CN104390755A - 高低频复合驱动并联三自由度运动台 - Google Patents

Abstract

一种高低频复合驱动并联三自由度运动台，主要包括目标运动台、基础安装架以及连接它们的三条结构相同的高低频复合驱动分支，该三条分支以圆周均布的形式与目标运动台和基础安装架连接，各分支复合驱动单元所在平面沿竖直方向且互成120度角；上述三条高低频复合驱动分支包括复合驱动单元和传动支杆，复合驱动单元的一端固定在基础安装架上，其另一端通过转动副与传动支杆的一端连接，该传动支杆的另一端通过球铰或圆柱副与目标运动台连接。本发明双重驱动相互分离、能够实现低频大范围与高频小范围三自由度运动输出。

Description

高低频复合驱动并联三自由度运动台

技术领域

本发明涉及一种并联机构，特别是一种并联三自由度运动台。

背景技术

随着航空航天以及国防军工事业的发展，对星载、舰载、车载等设备提出了更高要求。串联机构受尺寸与机构固有特性限制难以实现高精度调姿和隔振。并联机构因其占用比较小，驱动出力均匀化，刚度大，更容易在驱动中引入隔振环节等特点，更适合作为未来运载体用调姿隔振装置。在高端仪器设备制造及研发过程中，需进行动力学环境模拟试验，模拟试件及设备在真实外场环境下的工作情况，检验产品的可靠性，其中振动环境模拟试验是一个主要方面，主要通过振动台实现，但是真实外场环境是一个复杂的综合动力学环境，对于目标设备而言，一般处于常规的低频高幅运动与高频振动相复合的环境中，能够模似这种复合运动环境的试验设备更能真实反映目标设备的工作特性。

现有位姿调整装置一般只突出单一的位姿调整或隔振功能，而各类振动台只能提供特定频率范围内的振动，不能进行常规的大范围运动模拟。随着仪器设备对精确指向要求的提高，位姿调整装置应兼具位姿调整与振动隔离功能，而动力学环境试验需要有更多形式的运动输出，才能适应科技生产与研发的需要。以上两方面应用需求，本质上是期望设计一种可同时进行高频低幅运动与低频高幅运动的设备装置。

目前有许多相似的发明成果，中国专利CN101281088A提出一种三轴六自由度振动试验装置，能够模拟真实环境下X、Y、Z三轴六自由度复合振动环境，该发明是只具备单一激振功能的振动装置，不能进行特定自由度上大范围空间运动；中国专利CN1587739A提出了一种六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台，实现微频低幅六自由度主动隔振，减振效果98％左右，但受驱动器行程所限，调整幅度达不到姿态调整级别；中国专利CN102865328A提出了一种基于混联机构的五维隔振平台，该机构移动与转动完全解耦，易于控制，隔振性能良好，但混联机构使顶层机构成为底层机构的负载，增大了驱动负担；中国专利CN101476611A提出了一种六自由度大振幅振动主动隔离平台，实现六自由度高频大振幅主动隔振，但姿态调整能力有限；中国专利CN102601794A提出了一种具有调姿能力的高刚度四自由度并联机构，该机构可实现快速进给，但工作空间较小，且机构没有隔振功能；中国专利CN1614376A提出了一种三自由度机械式振动环境试验平台，适用于实验室中做三自由度振动环境试验，但也只具有振动模拟功能。中国专利CN102601786A、CN102350697A、CN102825600A、CN102601784A分别提出含RPRPR闭环子链、5R闭环子链、RRRR闭环子链和RRR闭环子链的两自由度并联机构，这些机构解决了传统并联机构一条支链多个驱动不能同时连接在机架上的缺点，所有主动杆都连接在机架上，动力学性能好，以上四个发明实质都是在分支中引入一个平面五杆机构，但该五杆机构所在平面水平，限制了机构的承载能力，且机构输入数等于输出自由度数，仍属于单驱动机构，一般只能实现高频或低频运动中的一种。中国专利CN103495973A发明提出一种三直线驱动的平面三自由度并联机构，该机构设计巧妙、安装方便，但该机构输入数仍等于输出自由度数，所以机构仍是单驱动机构，只能实现一种性质的运动输出。中国专利CN102825597A提出了一种具有位置解析正解的三转动并联运动装置，这种三转动并联装置结构简单，便于实时控制，该机构同样是单驱动机构。

