CN106812866B - 一种三自由度无角位移抗冲击平台 - Google Patents
一种三自由度无角位移抗冲击平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于抗冲击平台的设计制造，涉及一种三自由度无角位移抗冲击平台。三自由度无角位移抗冲击平台包括一种平行四边形无角位移装置以及抗冲击橡胶块。本发明提出了一种使用橡胶弹性元件作为抗冲击缓冲器，平行四边形无角位移平台作为限制角位移机构的抗冲击平台。平行四边形无转角平台结构简单，橡胶抗冲击胶块硫化工艺成熟已经大量使用于各型设备上，同时橡胶材料的非线性特征，因此可靠性高。由于缓冲胶块中使用倾斜金属块分解了冲击能量因而可以实现大冲击载荷下的缓冲。
Description
技术领域
本发明属于抗冲击平台的设计制造，涉及一种三自由度无角位移抗冲击平台。
背景技术
随着科技的发展，航空、航海、航天以及国防领域对于惯性导航的要求越来越高，机械陀螺仪也逐步被光纤陀螺仪所取代在以上领域中得到的广泛的应用。光纤陀螺仪由于其结构上的限制在每个轴的旋转方向为其测量的敏感轴，因此在使用光纤陀螺仪测量线位移的条件下，过大的角加速度可能影响到测量精度，甚至使得陀螺仪无法正常工作，所以陀螺仪通常需要在一个相对稳定的环境下工作。然而在国防领域，陀螺仪可能会面临十分严酷的工作环境，例如大量级的冲击，这就要求对整个陀螺仪进行抗冲击保护。然而通常所使用的缓冲器平台都拥有三个平动自由度以及三个转动自由度，在大冲击载荷下陀螺仪会产生很大的角加速度，影响到陀螺仪的工作，这就需要开发出一种只拥有三个平动自由度不存在转动自由度的抗冲器。对于无转角平台前人已经有所应用，它们主要被使用于减振领域，例如CN 103807353A以及《新型无角位移减振机构设计》，但均只限于减振这种小量级外力影响条件下，在大冲击载荷下，减振组件极容易被破坏，从而导致机构失效。对于抗冲器并没有相关文献的报道。
发明内容
本发明的目的是：提出一种在大冲击时只拥有三个平动自由度的抗冲击平台，以便解决陀螺仪这一类精密仪器抗冲击载荷的问题。
本发明的技术方案是：三自由度无角位移抗冲击平台包括一种平行四边形无角位移装置以及抗冲击橡胶块，平行四边形无角位移装置，包括有一个含有4个转动副座的下安装板，八个摇臂，四个连接臂，以及一个含有转动副座的上安装板。下安装板上的4个转动副座分别置于下安装板的四个顶点上，上安装板上的4个转动副座的位置与下安装板上的4个转动副座的位置相对应，其中四个摇臂铰接于下安装板的转动副座上，另外四个摇臂铰接于上安装板的转动副座上，连接于上、下安装板上相对应位置上的两个摇臂之间分别通过连接臂进行铰接；上、下安装板之间保持相互平行，下安装板上的四个摇臂之间保持相互平行，上安装板上的四个摇臂之间保持相互平行，连接臂垂直于下安装板；
抗冲击橡胶块由两块金属块以及橡胶体共同硫化构成，两块金属块用螺钉分别固定在上、下安装板上，金属块为柱状，截面为直角三角形。
所述的抗冲击橡胶块橡胶体材料的撕裂强度大于等于20kN/m，邵氏A硬度在20到80度之间，同时橡胶块在经过冲击后任意方向上的永久变形小于5％。
