CN104155074A - 一种可调式三维立体振动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调式三维立体振动平台，包括振动台、床身、传动机构和控制装置；所述振动台水平设置在床身上端，并与床身之间设有振动间距，振动台通过一支撑杆连接传动机构；所述传动机构设置在床身内，传动机构包括丝杆、旋转平台、安装台面和伺服电机；所述振动台的支撑杆通过两根连杆与丝杆上的旋转丝母相互铰接，两连杆相互平行设定，形成一个平行四连杆结构，所述控制装置分别连接两个伺服电机，并控制伺服电机旋转。本发明由两个伺服电机或一个伺服电机的旋转可以最终直接实现平台的上下左右前后的移动，且通知控制装置控制伺服电机旋转，采取伺服电机与驱动的控制模式，可以利用数控系统通过参数化的输入方式，控制振动的幅度、频率。

Description

一种可调式三维立体振动平台

技术领域

本发明涉及振动平台领域，尤其涉及一种适用于轻载的可调式三维立体振动平台。

背景技术

在当前振动台用于很多方面如地震模拟、交通运输、建筑等，随着对于产品品质要求的越来越高，振动台的需求也越来越多样化和重要，但基本是采取弹簧结构、凸轮等机构，同时分别由两个机构实现平移和上下两种运动进而合成为三维立体振动，由于机构自身传动特点和结构特性未真正的实现好多测试所需的三维立体振动要求。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种与控制系统相结合，具备路径轨迹规划功能，前后左右上下行程三维立体可调的振动台。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种可调式三维立体振动平台，包括振动台、床身、传动机构和控制装置；

所述振动台水平设置在床身上端，并与床身之间设有振动间距，振动台通过一支撑杆连接传动机构；

所述传动机构设置在床身内，传动机构包括丝杆、旋转平台、安装台面和伺服电机；所述丝杆竖直放置，一端通过轴承和轴承座固定在床身上部，另一端通过联轴器、轴承和轴承座固定在床身下部，所述丝杆上设有可上下移动的旋转丝母；所述安装台面水平设有圆弧形轨道61，所述旋转平台水平设置，一端与丝杆连接并可沿丝杆转动，并在连接处设有齿轮，另一端设置在圆弧形轨道61上并可沿圆弧形轨道61滑动，所述旋转平台上面设有线轨，所述线轨上设有沿线轨滑动的滑块；所述伺服电机为两个，一个伺服电机通过轴承、联轴器与丝杆相连，通过电机的旋转，带动丝杆的旋转，从而带动旋转丝母的上下移动，另一个电机通过齿轮啮合与旋转平台相连，通过电机的旋转，带动齿轮旋转进而带动旋转平台的旋转；

所述振动台的支撑杆通过两根连杆与丝杆上的旋转丝母相互铰接，两连杆相互平行设定，形成一个平行四连杆结构，两根连杆分别为主连杆和辅助连杆，所述主连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与滑块铰接，中间与支撑杆铰接，所述辅助连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与支撑杆铰接；

所述控制装置分别连接两个伺服电机，并控制伺服电机旋转。

进一步优化的，所述旋转平台上的齿轮为减速齿轮，其与伺服电机上的齿轮比为1:2。

进一步优化的，所述主连杆的长度240mm，支撑杆铰接点到滑块铰接点的距离为180mm，所述辅助连杆的长度为60mm。

为了实现上述发明目的，本发明采用的另一个技术方案为：

一种可调式三维立体振动平台，包括振动台、床身、传动机构和控制装置；

所述振动台水平设置在床身上端，并与床身之间设有振动间距，振动台通过一支撑杆连接传动机构；

所述传动机构设置在床身内，传动机构包括丝杆、旋转平台、安装台面和伺服电机；所述丝杆竖直放置，两端分别通过轴承和轴承座固定在床身上部和下部，所述丝杆上端设有可上下移动的旋转丝母，丝杆下端设有齿轮；所述安装台面水平设有圆弧形轨道61，所述旋转平台水平设置，一端与丝杆连接并可沿丝杆转动，并在连接处设有齿轮，另一端设置在圆弧形轨道61上并可沿圆弧形轨道61滑动，所述旋转平台上面设有线轨，所述线轨上设有沿线轨滑动的滑块；所述伺服电机的传动轴上设有两组齿轮，分别与丝杆下端的齿轮及旋转平台的齿轮相啮合，进而带动丝杆的旋转，从而带动旋转丝母的上下移动，同时带动旋转平台的旋转；

