CN104964829B - 一种kc试验台驱动加载装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开来一种KC试验台驱动加载装置，包括与垂直驱动机构连接可被该垂直驱动机构驱动加载后实现垂直运动的垂直运动台，以及设置在该垂直运动台上的纵向侧向及旋转运动驱动平台，该纵向侧向及旋转运动驱动平台通过其上呈三角形布置的三个驱动连接点分别与三个直线运动驱动机构的动力输出件铰链连接，通过上述三个直线运动驱动机构的联动驱动控制实现驱动所述纵向侧向及旋转运动驱动平台在所在平面上进行沿x轴、y轴的平动和/或绕z轴的旋转运动。本发明还公开了相应的驱动加载方法及应用。本发明可实现对KC试验台的精确加载，其误差小，而且驱动单轴方向的电机功率较小，更为重要的是，其在旋转加载中可以实现高效精确的传动，且作用力和力矩测量简单精确。

Description

一种KC试验台驱动加载装置、方法及应用

技术领域

本发明属于车辆底盘系统KC试验技术领域，具体涉及一种KC试验台驱动加载装置、方法以及应用。

背景技术

车辆底盘系统KC试验主要包括平行轮跳、反向轮跳、纵向力加载、侧向力加载、回正力矩加载及原地转向工况，需要求KC试验台对车辆前桥/后桥中的每个轮胎具有垂直(z方向)、纵向(x方向)、侧向(y方向)和绕垂直方向转动(Rz方向)的驱动加载功能。其中采用车辆坐标系，即当车辆在水平路面上处于静止状态时，定义坐标系z轴通过汽车质心指向上方，x轴平行于地面指向车辆后方，y轴为驾驶员指向副驾驶方向。

现有KC试验台加载方法是通过x轴运动平台、y轴运动平台和Rz轴运动平台串联来实现纵向、侧向和回转的驱动加载功能。图1为现有KC试验台串联驱动加载方法结构示意图，如图所示，其中的垂直伺服电机通过减速机、联轴器、滚珠丝杠1驱动垂直运动台2沿z轴运动；侧向伺服电机与垂直运动台2固定安装，驱动侧向运动台4通过滑轨3沿y轴运动；纵向伺服电机与侧向运动台4固定安装，驱动纵向运动台6通过滑轨5沿x轴运动；旋转伺服电机与纵向运动台6固定安装，通过对旋转运动台7施加切线方向的力使其小角度转动。通过该串联驱动方法，可以实现驱动台的垂直、侧向、纵向和旋转四个自由度的运动。

但是，上述驱动加载装置和方法存在一些缺陷，首先是上述串联结构的驱动方式容易导致误差的累计和放大效应，而且由于各加载装置相互叠加，需要更大功率的电机来实现驱动台的单轴方向运动。另外，更为重要的是，因为KC试验中对作用力和力矩的测量精度要求非常高，目前的串联机构进行旋转加载驱动的方式一般有两种，一种是电机通过滚珠丝杠或推杆给旋转圆盘施加切向力使圆盘绕z轴旋转，并在推杆和作用点之间串联力传感器来测量切向力的大小，另一种方法是电机通过蜗轮蜗杆使圆盘转动。但是，上述两种驱动加载方式在实现Rz轴小位移转动以测量作用力及力矩中都存在明显的缺陷，其中第一种方式中当圆盘发生转动时，力的方向并没有完全与圆盘相切，故所测得的回正力矩并不特别精确；另一种方式中润滑复杂，传递效率低，且需要力矩传感器来直接测量所施加的回正力矩，成本较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种KC试验台驱动加载装置、方法以及应用，其通过优化的驱动加载机构和加载控制方法，可实现对KC试验台的精确加载，其误差小，而且驱动单轴方向的电机功率较小，更为重要的是，其在旋转加载中可以实现高效精确的传动，且作用力和力矩测量简单精确。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种KC试验台驱动加载装置，用以驱动试验台实现垂直、纵向、侧向以及绕垂直方向的旋转运动，其中，该装置包括与垂直驱动机构连接可被该垂直驱动机构驱动加载后实现垂直运动的垂直运动台，以及设置在该垂直运动台上的纵向侧向及旋转运动驱动平台，其特征在于，

该纵向侧向及旋转运动驱动平台通过其上呈三角形布置的三个驱动连接点分别与三个直线运动驱动机构的动力输出件铰链连接，通过上述三个直线运动驱动机构的联动驱动控制实现驱动所述纵向侧向及旋转运动驱动平台在所在平面上进行沿x轴即纵向、y轴即横向或侧向的平动和/或绕z轴即垂直方向的旋转运动。

作为本发明的改进，所述直线运动驱动机构具有伺服电机和与其输出轴动力相连的动力输出件，该动力输出件末端与所述驱动连接点通过铰链连接，所述伺服电机机座末端与所述垂直运动台通过铰链连接，形成直线运动链。

