CN106970658A - 一种用于运动补偿的三自由度并联机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于运动补偿的三自由度并联机构，包括上平台及运动补偿装置，其特点是：运动补偿装置包括3个驱动分支、2个限位分支及机架，3个驱动分支和2个限位分支分别与上平台底面和机架连接，3个所述驱动分支结构相同，每个驱动分支上下的连接端均有三个自由度，驱动分支上安装有直线驱动系统，直线驱动系统中包括直线驱动装置和直线驱动装置伸缩的伺服阀。2个限位分支均由限位缸和球铰组成，2个限位分支的上端均通过球铰与上平台的中间底面铰接，1个限位分支的限位缸通过转动轴与机架连接，可在上平台的中间平面上绕转动轴旋转，另一个限位分支的限位缸固定在机架上。其结构简单、紧凑、造价较低，且使用便捷。

Description

一种用于运动补偿的三自由度并联机构
技术领域
本发明属于浮式海洋平台装置制造技术领域，具体说是一种用于运动补偿的三自由度并联机构。
背景技术
随着我国海洋石油事业的发展，大量浮式海洋平台装置被应用于海洋石油开发的各个过程，如半潜钻井平台、钻井船、FPSO等。上述海洋平台在海洋环境的荷载下会产生六个自由度的复杂运动，对平台上的设备和人员产生复杂影响，对相关平台上作业带来安全隐患。平台上安装运动补偿装置是解决该问题的有效方案。目前，运动补偿装置主要采用的是六自由度的补偿机构，但是六自由度的并联机构具有控制复杂，成本高，占地空间较大等缺点，不利于运动补偿装置的设计，并且实际海洋平台的主要运动来自于横摇、纵摇和垂荡三个方向，因此，为了克服六自由度并联机构应用于海洋运动补偿装置的不足，亟待设计一种少自由度的并联机构，能够满足浮式海洋平台装置运动补偿的要求。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种用于运动补偿的三自由度并联机构，其结构简单、紧凑、造价较低，且使用便捷。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于运动补偿的三自由度并联机构，包括上平台及运动补偿装置，其特征在于，所述运动补偿装置包括3个驱动分支、2个限位分支及机架，所述上平台底面与3个所述驱动分支和2个限位分支连接，3个所述驱动分支和2个所述限位分支均与所述机架连接，3个所述驱动分支结构相同，其中，2个所述驱动分支为关于所述上平台的中间平面对称分布，且运动平面平行，另一个所述驱动分支与所述上平台的中间平面重合，每个所述驱动分支上下的连接端均有三个自由度，所述驱动分支上安装有直线驱动系统，所述直线驱动系统包括直线驱动装置和控制所述直线驱动装置伸缩的伺服阀；2个所述限位分支均由限位缸和球铰组成，2个所述限位分支的上端均通过球铰与所述上平台的中间底面铰接，其中，1个所述限位分支的限位缸通过转动轴与所述机架连接，可在上平台的中间平面上绕转动轴旋转，另一个所述限位分支的限位缸固定在所述机架上。
对上述技术方案的改进：所述机架上固定有等边三角形分布的3个驱动分支下基座，所述的上平台底面上设置3个驱动分支上基座，所述3个驱动分支上基座与所述机架上的3个驱动分支下基座的位置上下一一对应，每个所述驱动分支上下两端分别通过关节轴承与对应的驱动分支上基座和驱动分支下基座连接。
对上述技术方案的进一步改进：所述机架包括与所述上平台平行的底框架和竖直固定在所述底框架中部的立式框架，所述立式框架由两根立柱和一条顶板构成，所述顶板纵向水平设置在两根所述立柱的上端，所述顶板上设置限位缸座、限位缸孔，所述的上平台底面上固定有两个限位分支基座，两个所述限位分支基座分别与下方的所述限位缸座及限位缸孔的位置上下对应，1个所述限位分支的限位缸通过转动轴与所述顶板上的限位缸孔活动连接，另一个所述限位分支的限位缸固定在所述顶板的限位缸座上，2个所述限位分支上端均通过球铰与所述的上平台底面对应的限位分支基座铰接。
对上述技术方案的进一步改进：3个所述驱动分支下基座分别设置在所述底框架的左右边框及前边框上。
对上述技术方案的进一步改进：所述直线驱动系统由轴套、液压杆、液压缸体、液压缸底座、伺服阀及电转换器组成，由电转换器接收来自PLC补偿系统的电信号并传输给伺服阀，并由伺服阀控制液压杆伸缩。
对上述技术方案的进一步改进：所述的关节轴承由基座板、关节轴承杆、销孔、关节轴承套组成，关节轴承可实现绕关节轴承杆的转动和绕着关节轴承套的转动和摆动共三个自由度的运动，其中绕着关节轴承套的转动和摆动是有限制的运动。
对上述技术方案的进一步改进：每个所述驱动分支上端分别通过固定扣及关节轴承与所述的上平台底面上对应的驱动分支上基座连接。
对上述技术方案的进一步改进：所述直线驱动装置为液压缸、气压缸或电缸。
本发明的优点和积极效果是：
