CN105459086B - 一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台 - Google Patents

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一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，它涉及雷达天线面板对接系统，它解决了现有大部件对接过程均由人工操作、劳动强度大、调姿效率低、精度低、可靠性差和极易出现超差的问题。本发明由三个伺服电动缸、三角形上固定板、三角形下固定板、六个球铰、大型球铰和支撑柱构成，三个伺服电动缸设在三角形上固定板和三角形下固定板之间，六个球铰分别设在三角形上固定板和三角形下固定板上，大型球铰和支撑柱设在三角形上固定板和三角形下固定板之间的形心上。本发明的一种水平方向调平及偏航调整的三自由度位姿平台能同时实现水平方向调平及偏航调整，结构简单、紧凑，机构运动精度高、稳定性好和刚度大的优点。

Description

一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台
技术领域
本发明涉及一种大型雷达天线面板对接系统，具体涉及一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台。
技术背景
现代科学技术的发展，在航空、航天、机床及自动化装备等众多领域内，利用机器自身的空间三自由度位置定位与自动调节来实现对接的技术应用越来越广泛，并且要求越来越高。对空间物体，不仅要测量它的某一自由度指标，而且要求精确检测其空间位置，在此基础上更要求机构能利用自身的位姿反馈信息调节自身的姿态以实现对接。
要实现对接，首先就要对空间物体的位姿(即沿X、Y、Z三个坐标方向的位移计绕三个坐标方向的转角α、β、γ)进行测量。目前，国内外对物体的多自由度位姿已进行了较为深入的研究并开发出了相应的测量系统。对物体的位姿测量主要通过GPS技术、磁场感应技术、图像视觉处理技术及直接接触式测量集中方式实现。目前，在GPS技术方面，美国的Adroit公司推出的Adroit ADS姿态测量系统，Trimble公司推出的MS860定位与字条测量系统；在应用磁场感应技术方面，美国的William R.Patterson等人开发出用于测量远距离物体位置与角度的磁性追踪系统；在应用图像视觉处理技术方面，美国的perceptron、faro公司，英国的3D Scanners公司均开发了相应的视觉测量系统。
大部件对接部件，通常分为固定部件和移动部件，通过自动测量得到二者的相对精确位姿偏差，然后采用调姿机构调整移动部件的空间位姿，实现与固定部件的自动装配或对接。调姿机构需要调整移动部件的空间6个自由度，依据组成机构构件的分布形状，可分为串联机构、并联机构及串并混合机构。与串联机构相比，并联机构特点为：一、刚度大串联机构各驱动支路按串联形式布置，运动链较长，而并联机构采用并联闭环结构，不易变形。同时，并联机构支路较多，减轻了单个支路载荷，提高了机构的整体承载强度；二、精度高并联机构误差不是各支路误差积累，是各支路误差的相互融合；三、动态性能优越因并联机构刚度大，采用质量较轻的运动部件就可满足机构刚度要求，减轻了机构总体重量，降低了机构惯性；四、并联机构逆解容易并联机构正解困难，逆解容易；实际应用中，可在线实现各驱动支路的运动学逆解；五、工作空间小并联机构不足是空间小，同时并联机构各支路相互制约，限制了机构的活动范围。正因为上述原因，近年掀起了对并联机床和并联机器人的研究热潮，出现了各种各样的新型并联机构有基于Stewart平台的六杆系六自由度并联机构的改进机构；有空间三自由度的并联机构，如3–URP、3–PUU、3–PSS等运动形式的平台机构；也有空间多自由度的并联机构,像4-URU、3-RRRRR等四、五自由度并联机构的研究，这些都是近年来出现的在扩大自由度、扩大工作空间、简化机构等方面作出较大改进的新型机构。