所述振动台的支撑杆通过两根连杆与丝杆上的旋转丝母相互铰接，两连杆相互平行设定，形成一个平行四连杆结构，两根连杆分别为主连杆和辅助连杆，所述主连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与滑块铰接，中间与支撑杆铰接，所述辅助连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与支撑杆铰接；

所述控制装置连接伺服电机，并控制伺服电机旋转。

进一步优化的，其特征在于，所述旋转平台上的齿轮为减速齿轮，其与伺服电机上的齿轮比为1:2。

进一步优化的，所述主连杆的长度240mm，支撑杆铰接点到滑块铰接点的距离为180mm，所述辅助连杆的长度为60mm。

区别于现有技术的振动平台，本发明通过上述传动机构，由两个伺服电机或一个伺服电机的旋转可以最终直接实现平台的上下左右前后的移动，且通知控制装置控制伺服电机旋转，可采取伺服电机与驱动的控制模式，可以利用数控系统通过参数化的输入方式，控制振动的幅度、频率。

附图说明

图1为本发明实施例1中振动平台的整体示意图；

图2为本发明实施例1中振动平台的结构示意图；

图3为本发明实施例2中振动平台的结构示意图；

标号说明：

1、振动台；2、床身；

3：支撑杆；31：主连杆；32：辅助连杆；

4、丝杆；41：旋转丝母；

5：旋转平台；51：齿轮；52：线轨；53：滑块；

6：安装台面；61：圆弧形轨道；

7、伺服电机；

8、控制装置。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

实施例1

本发明可调式三维立体振动平台，主要由：控制装置8、两个伺服电机7、一个丝杆4、一个旋转丝母41、一个滑块53、四个铰链、连杆、振动台1、齿轮51、线轨52、旋转平台5、联轴器、轴承、轴承座、床身2组成。

具体，如图1所示，包括振动台1、床身2和支撑杆3，所述振动台1通过螺栓与支撑杆3相连，如图2所示，所述旋转平台5水平放置于床身2内的安装台面6上面的圆弧形轨道61上，另一端与丝杆4连接并可沿丝杆4转动，并在连接处设有齿轮51，旋转平台5上面固定有线轨52，所述线轨52上面有滑块53，所述滑块53上面有一个铰链。

所述丝杆4竖直放置，一端通过轴承与轴承座相连，轴承座通过螺栓固定于床身2上部，另一端通过联轴器、轴承与轴承座相连，轴承座通过螺栓固定于床身2底部。在丝杆4上面有一个旋转丝母41，在旋转丝母41上面有两个铰链，并用两个连杆与铰链相连。其中一连杆为主连杆31，通过它与线规滑块53上的铰链相连，并在主连杆31上附着有一个铰链，与支撑杆3相连。另一个为辅助连杆32通过铰链与支撑杆3上的另一个铰链相连，组成一个平行四连杆结构，由于丝杆4保持竖直，则支撑杆3也将无论在任何位置都保持竖直，支撑杆3顶端固定有振动台1，这样就保证了振动台1的水平。

伺服电机7主要是通过旋转完成两个动作：

一个伺服电机7通过轴承、联轴器与丝杆4相连，通过电机的旋转，带动丝杆4的旋转，从而带动丝母的上下移动，由于丝母上面附着的四连杆结构，会带动平台支撑杆3与之上下竖直运动，同时由于主连杆31带动线规上的滑块53移动，进而带动平台支撑杆3的前后移动，这样就最终造成振动台1的上下前后移动，且平台整体保持水平。

另一个伺服电机7则是通过电机轴上的齿轮与旋转平台5上的齿轮51相啮合，通过电机的旋转，带动齿轮51旋转进而带动旋转平台5的旋转，进而带动其上的线轨52和滑块53的旋转，由于滑块53上面通过铰链与丝杆4链接，同时丝杆4上附着有平台支撑杆3，这样就带动了振动台1的旋转。