（1）本发明的并联机构充分地采用了技术十分成熟的三自由度并联机构，对于三自由度并联机构的工作空间、奇异性、工作效率等的研究十分成熟，可以为本发明提供有利的理论支持和技术保障；
（2）本发明采用了三个驱动分支和两个限位分支一共五个分支，机构的刚度高，承载能力大，几何结构简单、紧凑，加工装配容易，工作空间大，由于采用了液压缸的控制，运动灵活性好，抗冲击力强；
（3）本发明采用的伺服阀控制液压缸，控制简单，性能稳定，适应性强，成本低，整个机构通过一系列的运动补偿来维持上平台一直维持水平的位置，从而达到运动补偿的目的。可以广泛用于海洋平台，船舶等进行运动补偿，有效的保障人及仪器在复杂的海洋环境中正常工作。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一种用于运动补偿的三自由度并联机构的总体结构示意图；
图2是本发明一种用于运动补偿的三自由度并联机构中的驱动执行组件示意图；
图3是本发明一种用于运动补偿的三自由度并联机构中的机架示意图；
图4是本发明一种用于运动补偿的三自由度并联机构中的关节轴承细节示意图。
图中1.上平台；2. 驱动分支上基座；3.关节轴承；3-1.基座板；3-2. 关节轴承杆；3-3. 销孔；3-4. 关节轴承套；4.驱动分支；4-1.轴套；4-2.液压缸体；4-3.液压缸底座；4-4.液压杆；4-5.伺服阀；4-6. 电转换器；5.固定扣，6.限位分支；6-1.限位缸；6-2.球铰；7.机架；7-1.立式框架；7-1-1.限位缸座；7-1-2.限位缸孔；7-2.底框架；7-2-1.驱动分支下基座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1-图4，本发明一种用于运动补偿的三自由度并联机构的实施例，包括上平台1及运动补偿装置，所述运动补偿装置包括三个驱动分支4、两个限位分支6及机架7，上平台1底面与三个驱动分支4和两个限位分支6连接，三个驱动分支4和两个限位分支6均与机架7连接。三个驱动分支4结构相同，其中，两个驱动分支4为关于上平台1的中间平面（长方形上平台1的垂直于最长边的平面）对称分布，且运动平面平行，另一个驱动分支4与上平台1的中间平面重合，每个驱动分支4上下的连接端均有三个自由度。驱动分支4上安装有直线驱动系统，上述直线驱动系统包括直线驱动装置和控制直线驱动装置伸缩的伺服阀，上述直线驱动装置为液压缸、气压缸或电缸。图1、图2所示的本实施例中，直线驱动装置为液压缸，伺服阀4-5控制液压缸伸缩。通过三个驱动分支4的伸长和缩短使得机架7虽然随着船舶或者海洋平台等做复杂的运动，但是可以保证上平台1一直维持在水平位置。两个限位分支6均由限位缸6-1和球铰6-2组成，两个限位分支6的上端均通过球铰6-2与上平台1的中间底面铰接，其中，一个限位分支6的限位缸6-1通过转动轴与机架7连接，可在上平台1的中间平面上绕转动轴旋转，另一个限位分支6的限位缸6-1固定在机架7上。这种分布方式和安装方式能够有效地限制液压缸的液压冲击带来的除纵摇、横摇、垂荡的其他运动位移，维持上平台1的稳定，限位缸6-1可以有效的保证垂荡方向的运动，同时可以有效的限制横荡和纵荡方向的运动。
具体而言：上述上平台1即工作平台采用一整块钢板切割而成长方形平板，加工简单，强度高，承载能力强，整个机构通过一系列的运动补偿来维持上平台一直维持水平的位置，从而达到运动补偿的目的。
如图1、图3所示，上述机架7上固定有等边三角形分布的3个驱动分支下基座7-2-1，在上平台1底面上设置3个驱动分支上基座2，三个驱动分支上基座2与机架7上的3个驱动分支下基座7-2-1的位置上下一一对应。每个驱动分支4上下两端分别通过固定扣5及关节轴承3与对应的驱动分支上基座2和驱动分支下基座7-2-1连接。
如图3所示，上述机架7包括与上平台1平行的底框架7-2和竖直固定在底框架7-2中部的立式框架7-1，立式框架7-1由两根立柱和一条顶板构成，顶板纵向水平设置在两根立柱的上端。整个机架7可以由钢板及方形钢焊接而成，结构简单、刚度强、容易加工，能有效的支撑整个机构的运动。
上述三个驱动分支下基座7-2-1具体位置是：分别设置在底框架7-2的左右边框及前边框上。在立式框架7-1顶板上设置限位缸座7-1-1、限位缸孔7-1-2，在上平台1底面上固定有两个限位分支基座，两个限位分支基座分别与下方的限位缸座7-1-1及限位缸孔7-1-2的位置上下对应。一个限位分支6的限位缸6-1通过转动轴与顶板上的限位缸孔7-1-2活动连接，另一个限位分支6的限位缸6-1固定在顶板是的限位缸座7-1-1上，两个限位分支6上端均通过球铰6-2与上平台1底面对应的限位分支基座铰接，这样，限位缸6-1限制艏摇的同时可以保证横摇方向的运动，限位缸6-1的转动轴能够有效的保证上平台1的纵摇方向的运动，