目前,国内大部件(如飞机)的对接使用大型固定对接平台将对接部件准确地定位在装配站位上，由对接专用工装实现大部件对接，对接过程中，用水准仪、经纬仪、吊线锤、激光准直仪等进行大部件位姿检测；技术人员依据检测结果，结合以往经验，由工人手工操作调姿工装实现翼身位姿调整，大部件位姿均需多次反复调整才能满足对接精度要求，待位姿调整好后，人工推动对接部件缓慢靠近，观察并调整连接孔销，对准后插入。整个对接过程均由人工操作、劳动强度大、调姿效率低、精度低、可靠性差和极易出现超差的问题。
发明内容
本发明为了解决现有大部件对接过程均由人工操作、劳动强度大、调姿效率低、精度低、可靠性差和极易出现超差的问题，提供了一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，解决该问题的具体技术方案如下：
本发明的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，由三个伺服电动缸、三角形上固定板、三角形下固定板、六个球铰、大型球铰和支撑柱组成，所述的第一伺服电动缸、第二伺服电动缸和第三伺服电动缸的电动缸顶头分别与第一上球铰、第二上球铰和第三上球铰相连，第一上球铰、第二上球铰和第三上球铰分别铰接在三角形上固定板下平面的三个角的球铰套上，第一伺服电动缸、第二伺服电动缸和第三伺服电动缸的电动缸下端分别与第一下球铰、第二下球铰和第三下球铰连接，第一下球铰、第二下球铰和第三下球铰分别铰接在三角形下固定板上平面的球铰套上，第一伺服电动缸、第二伺服电动缸和第三伺服电动缸的倾斜角度相同，呈顺时针圆周阵列，第一上球铰与第一下球铰相对应，第二上球铰与第二下球铰相对应，第三上球铰与第三下球铰相对应，支撑柱为空心圆筒形，设置在三角形下固定板的上平面的形心处，大型球铰设在支撑柱上，大型球铰和支撑柱设在三角形下固定板的上平面与三角形上固定板下平面之间的轴线上。
所述的大型球铰由Z压紧球铰7、Z轴承内圈8、Z轴承座9和Z轴承安装10组成，在Z轴承安装座10上设有Z轴承座9，Z轴承内圈8设在Z轴承座9上，Z轴承座9和Z轴承内圈8之间为圆弧配合，其中，Z轴承内圈8和三角形上固定板1螺栓连接，Z压紧球铰7位于支撑柱12的中心，经Z轴承内圈8的内孔，下端由螺母、垫片和碟簧11固定在支撑柱12的上端。
本发明的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台优点：能同时实现水平方向调平及偏航调整，机构系统简单、紧凑，机构运动精度高、稳定性好和刚度大。本发明适用于航空、航天、机载雷达、机床及自动化装备。
附图说明
图1是本发明平台的结构示意图,图2是图1中大型球铰的结构示意图，图3是图1中A部的局部剖视图，图4是三自由度并联机构简化图，图5是对接坐标系示意图，图6是调节过程示意图，图7是本发明的立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：根据图1、图2、3、4和5描述本实施方式，本实施方式由三个伺服电动缸、三角形上固定板1、三角形下固定板2、六个球铰、大型球铰和支撑柱12组成，所述的第一伺服电动缸3-1、第二伺服电动缸3-2和第三伺服电动缸3-3的电动缸顶头分别与第一上球铰4-1、第二上球铰4-2和第三上球铰4-3相连，第一上球铰4-1、第二上球铰4-2和第三上球铰4-3分别铰接在三角形上固定板1下平面的三个角的球铰套上，第一伺服电动缸3-1、第二伺服电动缸3-