CN102394024A - 快速平面运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速平面运动平台。本发明的下层平台包括第一下基板、第二下基板、两根下导轨、一个下主动滚动齿轮、第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮；上层平台包括第一上基板、第二上基板、两根上导轨、一个上主动滚动齿轮、一个上被动滚动齿轮；上层平台由下层平台中的主动滚动齿轮通过柔性螺纹传动线与被动滚动齿轮的相互作用驱动，载物平台由上层平台中的主动滚动齿轮通过柔性螺纹传动线与被动滚动齿轮的相互作用驱动，实现载物平台二维运动方向正交。本发明机械结构和传动结构的设计合理、结构轻巧、传动效率高、动作响应快、容易加工、制作费用低。

Description

快速平面运动平台

技术领域

本发明属于运动式调节平台技术领域，具体涉及一种快速平面运动平台。

背景技术

能够在平面内做自由运动的可控制平台具有广泛用途。模仿导弹直立发射控制底座的平面倒立摆平台，通过在平面内做自由的可控运动，能达到竖立并平衡倒立摆的目的。数控式显微镜的载物台，通过在平面内做自由可控运动，能找到被检查样本的合适位置。工厂厂房内天车，通过在平面内做可控自由运动，能将吊起的物品放到合适位置。模仿地震中最具破坏力的平面波的地震模拟装置，需要载物平台在平面内做快速可控运动，从而达到模拟地震波破坏效果的目的。 

其中，平面倒立摆、小型平面地震波模拟仪器等科学仪器是控制科学、空间技术、以及建筑和桥梁设计等重要科技领域教学与科研的常用设备。这些科学仪器对平面运动平台要求很高，必须满足高速动作能力、高定位精度、很强的可控性等多方面的要求。然而，目前这类仪器的设计缺陷较多，市场上没有满意的、具备高性价比的产品。

中国深圳市某高科技公司是世界上生产商品化四自由度平面倒立摆仪器的唯一厂家。该公司生产的平面倒立摆采用十字交叉重叠式双导轨设计，上面的导轨的中心允许在下导轨上滑行，倒立摆底座允许在上导轨上滑行，从而实现倒立摆底座的平面运动。从机械设计角度上讲，十字交叉重叠式双导轨在倒立摆底座运行到一端时形成悬臂梁结构，极容易造成上导轨对下导轨的偏载，导致上导轨和倒立摆底座上下浮动、晃动、导轨应力集中等不可避免的运动障碍。同时，传动机构用了大块的钢制齿轮、齿条机构，惯性很大，时滞也很大，驱动力也大。要克服这些困难，必须尽可能地缩小导轨和滑块的间隙、增加材质的硬度和制造精度，减少机构重量，也增加了产品的造价。此外，负责提供驱动力的电机、导线等也分别安装在可动导轨上和倒立摆底座上，并随它们联动，增加了系统的负荷与偏载程度。平台的上下浮动、晃动使得反馈的信号，如：角度和位置，和实际量有偏差。因此，设备的整体布置和设计非常不合理，需要较大的改进和提高。

目前，小型地震波模拟仪器通常只能模拟一维正弦运动波，能够模拟平面波的地震波模拟仪器通常是贵重的大型设备。所以，还缺乏一种能模拟复杂平面波、具备教学和实验功能的小型地震模拟仪。

从用户的角度考虑，他们不但需要高性能的平面运动平台，也需要容易在科研与教学实验室实现的价格低廉的平面运动平台。显然，市场上并不存在符合这些单位和个人需求的高性价比平面运动调节平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种造价低、结构简单、具备高速动作能力、传动效率高、可控性强、定位精度高的高性价比平面运动可控平台，并将其应用于地震模拟仪和四自由度空间摆机构中。