如图2所示，上述液压缸由轴套4-1、液压杆4-4、液压缸体4-2、液压缸底座4-3、伺服阀4-5及电转换器4-6组成，由电转换器4-6接收来自PLC补偿系统的电信号并传输给伺服阀4-5，并由伺服阀4-5控制液压杆4-4伸缩。本发明的液压缸驱动机构能够为整个机构持续稳定的提供动力，保证运动补偿机制的完整运行。
如图4所示，上述的关节轴承3由基座板3-1、关节轴承杆3-2、销孔3-3、关节轴承套3-4组成，关节轴承3可实现绕关节轴承杆3-2的转动和绕着关节轴承套3-4的转动和摆动共三个自由度的运动，其中绕着关节轴承套的转动和摆动是有限制的运动。这样能够有效的保证关节轴承3在完成既定的运动的同时，不会产生过大的偏移，保证整个系统的稳定性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于运动补偿的三自由度并联机构，包括上平台及运动补偿装置，其特征在于，所述运动补偿装置包括3个驱动分支、2个限位分支及机架，所述上平台底面与3个所述驱动分支和2个限位分支连接，3个所述驱动分支和2个所述限位分支均与所述机架连接，3个所述驱动分支结构相同，其中，2个所述驱动分支为关于所述上平台的中间平面对称分布，且运动平面平行，另一个所述驱动分支与所述上平台的中间平面重合，每个所述驱动分支上下的连接端均有三个自由度，所述驱动分支上安装有直线驱动系统，所述直线驱动系统包括直线驱动装置和控制所述直线驱动装置伸缩的伺服阀；2个所述限位分支均由限位缸和球铰组成，2个所述限位分支的上端均通过球铰与所述上平台的中间底面铰接，其中，1个所述限位分支的限位缸通过转动轴与所述机架连接，可在上平台的中间平面上绕转动轴旋转，另一个所述限位分支的限位缸固定在所述机架上。
2.按照权利要求1所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，所述机架上固定有等边三角形分布的3个驱动分支下基座，所述的上平台底面上设置3个驱动分支上基座，所述3个驱动分支上基座与所述机架上的3个驱动分支下基座的位置上下一一对应，每个所述驱动分支上下两端分别通过关节轴承与对应的驱动分支上基座和驱动分支下基座连接。
3.按照权利要求2所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，所述机架包括与所述上平台平行的底框架和竖直固定在所述底框架中部的立式框架，所述立式框架由两根立柱和一条顶板构成，所述顶板纵向水平设置在两根所述立柱的上端，所述顶板上设置限位缸座、限位缸孔，所述的上平台底面上固定有两个限位分支基座，两个所述限位分支基座分别与下方的所述限位缸座及限位缸孔的位置上下对应，1个所述限位分支的限位缸通过转动轴与所述顶板上的限位缸孔活动连接，另一个所述限位分支的限位缸固定在所述顶板的限位缸座上，2个所述限位分支上端均通过球铰与所述的上平台底面对应的限位分支基座铰接。
4.按照权利要求3所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，3个所述驱动分支下基座分别设置在所述底框架的左右边框及前边框上。
5.按照权利要求1-4任一项所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，所述液压缸驱动机构由轴套、液压杆、液压缸体、液压缸底座、伺服阀及电转换器组成，由电转换器接收来自PLC补偿系统的电信号并传输给伺服阀，并由伺服阀控制液压杆伸缩。
6.按照权利要求1-4任一项所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，所述的关节轴承由基座板、关节轴承杆、销孔、关节轴承套组成，关节轴承可实现绕关节轴承杆的转动和绕着关节轴承套的转动和摆动共三个自由度的运动，其中绕着关节轴承套的转动和摆动是有限制的运动。
7.按照权利要求5所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，所述的关节轴承由基座板、关节轴承杆、销孔、关节轴承套组成，关节轴承可实现绕关节轴承杆的转动和绕着关节轴承套的转动和摆动共三个自由度的运动，其中绕着关节轴承套的转动和摆动是有限制的运动。
8.按照权利要求2-4任一项所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，每个所述驱动分支上端分别通过固定扣及关节轴承与所述的上平台底面上对应的驱动分支上基座连接。
9.按照权利要求1-4任一项所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，所述直线驱动装置为液压缸、气压缸或电缸。
10.按照权利要求7所述的用于运动补偿的三自由度并联机构，其特征在于，所述直线驱动装置为液压缸、气压缸或电缸。
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