CN107238397B - 一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法，所述姿态模拟系统包括圆弧移动机构、上下直线移动机构、轴向横滚机构和上下摆动机构、控制装置包括系统控制箱和PC机；其中圆弧移动机构包括圆弧基座、移动小车以及与基座相连的电缆线滑轨，用于模拟弧形运动自由度；上下直线移动机构包括支撑基座、直线滑台、承载重物的滑块、电机和减速器，用于模拟上下直线运动自由度；轴向横滚机构包括横滚转动平台、第二L型支撑件和轴向横滚电缸用于模拟轴向横滚运动自由度；上下摆动机构包括上下摆动平台、第一L型支撑架、上下摆动电缸，用于模拟上下摆动自由度。本发明中的各自由度相互独立、互不干涉，可实现准确的单轴或多轴姿态模拟。

Description

一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法，属于姿态模拟技术领域。

背景技术

姿态模拟系统通常应用于模拟被试件姿态和半实物仿真领域，目前在航空、航天、兵器、船舶等国防工业领域和精密测量领域得到广泛的应用。

目前，转台在姿态模拟系统领域中应用较为广泛，技术也较为成熟。转台技术有如下的发展趋势：多自由度化、更高定位精度、负载更复杂化、速率范围进一步向低速段和高速段扩大、动态响应向宽频带扩展、伺服控制由模拟向数字控制转变等。

但转台类型较为单一，一般旋转型的居多，转台的变化也多是在原来转台的基础上进行结构上的改进，一些新形式的姿态模拟系统较少；另外，转台速度一般较低，运动范围也较小，最后，在多轴多自由度的模拟系统下，经过多力耦合后，被试件的测试精度大大降低，这就大大限制了模拟被试件姿态和半实物仿真领域的进一步发展。

发明内容

本发明旨在提供一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法，拓宽了姿态模拟系统的应用范围。

本发明提供了一种四自由度高精度姿态模拟系统，包括圆弧移动机构（1）、上下直线移动机构（2）、轴向横滚机构（3）、上下摆动机构（4）和控制装置（5），控制装置（5）包括控制箱和PC机；

所述的圆弧移动机构包括圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨组件（13），用于模拟弧形运动自由度。所述的圆弧基座（11）由直线段和圆弧段拼接而成，包括底座（111）、底板（112）、轨道（113）、齿条（114）四部分，其中底座（111）由直线段底座和圆弧段底座拼接而成，底板（112）由直线段和圆弧段组成，平铺在底座上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分为外轨道和内轨道，分别安装在底板的内侧和外侧；齿条（114）安装在外轨道和内轨道的中间，为移动小车（12）的圆弧移动提供力矩传递支撑；移动小车（12）包括驱动电机及减速器（121）、相应齿轮传动机构（122）、承载重物的移动平台（123，下称移动平台）；电缆线滑轨组件（13）包括电缆轨道支撑杆（131）、连接件（132）、直线段与圆弧段滑轨（133）；

所述的上下直线移动机构（2）与圆弧移动机构（1）垂直安装，包括支撑基座（21）、直线滑台（22）、承载重物的滑块（23，下称滑块）、电机和减速器（24）四部分，用于模拟上下直线运动自由度。所述的支撑基座（21）固定在移动小车（12）的移动平台（123）上；所述的直线滑台（22）安装在支撑基座（21）的侧面，与所述的圆弧基座（11）垂直；所述的电机和减速器（24）安装在直线滑台（22）的顶部；直线滑台（22）带动滑块（23）在竖直方向上移动；

所述的上下摆动机构（4）包括上下摆动平台（41）、第一L型支撑架（42）、上下摆动电缸（43）三部分，用于模拟上下摆动自由度。所述第一L型支撑架（42）安装于上下直线移动机构的滑块（23）上，在该支撑件上分别安装上下摆动电缸（43）和上下摆动平台（41），其中上下摆动平台（41）受上下摆动电缸驱动（43）实现上下摆动自由度的模拟。

所述的轴向横滚机构（3）包括横滚转动平台（31）、第二L型支撑件（32）和轴向横滚电缸（33），其中第二L型支撑件（32）安装于上下摆动平台（41）上，轴向横滚电缸（33）和横滚转动平台（31）分别安装于第二L型支撑件（32）上，用于模拟轴向横滚自由度。喇叭口型被试件（６）安装在横滚转动平台（31）上。在测试过程中，圆弧轨道的圆心处放有标准测试仪器，喇叭口型被试件始终朝向标准测量仪器，以便于测试其性能。