2和第三伺服电动缸3-3的电动缸下端分别与第一下球铰5-1、第二下球铰5-2和第三下球铰5-3连接，第一下球铰5-1、第二下球铰5-2和第三下球铰5-3分别铰接在三角形下固定板2上平面的球铰套上，第一伺服电动缸3-1、第二伺服电动缸3-2和第三伺服电动缸3-3的倾斜角度相同，呈顺时针圆周阵列，第一上球铰4-1与第一下球铰5-1相对应，第二上球铰4-2与第二下球铰5-2相对应，第三上球铰4-3与第三下球铰5-3相对应，支撑柱12为空心圆筒形，设置在三角形下固定板2的上平面的形心处，大型球铰设在支撑柱12上，大型球铰和支撑柱12设在三角形下固定板2的上平面与三角形上固定板1下平面之间的轴线上。
工作时，通过三个电动缸伸缩长度的不同实现三角形上固定板1绕支撑柱12上顶点的任意角度旋转：即三个伺服电动缸伸长或缩短速度一样时，对应于移动矩形面板绕z轴顺时针或逆时针转动；通过三个伺服电动缸的伸长或缩短速度不同的组合实现绕x轴、y轴转动；
所述的大型球铰由Z压紧球铰7、Z轴承内圈8、Z轴承座9和Z轴承安装10组成，在Z轴承安装座10上设有Z轴承座9，Z轴承内圈8设在Z轴承座9上，Z轴承座9和Z轴承内圈8之间为圆弧配合，其中，Z轴承内圈8和三角形上固定板1螺栓连接，Z压紧球铰7位于支撑柱12的中心，经Z轴承内圈8的内孔，下端由螺母、垫片和碟簧11固定在支撑柱12的上端。
大型球铰和支撑柱12设在三角形下固定板2与三角形上固定板1之间的中心，减轻了三自由度并联机构的负载，增加平台的稳定性和刚度。
具体实施方式二：根据图1、图2和图3描述本实施方式，本实施方式所述的三角形上固定板1与三角形下固定板2相互对称平行设置。
具体实施方式三：根据图1、图2和图3描述本实施方式，本实施方式所述的三角形下固定板2形心周围的圆周上，均匀分布有八个安装螺栓的下螺栓通孔，用于固定大型球铰的支撑柱12，三角形下固定板2的三个顶角处设置有用于安装三个球铰座的下螺栓通孔。
具体实施方式四：根据图1和图3描述本实施方式，本实施方式所述的六个球铰与三角形上固定板1、三角形下固定板2和三个伺服电动缸的连接方式，以第一上球铰4-1为例，三角形上固定板1的下平面与球铰安装座4-1-1连接,球铰安装座4-1-1经螺栓4-1-2与球铰套4-1-3连接,球铰头4-1-4与球铰套4-1-3铰接，第一伺服电动缸3-1的上端与球铰头4-1-4连接。
具体实施方式五：根据图1、图2和图3描述本实施方式，本实施方式所述的三角形上固定板1与三角形下固定板2为等边三角形的板类结构件，三角形上固定板1形心周围的圆周上均匀分布有八个安装螺栓的上螺栓通孔16。用于连接位于移动矩形面板15中部的连接座和Z轴承内圈8。
具体实施方式六：根据图1、图2描述本实施方式，本实施方式所述的三个伺服电动缸采用高精度伺服电动缸。
具体实施方式七：根据图1、图2描述本实施方式，本实施方式所述的大型球铰采用高精度球铰。
本发明的平台的上部与移动物体连接，平台的下端与升降装置连接，激光测距仪、CCD相机设在调姿平台上。
机构自由度计算
在计算机构的自由度时，该机构的伺服电动缸可以简化成两根用移动副联结的直杆，共有机构数n＝8个，运动副数g＝10，其中球面副7个，3个移动副；由自由度公式
可求出机构的总自由度；其中fi为第i个运动副的自由度。
由机构易知：F＝6×(8-10-1)+7×3+3×1＝6，这六个自由度由三个电动缸缸杆的回转自由度和上活动平台的自由度组成，所以上活动平台具有三个自由度，由此计算结果及其结构特点易知该结构可以实现三位空间的任意转动。
空间位置逆解
图3所示为该三自由度并联机构的简化图。获取各个运动副几何形态的中心坐标，在静平台上建立定坐标系OXYZ，以OA1为X轴，Y轴指向A1、A3两较连线中点，Z轴垂直于静平台竖直向上；动平台上建立动坐标系oxyz，上面板的旋转中心o为坐标原点，x、y和z轴同静坐标系的X、Y和Z轴同向。