本发明解决技术问题所采取的技术方案：

快速平面运动平台，包括下基板、下导轨、下被动滚动齿轮、下主动滚动齿轮、下伺服驱动电机、上基板、上导轨、上主动滚动齿轮、上被动滚动齿轮、上伺服驱动电机和载物平台。

快速平面运动平台共有两层，下层平台包括第一下基板、第二下基板、两根下导轨、一个下主动滚动齿轮、第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮；扁平状的下基板呈凹型，两块下基板正对设置，第一下基板的一侧边通过一根下导轨与第二下基板的对应侧边连接，第一下基板的另一侧边通过另一根下导轨与第二下基板的对应侧边连接；下主动滚动齿轮安装在第一下基板的角部，第一下基板的另一个角部安装有第二下被动滚动齿轮，第一下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮分别安装在第二下基板的两个角部，其中第一下被动滚动齿轮与主动滚动齿轮位置相对；柔性螺纹状传动线依次绕过下主动滚动齿轮、第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮后回到下主动滚动齿轮，下主动滚动齿轮通过柔性螺纹状传动线带动第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮转动，所述的下主动滚动齿轮由带有编码器的下伺服驱动电机驱动。

上层平台包括第一上基板、第二上基板、两根上导轨、一个上主动滚动齿轮、一个上被动滚动齿轮；扁平状的上基板呈凹型，两块上基板正对设置，第一上基板的一侧边通过一根上导轨与第二上基板的对应侧边连接，第一上基板的另一侧边通过另一根上导轨与第二上基板的对应侧边连接；上主动滚动齿轮安装在第一上基板中部，上被动滚动齿轮安装在第二上基板的中部，其中上主动滚动齿轮与上被动滚动齿轮位置相对；柔性螺纹状传动线依次绕过上主动滚动齿轮和上被动滚动齿轮后回到上主动滚动齿轮，上主动滚动齿轮通过柔性螺纹状传动线带动上被动滚动齿轮转动，所述的上主动滚动齿轮由带有编码器的上伺服驱动电机驱动。

所述的第一上基板和第二上基板分别通过滑块与两根下导轨滑动配合，形成线性滑动摩擦副，上层平台与第二下被动滚动齿轮、第三下被动滚动齿轮之间的柔性螺纹状传动线固定，柔性螺纹状传动线的运动带动上层平台移动。

所述的载物平台分别通过滑块与两根上导轨滑动配合，形成线性滑动摩擦副，载物平台与上主动滚动齿轮、上被动滚动齿轮之间的任一一段柔性螺纹状传动线固定，柔性螺纹状传动线的运动带动载物平台移动。

所述的载物平台运动方向与上层平台运动方向正交。

本发明的机械设计方案采用了先分体设计然后装配成整体的方式，分体设计使每个机械零件的设计和制作非常简单，降低了造价。载物平台的平面运动被分解为两个正交的线性滑动摩擦副，每个线性滑动摩擦副由分布于机构两端的线性导轨和滑块组成，不会因为部件运动在导轨上产生十字交叉导轨设计中类似悬臂梁结构的偏载和应力集中等现象；其中，一个线性滑动摩擦副与另外一个产生联动，使载物平台能够做平面运动。  

传动机构包括主、被动滚动齿轮、螺纹状传动线、带编码器的伺服驱动电机。驱动电机通过电机法兰安装在机械结构基板的下方。驱动电机输出轴贯穿所在基板，与主动传动轮耦合，驱动轮的转动，并带动与轮相啮合的柔性螺纹状传动线，通过布置机械结构其他地方的从动齿轮的辅助作用，进一步带动固定在螺纹状传动线末端的基板或载物台，实现对载物平台的驱动。由于在电机驱动下的齿轮和传动线啮合副移动会带动基板或载物台在两个正交的方向上移动，所以，该传动机构实现了载物平台平面运动的控制目标。传动线采用了具有螺纹的柔性结构，能够与齿轮的多个齿同时啮合，避免了啮合副之间的相对滑动，保证了传动的精度、准确度、和力量。

嵌入在两个电机输出轴上的编码器可以分别检测到各自电机输出轴的角位移和角速度，这些变量与基板和载物平台平面运动的线位移和线速度成正比关系，通过比例变换就能够计算出运动基板和载物平台在平面内的线位移和线速度。所以，编码器测量的变量间接地代表了载物平台平面运动的线位移和线速度，可以作为运动平台控制系统的反馈信号，帮助实现闭环反馈控制，提高了平台运动控制的精确度。

