CN105171728A - 一种六棱锥式六自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运动模拟装备，特别是一种六棱锥式六自由度并联机构。由负载平台（1）、机构底座（8）与六组支链并联组成。每组支链由虎克铰（2）、连杆（3）、三自由度铰链（4）和直线电机（7）构成。连杆（3）的一头通过虎克铰（2）与负载平台（1）相联，另一头通过三自由度铰链（4）与直线电机（7）的楔形滑块（16）相联。直线电机（7）通过楔形滑块（16）驱动连杆（3）带动负载平台（1）联动。本发明具有高速度、高精度、响应速度快等优点，负载平台（1）最大转角θ可达到51°，实现越野路况下汽车六自由度振动模拟。

Description

一种六棱锥式六自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种运动模拟装备，特别是一种基于直线电机驱动、导轨倾斜设置的六棱锥式六自由度并联机构，适用于汽车在越野路况下行驶时六个自由度上的振动模拟。

背景技术

目前，公知的六自由度并联机构由负载平台、连杆、底座、铰链和驱动系统组成。6根连杆通过铰链将负载平台和底座联接，当驱动系统改变连杆位置或者长度时，负载平台能够完成预期的空间六自由度运动。运动模拟器作为六自由度并联机构最广泛的应用之一，近年来成为研究的热点，不同结构、不同驱动源的并联机构有着不同的性能特点。在模拟越野路况下汽车在六个自由度上的振动情况时，要求负载平台能够有较好的转动性能（通常最大转动角度θ>30°），但是已有的六自由度并联机构，如Stewart平台，通常将驱动源附着在运动连杆上，运动连杆固定于同一水平面，并且采用转角范围小于30°的球铰联接，导致负载平台与水平面的最大转动角度θ<10°，不能够满足对越野路况下汽车六自由度振动的模拟。

目前已有的六自由度并联机构通常采用机液驱动系统，机构结构复杂、弹性元件的迟滞和杆件的涨缩都会影响机构的性能。作为汽车六自由度振动模拟器要求机构应当具有高速度、高精度和频率响应快的特点，因此电液伺服系统开始应用于汽车六自由度振动模拟。电液控制具有信号传递准确、快捷、可靠的优点，易于实现多调节参数的综合调节和智能控制，但仍未从根本上解决液压驱动系统结构复杂、速度精度低、频率响应慢的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术难题是，克服上述现有技术的不足，提供一种六棱锥式六自由度并联机构。采用直线电机驱动，解决了液压驱动系统结构复杂、易发生漏油泄压故障、弹性元件的迟滞、运动速度和精度低等问题。该机构具有较好的转动性能，能够满足越野路况下汽车的六自由度振动模拟所需的大转角和高速、高精度的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，由负载平台（1）、机构底座（8）和六组支链构成，负载平台（1）与机构底座（8）之间通过六组支链进行并联，其特征在于：六组支链轮辐式设置，每组支链之间依次为α=30°和β=90°均布，使负载平台（1）、机构底座（8）和六组支链之间呈六棱锥形设置；所述每组支链由虎克铰（2）、连杆（3）、三自由度铰链（4）和直线电机（7）构成，直线电机（7）倾斜式固定在机构底座（8）上；直线电机（7）上设有电机动子轴（13）和可在电机动子轴（13）上往复式直线运动的楔形滑块（16）；连杆（3）的上端通过虎克铰（2）与负载平台（1）相联接；连杆（3）的下一端通过三自由度铰链（4）与电机动子轴（13）上的楔形滑块（16）相联接。

所述直线电机（7），包括电机中心轴（12）、电机磁钢（19）、电机动子（20）、电机动子轴（13）、电机外壳（18）和电机端盖（17），电机动子轴（13）与电机中心轴（12）平行设置；电机磁钢（19）设于电机中心轴（12）上，电机动子（20）套在电机磁钢（19）的外侧，电机动子（20）通过连接块（14）与设于电机动子轴（13）上的楔形滑块（16）相连，电机动子（20）在电机磁钢（19）的电磁作用下，带动楔形滑块（16）沿电机动子轴（13）作往复直线运动。

