CN103807353B - 无角位移隔振装置及其支链 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无角位移隔振装置及其支链，支链包括轴线相互垂直的第一转动副、第二转动副和轴线相互垂直的第三转动副、第四转动副，第一转动副与动平台相连，第四转动副与定平台相连，第二、第三转动副的轴线相互平行，第一、第四转动副的轴线相互平行，各支链还包括轴线与第二转动副相平行的第五转动副和第六转动副，第二转动副、第六转动副、第三转动副和第五转动副之间顺次通过第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆连接，第二转动副的轴线与第六转动副的轴线所在平面和第三转动副的轴线与第五转动副的轴线所在平面平行。本发明提供了一种能够将角位移转化为线位移的无角位移隔振装置和该无角位移隔振装置中使用的支链。

Description

无角位移隔振装置及其支链

技术领域

本发明涉及隔振领域中的无角位移隔振装置及其支链。

背景技术

随着航空技术的发展，对光电成像系统的分辨率要求越来越高，在许多高分辨率的航空光电成像系统中，尽管使用了高质量的传感器，但获得的像质并不理想，限制高分辨率成像的主要因素往往不是因电学或光学系统引起的，这种图像模糊退化主要是航空振动引起的。光电平台是安装在航空飞行器或车辆上的用于光电设备稳瞄、侦察及搜索营救等用途的装置，光电平台以航空飞行器或车辆为载体，航空飞行器或车辆通常都处于高频振动、姿态变化、风阻力矩以及起降冲击等一系列复杂的、随机的振动环境中，飞行器或车辆的振动会通过光电平台传到光学系统，影响光学系统的成像质量。相对于线振动来说，角振动会成倍地加大摄像系统的像移量，使像质下降，降低光学系统的分辨率，因此角振动对成像质量的影响远比线振动大的多，不仅如此，振动引起光电平台的转动会导致光电平台坐标系相对于飞行器坐标系发生旋转，使具有测量功能的光电平台测量不准确，带来较大的测量误差。所以研制既能隔离中高频（20Hz）以上又能避免光电平台相对载体产生角振动和角位移的无角位移隔振装置将具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够将角位移转化为线位移的无角位移隔振装置；本发明的目的还在于提供一种该无角位移隔振装置中使用的支链。

为了解决上述问题，本发明中支链的技术方案为：

无角位移传动装置的支链，包括轴线相互垂直的第一转动副和第二转动副，还包括轴线相互垂直的第三转动副和第四转动副，第二、第三转动副的轴线相互平行，第一、第四转动副的轴线相互平行，支链还包括轴线与第二转动副相平行的第五转动副和第六转动副，第二转动副、第六转动副、第三转动副和第五转动副之间顺次通过第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆连接，第二转动副的轴线与第六转动副的轴线所在平面和第三转动副的轴线与第五转动副的轴线所在平面平行。

第二转动副的轴线与第六转动副的轴线之间的距离和第六转动副的轴线与第三转动副的轴线之间的距离相同。

所述第三连杆与第四连杆之间设置有弹性元件。

所述弹性元件与第四连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离与所述弹性元件与第三连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离相同。

所述第一连杆与第二连杆之间设置有阻尼元件。

本发明中无角位移减振装置的技术方案为：

无角位移传动装置，包括动平台和定平台，动、定平台之间设置有至少两个结构形式相同的支链，所述支链包括轴线相互垂直的第一转动副、第二转动副和轴线相互垂直的第三转动副、第四转动副，第一转动副与动平台相连，第四转动副与定平台相连，第二、第三转动副的轴线相互平行，第一、第四转动副的轴线相互平行，各支链还包括轴线与第二转动副相平行的第五转动副和第六转动副，第二转动副、第六转动副、第三转动副和第五转动副之间顺次通过第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆连接，第二转动副的轴线与第六转动副的轴线所在平面和第三转动副的轴线与第五转动副的轴线所在平面平行。