经过这样两个电机的旋转可以最终直接实现平台的上下左右前后的移动，因此通过控制装置8采取对伺服电机7与驱动的控制模式，可以利用数控系统通过参数化的输入方式，控制振动的幅度、频率。具体行程规格计算如下：

A表示丝母，B表示线轨52上面的滑块53，C表示旋转平台5的水平位置，D表示支撑杆3在连杆上的位置B`和A`、D`表示移动之后的位置。

由前文描述可知：丝母A的旋转带动AC距离的改变，进而带动BC距离的改变，从而带动平台支撑杆3D的上下、前后位置的改变。具体公式如下：

设初始位置和角度为：∠O_ABC,O_BC,O_AC,移动之后的距离为：∠C_ABC,C_BC,C_AC,丝杆4旋转角度是α，丝杆4螺距是Pitch，

而AB、BD距离大小在整个移动过程中保持不变。设移动改变的高度△H，改变的前后距离△L。则由数学公式可知：

∠O_ABC＝arcsin(O_AC/AB)

∠C_ABC＝arcsin(C_AC/AB)

△H＝BD×sin(∠C_ABC)-BD×sin(∠O_ABC)

△L＝(AB×cos(∠O_ABC)-BD×cos(∠O_ABC))-(AB×cos(∠C_ABC)-BD×cos(∠C_ABC))

丝母上下移动距离△AC：

△AC＝C_AC-0_AC＝α/(2π)×Pitch

滑块53前后移动的距离△BC：

△BC＝C_BC_O_BC

＝AB×cos(∠C_ABC)-AB×cos(∠O_ABC)＝AB×(cos(∠C_ABC)-cos(∠O_ABC))

＝AB×(cos(arcsin(C_AC/AB))-cos(arcsin(O_AC/AB))＝AB×(cos(arcsin((O_AC+α/(2π)×Pitch)/AB))-cos(arcsin(O_AC/AB))。

设旋转平台5旋转角度为β，平台与床身2立柱垂直时为0°，且均以该位置为旋转平台5摆动的初始位置，而后根据幅度进行左右对等摆动，其幅度为左右两方向的加和组成。同时由于旋转平台5的选择也会造成丝母在丝杆4上的上下移动，类似丝杆4旋转造成旋转丝母41的上下移动一样，但是由于它的旋转角度较小，对于丝杆4带动旋转丝的母旋转而言在实际应用中可以忽略。D`为平台支撑杆3D在竖直方向投影到水平旋转平台5上的对应点。D``为旋转平台5对称摆动的位置投影点。这样设初始位置和角度为：∠P_O_ABC，P_O_BC，P_O_AC，移动之后上述位置值均不发生改变，只是其整体随着旋转平台5旋转移动而已，丝杆4螺距是Pitch。则旋转平台5摆动之后的距离P_C_RL为：

P_C_RL＝(P_O_BC-BD×cos(∠P_O_ABC))×sin(β)

P_O_BC＝AB×cos(∠P_O_ABC)

其合成的摆动赋值为：P_C_RL×2

通过两个的旋转进而形成了振动台1的上下左右前后的振动目的。

本发明振动平台的振动台1左右摆动距离是以左右摆动零度线为初始点，而上下前后的摆动，则以执行时振动平台所处的位置为初始位置。

如用户输入上下振动幅度为20mm，对应的左右摆动幅度为20mm，由于上下移动带动前后移动，所以前后移动距离不用输入，输入频率为5HZ。

其中所述旋转平台5上的齿轮51为减速齿轮，其与伺服电机7上的齿轮比为1:2，即伺服电机7旋转两圈减速齿轮带动旋转平台5旋转一圈，主连杆31AB长240mm，BD段长180mm。

则根据现在振动平台所处位置为初始位置：∠O_ABC＝1.0467rad,O_BC＝120mm，O_AC＝208mm，移动之后的距离为：∠C_ABC，C_BC，C_AC，丝杆4螺距是Pitch＝10mm，丝杆4旋转角度是α，振动台1左右摆动角度为β，则上下移动改变的高度△H＝20mm，改变的前后距离△L。