综上所述，现有设备一般只能实现高频低幅的振动或低频高幅的常规运动中的一种；分支引入闭环子链的机构没有减少分支对机构的约束数，所需驱动输入数等于机构自由度数，属于单驱动机构。

发明内容

本发明提供一种双重驱动相互分离、能够实现大范围位姿调整与高低频运动输出的高低频复合驱动并联三自由度运动台。

本发明的技术方案如下：

本发明主要包括目标运动台、基础安装架以及连接它们的三条结构相同的高低频复合驱动分支，该三条分支以圆周对称的形式与目标运动台和基础安装架连接，各分支复合驱动单元所在平面沿竖直方向且互成120度角。上述三条高低频复合驱动分支包括复合驱动单元和传动支杆，它们有四种结构：

第一种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠外周的一端设有纵向丝杠，该丝杠的一端与电机连接，低频传动杆的一端通过转动副与设在丝杠上的滑块连接，上述结构构成低频驱动；在上述导向安装座靠近基础安装架中心一端设有沿水平方向的直线电机，该直线电机的定子与该导向安装座固连，复合输出杆的一端通过转动副与该直线电机的动子连接，上述结构构成高频驱动；上述复合输出杆的另一端通过转动副与传动支杆的一端连接，该传动支杆的另一端通过球铰与目标运动台连接，上述复合输出杆的一部位设有长通孔，上述低频传动杆的另一端在长通孔内通过转动副与复合输出杆连接；

第二种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠近基础安装架中心的一端沿水平方向设有直线电机，该直线电机定子与导向安装座固连，复合输出杆的一端通过转动副与该直线电机的动子连接，上述结构构成高频驱动；上述复合输出杆的另一端通过转动副与传动支杆的一端连接，该传动支杆的另一端通过球铰与目标运动台连接；在上述导向安装座的另一端通过转动副与电动缸缸套的末端连接，上述复合输出杆的一部位设有长通孔，该电动缸活塞杆的末端在长通孔内通过转动副与复合输出杆连接，上述电动缸构成低频驱动；这种结构增大了第一驱动工作时目标运动台的工作空间；

第三种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠近基础安装架中心的一端设有竖直安装的直线电机，该直线电机定子与导向安装座固连，复合输出杆的一端通过转动副与该直线电机的动子连接，上述结构构成高频驱动；其它部件和连接关系与第二种结构相同；这种结构更接近工程实际需要，运动承载性能有所改善；

第四种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠基础安装架中心的一端，直线电机定子通过转动副与导向安装座连接，复合输出杆一端与直线电机动子固连，上述结构构成高频驱动；其它部件和连接关系与第二种结构相同；这种结构增大了第二驱动工作时目标运动台的工作空间。

上述四种结构中的传动支杆一端能够通过圆柱副与目标运动台连接，实现三自由度移动输出。

上述四种结构中的电动缸能够替换为直线模组驱动或液压缸、直线电机能够替换为音圈电机或电磁作动器或压电陶瓷或磁致伸缩作动器。

各驱动分支的高频低幅驱动器工作在高频振动频率范围，驱动行程较小，主要用于隔振与激振；低频高幅驱动器工作于一般运动频率范围、驱动行程大，主要用来实现平台位姿调整或载体常规运动模拟功能；通过所设计分支传动形式，可以将两种运动共同传递到目标运动平台，实现平台高低频、高低幅运动复合输出。

本发明有三种工作模式，常规运动模式、振动运动模式以及复合运动模式。常规运动时，高频低幅驱动器锁定，只有低频高幅驱动器工作；振动运动时，低频高幅驱动器锁定，只有高频低幅驱动器工作；复合运动模式，双重驱动同时协调匹配工作。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、采用双重驱动形式，增加系统输出频带宽度与幅值范围，通过双驱动不同输入形式组合，可获得高低频、高低幅多种形式输出，应用空间更加宽广；

