CN103335801A - 一种基于多轴多自由度的高精度振动模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多轴多自由度的高精度振动模拟系统，所述系统包括：安装基座、并联多自由度运动平台和机械转接盘，其中：安装基座的底部与安装连接平台连接，侧面与并联多自由度平台连接，并联多自由度平台的动平台上固定有机械转接盘。本发明通过控制、组合并联多自由度平台沿不同坐标系统的平动、转动、通过改变幅值和频率，可以模拟出复杂的振动类型。本发明在提高系统性能的前提下，极大的简化了设计过程，提高了系统的定位精度，另外还缩短了工作周期，降低了各种成本及设计不满足要求后多次重复设计制造安装调试等不必要的开销。
Description
技术领域
本发明涉及运动模拟技术领域，尤其是一种基于多轴多自由度的高精密振动模拟系统。
背景技术
长悬臂结构系统刚度低，当受到外界(低频)扰动或自身搭载设备产生的一些低频振动时，容易诱发长悬臂系统的振动。当此类悬臂系统应用在对位置姿态精度要求很高的场所(um，urad量级)，由于振动影响，就无法满足精确的定位要求。单纯采用改变材料和结构设计的被动振动抑制方法无法满足悬臂系统对高精度位置姿态定位的要求时，就需要建立一振动模拟系统，以辅助对于采用主动控制方法对悬臂末端振动进行位姿补偿的方法进行研究。
振动模拟系统通常应用于环境模拟与仿真试验，在航空、航天、兵器、船舶、核工业等国防工业领域和汽车、建筑等民用工业部门得到广泛应用。
在传统的振动试验中，采用较多的是单轴模拟振动试验，即振动环境试验是以一次一个轴的方式依次进行，但是实际的振动环境往往是多轴振动环境，尤其是对于一些高精度高指标的模拟实验，如果仍然采用单轴振动模拟，即使通过多点平均控制等方式进行处理，也不能较真实地模拟反应产品的实际工作环境。
目前，针对大负载、长悬臂、多扰动、复杂环境(真空)条件下的高精密振动模拟系统存在设计过程复杂，检验测试难度大，产品设计针对专用使用环境和使用用途，不具有通用性，难以满足复杂条件下的高稳定、高精度的要求，同时，对于不同环境的模拟适应性也不是很好。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于多轴并联结构多自由度的高精度大负载振动模拟系统。
本发明可以实现多轴多自由度的振动模拟，模拟振幅可从数十mm(数十度)低至um级(rad级)，并且振动频率在一定范围内可调。并可根据需要同时进行不同自由度、不同幅值、不同振动频率的组合模拟，具有广泛的适应性。
本发明振动模拟系统采用的并联结构形式均具有极强的负载能力，可以提供更高的驱动能力。
本发明提出的一种基于多轴并联结构多自由度的高精度振动模拟系统包括：安装基座、并联多自由度运动平台和机械转接盘，其中：
所述安装基座是整个振动模拟系统的基础，所述安装基座包括安装底板3、两条直角三角形筋板2和安装面板1，其中，所述两条直角三角形筋板2的两个直角面通过螺栓分别与所述安装底板3的上表面和所述安装面板1的背面连接在一起，使得所述安装基座成为一个稳固的整体；
所述安装底板3和安装面板1上开设有连接外部器件的孔洞，
所述安装底板3的底面两侧开设有两排通孔，用于与安装连接平台连接，以对整个振动模拟系统进行固定；
所述安装面板1的正面铣有环形安装面，所述环形安装面上开设有多个螺纹孔，用于安装所述并联多自由度平台，其中，所述安装面板1环形安装面上的开孔位置与所述并联多自由度平台的静平台7的螺钉位置相对应；
所述并联多自由度运动平台用于沿着运动轴进行不同自由度的平动和旋转，其包括动平台4、多条伸缩杆5、多对铰链6和静平台7，其中，所述伸缩杆5的数量和铰链6的使用对数相同，每条伸缩杆5和与其连接的一对铰链6构成一套运动驱动装置，所述伸缩杆5与所述动平台4和所述静平台7均通过铰链6进行连接，通过多套伸缩杆5和铰链6组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台7和动平台4连接在一起；