第二转动副的轴线与第六转动副的轴线之间的距离和第六转动副的轴线与第三转动副的轴线之间的距离相同。

所述第三连杆与第四连杆之间设置有弹性元件。

所述弹性元件与第四连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离与所述弹性元件与第三连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离相同。

其特征在于：所述第一连杆与第二连杆之间设置有阻尼元件。

本发明的有益效果为：第一、第二、第三、第四连杆和第二、第六、第三、第五转动副一起构成平行四边形连杆机构，通过平行四边形连杆机构将角位移转化成线位移，所以能使安装在动平台上的光电设备不产生附加的角位移，实现无角位移隔振效果。

附图说明

图1是本发明中无角位移隔振装置的一个实施例的结构示意图；

图2是图1的结构原理图；

图3是图1中支链的结构示意图，同时也是本发明中支链的一个实施例的结构示意图；

图4是图1中动、定平台与支链的配合示意图；

图5表示η与ξ、λ之间的关系曲线。

具体实施方式

无角位移隔振装置的实施例如图1～4所示：包括动平台1和定平台3，动、定平台通过四个支链2连接，四个支链周向均匀布置，各支链的结构均相同，下面仅对其中一个支链的结构进行描述。支链包括轴线相互垂直的第一转动副R6、第二转动副R5和轴线相互垂直的第三转动副R2、第四转动副R1，第二、第三转动副的轴线相互平行，第一、第四转动副的轴线相互平行，第一、第二转动副构成第一虎克铰，第三、第四转动副构成第二虎克铰，四个支链的各第四转动副R1绕定平台的周向连接于定平台的外缘，四个支链的各第一转动副R6绕动平台的周向连接于动平台的外缘，各支链的第一转动副R6所在圆周的半径小于各第四转动副R1所在圆周的半径。各支链还包括轴线与第二转动副相平行的第五转动副R3和第六转动副R4，第二转动副、第六转动副、第三转动副和第五转动副之间顺次通过第一连杆8、第二连杆9、第三连杆10和第四连杆7连接，第二转动副的轴线与第六转动副的轴线所在平面和第三转动副的轴线与第五转动副的轴线所在平面平行，第二转动副R5的轴线与第六转动副R4的轴线之间的距离和第六转动副R4的轴线与第三转动副R2的轴线之间的距离相同，第一、第二、第三、第四连杆和第二、第六、第三、第五转动副一起构成平行四边形连杆机构，第一、第二、第三、第四连杆的长度均为l。所述第三连杆与第四连杆之间设置有弹性元件5，弹性元件为弹簧，弹性元件与第三连杆、第四连杆通过球副（或转动副）连接，弹性元件与第四连杆之间的连接点与第五转动副的轴线之间的距离与所述弹性元件与第三连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离相同，且均为ρ_k。所述第一连杆与第二连杆之间设置有阻尼元件4，阻尼元件与第一、第二连杆通过球副6（或转动副）连接，阻尼元件与第一连杆之间的连接点与第六转动副R4的轴线之间的距离与阻尼元件与第二连杆之间的连接点与第六转动副的轴线之间的距离相同，且均为ρ_c。

如图4所示：当支链处于非奇异位形（非奇异位形是直第五、第六转动副不重合，且第二、第三转动副不重合），支链对动平台将产生两个约束力偶因为这两个力偶皆垂直于R1、R2以及R5、R6，因此这两个力偶相互平行。关于本无角位移隔振装置的运动自由度的分析如图4所示：令动、定平台两平台平行，按图1所示的联接方式将支链一端的虎克副均布于动平台平面内半径为rm的圆周之上，而另一端的虎克副则均布于定平台平面内半径为rb（rb>rm）的圆周之上，这样就构建成了并联机构，图4为并联机构的示意图。