本发明中，所述底座（111）通过地脚螺栓固定在地面上；底板（112）通过内六角螺栓平铺在底座（111）上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分内轨道和外轨道，通过内六角螺栓安装在底板（112）的内侧和外侧；齿条（114）通过内六角螺栓安装在内轨道和外轨道的中间；电缆线滑轨组件（13）的电缆轨道支撑杆（131）一端通过沉头螺栓与圆弧基座（11）的侧面连接，另一端与圆弧段滑轨（133）焊接，构成了电缆线移动的轨道。

所述的圆弧基座（11）是由两个直线段基座和六个圆弧段基座拼接而成，直线段基座在两端，圆弧段在中间，且拼成半圆形；圆弧基座的直线段为1.5m，圆弧段组成的圆弧半径为3.22m。

所述的齿条（114）、和轨道（113）也分别由两个直线段和六个圆弧段拼接而成，两个直线段齿条和六个圆弧段齿条（114）安装在圆弧基座（11）的中间。为保证圆弧运动的平稳性，齿条（114）和轨道（113）的加工精度和安装精度要求较高。

上述发明中，所述移动小车（12）的驱动电机通过内六角螺栓与减速器相连；减速器通过内六角螺栓与移动平台（123）连接。

上述发明中，所述的移动小车（12）下方为齿轮传动机构（122），包括主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮为双联齿轮，主动齿轮与双联齿轮上方啮合，双联齿轮下方与齿条啮合，动力由安装在移动平台（123）上的驱动电机及减速器（121）提供。

根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述支撑基座（21）竖直方向设有若干个孔，直线滑台（22）背面开有两排孔，直线滑台（22）通过螺栓与支撑基座（21）侧面连接，直线滑台（22）内部采用同步带与电机和减速器（24）连接，完成运动传递，从而带动滑块（23）在竖直方向上移动；

本发明提供了一种四自由度高精度姿态模拟方法，包括以下步骤：

Ⅰ各机构寻找零点：刚上电后，系统自动驱动各机构寻找零点。其中圆弧移动机构（1）和上下直线移动机构（2）采用限位开关寻找零点。其寻找零点过程分为两步，第一步驱动相应机构移动到限位开关处，触发限位开关信号，使机构停止运行；第二步再缓慢反向运行，当刚好使限位开关信号消失时，停止运动，此时即为对应机构零点。轴向横滚机构（3）和上下摆动机构(４)则通过机械挡块阻止相应机构运动的方式寻找零点，其过程为横滚机构（3）和上下摆动机构(４)沿坐标反方向运动，当遇到机械挡块时，对应机构的驱动器会有大的电流跳变，从而将机械挡块处作为相应机构的零点。

Ⅱ若各自由度已在零点，可开始测试环节，设定各自由度的运行参数，驱动各自由度运动；

Ⅲ因圆弧移动自由度分为直线段和圆弧段，故圆弧移动过程中，传感器实时监测并反馈，当运行在直线段时调用直线段的程序，当运行在圆弧段时调用圆弧段的程序；实时判断各自由度是否达到所设定的距离或角度，当达到设定值后，该自由度将停止运动，测试完毕；当未达到设定值时，驱动该自由度继续运动。

本发明的原理及工况简介如下：四自由度高精度姿态模拟系统工作在密闭的实验室里，主要用于模拟喇叭口被试件（６）的姿态。所设计的姿态模拟系统由四个自由度组成，分别为圆弧移动自由度、上下直线移动自由度、轴向横滚自由度和上下摆动自由度；圆弧移动自由度由圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨（13）构成，是整个设备运行的基础；上下直线移动自由度通过支撑基座（21）与移动小车（12）连接，上下摆动自由度通过第一L型支撑架（42）与上下直线移动机构的滑块（23）连接，轴向横滚自由度通过第二L型支撑件（32）与上下摆动平台（41）连接，通过各自由度驱动电机运动，可使该设备实现单自由度运动或多自由度联动，其中多自由度联动时喇叭口被试件（６）的端面中心法线要求能够始终对准圆弧的中心，在多力耦合的情况下测试喇叭口被试件（６）的性能。本系统最终通过远程操控PC机上所开发的软件来实现姿态模拟，软件界面包含有各种运行模式、参数输入以及实时运行曲线等模块。