定义三个电动杆在下面板的连接点分别为A1、A2、A3。在上面板的连接点分别为B1、B2、B3。以A1-B1电动缸为主，由几何关系得：其中，在整个系统运动过程中保持不变，只有相对于原点在三个轴的旋转变化，假设的初始值为定义旋转矩阵为R，其表达式如下：
R＝R3R2R1
则A1-B1电动缸的几何关系可变为：
对上式两边同时求导得：
l′＝Jw
假设在一段很少的时间dt内，导数值不变，则有转角和伸长的关系如下：Δε＝JΔθ
其中，J为雅克比矩阵。基于能量守恒，可得支撑上面板旋转的三个杠的作用力和作用在上平台的偏心力矩的关系为：
JTf＝T
移动矩形面板的位姿调整步骤
移动矩形面板调整任务主要分为以下三项：
(1)移动矩形面板水平度检测与调整。对移动矩形面板的水平度进行测量，确定当前状态下的位姿偏差，以调节移动矩形面板使其达到水平状态；
(2)移动矩形面板相对于Z轴的转角检测与调整。实现移动矩形面板对Z轴的调整，以实现固定对接面板与移动矩形面板对接平面的平行；
上述任务，需要按照要求可精确调整移动矩形面板在空间三个方向上的位姿，以实现固定对接面板与移动矩形面板的精确对接。因此要求移动天线阵面可绕X、Y、Z向的转动，共三自由度的运动能力，同样这项任务也必须在自动运行状态下进行，因此要求这三个自由度为电动伺服控制和液压伺服控制。
为了能够准确地对固定对接面板进行调平，采用与固定对接面板相同的测量方案，以实现对固定对接面板的调平。
为了能够准确地对移动矩形面板调平，采用倾角传感器获知其相对于x轴、y轴的转角。
为了能够准确获得移动矩形面板相对于Z轴的转角，采用两个高精度的激光位移传感器来测得该转角。
具体的调节步骤如图6所示：
(1)将对接对象(大型板状工件)调至水平(如图6过程a)，该过程为手动调节，根据水平仪，操作对接对象的四个手动支腿完成。
(2)将移动矩形面板调至水平(如图6过程b)，该过程为自动调节，通过电子水平仪，由三自由度平台自动调节完成：1)使第一伺服电动缸3-1伸长或缩短，保持第二伺服电动缸3-2和第三伺服电动缸3-3既不伸长也不缩短，调节至移动矩形面板与y轴的夹角接近于零；2)同时调节第二伺服电动缸3-2和第三伺服电动缸3-3，保持第一伺服电动缸3-1既不伸长也不缩短，调节至移动矩形面板与x轴夹角接近于零。实现移动矩形面板方位的调节。
(3)初步在水平(X-Y面内)旋转移动矩形面板，至两个矩形对接面相对，且Z向夹角为零(如图6过程c)，该过程为自动调节，根据两端激光测距仪测量的距离值，由三自由度平台自动调节完成：当激光测距仪测得y1＞y2时，保持三个伺服电动缸缩短速度一样，使移动矩形面板绕z轴逆时针转动，调节至移动矩形面板与固定矩形面板对接面相互平行；当激光测距仪测得y2＞y1时，保持三个伺服电动缸伸长速度一样，使移动矩形面板绕z轴顺时针转动，调节至移动矩形面板与固定矩形面板对接面相互平行。
(4)精细调节(如图6过程d)：在进行步骤三(如图过程c)时，会使步骤二(如图过程b)中调至水平的移动矩形面板发生微小角位移，而不再水平，于是在步骤三(如图过程c)之后重复步骤二(如图过程b)，将移动矩形面板调水平，之后再重复步骤三(如图过程c)，将两矩形面对接面调至相对，且Z向夹角为零。