在并联机构的定平台上设置连体坐标系Ob-XbYbZb，其Xb、Yb轴在定平台平面内，Xb轴指向定平台上虎克副的中心点B1，坐标原点位于定平台中心，B2、B3、B4分别表示定平台上其它虎克副的中心点，M1、M2、M3和M4则表示动平台上对应虎克副的中心点。假设隔振装置的所有支链皆处于非奇异位形下，则所有支链对动平台共产生2n（n表示支链的个数）个约束力偶，由于初始时动、定平台平行，且rb>rm，因此在动、定平台平面不重合的情况下，这2n个约束力偶既不会平行于同一平面，也不会平行于同一直线，所以这2n个约束力偶必然存在3个独立的基和可分别表示为

则反螺旋的一组基可写为

根据螺旋理论可知为动平台可能的运动螺旋，因此n-TRRT（n表示支链的个数，TRRT中的各字母分别表示虎克铰、转动副、转动副和虎克铰）并联机构的动平台相对定平台的可能运动为沿Xb、Yb、Zb坐标轴的三维平移运动，而无转角运动。

弹性、阻尼元件的布置。

如图3所示，分别在每个支链中的与R3、R4相联的两对连杆之间通过球副（或转动副）安装弹性元件和阻尼元件，安装弹性元件的两个球副与R3的距离皆为ρ_k，安装阻尼元件的两个球副与R4的距离皆为ρ_c，令

σ_k＝ρ_k/l，σ_c＝ρ_c/l

则每一分支对动平台都会产生1个弹性力矢和1个阻尼力矢这两个力矢均经过分支中两个T副的中心。对于n-TRRT并联机构，由于rb>rm，因此在动、定平台平面不重合的情况下，其分支对动平台的2n个弹性阻尼力矢既不会平行于同一平面，也不会平行于同一直线，所以这2n个弹性阻尼力矢必然存在3个独立的基，可分别表示为

其中，l₂、l₃、m₁、m₃、n₁、n₂均为实数。

由此可见，安装了弹性阻尼元件后的分支给动平台提供了沿Xb、Yb、Zb坐标轴的三维弹性阻尼力，这为实现三维隔振奠定了基础，表明弹性阻尼元件的布置是合理的。

由弹性阻尼元件驱动空间到动平台笛卡尔空间的速度雅可比矩阵求解。

如图2所示，在n-TRRT并联隔振器的动平台上设置连体坐标系Om-XmYmZm，其Xm、Ym轴在动平台平面内，坐标原点位于动平台中心，Xm、Ym轴的指向与Xb、Yb轴相同。

设置惯性坐标系O-XYZ，其X、Y、Z轴的指向与Xb、Yb、Zb轴相同，原点位置任意。设n-TRRT并联机构分支中所安装的弹性元件在机构处于工作平衡位置时的刚度皆为k，阻尼元件的阻尼系数皆为c，动平台及载荷的总质量为m，这样根据功能计算原理，可分别求得隔振器在工作平衡位置的惯性矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵

$M=\left[\begin{array}{ccc}m& 0& 0\\ 0& m& 0\\ 0& 0& m\end{array}\right],$ $K=k{J}_k^T{J}_k=\left[\begin{array}{ccc}\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_k^{2}k& 0& 0\\ 0& \frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_k^{2}k& 0\\ 0& 0& \frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_k^{2}k\end{array}\right],$ $C=c{J}_c^T{J}_c=\left[\begin{array}{ccc}\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_c^2& 0& 0\\ 0& \frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_c^{2}c& 0\\ 0& 0& \frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_c^{2}c\end{array}\right]$

由这三个矩阵可以看出，当动平台中心在定平台坐标系中处于工作平衡位置 时，隔振器的惯性、刚度及阻尼在三维方向上不仅解耦，而且相同。

弹性阻尼元件的参数设计

由于n-TRRT并联隔振器在工作平衡位置具有三向同性和解耦性的特征，因此可将这类系统先简化为沿任一方向的单自由度系统，再进行系统的分析与设计。

设动平台沿惯性坐标系Z轴方向的振动位移及速度分别为z、定平台沿惯性坐标系Z轴方向的振动位移及速度分别为z₀、根据小位移振动理论，很容易求得隔振器沿Z轴方向的小位移振动方程