所述的金属块截面的斜边与安装面之间夹角为30到60度。
所述的转动副座上的安装孔距离转动副座的边缘为5～20mm。
所述的上安装板和下安装板，均为镂空结构，镂空腔体距离安装板边缘20～50mm，镂空腔体之间距离为20～50mm。
所述的摇臂为两端含有两孔的平板，板材厚度为5～20mm，摇臂上两孔距离为20～50mm，摇臂上的两孔与摇臂边缘的距离为5～20mm。
所述的连接臂板材厚度为5～20mm，相互垂直的两组安装孔之间距离为20～50mm，安装孔到连接臂边缘的距离为5～20mm。
所述的橡胶抗冲击器橡胶体长度为50～150mm，宽度为30～70mm，厚度为20～40mm，其截面轮廓是1～5个长方形或者腰型形状。
本发明的优点是：提出了一种使用橡胶弹性元件作为抗冲击缓冲器，平行四边形无角位移平台作为限制角位移机构的抗冲击平台。平行四边形无转角平台结构简单，橡胶抗冲击胶块硫化工艺成熟已经大量使用于各型设备上，同时橡胶材料的非线性特征，因此可靠性高。由于缓冲胶块中使用倾斜金属块分解了冲击能量因而可以实现大冲击载荷下的缓冲。具体体现在：
1、与无转角减振平台相比无转角抗冲击平台由于使用了含有倾斜金属块的抗冲击胶块因此可以承受更加严酷的冲击载荷，同时使用拉伸后永久变形小的橡胶材料从而冲击载荷之后平台有较高的恢复精度。
2、橡胶抗冲击胶块由于其耐霉菌、盐雾以及湿热的特点因此便于维护，可以适用于多种环境类型，由于橡胶材料的密度明显小于金属材料的密度，因此与弹簧构成的抗冲击器相比较，其自重低，成本更加低廉。
3、橡胶抗冲击胶块，在长期使用过程中即使橡胶胶块出现疲劳，其断裂形式也是逐渐断裂，十分便于发现，且断裂后依然有一定的缓冲效果，因此可靠性高。
4、橡胶抗冲击胶块由于其强烈的非线性力学特征，在小冲击载荷的条件下有一定的缓冲效果，同时即使在严重超出载荷范围条件下，抗冲击胶块也不会如同弹簧一般发生屈服，而是表现出更高的模量，逐渐限制了可动部件的位移，从而尽量防止系统内部碰撞的发生，从而最大程度上达到了保护设备的目的。
5、平行四边形无角位移结构只含有少量转动副，结构相对于其他无角位移结构，特别是含有滑轨结构的无角位移结构简单很多，因此可靠性较高，在大载荷、长时间使用过程中发生损坏的可能性更低。同时这种平行四边形结构运动的过程中产生的位移较大可以在冲击的过程中较大程度上利用橡胶块的变形从而吸收冲击能量，达到缓冲的目的。
6、平行四边形无角位移平台可以有效地限制由于受力状况不一致从而造成的各个抗冲击橡胶块变形的不一致的情况发生，保证了每个缓冲橡胶块最大程度发挥吸收能量缓冲的目的，同时由于限制了上安装平台的转动从而可以为惯性导航设备这种对角位移十分敏感的设备提供缓冲。
附图说明
图1无转角抗冲击平台优选方案轴侧示意图；
图2平行四边形框架轴侧示意图；
图3下安装板轴侧示意图；
图4缓冲胶块轴侧示意图；
图5摇臂轴侧示意图；
图6连接臂轴侧示意图；
图7上安装板轴侧示意图。
具体实施方式
下面结合附图1～7对本发明作进一步详细说明.