直线电机（7）的电机动子轴（13）与机构底座（8）之间的倾斜角δ=45°设置，每组支链的电机动子轴（13）之间也依次成30°和90°设置。

所述虎克铰（2）包括一对叉形的虎克铰端盖（24）和十字轴（26），十字轴（26）的四端设有虎克铰轴承（25），两个虎克铰端盖（24）之间通过十字轴（26）相连接。

所述三自由度铰链（4）包括一对叉形的三自由度铰链端盖（23）、十字轴（26）、铰链轴承（27）、转动副顶盖（28）和转动副轴承（29），十字轴（26）的四端设有铰链轴承（27），两个叉形的三自由度铰链端盖（23）之间通过十字轴（26）相连；其中一个三自由度铰链端盖（23）与楔形滑块（16）固定连接，另一个三自由度铰链端盖（23）通过固连的转动副顶盖（28）和转动副轴承（29）与连杆（3）连接；连杆（3）既可在转动副轴承（29）内转动，又可随十字轴（26）前后、左右摆动。

直线电机（7）的驱动采用单片机实现位移和电流的双闭环控制。

直线电机（7）通过直线电机底座（6）固定在机构底座（8）上，直线电机底座（6）与机构底座（8）之间的夹角γ=45°。

本发明与现有技术相对比，所具备的有益效果是：

（1）六组支链的两端均采用虎克铰和三自由度铰链联接、传动，同时直线电机又采用导轨倾斜的布置方式，使得整个机构具有极其良好的转动性能，负载平台的最大转角θ可以达到51°，可以满足越野路况下（转角＞30°）汽车的六自由度运动模拟；

（2）采用直线电机的驱动方式，相对于传统液压驱动，具有高速度、高精度、响应速度快等优点，更加适合作为汽车振动模拟的驱动系统；

（3）采用六棱锥形、轮幅式并联结构，具有刚度好，结构简单；累积误差小等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为六个支链的位置结构示意图；

图3为图2中A-A剖面中的机构底板8与电机底座6的装配示意图；

图4为单个支链的结构示意图；

图5为直线电机7的结构示意图；

图6为图5的B-B剖面图；

图7为图5中的C向视图；

图8为图5中的D向视图；

图9为图4中的局部放大图，也既为虎克铰2的结构示意图；

图10为图9的E-E剖面图；

图11为图9的F-F剖面图；

图12为图4中的局部放大图，也既为三自由度铰链4的结构示意图；

图13为图12中的G-G剖面图。

图中：1、负载平台；2、虎克铰；3、连杆；4、三自由度铰链；5、楔形滑块；6、直线电机底座；7、直线电机；8、机构底座；9、定位销；10、螺栓；11、锁紧螺母；12、电机中心轴；13、电机动子轴；14、连接块；15、直线轴承；16、楔形滑块；17、电机端盖；18、电机外壳；19、电机磁钢；20、电机动子；21、沉头螺钉；22、螺栓；23、三自由度铰链端盖；24、虎克铰端盖；25、虎克铰轴承；26、十字轴；27、三自由度铰链轴承；28、转动副顶盖；29、转动副轴承。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细描述。

本发明主要由负载平台（1）、机构底座（8）和六组支链组成，负载平台（1）与机构底座（8）之间通过六组支链进行并联。六组支链轮辐式设置，每组支链之间依次为α=30°和β=90°均布，使负载平台（1）、机构底座（8）和六组支链之间呈六棱锥形设置。