所述机械转接盘为平面锥台结构，所述锥台中心开有细牙螺纹通孔，用于与外部器件进行螺纹连接；所述机械转接盘底部的圆盘表面均布多个沉头孔，用于将机械转接盘固定到所述并联多自由度平台的动平台4上；
所述机械转接盘和并联多自由度平台的动平台4上开有多个锥销孔，以通过锥销定位来保证所述并联多自由度平台和机械转接盘之间的位置关系不发生相对变化；
所述机械转接盘与所述并联多自由度平台连接的圆盘底面开设有一个较大的沉孔；所述机械转接盘底部的圆盘在其外圆周侧铣有多个平面，每个平面上在中线附近位置处均匀开有多个螺纹，用于安装连接其他检测器件；
所述振动模拟系统工作时，通过控制所述并联多自由度平台的运动，可模拟产生多方向上的平动和多方向上的旋转，所述并联多自由度平台还可以控制沿各坐标轴运动的幅值和频率；通过组合所述并联多自由度平台沿不同坐标系统的平动、转动、幅值和频率，可以模拟出复杂的振动类型
本发明在提高系统性能的前提下，极大的简化了设计过程，降低了材料特性的要求、提高了系统的定位精度，另外还缩短了工作周期，降低了各种成本及设计不满足要求后多次重复设计制造安装调试等不必要的开销。
附图说明
图1是本发明带有连接装置的基于多轴多自由度的高精度振动模拟系统总体结构图。
图2是根据本发明一实施例的安装基座的结构示意图。
图3是根据本发明一实施例的并联多自由度平台的结构示意图。
图4是根据本发明一实施例的机械转接盘的结构示意图。
图5是根据本发明一实施例的锁紧螺母的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明带有连接装置的基于多轴多自由度的高精度振动模拟系统总体结构图，如图1所示，所述振动模拟系统包括：安装基座、并联多自由度运动平台和机械转接盘，其中：
图2是根据本发明一实施例的安装基座的结构示意图，如图2所示，所述安装基座是整个振动模拟系统的基础，所述安装基座包括安装底板3、两条直角三角形筋板2和安装面板1，其中，所述两条直角三角形筋板2的两个直角面通过螺栓分别与所述安装底板3的上表面和所述安装面板1的背面连接在一起；通过上述安装面板1、两条直角三角形筋板筋板2和安装底板3两两连接，并保证相互之间的垂直度要求，使得安装基座成为一个稳固的整体。
所述安装底板3和安装面板1上除了开有用于和直角三角形筋板2连接的螺纹孔，还开设有连接外部器件的孔洞；所述安装底板3的底面两侧开设有孔间距50mm，直径6.5mm的两排通孔，用于与安装连接平台(比如固定平台或气浮平台)连接，以实现对于整个振动模拟系统的整体固定。
所述安装面板1的正面铣有环形安装面，所述环形安装面上开设有多个M6的螺纹孔，用于安装所述并联多自由度平台，其中，所述安装面板1环形安装面上的开孔位置与所述并联多自由度平台的静平台7的螺钉位置相对应。
所述并联多自由度运动平台用于沿着运动轴进行不同自由度的平动和旋转，在本发明一实施例中，所述并联多自由度运动平台为并联六自由度运动平台，图3是根据本发明一实施例的并联六自由度运动平台的结构示意图，如图3所示，所述并联六自由度运动平台包括动平台4、多条伸缩杆5、多对铰链(虎克铰)6和静平台7。其中，所述伸缩杆5的数量和铰链6的使用对数相同，每条伸缩杆5和与其连接的一对铰链6构成一套运动驱动装置，所述伸缩杆5与所述动平台4和所述静平台7均通过铰链6进行连接，通过多套(在本发明一实施例中为6套)伸缩杆5和铰链6组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台7和动平台4连接在一起，在保证静平台7固定的情况下，可以实现动平台4沿着X，Y，Z三个轴的精确平移和旋转，即所述并联六自由度平台具有沿着X，Y，Z三个坐标轴平动和沿着θX，θY，θZ坐标轴旋转的功能。
所述并联六自由度平台的尺寸、负载和行程较大，响应速度较低。
图4是根据本发明一实施例的机械转接盘的结构示意图，图4a为机械转接盘的主视图，图4b为机械转接盘的剖面图，如图4尤其是图4b所示，所述机械转接盘为一平面锥台结构，该锥台的倾角为5°，锥台的根部进行了圆角处理，以消除锥台的根部应力，改善锥台的受力情况。所述平面锥台结构的机械转接盘只是本发明的一个实施例，在实际应用中，可以根据需要采用不同结构的机械转接盘。