本发明的有益效果：

（1）所述的姿态模拟系统结构新颖，运行速度大，圆弧移动机构运行速度可达1m/s；运动范围大，圆弧移动机构直线段长度为1.5m，圆弧段半径为3.22m；

（2）整个系统包括四个自由度，分别由四个电机驱动，各自由度互不干涉，可单自由度运动，也可多自由度联动，提高了传动的灵活性；

（3）通过控制各自由度的运动，实现了手动模式、点动模式、实验模式和位置模式的测量，模拟出被试件的多种不同姿态，拓宽了其应用范围。

附图说明

图1是本发明四自由度高精度姿态模拟系统的三维结构图。

图2是本发明圆弧移动机构三维结构图。

图3是本发明上下直线移动机构的三维结构图。

图4是本发明轴向横滚机构和上下摆动机构的三维结构图。

图5是本发明模拟系统的运行范围及其坐标图。

图6是图5的俯视图。

图7是本发明高速高精度大行程姿态模拟系统测试流程图。

图中，1为圆弧移动机构，2为上下直线移动机构，3为轴向横滚机构，4为上下摆动机构，5为控制装置，6为喇叭口型被试件；11为圆弧基座、12为移动小车、13为电缆线滑轨组件，111为底座、112为底板、113为轨道、114为齿条；121为驱动电机及减速器、122为齿轮传动机构、123为移动平台；131电缆轨道支撑杆、132连接件、133直线段与圆弧段滑轨；21支撑基座、22直线滑台、23滑块、24电机和减速器；31横滚转动平台、32第二L型支撑件、33轴向横滚电缸；41上下摆动平台、42第一L型支撑架、43上下摆动电缸。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

图1为本发明四自由度高精度姿态模拟系统的三维结构图，所述姿态模拟系统包括水平放置的圆弧移动机构（１）、与圆弧移动机构（１）垂直的上下直线移动机构（２）、轴向横滚机构（３）、上下摆动机构（４）。所述的圆弧移动机构(1)如图２所示，由圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨组件（13）组成，圆弧基座（11）由直线段和圆弧段拼接而成，包括底座（111）、底板（112）、轨道（113）、齿条（114）四部分。其中底座（111）由直线段底座和圆弧段底座拼接而成，通过地脚螺栓固定在地面上；底板（112）由直线段和圆弧段组成，通过内六角螺栓平铺在底座（111）上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分为外轨道和内轨道，通过内六角螺栓安装在底板（112）的内侧和外侧，为移动小车（12）提供导向作用；齿条（114）通过内六角螺栓安装在底板（112）的中间，为移动小车（12）提供运动力矩传递；电缆线滑轨组件（13）包括电缆轨道支撑杆（131）、连接件（132）、直线段与圆弧段滑轨（133），电缆线滑轨组件的电缆轨道支撑杆（131）一端通过沉头螺栓与基座（111）的侧面连接，另一端与圆弧段滑轨（133）焊接，这就构成了电缆线移动的轨道。

所述圆弧移动机构(1)的直线段长为1.5m，圆弧段组成的圆弧半径可达3.22m，体积、重量与运行范围与其它姿态模拟系统相比均较大，这对各组成部件的加工精度和安装精度要求较高。

整个圆弧移动自由度的组成如上所述，其构成了整个姿态模拟系统各自由度移动的基础。

所述的上下直线移动机构（2）与圆弧移动机构(1)中的移动平台（123）垂直安装，如图１、３所示，所述的上下直线移动机构（2）包括支撑基座（21）、直线滑台（22）、滑块（23）、电机和减速器（24）四部分；其中支撑基座（21）通过内六角螺栓固定在移动小车（12）的移动平板（123）上，为了减重,支撑基座（21）竖直方向设有若干个孔直线滑台(22)背面开有两排孔；直线滑台(22)通过螺栓与支撑基座(21)侧面连接，直线滑台（22）内部采用同步带与电机和减速器（24）连接，完成运动传递，从而带动滑块（23）在竖直方向上移动。

所述的上下直线移动机构(2)的可移动范围为1.1m，安装过程中需保证上下直线移动机构(2)与圆弧移动机构(1)的垂直度。

如图４所述的上下摆动机构（4）包括上下摆动平台（41）、第一L型支撑架（42）、上下摆动电缸（43）三部分，用于模拟上下摆动自由度。所述第一L型支撑架（42）安装于上下直线移动机构的滑块（23）上，在该支撑件上分别安装上下摆动电缸（43）和上下摆动平台（41），其中上下摆动平台（41）受上下摆动电缸驱动（43）实现上下摆动自由度的模拟。