$m\stackrel{\·\·}{z}+\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_c^{2}c\stackrel{\·}{z}+\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_k^2\mathrm{kz}=\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_c^{2}c{\stackrel{\·}{z}}_0+\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_k^{2}k{z}_0$

若定平台作频率为f（Hz）的简谐振动，则系统沿Z向的振动位移传递率（振幅比）为

$\mathrm{\η}=\frac{\sqrt{1+{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2}}{\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2}}---\left(3\right)$

其中，阻尼比频率比λ＝2πf/ω_n，固有频率

则根据式(3)可得η与ξ、λ之间的关系曲线，如图5所示：

从图5中可以看出，当时，η＜1，系统具有隔振效果，随着λ的增大，隔振效果不断提高，但增大λ就意味着要降低系统的刚度，从而会降低系统的稳定性和抗干扰能力；在λ＞5区域，η的变化并不明显，再增加λ的值将不会显著改善隔振效果，因此选取λ＝2～4.5。当时，随着ξ的增加，共振峰越来越小；而当时，随着ξ的增加，η反而增大，隔振效果降低，由于隔振器在实际工作中除了要隔离简谐振动的影响，还要隔离冲击的影响，为避免冲击使被隔振设备产生过大的振幅和谐振，就必须增大ξ削减共振峰，为解决上述矛盾选取ξ＝0.1～0.3。

因此由

$2\≤\mathrm{\λ}=\frac{2\mathrm{\πf}}{{\mathrm{\ω}}_n}=\frac{2\mathrm{\πf}}{\sqrt{\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_k^{2}k/m}}\≤4.5,$ $0.1\≤\mathrm{\ξ}=\frac{\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_c^{2}c/m}{2\sqrt{\frac{n}{3}{\mathrm{\σ}}_k^{2}k/m}}\≤0.3$

就可以得到使系统在三维方向上均能有效隔离fHz以上中高频振动的弹性、阻尼元件的参数

$\frac{16}{27}\frac{m{\mathrm{\π}}^2{f}^2}{n{\mathrm{\σ}}_k^2}\≤k\≤3\frac{{\mathrm{m\π}}^2{f}^2}{n{\mathrm{\σ}}_k^2},$ $\frac{3}{5}\frac{\mathrm{m\πf}}{n{\mathrm{\σ}}_c^2}\≤c\≤\frac{4}{5}\frac{\mathrm{m\πf}}{n{\mathrm{\σ}}_c^2}$

n-TRRT系列并联隔振器的设计与计算步骤

（1）确定机载光电平台（包括动平台）总质量m，由光电平台的总体几何尺寸确定动、定平台上T副的分布圆半径r_m、r_b（rb>rm），并给定三维方向需要隔离的振动频率范围。

（2）确定隔振器的分支数n、工作平衡位置连杆长度l，要满足确定弹性、阻尼元件的安装位置参数σ_k、σ_c。

（3）确定弹性、阻尼元件的参数

$\frac{16}{27}\frac{m{\mathrm{\π}}^2{f}^2}{n{\mathrm{\σ}}_k^2}\≤k\≤3\frac{{\mathrm{m\π}}^2{f}^2}{n{\mathrm{\σ}}_k^2},$ $\frac{3}{5}\frac{\mathrm{m\πf}}{n{\mathrm{\σ}}_c^2}\≤c\≤\frac{4}{5}\frac{\mathrm{m\πf}}{n{\mathrm{\σ}}_c^2}$