由上述公式分析可以得知：

△H＝BD×sin(∠C_ABC)-BD×sin(∠O_ABC)＝20mm

由于BD＝180mm,∠O_ABC＝1.0467rad

则可以求解出：∠C_ABC＝1.356rad

C_AC＝AB×sin(∠C_ABC)

＝240×sin(1.356)

＝234mm

则丝杆4上旋转丝母41上下移动距离△AC为：

△AC＝C_AC-O_AC

＝234-208

＝26mm

同时由于△S_H＝α/(2π)×Pitch

可以获得α＝16.328rad，即对应的伺服电机7旋转角度是α＝16.328rad。

前后移动距离△L：

△L＝(AB×cos(∠O_ABC)-BD×cos(∠O_ABC))-(AB×cos(∠C_ABC)-BD×cos(∠C_ABC))

＝(240×cos(1.0467)-180×cos(1.0467))-(240×cos(1.356)-180×cos(1.356))

＝(120-90)-(12.7889)

＝17.211mm

即振动平台前后移动距离为17.211mm。

考虑到旋转平台5自身的旋转角度范围有限，相对于丝母自身的旋转而言角度较小，故在计算中对于旋转平台5造成的旋转丝母41的旋转不予进行累加计算。这样摆动幅度最大时刻，此时旋转丝母41A应该位于丝杆4最高位置处，即此刻振动平台达到最高位置，也是前后移动里面最靠外的位置。此时对应各个位置为：∠C_ABC＝1.356rad，AB＝240mm，C_AC＝234mm，则平台支撑杆D在竖直方向投影到旋转平台5上的点D`与丝杆4旋转中心C的距离C_CD`为：

C_CD`＝AB×cos(∠C_ABC)-BD×cos(∠C_ABC)

＝240×cos(1.356)-180×cos(1.356)

＝12.789mm

则根据前述公式可以得知摆动幅度P_C_RL为：

P_C_RL/2＝20/2＝10mm＝C_CD`×sin(β)

从而获得所需旋转平台5摆动角度为：β＝0.897rad。由于旋转平台5是通过2:1的减速齿轮带动的，从而获知伺服电机7的旋转角度为：2×β＝1.794rad。

同时由于频率f＝5HZ，则换算为对应的伺服电机7旋转速度为：

带动丝杆4旋转的伺服电机7转速为S_N：

S_N＝α/(2π)×f×2×60＝780转/分

带动旋转平台5的伺服电机7转速为P_N：

P_N＝2×β/(2π)×f×60＝85.7转/分

通过这个相关计算，由控制装置8控制伺服电机7按照这个要求进行选择，而后带动相关执行机构执行即可达到要求。

实施例2

由实施例1可以得知，两个伺服电机的旋转最终是为了获得旋转平台5和丝杆4的旋转，伺服电机7通过齿轮带动旋转平台5摆动，基于此，若对于三维立体行程固定的振动平台可以减少一个伺服电机。具体如图3所示：

所述传动机构设置在床身2内，传动机构包括丝杆4、旋转平台5、安装台面6和伺服电机；所述丝杆4竖直放置，两端分别通过轴承和轴承座固定在床身2上部和下部，所述丝杆4上端设有可上下移动的旋转丝母41，丝杆4下端设有齿轮；所述安装台面6水平设有圆弧形轨道61，所述旋转平台5水平设置，一端与丝杆4连接并可沿丝杆4转动，并在连接处设有齿轮，另一端设置在圆弧形轨道61上并可沿圆弧形轨道61滑动，所述旋转平台5上面设有线轨52，所述线轨52上设有沿线轨52滑动的滑块53；所述伺服电机的传动轴上设有两组齿轮，分别与丝杆4下端的齿轮及旋转平台5的齿轮相啮合，进而带动丝杆4的旋转，从而带动旋转丝母41的上下移动，同时带动旋转平台5的旋转；将实施例1的一个伺服电机和联轴器去掉，换为齿轮，则该齿轮与丝杆4相连，进而当电机旋转，不仅仅是带动了旋转平台5的旋转，还通过电机上面增加的一组齿轮，带动丝杆4旋转，进而带动丝杆4上的滑块53上下移动，从而带动振动台1的上下移动，实现三维立体振动的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种可调式三维立体振动平台，其特征在于，包括振动台、床身、传动机构和控制装置；