作为本发明的改进，所述直线运动驱动机构中设置有力传感器和位移传感器，分别用于测量驱动力大小以及驱动位移大小，以获得精确实时的测量数据。

作为本发明的改进，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台与所述垂直运动台之间设置有组合导轨机构，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台被上述三个直线运动驱动机构的联动驱动通过该组合导轨机构实现沿x轴、y轴的平动和/或绕z轴的旋转运动。

作为本发明的改进，所述组合导轨机构包括可沿x轴滑动的滑块、跨设在该滑块的凹槽中并可相对其沿y轴滑动的导轨、以及具有可相对转动的内圈和外圈的交叉滚柱轴环，其中所述纵向侧向及旋转运动驱动平台固定设置在该内圈上，外圈与所述导轨固连，直线运动驱动机构作用在所述纵向侧向及旋转运动驱动平台上的作用力可驱动所述内圈相对外圈旋转、驱动导轨沿y轴滑动、驱动滑块沿x轴滑动，从而可实现驱动平台纵向、侧向及旋转三个自由度的运动。

作为本发明的改进，所述直线运动驱动机构的动力输出件为滚珠丝杠或为皮带轮与推杆的组合单元。

按照本发明的另一方面，提供一种KC试验台驱动加载方法，用以驱动试验台实现垂直、纵向、侧向和或绕垂直方向的旋转运动，其中，该方法包括在垂直运动台上设置垂直驱动机构，其与所述垂直运动台连接以用于对该垂直运动台进行驱动加载实现垂直运动，其特征在于，

还包括在该垂直运动台上设置纵向侧向及旋转运动驱动平台，且在该纵向侧向及旋转运动驱动平台上设置呈三角形布置的三个驱动连接点，用以分别与三个直线运动驱动机构的动力输出件铰链连接，通过上述三个直线运动驱动机构的联动驱动控制实现驱动所述纵向侧向及旋转运动驱动平台在所在平面上进行沿x轴、y轴的平动和/或绕z轴的旋转运动。

作为本发明的改进，所述直线运动驱动机构具有伺服电机和与其输出轴动力相连的动力输出件，该动力输出件末端与所述驱动连接点通过铰链连接，所述伺服电机机座末端与所述垂直运动台通过铰链连接，形成直线运动链。

作为本发明的改进，所述直线运动驱动机构中设置有力传感器和位移传感器，分别用于测量驱动力大小以及驱动位移大小，以获得精确实时的测量数据。

作为本发明的改进，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台与所述垂直运动台之间设置有组合导轨机构，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台被上述三个直线运动驱动机构的联动驱动通过该组合导轨机构实现在沿x轴、y轴的平动和/或绕z轴的旋转运动。

作为本发明的改进，所述组合导轨机构包括可沿x轴滑动的滑块、跨设在该滑块的凹槽中并可相对其沿y轴滑动的导轨、以及具有可相对转动的内圈和外圈的交叉滚柱轴环，其中所述纵向侧向及旋转运动驱动平台固定设置在该内圈上，外圈与所述导轨固连，直线运动驱动机构作用在所述纵向侧向及旋转运动驱动平台上的作用力可驱动所述内圈相对外圈旋转、驱动导轨沿第二方向滑动、和/或驱动滑块沿第一方向滑动，从而实现纵向侧向及旋转运动驱动平台的运动。

作为本发明的改进，所述直线运动驱动机构的动力输出件为滚珠丝杠或为皮带轮与推杆的组合单元。

按照本发明的又一方面，提供一种具有上述KC试验台驱动加载装置的KC试验台。

按照本发明的再一方面，提供一种利用上述试验台驱动加载装置进行车辆底盘系统KC试验的方法。

本发明中每个加载台座可以优选包含4个驱动伺服电机，其中垂直伺服驱动电机通过减速机、滚珠丝杠可以实现整个工作台在垂直方向的运动。另外3个伺服电机各通过减速机、联轴器、滚珠丝杠或推杆、力传感器和位移传感器构成直线运动链，与三角形驱动台构成平面3-RPR并联机构形式：通过电机驱动来控制直线运动链的伸长和收缩，直线运动链两端分别与垂直运动台基座和三角形驱动台以铰链相连，三角形驱动台为执行末端，在伺服电机的协调作用下通过交叉滚柱轴环、十字交叉导轨来实现纵向、侧向和回转运动(纵向力加载、侧向力加载、回正力矩加载工况)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)由于本发明通过三个伺服电机在同一平面共同作用来实现驱动台的纵向、侧向和回转运动，故相同功率的电机比串联驱动方法能提供更大的单轴(x、y、Rz)驱动力；