其中，如图4a所示，锥台中心开有M60×2的细牙螺纹通孔，用来与外部器件进行螺纹连接。当外部器件与机械转接盘连接时，采用细牙螺纹可以更为方便精确的调整外部器件与机械转接盘之间的相对角度。
机械转接盘底部的圆盘表面按照60°间隔均布直径
的沉头孔，用于将机械转接盘固定到所述并联多自由度平台的动平台4上。由于螺钉仅起到连接固定作用，无法保证受到振动时机械转接盘和并联多自由度平台的动平台4之间不发生相对运动，因此，在机械转接盘和并联多自由度平台的动平台4上以180°为间隔开有直径为的锥销孔，以通过锥销定位来保证并联多自由度平台和机械转接盘之间的位置关系不发生相对变化。
另外，机械转接盘与并联多自由度平台连接的圆盘底面还加工出一个较大的沉孔。这样处理的目的是：一方面在保证机械转接盘的刚度和强度的条件下，可以减轻连接件的质量；另一方面由于减少了接触面积，在加工时更容易保证安装底面的形位公差，保证机械转接盘与并联多自由度平台的动平台4的安装连接质量。
机械转接盘底部的圆盘在其外圆周侧按照90°间隔铣出四个平面，每个平面上在间隔中线25mm的位置处均匀开有4个M6的螺纹，用于安装连接其他检测器件。
所述振动模拟系统还包括作为连接装置的锁紧螺母，图5是根据本发明一实施例的锁紧螺母的结构示意图，图5a为锁紧螺母的主视图，图5b为锁紧螺母的剖视图，如图5所示，所述锁紧螺母用于将外部器件锁定在机械转接盘上，使得不会因振动扰动导致外部器件与机械转接盘之间的螺纹连接产生松动，从而保证外部器件与机械转接盘之间稳定的位置和姿态关系。
所述锁紧螺母为六边形结构，在六边形锁紧螺母的每个侧边上开设有矩形槽，采用此结构不仅可以减轻质量，还可以适用不同类型的工具对螺母进行旋转锁紧工作。
所述锁紧螺母的中心开有M60×2的细牙内螺纹，其与外部器件的螺纹尺寸相匹配，通过锁紧螺母与机械转接盘的摩擦锁紧，可实现将外部器件通过螺纹连接的方式紧密的锁定在机械转接盘上。
在安装所述振动模拟系统时：
首先，通过螺钉将安装基座的安装底板3与安装连接平台连接成为整体；
然后，通过螺钉将并联多自由度平台的静平台7与安装基座的安装面板1的外安装面连接起来；
通过螺钉将机械转接盘的圆盘底面与并联多自由度平台的动平台4预连接到一起，再通过圆锥销对机械转接盘与并联多自由度平台的动平台4进行销连接定位，最后紧固预连接的螺钉，至此，机械转接盘与并联多自由度平台的动平台4的相对位姿得到固定。
这样就构成了振动模拟系统。
所述振动模拟系统工作时，通过控制并联多自由度平台的运动，比如按照要求，规划和控制多个伸缩杆的伸缩运动，可模拟产生多方向上的平动，比如沿X方向、沿Y方向和沿Z方向的平动，以及多方向上的旋转，比如沿θX方向、沿θY方向和沿θZ方向的旋转。所述并联多自由度平台还可以控制沿各坐标轴运动的幅值和频率。通过组合并联多自由度平台沿不同坐标系统的平动、转动、幅值和频率，可以模拟出复杂的振动类型。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于多轴多自由度的高精度振动模拟系统，其特征在于，该系统包括：安装基座、并联多自由度运动平台和机械转接盘，其中：
所述安装基座是整个振动模拟系统的基础，所述安装基座包括安装底板(3)、两条直角三角形筋板(2)和安装面板(1)，其中，所述两条直角三角形筋板(2)的两个直角面通过螺栓分别与所述安装底板(3)的上表面和所述安装面板(1)的背面连接在一起，使得所述安装基座成为一个稳固的整体；
所述安装底板(3)和安装面板(1)上开设有连接外部器件的孔洞；
所述安装底板(3)的底面两侧开设有两排通孔，用于与安装连接平台连接，以对整个振动模拟系统进行固定；
所述安装面板(1)的正面铣有环形安装面，所述环形安装面上开设有多个螺纹孔，用于安装所述并联多自由度平台，其中，所述安装面板(1)环形安装面上的开孔位置与所述并联多自由度平台的静平台(7)的螺钉位置相对应；