所述每组支链由虎克铰（2）、连杆（3）、三自由度铰链（4）和直线电机（7）构成，直线电机（7）倾斜式固定在机构底座（8）上；直线电机（7）上设有电机动子轴（13）和可在电机动子轴（13）上往复式直线运动的楔形滑块（16）；连杆（3）的上端通过虎克铰（2）与负载平台（1）相连接；连杆（3）的下一端通过三自由度铰链（4）与电机动子轴（13）上的楔形滑块（16）相联接。

所述直线电机（7），包括电机中心轴（12）、电机磁钢（19）、电机动子（20）、电机动子轴（13）、电机外壳（18）和电机端盖（17），电机动子轴（13）与电机中心轴（12）平行设置；电机磁钢（19）设于电机中心轴（12）上，电机动子（20）套在电机磁钢（19）的外侧，电机动子（20）通过连接块（14）与设于电机动子轴（13）上的楔形滑块（16）相连，楔形滑块（16）上设有直线轴承（15），电机动子（20）在电机磁钢（19）的电磁作用下，带动楔形滑块（16）沿电机动子轴（13）作往复直线运动。直线电机（7）的电机动子轴（13）与机构底座（8）之间的倾斜角δ=45°设置，每组支链的电机动子轴（13）之间也依次成30°和90°设置。直线电机（7）通过直线电机底座（6）固定在机构底座（8）上，直线电机底座（6）与机构底座（8）之间的夹角γ=45°。其中电机端盖（17）通过M3沉头螺钉（21）与电机外壳（18）联接。楔形滑块（5）通过连接块（14）和M3螺栓（22）与电机动子（20）联接，楔形滑块（5）通过直线轴承（15）实现在电机动子轴（13）上的往复直线式运动。

所述虎克铰（2）包括一对叉形的虎克铰端盖（24）和十字轴（26），十字轴（26）的四端设有虎克铰轴承（25），两个虎克铰端盖（24）之间通过十字轴（26）相连接。

所述三自由度铰链（4）由一对叉形的三自由度铰链端盖（23）、十字轴（26）、铰链轴承（27）、转动副顶盖（28）和转动副轴承（29）组成，十字轴（26）的四端设有铰链轴承（27），两个叉形的三自由度铰链端盖（23）之间通过十字轴（26）相连；其中一个三自由度铰链端盖（23）通过M3螺栓（22）与楔形滑块（16）联接，另一个三自由度铰链端盖（23）通过M3螺栓（22）与转动副顶盖（28）联接，转动副顶盖（28）再通过转动副轴承（29）与连杆（3）过盈配合联接。连杆（3）既可在转动副轴承（29）内转动，又可随十字轴（26）前后、左右摆动。

本发明共有6根支链，每根支链上，连杆（3）的一头通过M3螺栓（22）与虎克铰（2）联接，连杆（3）的另一头通过转动副轴承（29）与三自由度铰链（4）过盈联接。本发明整机结构由于呈棱锥形设置，故称为六棱锥式并联机构。

本发明安装时，采用轮辐式的布置方式，将呈夹角γ=45°的直线电机底座（6）按照α=30°和β=90°的角度依次通过定位销（9）和M10螺栓（10）固定在机构底座（8）上，直线电机（7）通过锁紧螺母（11）、直线电机中心轴（12）、直线电机动子轴（13）与直线电机底座（6）联接，保证直线电机两根轴的倾斜角度δ=45°。

本发明在工作时，通过驱动系统改变直线电机（7）导轨上铰链的位置，再由六根连杆（3）共同驱动负载平台实现六个自由度上的运动。与传统球铰联接方式不同，本发明采用虎克铰和三自由度铰链联接、传动，其优点在于最大转角可以达到90°，因此使本发明具有较好的转动性能，其负载平台（1）的最大转角θ能够达到51°，能够满足越野路况下汽车六自由度振动的模拟。

所述的控制系统由直线电机作为执行器，涉及的传感器包括位移传感器和电流传感器，通过单片机实现位移和电流的双闭环控制，从而提高驱动系统的控制精度，保证机构运动时的高速度、高精度、高响应频率。