(2)本发明中的并联驱动方式避免了串联机构的误差累积和放大，其误差小、精度高；

(3)本发明的并联驱动结构可直接安装于垂直运动台上，在驱动过程中不随纵向或侧向运动台运动，减轻了运动负载，具有较好的动力性能；

(4)本发明通过并联驱动方法，可以很容易实现驱动台的回转转动，且通过每个推杆的作用力和驱动台末端姿态可以计算出所施加的纵向力、侧向力和回正力矩，测量方便精确。

附图说明

图1是现有技术中的KC试验台所采用的串联驱动加载方法结构示意图；

图2是按照本发明一个实施例所构建的KC试验台所采用的平面3-RPR并联驱动加载方法结构示意图；

图3是按照本发明一个实施例所构建的KC试验台平面3-RPR并联驱动加载方法驱动、传动、测量直线运动链结构示意图；

图4是按照本发明一个实施例所构建的KC试验台中的三角形运动台组合导轨结构示意图；

图5是按照本发明一个实施例所构建的KC试验台中三角形运动台导轨滑块结构示意图。

具体实施方法

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明一个优选实施例所所构建的驱动加载平台，其可以实现在同一平面内利用三个直线驱动系统的驱动位移协调控制，实现KC试验台平面3-RPR驱动加载。

图2是本实施例中的KC试验台所采用的平面3-RPR并联驱动加载方法结构示意图，Oxy为坐标系。Ai(i＝1,2,3)为伺服电机机座末端，通过虎克铰链与垂直运动台基座相连接，在垂直运动台平面构成三角形。Bi(i＝1,2,3)为三角形驱动台的初始位置的三个顶点，AiBi(i＝1,2,3)各为伺服电机、减速机、联轴器、滚珠丝杠或推杆等方式所实现的直线运动链，可以在上位机控制命令下实现精确的位移控制。以实现驱动台沿x轴运动为例，通过对三个直线运动链的位移联动控制，驱动台沿x轴运动到C1C2C3位置。在每一个运动步长，可以通过力传感器来测得直线运动链的力的大小，通过位移传感器可以测量AiCi(i＝1,2,3)的实时位移，即可以得到直线运动链的力的方向，通过运动学关系和力的平衡关系可以计算最终施加给驱动台沿x、y的力及Rz的力矩大小。

图3(a)和3(b)是本实施例的KC试验台平面3-RPR并联驱动加载方法驱动、传动、测量直线运动链结构示意图,其中伺服电机机座10与垂直运动台基座以虎克铰链相连接，伺服电机14通过减速机13及联轴器带动滚珠丝杠12进行直线运动，或通过减速机13及皮带轮15带动推杆16进行直线运动，直线运动链与三角形驱动台端点以虎克铰链8相连接，之间串联力传感器11。位移传感器9的末端固定于电机机座10上，其活动端随滚珠丝杠12或推杆16运动来测量直线位移。

图4(a)和4(b)是本实施例KC试验台三角形运动台组合导轨结构示意图。三角形驱动台17与交叉滚柱轴环内圈18固连，交叉滚柱轴环内圈18与外圈19之间的间隔保持器内装有滚柱，以实现内圈18与外圈19自由转动。交叉滚柱轴环外圈19与导轨20固连，导轨20沿滑块21上凹槽方向自由滑动以实现沿y轴平动，滑块21通过下凹槽沿导轨22滑动以实现沿x轴平动，导轨22与垂直运动台基座固定。在三个伺服电机的共同作用下，三角形驱动台17在平面内具有沿x轴、y轴平动和绕z轴转动共3个自由度。

图5是本实施例的KC试验台三角形运动台导轨滑块结构示意图,该滑块具有上下两个凹槽，可以结合两个导轨实现x轴和y轴方向的滑动。

需要说明的是，上述组合导轨结构实现三角形运动台的运动仅是本实施例中的一种优选结构，本领域技术人员能够理解还可以有其他多种结构实现上述运动，本发明中并不限于此。

本发明中通过4个伺服电机实现每个KC加载台座的垂直、纵向、侧向、回转运动。其中3个伺服电机各通过减速机、联轴器、滚珠丝杠或推杆、力传感器和位移传感器构成直线运动链，与三角形驱动台构成平面3-RPR并联机构形式：通过电机驱动控制直线运动链的伸长和收缩，直线运动链两端分别与垂直运动台基座和三角形驱动台以虎克铰链相连。三角形驱动台为执行末端，在伺服电机的协调作用下通过交叉滚柱轴环、十字交叉导轨来实现纵向、侧向和回转运动，能很好地满足KC试验工况要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种KC试验台驱动加载装置，用以驱动试验台实现垂直、纵向、侧向和/或绕垂直方向的旋转运动，其中，该装置包括与垂直驱动机构连接可被该垂直驱动机构驱动加载后实现垂直运动的垂直运动台，以及设置在该垂直运动台上的纵向侧向及旋转运动驱动平台，其特征在于，