本发明的有益效果：（1）机械结构和传动结构的设计合理、结构轻巧、容易加工、制作费用低；（2）滑动摩擦副具有双导轨结构，能够在运动部件的两侧均匀承载，不存在类似悬臂梁结构的严重偏载和应力集中等问题；（3）机械结构和传动结构的装配和拆卸非常方便；（4）传动机构的主要传动副，既螺纹状传动线与滚动齿轮传动副，没有传送带和滑轮传动方式的相对滑动的可能性、准确度高，比金属链条传动更加柔顺、更具运动连续性，比齿轮齿条结构轻便；（5）可以作为微型地震模拟仪器，用来验证概念性建筑模型的抗震性；（6）很容易地被改装为四自由度平面倒立摆的机械框架和机械传动部分，轻便的结构满足了倒立摆的高性能要求，比目前研究机构和公司设计的平面倒立摆更具备可控性，不存在较大的时滞现象和较大的惯性单元。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的反馈控制系统的框图；

图3为本发明应用于检测建筑物结构微缩模型的抗震性实验图；

图4为利用本发明实现四自由度平面倒立摆测试平台示意图；

图5为图4中测试平台控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，快速平面运动平台，包括下基板1、下导轨3、下被动滚动齿轮7、下主动滚动齿轮8、下伺服驱动电机9、上基板5、上导轨4、上主动滚动齿轮12、上被动滚动齿轮6、上伺服驱动电机13和载物平台2。

快速平面运动平台共有两层，下层平台包括第一下基板、第二下基板、两根下导轨、一个下主动滚动齿轮、第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮；扁平状的下基板呈凹型，两块下基板正对设置，第一下基板的一侧边通过一根下导轨与第二下基板的对应侧边铆接装配，第一下基板的另一侧边通过另一根下导轨与第二下基板的对应侧边铆接装配；下主动滚动齿轮安装在第一下基板的角部，第一下基板的另一个角部安装有第二下被动滚动齿轮，第一下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮分别安装在第二下基板的两个角部，其中第一下被动滚动齿轮与主动滚动齿轮位置相对；下柔性螺纹状传动线10依次绕过下主动滚动齿轮、第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮后回到下主动滚动齿轮，下主动滚动齿轮通过下柔性螺纹状传动线带动第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮转动，所述的下主动滚动齿轮由带有编码器的下伺服驱动电机驱动。

上层平台包括第一上基板、第二上基板、两根上导轨、一个上主动滚动齿轮、一个上被动滚动齿轮；扁平状的上基板呈凹型，两块上基板正对设置，第一上基板的一侧边通过一根上导轨与第二上基板的对应侧边铆接装配，第一上基板的另一侧边通过另一根上导轨与第二上基板的对应侧边铆接装配；上主动滚动齿轮安装在第一上基板中部，上被动滚动齿轮安装在第二上基板的中部，其中上主动滚动齿轮与上被动滚动齿轮位置相对；上柔性螺纹状传动线11依次绕过上主动滚动齿轮和上被动滚动齿轮后回到上主动滚动齿轮，上主动滚动齿轮通过上柔性螺纹状传动线带动上被动滚动齿轮转动，所述的上主动滚动齿轮由带有编码器的上伺服驱动电机驱动。 

第一上基板和第二上基板分别通过滑块与两根下导轨滑动配合，形成线性滑动摩擦副，上层平台与第二下被动滚动齿轮、第三下被动滚动齿轮之间的柔性螺纹状传动线固定，柔性螺纹状传动线的运动带动上层平台移动。

伺服驱动电机9、13的转动通过上述传动链，带动了载物平台在两个正交方向上的运动，从而实现了载物平台的平面运动的可控性。嵌入在两个电机输出轴上的编码器可以分别检测到各自电机输出轴的角位移和角位移速度，既主动滚动齿轮8和12的角位移和角速度，它们乘以齿轮半径就可以按比例分别计算出上基板和载物平台的线位移和线速度。所以，编码器的检测信号反馈了载物平台平面运动的线位移和线速度，从而帮助平台运动控制实现闭环反馈控制环节。

载物平台分别通过滑块与两根上导轨滑动配合，形成线性滑动摩擦副，载物平台与上主动滚动齿轮、上被动滚动齿轮之间的任一一段柔性螺纹状传动线固定，柔性螺纹状传动线的运动带动载物平台移动。

