CN109732548A - 一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，属于机械测试、试验装置领域。本发明基于一种平面六杆机构的史蒂文逊结构链的连杆构型实现了平台从水平状态到大倾角倾斜状态的转动。本发明中由电机及减速器带动丝杠，使装有螺母的推进台在导轨上前后运动，推进台作为平面六杆机构中的滑块，带动六杆机构运动，使固定在六杆机构上的工作台发生大倾角倾斜转动。本发明克服了传统液压倾斜平台精度低，倾角范围小或转动机构复杂的缺点，也克服了传统曲柄滑块机构倾斜平台滑块所需推力随平台倾角变化剧烈，倾斜角小时推力大的缺点。本发明具有工作台承载能力大，滑块所需推力随平台倾角变化平缓，倾角定位精度高等优点，便于在相关领域中应用。

Description

一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台

技术领域

本发明属于机械测试设备、试验装置的技术领域，尤其涉及一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，其通过一种平面六杆机构的史蒂文逊结构链的连杆构型实现平台从水平状态到大倾角倾斜状态的转动。

背景技术

在机械测试设备研制中，常常需要可从水平状态变化到倾斜状态的工作平台，如：在测试汽车质心高度时，需要工作平台上固定有测力台承载汽车，通过工作平台按给定角度倾斜，采集测力数据以计算出质心高度；在地学领域对地震计进行静态标定时，需要可从水平精确变化到特定倾斜角的工作平台承载仪器；在足类机器人行走能力测试中，需要工作平台按规定要求倾斜变化，以对各种地形状况进行模拟等。在这些应用场合中，根据使用需求会对倾斜平台提出特殊要求，如：倾斜角度很大(特别是60°及以上)、承载能力强、可在角度变化范围内在任意角度锁紧、倾斜角度定位精确、任意倾斜角度与时间的函数均可实现、使用过程中洁净度高、无污染等。

为了满足上述倾斜角度很大等应用需求，现有几种类型的技术实现方案。

在申请号为201610318893.3的中国发明专利中公开了一种双自由度倾斜平台行走体验装置及其控制方法。在实现其行走平台在30°范围内纵倾的结构中，使用了固定在支撑框架垂直方向的液压缸作为垂直方向运动的原动件，带动液压杆活动端的链轮，通过链轮上下运动，驱动固定长度的一端固定在支撑框架上的链条的另一端上下运动，通过整体装置的相互垂直的平面双滑块机构将链条活动端固定在行走平台的一端，从而带动行走平台实现倾斜运动。这种结构的优点是，利用滑轮费力省距离的特性，使链条的活动端位移始终为液压杆位移的两倍，在液压缸工作行程不变的情况下，增大了行走平台倾斜角度的变化范围。类似的液压杆-滑轮结构多见于叉车举升架。但是由于液压传动本身的缺点，装置结构复杂，液压杆行程定位精度不高，造价贵且容易造成液压油泄露。另外，相互垂直的平面双滑块机构的两滑块分别铰接在行走平台两端，对行走平台的定位造成困难，不容易保证倾斜角度的定位精度。

在“刘长征.中型起竖装置的研究与仿真[D].华中科技大学,2007.”中列举了常见的液压式倾斜平台结构。在其中的一些液压式的倾斜平台结构中，为了解决液压杆工作行程过短导致的倾斜平台倾角过小的问题，添加了一些机械连杆结构进行辅助，达到了工作平台倾斜角度很大的目的，但是结构复杂，机构运动范围大，不易实现在平台角度变化范围内高精度定位和锁紧的要求，另外也没有克服前述液压传动的缺点。在“张胜三.导弹发射车起竖机构分析[J].导弹与航天运载技术,1996(01):16-26.”中采用的双液压缸起竖结构中，也存在着类似的问题。

如果在曲柄滑块机构的曲柄或连杆上固定工作台，滑块前进后退作为机构的动力输入，在进行优化设计后会发现，如果保证了工作平台倾斜角度很大的条件(如60°及以上)，则装置本身占地空间和未倾斜时的装置原始高度也容易变得很大。为避免这种情况发生，只能将工作平台一部分与对应连杆固定，另一部分为悬臂梁，以减小装置本身尺寸，但是这样工作台承载刚度将减小。另外经计算可以发现，随着工作平台角度从零开始不断增大，滑块所需初始推动力很大，但在倾斜角增大过程中，所需推动力迅速减小。这样的情况造成两个问题：1、由于初始推动力很大，则动力设备的最大载荷需要选择得很大。2、在倾斜角增大过程中，所需推动力从很大迅速减小，推动力的巨大波动不利于工作平台角度的精确控制。

发明内容

为了主要解决倾斜平台倾角很大(如60°及以上)的设计要求，同时克服上述技术方案的缺点，本发明提供了一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台。

本发明采用的技术方案为：一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，主要由工作台面12，平面六杆机构，直线驱动装置和底座6组成；

所述平面六杆机构，包括连杆A 1、连杆B 2、连杆C 7、连杆D 8、推进台3、直线导轨5及支撑座9；除推进台3外，各部件数量均为2个，对称平行布置在底座6上；

电机及减速器10、直线导轨5和轴承座4均固定在底座6上，电机及减速器10的输出轴、丝杠11、推进台3中固定的丝杠螺母和轴承座4中固定的轴承的轴线共线且与直线导轨5平行，电机及减速器10的输出轴与丝杠11联结，丝杠11与轴承座4中固定的轴承联结，丝杠11与推进台3中固定的丝杠螺母相配合。