本发明中的无角位移隔振装置具有四大突出特点：1、无转角运动；2、处于工作平衡位置时，系统的惯性、刚度和阻尼在三个方向上均相同且解耦，而且工作平衡位置不随支链数改变，易于确定；3、所有关节均为转动关节，结构简单紧凑，可靠性高；4、弹性、阻尼元件易于布置。基于以上特点将本无角位移隔振装置应用于车载或机载光电平台的中高频隔振当中，则主要有四个方面的优势：①能避免角振动对光学系统成象质量的影响；②能避免振动引起光电平台转动导致光电平台坐标系相对于车辆或飞行器坐标系发生旋转，进而减小具有测量功能的光电平台的测量误差；③能大大降低系统设计和计算的复杂度；④能大大降低系统的制造成本、提高系统的可靠性、减小系统所占用的空间。所以本专利具有重要的实用价值。

在本无角位移隔振装置的其它实施例中：支链的个数还可以是两个、三个、五个或其它个数；当然各支链中，也可以仅设置弹性元件或阻尼元件；弹性、阻尼元件即可以独立布置（如上述实施例所述），也可以选取混合弹性阻尼元件，比如说金属橡胶；第二转动副的轴线与第六转动副的轴线之间的距离和第六转动副的轴线与第三转动副的轴线之间的距离还可以不相同。

支链的实施例如图1～4所示：支链的具体结构与上述各无角位移隔振装置中所述的支链相同，在此不再详述。

Claims (10)

1.无角位移隔振装置的支链，其特征在于：包括轴线相互垂直的第一转动副和第二转动副，还包括轴线相互垂直的第三转动副和第四转动副，第二、第三转动副的轴线相互平行，第一、第四转动副的轴线相互平行，支链还包括轴线与第二转动副相平行的第五转动副和第六转动副，第二转动副、第六转动副、第三转动副和第五转动副之间顺次通过第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆连接，第二转动副的轴线与第六转动副的轴线所在平面和第三转动副的轴线与第五转动副的轴线所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的无角位移隔振装置的支链，其特征在于：第二转动副的轴线与第六转动副的轴线之间的距离和第六转动副的轴线与第三转动副的轴线之间的距离相同。

3.根据权利要求1所述的无角位移隔振装置的支链，其特征在于：所述第三连杆与第四连杆之间设置有弹性元件。

4.根据权利要求3所述的无角位移隔振装置的支链，其特征在于：所述弹性元件与第四连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离与所述弹性元件与第三连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离相同。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的无角位移隔振装置的支链，其特征在于：所述第一连杆与第二连杆之间设置有阻尼元件。

6.无角位移隔振装置，包括动平台和定平台，其特征在于：动、定平台之间设置有至少两个结构形式相同的支链，所述支链包括轴线相互垂直的第一转动副、第二转动副和轴线相互垂直的第三转动副、第四转动副，第一转动副与动平台相连，第四转动副与定平台相连，第二、第三转动副的轴线相互平行，第一、第四转动副的轴线相互平行，各支链还包括轴线与第二转动副相平行的第五转动副和第六转动副，第二转动副、第六转动副、第三转动副和第五转动副之间顺次通过第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆连接，第二转动副的轴线与第六转动副的轴线所在平面和第三转动副的轴线与第五转动副的轴线所在平面平行。

7.根据权利要求6所述的无角位移隔振装置，其特征在于：第二转动副的轴线与第六转动副的轴线之间的距离和第六转动副的轴线与第三转动副的轴线之间的距离相同。

8.根据权利要求6所述的无角位移隔振装置，其特征在于：所述第三连杆与第四连杆之间设置有弹性元件。

9.根据权利要求8所述的无角位移隔振装置，其特征在于：所述弹性元件与第四连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离与所述弹性元件与第三连杆之间的连接点与所述第五转动副的轴线之间的距离相同。

10.根据权利要求6～9任意一项所述的无角位移隔振装置，其特征在于：其特征在于：所述第一连杆与第二连杆之间设置有阻尼元件。