2、驱动器重量大部分由基础承担，驱动间不增加额外负载，双驱动共同承担有效载荷，增大机构整体承载能力；

3、机构具有三种工作模式，可根据工况进行切换，增大机构使用灵活性。

4、机构输入数多于输出自由度数，实现某一运动时具有更多可能性，提高了机构适应性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意简图；

图2为本发明的实施例1中复合驱动单元示意简图；

图3为本发明实施例2的结构示意简图；

图4为本发明的实施例2中复合驱动单元示意简图；

图5为本发明实施例3的结构示意简图；

图6为本发明的实施例3中复合驱动单元示意简图；

图7为本发明实施例4的结构示意简图；

图8为本发明的实施例4中复合驱动单元示意简图。

图9为本发明实施例5的结构示意简图；

图10为本发明实施例6的结构示意简图；

图11为本发明实施例7的结构示意简图；

图12为本发明实施例8的结构示意简图。

具体实施方式

实施例1：

在图1和图2所示的高低频复合并联三自由度运动台示意图中，三条结构相同的高低频复合驱动分支包括复合驱动单元和传动支杆3，分支一端与基础安装架5固连，其另一端与目标运动台1连接，三条高低频复合驱动分支以圆周均布的形式与目标运动台和基础安装架连接，各分支复合驱动单元所在平面沿竖直方向且互成120度角。复合驱动单元中的导向安装座10固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠外周的一端设有纵向丝杠11，该丝杠的一端与电机13连接，低频传动杆15的一端通过转动副14与设在丝杠上的滑块12连接，上述结构构成低频驱动；在上述导向安装座靠近基础安装架中心一端设有沿水平方向的直线电机，该直线电机的定子9与该导向安装座固连，复合输出杆6的一端通过转动副7与该直线电机的动子8连接，上述结构构成高频驱动；上述复合输出杆的另一端通过转动副4与传动支杆的一端连接，该传动支杆的另一端通过球铰2与目标运动台连接，上述复合输出杆的一部位设有长通孔，上述低频传动杆的另一端在长通孔内通过转动副16与复合输出杆连接。

实施例2：

如图3和图4所示，三条结构相同的高低频复合驱动分支包括复合驱动单元和传动支杆3，分支一端与基础安装架5固连，其另一端与目标运动台1连接，三条高低频复合驱动分支以圆周均布的形式与目标运动台和基础安装架连接，各分支复合驱动单元所在平面沿竖直方向且互成120度角。复合驱动单元中的导向安装座10固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠近基础安装架中心的一端沿水平方向设有直线电机，该直线电机的定子9与该导向安装座固连，复合输出杆6的一端通过转动副7与该直线电机的动子8连接，上述结构构成高频驱动；上述复合输出杆的另一端通过转动副4与传动支杆的一端连接，该传动支杆的另一端通过球铰2与目标运动台连接，在上述导向安装座的另一端通过转动副17与电动缸缸套18的末端连接，上述复合输出杆的一部位设有长通孔，上述电动缸的活塞杆19的末端在长通孔内通过转动副20与复合输出杆连接，上述电动缸构成低频驱动。

实施例3：

如图5和图6所示，三条结构相同的高低频复合驱动分支包括复合驱动单元和传动支杆3，分支一端与基础安装架5固连，其另一端与目标运动台1连接，三条高低频复合驱动分支以圆周均布的形式与目标运动台和基础安装架连接，各分支复合驱动单元所在平面沿竖直方向且互成120度角。复合驱动单元中的导向安装座10固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠近基础安装架中心的一端设有坚直安装的直线电机，该直线电机的定子9与该导向安装座固连，复合输出杆6的一端通过转动副7与该直线电机的动子8连接，上述结构构成高频驱动；其它部件和连接关系与实施例2相同。