所述振动台水平设置在床身上端，并与床身之间设有振动间距，振动台通过一支撑杆连接传动机构；

所述传动机构设置在床身内，传动机构包括丝杆、旋转平台、安装台面和伺服电机；所述丝杆竖直放置，一端通过轴承和轴承座固定在床身上部，另一端通过联轴器、轴承和轴承座固定在床身下部，所述丝杆上设有可上下移动的旋转丝母；所述安装台面水平设有圆弧形轨道，所述旋转平台水平设置，一端与丝杆连接并可沿丝杆转动，并在连接处设有齿轮，另一端设置在圆弧形轨道上并可沿圆弧形轨道滑动，所述旋转平台上面设有线轨，所述线轨上设有沿线轨滑动的滑块；所述伺服电机为两个，一个伺服电机通过轴承、联轴器与丝杆相连，通过电机的旋转，带动丝杆的旋转，从而带动旋转丝母的上下移动，另一个电机通过齿轮啮合与旋转平台相连，通过电机的旋转，带动齿轮旋转进而带动旋转平台的旋转；

所述振动台的支撑杆通过两根连杆与丝杆上的旋转丝母相互铰接，两连杆相互平行设定，形成一个平行四连杆结构，两根连杆分别为主连杆和辅助连杆，所述主连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与滑块铰接，中间与支撑杆铰接，所述辅助连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与支撑杆铰接；

所述控制装置分别连接两个伺服电机，并控制伺服电机旋转。

2.根据权利要求1所述的可调式三维立体振动平台，其特征在于，所述旋转平台上的齿轮为减速齿轮，其与伺服电机上的齿轮比为1:2。

3.根据权利要求1所述的可调式三维立体振动平台，其特征在于，所述主连杆的长度240mm，支撑杆铰接点到滑块铰接点的距离为180mm，所述辅助连杆的长度为60mm。

4.一种可调式三维立体振动平台，其特征在于，包括振动台、床身、传动机构和控制装置；

所述振动台水平设置在床身上端，并与床身之间设有振动间距，振动台通过一支撑杆连接传动机构；

所述传动机构设置在床身内，传动机构包括丝杆、旋转平台、安装台面和伺服电机；所述丝杆竖直放置，两端分别通过轴承和轴承座固定在床身上部和下部，所述丝杆上端设有可上下移动的旋转丝母，丝杆下端设有齿轮；所述安装台面水平设有圆弧形轨道，所述旋转平台水平设置，一端与丝杆连接并可沿丝杆转动，并在连接处设有齿轮，另一端设置在圆弧形轨道上并可沿圆弧形轨道滑动，所述旋转平台上面设有线轨，所述线轨上设有沿线轨滑动的滑块；所述伺服电机的传动轴上设有两组齿轮，分别与丝杆下端的齿轮及旋转平台的齿轮相啮合，进而带动丝杆的旋转，从而带动旋转丝母的上下移动，同时带动旋转平台的旋转；

所述振动台的支撑杆通过两根连杆与丝杆上的旋转丝母相互铰接，两连杆相互平行设定，形成一个平行四连杆结构，两根连杆分别为主连杆和辅助连杆，所述主连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与滑块铰接，中间与支撑杆铰接，所述辅助连杆一端与旋转丝母铰接，另一端与支撑杆铰接；

所述控制装置连接伺服电机，并控制伺服电机旋转。

5.根据权利要求4所述的可调式三维立体振动平台，其特征在于，所述旋转平台上的齿轮为减速齿轮，其与伺服电机上的齿轮比为1:2。

6.根据权利要求4所述的可调式三维立体振动平台，其特征在于，所述主连杆的长度240mm，支撑杆铰接点到滑块铰接点的距离为180mm，所述辅助连杆的长度为60mm。