所述并联多自由度运动平台用于沿着运动轴进行不同自由度的平动和旋转，其包括动平台(4)、多条伸缩杆(5)、多对铰链(6)和静平台(7)，其中，所述伸缩杆(5)的数量和铰链(6)的使用对数相同，每条伸缩杆(5)和与其连接的一对铰链(6)构成一套运动驱动装置，所述伸缩杆(5)与所述动平台(4)和所述静平台(7)均通过铰链(6)进行连接，通过多套伸缩杆(5)和铰链(6)组成的运动驱动装置的对称连接，将静平台(7)和动平台(4)连接在一起；
所述机械转接盘为平面锥台结构，所述锥台中心开有细牙螺纹通孔，用于与外部器件进行螺纹连接；所述机械转接盘底部的圆盘表面均布多个沉头孔，用于将机械转接盘固定到所述并联多自由度平台的动平台(4)上；
所述机械转接盘和并联多自由度平台的动平台(4)上开有多个锥销孔，以通过锥销定位来保证所述并联多自由度平台和机械转接盘之间的位置关系不发生相对变化；
所述机械转接盘与所述并联多自由度平台连接的圆盘底面开设有一个较大的沉孔；所述机械转接盘底部的圆盘在其外圆周侧铣有多个平面，每个平面上在中线附近位置处均匀开有多个螺纹，用于安装连接其他检测器件；
所述振动模拟系统工作时，通过控制所述并联多自由度平台的运动，可模拟产生多方向上的平动和多方向上的旋转，所述并联多自由度平台还可以控制沿各坐标轴运动的幅值和频率；通过组合所述并联多自由度平台沿不同坐标系统的平动、转动、幅值和频率，可以模拟出复杂的振动类型。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述与安装连接平台连接的两排通孔的孔间距为50mm，直径为6.5mm。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述并联多自由度运动平台为并联六自由度运动平台。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述并联六自由度平台具有沿着X，Y，Z三个坐标轴平动和沿着θX，θY，θZ坐标轴旋转的功能。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铰链为虎克铰。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锥台的倾角为5°。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锥台的根部进行了圆角处理，以消除锥台的根部应力，改善锥台的受力情况。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述振动模拟系统还包括作为连接装置的锁紧螺母，用于将外部器件锁定在机械转接盘上，使得不会因振动扰动导致外部器件与机械转接盘之间的螺纹连接产生松动，从而保证外部器件与机械转接盘之间稳定的位置和姿态关系。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锁紧螺母为六边形结构，所述锁紧螺母的每个侧边上开设有矩形槽；所述锁紧螺母的中心开有细牙内螺纹，其与外部器件的螺纹尺寸相匹配，通过锁紧螺母与机械转接盘的摩擦锁紧，可将外部器件通过螺纹连接的方式紧密的锁定在机械转接盘上。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，安装所述振动模拟系统时：
首先，通过螺钉将安装基座的安装底板(3)与安装连接平台连接成为整体；
然后，通过螺钉将并联多自由度平台的静平台(7)与安装基座的安装面板(1)的外安装面连接起来；
然后，通过螺钉将机械转接盘的圆盘底面与并联多自由度平台的动平台(4)预连接到一起，再通过圆锥销对机械转接盘与并联多自由度平台的动平台(4)进行销连接定位；
最后紧固预连接的螺钉，这样就对机械转接盘与并联多自由度平台的动平台(4)的相对位姿进行了固定，构成了所述振动模拟系统。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述伸缩杆(5)可根据不同的模拟要求，采用机械、液压或压电方式进行驱动。
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