本发明的工作原理是：对于给定的负载平台（1）运动规律，由数学模型计算出各个直线电机的运动规律，包括位移、速度、加速度和驱动力的变化规律，通过单片机的位移和电流双闭环控制，使直线电机（7）按照预期的规律运动。电机动子（20）通过连接块（14）带动楔形滑块（16）沿直线电机动子轴（13）往复运动，楔形滑块（16）推动三自由度铰链（4）、连杆（3）和虎克铰（2）在空间六个自由度上运动，六个虎克铰（2）共同作用于负载平台（1），使得对于给定的六个直线电机位置存在唯一的负载平台（1）位姿与之对应，实现负载平台的六个自由度运动。

所述的六棱锥式并联机构具有较好的转动性能，负载平台（1）的最大转角θ能够达到51°，并且具有高速度、高精度、响应速度快等特点，能够满足越野路况下汽车六自由度振动的模拟。

Claims (7)

1.一种六棱锥式六自由度并联机构，由负载平台（1）、机构底座（8）和六组支链构成，负载平台（1）与机构底座（8）之间通过六组支链进行并联，其特征在于：六组支链轮辐式设置，每组支链之间依次为α=30°和β=90°均布，使负载平台（1）、机构底座（8）和六组支链之间呈六棱锥形设置；所述每组支链由虎克铰（2）、连杆（3）、三自由度铰链（4）和直线电机（7）构成，直线电机（7）倾斜式固定在机构底座（8）上；直线电机（7）上设有电机动子轴（13）和可在电机动子轴（13）上往复式直线运动的楔形滑块（16）；连杆（3）的上端通过虎克铰（2）与负载平台（1）相联接；连杆（3）的下一端通过三自由度铰链（4）与电机动子轴（13）上的楔形滑块（16）相联接。

2.如权利要求1所述的一种六棱锥式六自由度并联机构，其特征在于：所述直线电机（7），包括电机中心轴（12）、电机磁钢（19）、电机动子（20）、电机动子轴（13）、电机外壳（18）和电机端盖（17），电机动子轴（13）与电机中心轴（12）平行设置；电机磁钢（19）设于电机中心轴（12）上，电机动子（20）套在电机磁钢（19）的外侧，电机动子（20）通过连接块（14）与设于电机动子轴（13）上的楔形滑块（16）相连，电机动子（20）在电机磁钢（19）的电磁作用下，带动楔形滑块（16）沿电机动子轴（13）作往复直线运动。

3.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构，其特征在于：直线电机（7）的电机动子轴（13）与机构底座（8）之间的倾斜角δ=45°设置，每组支链的电机动子轴（13）之间也依次成30°和90°设置。

4.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构，其特征在于：所述虎克铰（2）包括一对叉形的虎克铰端盖（24）和十字轴（26），十字轴（26）的四端设有虎克铰轴承（25），两个虎克铰端盖（24）之间通过十字轴（26）相连接。

5.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构，其特征在于：所述三自由度铰链（4）包括一对叉形的三自由度铰链端盖（23）、十字轴（26）、铰链轴承（27）、转动副顶盖（28）和转动副轴承（29），十字轴（26）的四端设有铰链轴承（27），两个叉形的三自由度铰链端盖（23）之间通过十字轴（26）相连；其中一个三自由度铰链端盖（23）与楔形滑块（16）固定连接，另一个三自由度铰链端盖（23）通过固连的转动副顶盖（28）和转动副轴承（29）与连杆（3）连接；连杆（3）既可在转动副轴承（29）内转动，又可随十字轴（26）前后、左右摆动。

6.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构，其特征在于：直线电机（7）的驱动采用单片机实现位移和电流的双闭环控制。

7.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构，其特征在于：直线电机（7）通过直线电机底座（6）固定在机构底座（8）上，直线电机底座（6）与机构底座（8）之间的夹角γ=45°。