该纵向侧向及旋转运动驱动平台通过其上呈三角形布置的三个驱动连接点分别与三个直线运动驱动机构的动力输出件铰链连接，通过上述三个直线运动驱动机构的联动驱动实现驱动所述纵向侧向及旋转运动驱动平台在其所在平面上进行沿第一方向即纵向的平动、沿在该平面上与第一方向相互垂直的第二方向即侧向的平动和/或进行绕与该平面垂直方向即垂直方向的旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种KC试验台驱动加载装置，其中，所述直线运动驱动机构具有伺服电机和与其输出轴动力相连的动力输出件，该动力输出件末端与所述驱动连接点通过铰链连接，所述伺服电机机座底端与所述垂直运动台通过铰链连接，从而形成直线运动链。

3.根据权利要求1或2所述的一种KC试验台驱动加载装置，其中，所述直线运动驱动机构中设置有力传感器和位移传感器，分别用于测量驱动力大小以及驱动位移大小，以获得精确实时的测量数据。

4.根据权利要求1或2所述的一种KC试验台驱动加载装置，其中，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台与所述垂直运动台之间设置有组合导轨机构，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台被上述三个直线运动驱动机构的联动驱动而实现的运动通过该组合导轨机构在第一方向的平动、第二方向的平动和/或进行绕与该平面垂直方向的旋转运动实现。

5.根据权利要求4所述的一种KC试验台驱动加载装置，其中，所述组合导轨机构包括可沿第一方向滑动的滑块(21)、跨设在该滑块(21)的凹槽中并可相对其沿第二方向滑动的导轨(20)、以及具有可相对转动的内圈(18)和外圈(19)的交叉滚柱轴环，其中所述纵向侧向及旋转运动驱动平台固定设置在该内圈(18)上，外圈(19)与所述导轨(20)固连，直线运动驱动机构作用在所述纵向侧向及旋转运动驱动平台(17)上的作用力可驱动所述内圈(18)相对外圈(19)旋转、驱动导轨(20)沿第二方向滑动、驱动滑块(21)沿第一方向滑动，从而可实现驱动平台纵向、侧向及旋转三个自由度的运动。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种KC试验台驱动加载装置，其中，所述直线运动驱动机构的动力输出件为滚珠丝杠(12)或为皮带轮与推杆(16)的组合单元。

7.一种KC试验台驱动加载方法，用以驱动试验台实现垂直、纵向、侧向和/或绕垂直方向的旋转运动，其中，该方法包括在垂直运动台上设置垂直驱动机构，其与所述垂直运动台连接以用于对该垂直运动台进行驱动加载实现垂直运动，其特征在于，

还包括在该垂直运动台上设置纵向侧向及旋转运动驱动平台，且在该纵向侧向及旋转运动驱动平台上设置呈三角形布置的三个驱动连接点，用以分别与三个直线运动驱动机构的动力输出件铰链连接，通过上述三个直线运动驱动机构的联动驱动实现驱动所述纵向侧向及旋转运动驱动平台在其所在平面上进行第一方向即纵向的平动、在该平面上与第一方向相互垂直的第二方向即侧向的平动和/或进行绕与该平面垂直方向即垂直方向的旋转运动。

8.根据权利要求7所述的一种KC试验台驱动加载方法，其中，所述直线运动驱动机构具有伺服电机和与其输出轴动力相连的动力输出件，该动力输出件末端与所述驱动连接点通过铰链连接，所述伺服电机机座底端与所述垂直运动台通过铰链连接，形成直线运动链。

9.根据权利要求8所述的一种KC试验台驱动加载方法，其中，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台与所述垂直运动台之间设置有组合导轨机构，所述纵向侧向及旋转运动驱动平台被上述三个直线运动驱动机构的联动驱动而实现的运动通过该组合导轨机构在第一方向的平动、第二方向的平动和/或进行绕与该平面垂直方向的旋转运动实现。

10.根据权利要求9所述的一种KC试验台驱动加载方法，其中，所述组合导轨机构包括可沿第一方向滑动的滑块(21)、跨设在该滑块(21)的凹槽中并可相对其沿第二方向滑动的导轨(20)、以及具有可相对转动的内圈(18)和外圈(19)的交叉滚柱轴环，其中所述纵向侧向及旋转运动驱动平台固定设置在该内圈(18)上，外圈(19)与所述导轨(20)固连，直线运动驱动机构作用在所述纵向侧向及旋转运动驱动平台(17)上的作用力可驱动所述内圈(18)相对外圈(19)旋转、驱动导轨(20)沿第二方向滑动、驱动滑块(21)沿第一方向滑动，从而可实现驱动平台纵向、侧向及旋转三个自由度的运动。