和30分别与丝杠27和28配合并固定于机架8上。

如图4所示，所述II型运动支链包括：机械协调冗余驱动单元、II型机械协调机构和机架8，其中：II型机械协调机构的两端分别与振动模拟平台7和固定设置于机架8上的两个机械协调冗余驱动单元相连接，机架8固定设置于地面。

所述II型机械协调机构包括：与振动模拟平台连接的第一铰链31、与第一铰链31另一端连接的二铰连板32、与二铰连板32另一端连接的第二铰组33-34(共两个铰链)、与第四铰组33-34另一端连接的杆件组35-36(共两个连杆)、与杆件组35-36另一端连接的第五铰组37-38(共两个铰链)。

机械协调冗余驱动单元均为双电机驱动，双螺母滑台25与丝杠27和28组成双螺母双丝杠副，机械协调齿轮23和24设置于滑台25的前端或后端。当由于某种误差使双丝杠27和28转动不同步时，机械协调齿轮23和24可以自动进行协调，使两螺母输出速度相同即滑台25两端不偏转，以消除不同步引起的反向载荷，提高丝杠和电机的寿命和传动效率；当由于某种原因冗余驱动中的某一驱动电机发生故障而不能工作时，未发生故障电机仍可以通过机械协调齿轮23和24的作用驱动滑台25工作，只是驱动能力降低，但不至于因反向载荷存在而导致系统发生故障。

I型或II型机械协调机构均由机械协调冗余驱动单元驱动，第三铰组19-22(共四个铰链)和第五铰组37-38(共两个铰链)上的铰链分别和机械协调冗余驱动单元的双螺母滑台25铰接。当由于误差或故障使同等地位的机械协调冗余驱动单元不同步时，机械协调机构可以自动进行协调，甚至当由于某种原因某一机械协调冗余驱动单元发生故障而不能工作时，未发生故障机械协调冗余驱动单元仍可以通过机械协调机构的作用，系统仍可以继续工作，只是驱动能力降低，但不至于因反向载荷存在而导致系统发生故障。

动力源以多伺服电机取代液压泵站和液压缸，解决了设备庞大，制造、维护费用高，液压油易泄漏造成控制精度降低、环境污染，内部摩擦力大导致效率降低、浪费能源，受工作环境温度和清洁度影响等缺点。

本实施例中电机可以通过连轴器与丝杠直接相连，也可以在电机与丝杠之间加入齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他公知的传动装置代替。

Claims (5)

1.一种具有容错功能的大型重载振动模拟器，其特征在于，包括：振动模拟平台、六条具有机械协调机构的运动支链以及若干个机械协调冗余驱动单元，其中：振动模拟平台的三个相邻的正交侧面上依次设有三个、两个和一个运动支链，六条具有机械协调机构的运动支链的末端分别设有两个或四个机械协调冗余驱动单元。

2.根据权利要求1所述的具有容错功能的大型重载振动模拟器，其特征是，所述的运动支链为I型运动支链或II型运动支链，其中：

I型运动支链包括：I型机械协调机构和机架，其中：I型机械协调机构的两端分别与振动模拟平台和固定设置于机架上的四个机械协调冗余驱动单元相连接，机架固定设置于地面；

II型运动支链包括：II型机械协调机构和机架，其中：II型机械协调机构的两端分别与振动模拟平台和固定设置于机架上的两个机械协调冗余驱动单元相连接，机架固定设置于地面。

3.根据权利要求1或2所述的具有容错功能的大型重载振动模拟器，其特征是，所述的机械协调冗余驱动单元包括：机械协调齿轮、双螺母滑块和导轨、两组丝杠和两台电机，其中：机械协调齿轮分别与双螺母滑块固定连接，导轨设置于机架上，滑块活动设置于导轨上，两组丝杠与双螺母滑块配合组成双丝杠螺母副，两台电机分别与丝杠配合并固定于机架上并提供冗余驱动力。

4.根据权利要求2所述的具有容错功能的大型重载振动模拟器，其特征是，所述的I型机械协调机构包括：与振动模拟平台连接的第一铰链以及依次串联的四铰连板、第二铰组、第一杆件组和第三铰组。

5.根据权利要求2所述的具有容错功能的大型重载振动模拟器，其特征是，所述的II型机械协调机构包括：与振动模拟平台连接的第一铰链以及依次串联的二铰连板、第四铰组第二杆件组和第五铰组。

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