本发明三自由度无角位移抗冲击平台优选实施例的应用对象是车载惯性导航系统，根据图1所示，它由平行四边形无角位移装置1以及抗冲击橡胶块2共同构成。
根据图2所示，平行四边形无角位移装置包括一个下安装板，八个摇臂4，四个连接臂5以及一个上安装板6。其中下安装板3起到承载整个抗冲击平台的作用。下安装板3中八个孔7首先和四个摇臂中的孔13相互连接，在安装过程中需要保证摇臂之间相互平行，从而可知由这四个摇臂的上安装孔14所构成的平面为一个与下安装板3相互平行的平面。之后再在这四个摇臂的孔14与四个连接臂的孔15一一相连，安装过程中需要保证这四个连接臂与下底板垂直，以此保证这四个连接臂的上安装孔16所构成的平面与下安装板之间相互平行。再将另外四个的摇臂的孔13与这四个连接臂5的孔16相互连接，这四个摇臂4同样需要相互平行，这样就可以保证上安装板6与下安装板3之间相互平行。最后将上安装板上的四个孔17与最上层四个摇臂4的孔14一一对应相互连接。这种平行四边形无角位移装置中的连接均使用螺栓加以铰接，以保证各个部件均可以绕相应的连接轴转动。
根据图4所示抗冲击橡胶块由两块连接用金属块10以及橡胶体11共同构成。其中连接用金属块起到了将橡胶块与平行四边形无角位移装置连接的目的，同时其角度可以调节从而在结构上调整系统的刚度以满足不同负载条件下的抗冲击要求。橡胶块在冲击过程中主要起到吸收能量以及缓慢释放能量的作用，同时可以通过调节橡胶的配方改变橡胶块的硬度从而改变抗冲击平台的刚度，以满足不同负载条件下的抗冲击要求。连接用金属块和橡胶体之间采用共同硫化的方式进行粘接，从而达到较好的强度以及较低的施工难度。
平行四边形无角位移装置与抗冲击橡胶块之间的连接使用M6的螺钉相互连接。由下安装板上的六个孔8与两个抗冲击橡胶块上的六个孔12一一对应连接，同时上安装板上的六个孔18与这两个抗冲击胶块上另一面的六个孔12一一对应连接。从而构成了三自由度无角位移抗冲击平台。
整个抗冲击平台的固定方式为：下安装板上的四个孔3采用M10的螺钉将抗冲击平台与载具相互连接。
整个系统与被缓冲设备的连接方式为：利用上安装板上的四个孔14使用M6的螺钉将惯导设备与抗冲击平台相互连接。
下面结合优选实施例叙述本发明的作用原理。
根据图1所示，在应用本发明优选实施例时，将下安装板与载具通过螺钉连接，将惯性导航设备使用螺钉安装在上安装板上。假设在X方向存在一个扰动的条件下，由于与上安装板相连接的四个摇臂在这一方向上均被固定，因此无运动产生。与下安装板相互连接的四个摇臂在这一扰动下则会绕着铰接轴产生转动，由于这四个摇臂初始位置相互平行且长度相等，因此保证了连接臂所在平面与下安装板之间始终保持平行，也就保证了上安装板与下安装板之间始终平行，也就是说X方向的冲击力无法造成设备的角位移。Y轴方向的情况与X轴方向的情况类似，只是在Y轴方向上与下安装板相互连接的摇臂无运动，而与上安装板连接的摇臂将起到限制移动方式的作用。在Z轴方向上存在一个扰动的条件下，八个摇臂都将参与运动，然而由于下方四个摇臂相互平行，同时上方四个摇臂也相互平行，这就使得上下安装板分别平行于连接臂所在的平面，因此上下安装板便始终相互平行。由以上分析可以得出这一抗冲击在相互正交的三个方向中的任意方向受到冲击载荷时均能保证上安装板以及固定在其上的惯导设备始终处于水平状态也就是不发生角位移，同时在这一过程中由于橡胶体发生变形，从而存储了部分冲击能量，这便起到了缓冲的目的。发挥了保护惯导这类精密设备的作用。
三自由度无转角抗冲击平台包括一个下安装平台，一个上安装平台，四组连杆以及2～4个抗冲击橡胶块。
所述的下安装平台主体为一个基板，其上可以存在为减轻自重而加工的镂空，基板上包括四个及以上的安装孔以便于将整个抗冲击平台和其它基座连接，同时包含有四个转动副座以便与连杆连接，以及与2～4个抗冲击块相连接的通孔。
所述的上安装平台主体也为一基板，其上可以存在为减轻自重而加工的镂空，同时存在有四个及以上的安装孔以便与需要进行抗冲击保护的设备进行连接，此外其上包含有四个转动副座以便与连杆连接，最后存在有可以与2～4个橡胶块相连接的安装孔。