完成三自由度空间位姿自动调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所披露的技术范围内，根据本发明的技术方案、构思加以替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，它由三个伺服电动缸、三角形上固定板(1)、三角形下固定板(2)、六个球铰、大型球铰和支撑柱(12)组成，其特征在于：第一伺服电动缸(3-1)、第二伺服电动缸(3-2)和第三伺服电动缸(3-3)的电动缸顶头分别与第一上球铰(4-1)、第二上球铰(4-2)和第三上球铰(4-3)相连，第一上球铰(4-1)、第二上球铰(4-2)和第三上球铰(4-3)分别铰接在三角形上固定板(1)下平面的三个角的球铰套上，第一伺服电动缸(3-1)、第二伺服电动缸(3-2)和第三伺服电动缸(3-3)的电动缸下端分别与第一下球铰(5-1)、第二下球铰(5-2)和第三下球铰(5-3)连接，第一下球铰(5-1)、第二下球铰(5-2)和第三下球铰(5-3)分别铰接在三角形下固定板(2)上平面的球铰套上，第一伺服电动缸(3-1)、第二伺服电动缸(3-2)和第三伺服电动缸(3-3)的倾斜角度相同，呈顺时针圆周阵列，第一上球铰(4-1)与第一下球铰(5-1)相对应，第二上球铰(4-2)与第二下球铰(5-2)相对应，第三上球铰(4-3)与第三下球铰(5-3)相对应，支撑柱(12)为空心圆筒形，设置在三角形下固定板(2)的上平面的形心处，大型球铰设在支撑柱(12)上，大型球铰和支撑柱(12)设在三角形下固定板(2)的上平面与三角形上固定板(1)下平面之间的轴线上，其中，所述的大型球铰由Z压紧球铰(7)、Z轴承内圈(8)、Z轴承座(9)和Z轴承安装座(10)组成，在Z轴承安装座(10)上设有Z轴承座(9)，Z轴承内圈(8)设在Z轴承座(9)上，Z轴承座(9)和Z轴承内圈(8)之间为圆弧配合，其中，Z轴承内圈(8)和三角形上固定板(1)螺栓连接，Z压紧球铰(7)位于支撑柱(12)的中心，Z压紧球铰下端穿过Z轴承内圈(8)的内孔，由螺母、垫片和碟簧(11)固定在支撑柱(12)的上端。
2.根据权利要求1所述的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，其特征在于：所述的三角形上固定板(1)与三角形下固定板(2)相互对称平行设置。
3.根据权利要求1所述的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，其特征在于：所述三个上球铰和三个下球铰与三角形上固定板(1)、三角形下固定板(2)和三个伺服电动缸的连接方式相同，以第一上球铰(4-1)为例，三角形上固定板(1)的下平面与球铰安装座(4-1-1)连接,球铰安装座(4-1-1)经螺栓(4-1-2)与球铰套(4-1-3)连接,球铰头(4-1-4)与球铰套(4-1-3)铰接，第一伺服电动缸(3-1)的上端与球铰头(4-1-4)连接。
4.根据权利要求1所述的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，其特征在于：所述的三角形下固定板(2)形心周围的圆周上，均匀分布开有八个安装螺栓的下螺栓通孔，用于固定大型球铰的支撑柱(12)，三角形下固定板(2)的三个顶角处开有固定三个球铰座的下螺栓通孔。
5.根据权利要求1所述的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，其特征在于：所述的三角形上固定板(1)与三角形下固定板(2)为等边三角形的板结构件，三角形上固定板(1)形心周围的圆周上均匀分布有八个安装螺栓的上螺栓通孔(16)。
6.根据权利要求1所述的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，其特征在于：所述的三个伺服电动缸采用高精度伺服电动缸。
7.根据权利要求1所述的一种水平方向及偏航调整的三自由度并联调姿平台，其特征在于：所述的大型球铰采用高精度大型球铰。
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