所述的轴向横滚机构（3）包括横滚转动平台（31）、第二L型支撑件（32）和轴向横滚电缸（33），其中第二L型支撑件（32）安装于上下摆动平台（41）上，轴向横滚电缸（33）和横滚转动平台（31）分别安装于第二L型支撑件（32）上，用于模拟轴向横滚自由度。喇叭口型被试件（６）最终安装于横滚转动平台（31）上。在测试过程中，圆弧轨道的圆心处放有标准测试仪器，喇叭口型被试件始终朝向标准测量仪器，以便于测试其性能。

所述的轴向横滚机构(3)和上下摆动机构(4)的定位精度为0.1°，轴向横滚机构(3)的运动范围为-90°至90°，上下摆动机构(4)的运动范围为-12°至12°。

所述的姿态模拟系统结构新颖，运行速度大，圆弧机构运行速度可达1m/s；通过控制各自由度的运动，可进行手动模式、点动模式、实验模式和位置模式的测量，模拟被试件的单轴运动或多轴联动。

图5、6是四自由度高精度姿态模拟系统的各自由度运动方向及部分移动范围，其中圆弧移动自由度包括2个1.5m的直线段和半径为3.22m的180度弧线段；上下垂直移动自由度在大于等于1m的弧形轨道上，可在上下垂直方向移动1.1m；横滚及上下摆动自由度则可依图5、6所示运动方向进行动作。各自由度在运行时遵循图５和图６所示坐标方向，其中圆弧移动时以图６所示圆弧零点为起始坐标位置，以B点为结束坐标位置。任一位置点的坐标值为起始坐标位置到该点的总长度值。如图６中，A和B点的坐标分别满足以下公式：

上式中，1500mm为直线段长度，3220mm为圆弧段半径，A的值为圆弧零点到A点处的总长度，B的值为圆弧零点到B点处的总长度。

如图7所示，本发明的测试流程图，其具体操作如下：

首先，设备上电，观察设备的位置是否在零点；不在零点需驱动各自电机使设备归零，归零时四自由度一起运动，其中，圆弧移动和上下直线移动都有限位开关，其寻找零点过程分为两步，第一步驱动相应机构移动到限位开关处，触发限位开关信号，使机构停止运行；第二步再缓慢反向运行，当刚好使限位开关信号消失时，停止运动，此时即为对应机构零点。轴向横滚机构（3）和上下摆动机构(４)则通过机械挡块阻止相应机构运动的方式寻找零点，其过程为横滚机构（3）和上下摆动机构(４)沿坐标反方向运动，当遇到机械挡块时，对应机构的驱动器会有大的电流跳变，从而将机械挡块处作为相应机构的零点。归零后，各自由度所处位置如图５所示；若各自由度已在零点，可进入测试环节，此时设定各自由度的运行参数，驱动各自由度运动；因圆弧移动自由度分为直线段和圆弧段，故圆弧移动过程中，传感器实时监测并反馈，当运行在直线段时调用直线段的程序，当运行在圆弧段时调用圆弧段的程序；实时判断各自由度是否达到所设定的距离或角度，当达到设定值后，该自由度将停止运动，测试完毕；当未达到设定值时，驱动该自由度继续运动。

在这个过程中，被试件将会模拟出各种不同的姿态，能够完成其性能的测量。

以上所述的具体实施例，对被发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：包括圆弧移动机构（1）、上下直线移动机构（2）、轴向横滚机构（3）、上下摆动机构（4）、控制装置（5）；

所述的圆弧移动机构包括圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨组件（13），用于模拟弧形运动自由度；所述的圆弧基座（11）由直线段和圆弧段拼接而成，包括底座（111）、底板（112）、轨道（113）、齿条（114）四部分，其中底座（111）由直线段底座和圆弧段底座拼接而成，底板（112）由直线段和圆弧段组成，平铺在底座上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分为外轨道和内轨道，分别安装在底板的内侧和外侧；齿条（114）安装在外轨道和内轨道的中间，为移动小车（12）的圆弧移动提供力矩传递支撑；移动小车（12）包括驱动电机及减速器（121）、相应齿轮传动机构（122）、承载重物的移动平台（123）；电缆线滑轨组件（13）包括电缆轨道支撑杆（131）、连接件（132）、直线段与圆弧段滑轨（133）；