所述的每个连杆包括有两个摇臂以及一个连接臂，主要起到限制角位移以及连接上下安装板的目的，这些连杆在安装完成后应该呈现出8组不为矩形的平行四边形。
所述抗冲击橡胶块主要起到吸收冲击能量的目的，其由两块连接用金属块以及橡胶体共同硫化构成。其中橡胶体材料种类可以是天然橡胶，丁基橡胶，乙丙橡胶或者硅橡胶等弹性体材料，但要求橡胶的撕裂强度大于等于20kN/m，邵氏A硬度在20到80度之间，且满足抗盐雾、霉菌、湿热等环境试验要求，同时橡胶块在经过冲击后任意方向上的永久变形小于5％，从而保证抗冲击器在每次冲击之后尽可能恢复到初始状态。金属块为柱状，截面为直角三角形，金属块的安装面包含有与上下底板连接的螺纹孔，且倾斜面与安装面之间夹角为30到60度。
组装过程中首先将下安装板上的四个转动副与四个摇臂相互铰接，在安装过程中需要保证摇臂之间相互平行。之后再在这四个摇臂与四个连接臂一一相连，安装过程中需要保证这四个连接臂与下底板垂直。再将另外四个的摇臂与这四个连接臂相互铰接，这四个摇臂同样需要相互平行。之后将上安装板上的四个转动副座与最上层四个摇臂一一对应相互连接。这时上下安装板与2～4个抗冲击橡胶块之间使用螺钉相互连接，最终构成了三自由度无角位移抗冲击平台。
整个抗冲击平台的固定方式为：利用下安装板上的4～8个安装孔使用螺钉将抗冲击平台与载具相互连接。
整个系统与被缓冲设备的连接方式为：利用上安装板上的4～8个安装孔使用螺钉将惯导设备与抗冲击平台相互连接。
Claims (7)
1.一种三自由度无角位移抗冲击平台，其特征在于：三自由度无角位移抗冲击平台包括一种平行四边形无角位移装置以及抗冲击橡胶块，平行四边形无角位移装置，包括有一个含有4个转动副座的下安装板，八个摇臂，四个连接臂，以及一个含有转动副座的上安装板，下安装板上的4个转动副座分别置于下安装板的四个顶点上，上安装板上的4个转动副座的位置与下安装板上的4个转动副座的位置相对应，其中四个摇臂铰接于下安装板的转动副座上，另外四个摇臂铰接于上安装板的转动副座上，连接于上、下安装板上相对应位置上的两个摇臂之间分别通过连接臂进行铰接；上、下安装板之间保持相互平行，下安装板上的四个摇臂之间保持相互平行，上安装板上的四个摇臂之间保持相互平行，连接臂垂直于下安装板；
抗冲击橡胶块由两块金属块以及橡胶体共同硫化构成，两块金属块用螺钉分别固定在上、下安装板上，金属块为柱状，截面为直角三角形。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度无角位移抗冲击平台，其特征在于：所述的抗冲击橡胶块橡胶体材料的撕裂强度大于等于20kN/m，邵氏A硬度在20到80度之间，同时橡胶块在经过冲击后任意方向上的永久变形小于5％。
3.根据权利要求1所述的一种三自由度无角位移抗冲击平台，其特征在于：所述的金属块截面的斜边与安装面之间夹角为30到60度。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度无角位移抗冲击平台，其特征在于：所述的转动副座上的安装孔距离转动副座的边缘为5～20mm。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度无角位移抗冲击平台，其特征在于：所述的上安装板和下安装板，均为镂空结构，镂空腔体距离安装板边缘20～50mm，镂空腔体之间距离为20～50mm。
6.根据权利要求1所述的一种三自由度无角位移抗冲击平台，其特征在于，所述的摇臂为两端含有两孔的平板，板材厚度为5～20mm，摇臂上两孔距离为20～50mm，摇臂上的两孔与摇臂边缘的距离为5～20mm。
7.根据权利要求1所述的一种三自由度无角位移抗冲击平台，其特征在于，所述的连接臂板材厚度为5～20mm，相互垂直的两组安装孔之间距离为20～50mm，安装孔到连接臂边缘的距离为5～20mm。
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