实施例4：

如图7和图8所示，三条结构相同的高低频复合驱动分支包括复合驱动单元和传动支杆3，分支一端与基础安装架5固连，其另一端与目标运动台1连接，三条高低频复合驱动分支以圆周均布的形式与目标运动台和基础安装架连接，各分支复合驱动单元所在平面沿竖直方向且互成120度角。复合驱动单元中的导向安装座10固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠基础安装架中心的一端，直线电机定子9通过转动副21与导向安装座连接，复合输出杆6一端与直线电机动子8固连，上述结构构成高频驱动；其它部件和连接关系与实施例2相同。

实施例5：

如图9所示，驱动分中的传动支杆3与目标运动台1通过圆柱副22连接，其它部件和连接关系与实施例1相同。

实施例6：

如图10所示，驱动分中的传动支杆3与目标运动台1通过圆柱副22连接，其它部件和连接关系与实施例2相同。

实施例7：

如图11所示，驱动分中的传动支杆3与目标运动台1通过圆柱副22连接，其它部件和连接关系与实施例3相同。

实施例8：

如图12所示，驱动分中的传动支杆3与目标运动台1通过圆柱副22连接，其它部件和连接关系与实施例4相同。

Claims (3)

1.一种高低频复合驱动并联三自由度运动台，其特征在于：它主要包括目标运动台、基础安装架以及连接它们的三条结构相同的高低频复合驱动分支，该三条分支以圆周均布的形式与目标运动台和基础安装架连接，各分支复合驱动单元所在平面沿竖直方向且互成120度角；上述三条高低频复合驱动分支包括复合驱动单元和传动支杆，它们有四种结构：

第一种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠外周的一端设有纵向丝杠，该丝杠的一端与电机连接，低频传动杆的一端通过转动副与设在丝杠上的滑块连接，上述结构构成低频驱动；在上述导向安装座靠近基础安装架中心一端设有沿水平方向的直线电机，该直线电机的定子与该导向安装座固连，复合输出杆的一端通过转动副与该直线电机的动子连接，上述结构构成高频驱动；上述复合输出杆的另一端通过转动副与传动支杆的一端连接，该传动支杆的另一端通过球铰与目标运动台连接，上述复合输出杆的一部位设有长通孔，上述低频传动杆的另一端在长通孔内通过转动副与复合输出杆连接；

第二种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠近基础安装架中心的一端沿水平方向设有直线电机，该直线电机定子与导向安装座固连，复合输出杆的一端通过转动副与该直线电机的动子连接，上述结构构成高频驱动；上述复合输出杆的另一端通过转动副与传动支杆的一端连接，该传动支杆的另一端通过球铰与目标运动台连接；在上述导向安装座的另一端通过转动副与电动缸缸套的末端连接，上述复合输出杆的一部位设有长通孔，该电动缸活塞杆的末端在长通孔内通过转动副与复合输出杆连接，上述电动缸构成低频驱动；

第三种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠近基础安装架中心的一端设有竖直安装的直线电机，该直线电机定子与导向安装座固连，复合输出杆的一端通过转动副与该直线电机的动子连接，上述结构构成高频驱动；其它部件和连接关系与第二种结构相同；

第四种结构：复合驱动单元中的导向安装座固定在基础安装架上，该导向安装座的对称中心线在同一水平面，且互成120度角，上述导向安装座靠基础安装架中心的一端，直线电机定子通过转动副与导向安装座连接，复合输出杆一端与直线电机动子固连，上述结构构成高频驱动；其它部件和连接关系与第二种结构相同。

2.根据权利要求1所述的高低频复合驱动并联三自由度运动台，其特征在于：所述四种结构中的传动支杆一端能够通过圆柱副与目标运动台连接。

3.根据权利要求1所述的高低频复合驱动并联三自由度运动台，其特征在于：所述四种结构中的电动缸能够替换为直线模组驱动或液压缸、直线电机能够替换为音圈电机或电磁作动器或压电陶瓷或磁致伸缩作动器。