载物平台运动方向与上层平台运动方向正交。载物平台能够在导轨允许范围内的平面进行自由滑动。

基于机械设计、传动机构设计和反馈测量信号，结合控制器设计技术就能够实现载物平台的反馈控制系统。如图2所示，说明了该发明的工作流程：嵌在电机轴上的光电编码器在驱动电机轴转动扭矩带动下产生了携带电机轴角位移和角速度的电信号；控制器接收到编码器输出的电信号后，按电机角位移和载物台平动的比例关系，计算得出当前载物平台的线性位移和线速度的反馈信号；针对某控制目标，控制器结合当前载物平台的线性位移和线速度的反馈信号实现给定的控制算法，得出控制电机的电流信号；电机在控制电流信号的调节下，输出相应的扭矩，通过传动机构使载物平台得到联动，获到可控载物平台的理想位置和速度。

图3是该可控运动平台应用于检测建筑物结构微缩模型的抗震性实验。建筑微缩模型14放在快速平面运动平台。快速平面运动平台的驱动电机9和13在给定震动波形下，驱动载物平台2按地震的不规则平面震动规律而运动，从而测试了建筑物结构微缩模型14的抗震性。

图4是将可控运动平台被改装为四自由度平面倒立摆测试平台，其中，编码器组15、倒立摆16。倒立摆16的结构为一个细杆连接两端的小球：上部较重小球是产生惯性力的部分，下部较轻小球与编码器组15紧密配合，该小球的转动能带动编码器的转动。因此，编码器组15可以测量倒立摆16的两个正交方向上的倾斜角度和角速度。当倒立摆16倾斜时，可控运动平台的电机9和13按一定规律转动，带动载物平台2平动，就可以保持倒立摆16竖起，完成倒立摆的稳定或跟踪控制。其控制框图可以总结为图5。该系统一共有四个自由度，两个自由度来自摆的转角，另外两个自由度来自平台的平动。

Claims (1)

1.快速平面运动平台，包括下基板、下导轨、下被动滚动齿轮、下主动滚动齿轮、下伺服驱动电机、上基板、上导轨、上主动滚动齿轮、上被动滚动齿轮、上伺服驱动电机和载物平台，其特征在于：

快速平面运动平台共有两层，下层平台包括第一下基板、第二下基板、两根下导轨、一个下主动滚动齿轮、第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮；扁平状的下基板呈凹型，两块下基板正对设置，第一下基板的一侧边通过一根下导轨与第二下基板的对应侧边连接，第一下基板的另一侧边通过另一根下导轨与第二下基板的对应侧边连接；下主动滚动齿轮安装在第一下基板的角部，第一下基板的另一个角部安装有第二下被动滚动齿轮，第一下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮分别安装在第二下基板的两个角部，其中第一下被动滚动齿轮与主动滚动齿轮位置相对；柔性螺纹状传动线依次绕过下主动滚动齿轮、第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮后回到下主动滚动齿轮，下主动滚动齿轮通过柔性螺纹状传动线带动第一下被动滚动齿轮、第二下被动滚动齿轮和第三下被动滚动齿轮转动，所述的下主动滚动齿轮由带有编码器的下伺服驱动电机驱动；

上层平台包括第一上基板、第二上基板、两根上导轨、一个上主动滚动齿轮、一个上被动滚动齿轮；扁平状的上基板呈凹型，两块上基板正对设置，第一上基板的一侧边通过一根上导轨与第二上基板的对应侧边连接，第一上基板的另一侧边通过另一根上导轨与第二上基板的对应侧边连接；上主动滚动齿轮安装在第一上基板中部，上被动滚动齿轮安装在第二上基板的中部，其中上主动滚动齿轮与上被动滚动齿轮位置相对；柔性螺纹状传动线依次绕过上主动滚动齿轮和上被动滚动齿轮后回到上主动滚动齿轮，上主动滚动齿轮通过柔性螺纹状传动线带动上被动滚动齿轮转动，所述的上主动滚动齿轮由带有编码器的上伺服驱动电机驱动；

所述的第一上基板和第二上基板分别通过滑块与两根下导轨滑动配合，形成线性滑动摩擦副，上层平台与第二下被动滚动齿轮、第三下被动滚动齿轮之间的柔性螺纹状传动线固定，柔性螺纹状传动线的运动带动上层平台移动；

所述的载物平台分别通过滑块与两根上导轨滑动配合，形成线性滑动摩擦副，载物平台与上主动滚动齿轮、上被动滚动齿轮之间的任一一段柔性螺纹状传动线固定，柔性螺纹状传动线的运动带动载物平台移动；

所述的载物平台运动方向与上层平台运动方向正交。

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