所述的上下直线移动机构（2）与圆弧移动机构（1）垂直安装，包括支撑基座（21）、直线滑台（22）、承载重物的滑块（23）、电机和减速器（24）四部分，用于模拟上下直线运动自由度；所述的支撑基座（21）固定在移动小车（12）的移动平台（123）上；所述的直线滑台（22）安装在支撑基座（21）的侧面，与所述的圆弧基座（11）垂直；所述的电机和减速器（24）安装在直线滑台（22）的顶部；直线滑台（22）带动滑块（23）在竖直方向上移动；

所述的上下摆动机构（4）包括上下摆动平台（41）、第一L型支撑架（42）、上下摆动电缸（43）三部分，用于模拟上下摆动自由度；所述第一L型支撑架（42）安装于上下直线移动机构的滑块（23）上，在该支撑架上分别安装上下摆动电缸（43）和上下摆动平台（41），其中上下摆动平台（41）受上下摆动电缸（43）驱动实现上下摆动自由度的模拟；

所述的轴向横滚机构（3）包括横滚转动平台（31）、第二L型支撑件（32）和轴向横滚电缸（33），其中第二L型支撑件（32）安装于上下摆动平台（41）上，轴向横滚电缸（33）和横滚转动平台（31）分别安装于第二L型支撑件（32）上，用于模拟轴向横滚自由度；喇叭口型被试件（6）安装在横滚转动平台（31）上。

2.根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述底座（111）通过地脚螺栓固定在地面上；底板（112）通过内六角螺栓紧固在底座（111）上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）通过内六角螺栓安装在底板（112）的内侧和外侧；齿条（114）通过内六角螺栓安装在轨道（113）的外轨道和内轨道的中间；电缆线滑轨组件的电缆轨道支撑杆（131）一端通过沉头螺栓与底座（111）的侧面连接，另一端与圆弧段滑轨（133）焊接，这就构成了电缆线移动的轨道。

3.根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述的圆弧基座（11）是由两个直线段基座和六个圆弧段基座拼接而成，直线段基座在两端，圆弧段在中间，且拼成半圆形；圆弧基座的直线段为1.5m，圆弧段组成的圆弧半径为3.22m。

4.根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述的齿条（114）、轨道（113）是由直线段和圆弧段拼接而成，两个直线段齿条和六个圆弧段齿条安装在轨道的中间（113）。

5.根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述支撑基座（21）竖直方向设有若干个孔，直线滑台（22）背面开有两排孔，直线滑台（22）通过螺栓与支撑基座（21）侧面连接，直线滑台（22）内部采用同步带与电机和减速器（24）连接，完成运动传递，从而带动滑块（23）在竖直方向上移动。

6.根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述的上下摆动电缸（43）通过第一L型支撑架（42）与上下摆动平台（41）连接，所述的轴向横滚电缸（33）通第二L型支撑件（32）与上下摆动平台（41）连接。

7.一种四自由度高精度姿态模拟方法，采用权利要求1~6任一项所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于，按以下步骤运行：

Ｉ.各机构寻找零点：刚上电后，系统自动驱动各机构寻找零点；其中圆弧移动机构（1）和上下直线移动机构（2）采用限位开关寻找零点；其寻找零点过程分为两步，第一步驱动相应机构移动到限位开关处，触发限位开关信号，使机构停止运行；第二步再缓慢反向运行，当刚好使限位开关信号消失时，停止运动，此时即为对应机构零点；轴向横滚机构（3）和上下摆动机构(4)则通过机械挡块阻止相应机构运动的方式寻找零点，其过程为轴向横滚机构（3）和上下摆动机构(4)沿坐标反方向运动，当遇到机械挡块时，对应机构的驱动器会有大的电流跳变，从而将机械挡块处作为相应机构的零点；

II.若各自由度已在零点，可开始测试环节，设定各自由度的运行参数，驱动各自由度运动；

III.因圆弧移动自由度分为直线段和圆弧段，故圆弧移动过程中，传感器实时监测并反馈，当运行在直线段时调用直线段的程序，当运行在圆弧段时调用圆弧段的程序；实时判断各自由度是否达到所设定的距离或角度，当达到设定值后，该自由度将停止运动，测试完毕；当未达到设定值时，驱动该自由度继续运动。