本发明中所述直线驱动装置可采用滑动螺旋传动实现，包括推进台3、丝杠11、轴承座4、直线导轨5和电机及减速器10；其中，电机及减速器10、直线导轨5和轴承座4均固定在底座6上，电机及减速器10的输出轴、丝杠11、推进台3中固定的丝杠螺母和轴承座4中固定的轴承的轴线共线且与直线导轨5平行，电机及减速器10的输出轴与丝杠11联结，丝杠11与轴承座4中固定的轴承联结，丝杠11与推进台3中固定的丝杠螺母相配合，通过控制电机的转动，使丝杠11绕固定轴线旋转，带动固定有丝杠螺母的推进台3沿直线导轨5前进后退从而使平面六杆机构运动，固定在连杆A1上的工作台12发生相应角度的倾斜。

在控制工作台12实现任意倾斜角度与时间的函数关系时通过控制电机及减速器中电机输出轴的转角与时间的函数关系，可以间接控制工作台12随时间的位置与转角关系。

本发明优选方式中还包括直线驱动装置可由滚动螺旋，直线电机，液压气动等任意的直线传动方式实现。相应锁紧方式和控制方式均与上述滑动螺旋传动方式类似，通过锁紧平面六杆机构的滑块位置，使工作台固定在目标倾角。控制工作台实现任意倾斜角度与时间的函数关系时也是通过控制平面六杆机构的滑块位置来间接实现。

本发明的有益效果：

1、采用这种平面六杆机构的连杆构型，经过机构尺度综合后，很容易实现工作台倾斜角度很大的设计需求，甚至倾斜角度可大于90°。

2、从使工作台倾斜的支撑方式来看，本发明通过推进台3同时推动连杆C 7带动连杆D8转动、拉动连杆B 2使工作台发生倾斜，与使用驱动原件直接推动工作台倾斜的方式相比大大减小了所需的驱动力。因为使用推进台3通过连杆C 7带动连杆D 8转动并没有将动力直接用于推动工作台发生倾斜，而是类似于肘杆机构将工作台的主要负荷通过连杆D 8直接传到底座，动力用于改变连杆D 8的倾角，节省了动力。与其他采用侧面推进连杆偏摆而带动工作台倾斜的结构相比，采用本发明的连杆构型，可使工作台水平时，推进台3与连杆C 7、连杆C 7与连杆D 8的传动角很大(可接近90°)，避免了出现使工作台开始倾斜时所需滑块动力过大、动力随工作台倾角变化波动大的缺点。另外工作台载荷通过连杆C 7、连杆B 2传递到推进台上，纵向的载荷由支承推进台3的导轨承担，横向的载荷由于方向相反而相互抵消一部分，也节省了推进台3运动所需的动力和动力随工作台12倾角变化的波动范围。减小了动力和动力随工作台12倾角变化的波动范围，有利于实现工作台12倾角的高精度控制，提高倾角定位精度，减小工作台12在任意角度所需锁紧力的大小，提高了承载能力。

3、从工作台及其固定的连杆结构变形的角度看，工作台固定的连杆由下方其他连杆支撑，相对于工作台长度方向，支承点位于工作台两端靠里位置，在工作台和其相固定的连杆结构保持不变的条件下，工作台承载能力大于支承点在工作台两端位置或一个支承点在工作台端点，另一个支承点在工作台内部的位置的情况。而且以提高工作台及其固定的连杆结构刚度为设计目标，在已知载荷情况的条件下，经机构尺度综合，容易选择工作台固定的连杆下方两支承点相对于工作台长度方向的位置，使刚度最大，提高了工作台承载能力。

4、从工作台载荷的去向来看，大部分载荷直接由连杆传递到底座及与底座固定的直线导轨上，大大提高了工作台的承载能力。同时直线驱动装置由于有直线导轨承载不会受到垂直于驱动方向的载荷，提高了传动精度，继而提高了工作台倾角的定位精度。

5、本发明通过对固定直线导轨上的滑块位置的控制，达到控制工作台倾角的目的，简化了后续控制方法的设计难度。

附图说明

图1是本发明一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台的总体结构示意图。

图2是本发明另一视角的总体结构示意图。

图3为本发明平面六杆机构的一种机构运动简图表示的倾斜平台三种位姿。

以上附图中使用的标记如下：1-连杆A，2-连杆B，3-推进台，4-轴承座，5-直线导轨，6-底座，7-连杆C，8-连杆D，9-支撑座，10-电机及减速器，11-丝杠，12-工作台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，主要由工作台面12，平面六杆机构，直线驱动装置和底座6组成；

所述平面六杆机构，包括连杆A1、连杆B 2、连杆C 7、连杆D 8、推进台3、直线导轨5及支撑座9；除推进台3外，各部件数量均为2个，对称平行布置在底座6上；连杆A 1分别与连杆B 2一端和连杆D 8一端组成平面转动副，连杆D 8中部和另一端分别与连杆C 7一端和支撑座9组成平面转动副，连杆B 2另一端和连杆C 7另一端分别与推进台3组成平面转动副，推进台3和直线导轨5组成平面移动副，直线导轨5和支撑座9均固定在底座6上；推进台3是这个平面六杆机构运动的输入构件，连杆A 1是这个平面六杆机构运动的输出构件。

电机及减速器10、直线导轨5和轴承座4均固定在底座6上，电机及减速器10的输出轴、丝杠11、推进台3中固定的丝杠螺母和轴承座4中固定的轴承的轴线共线且与直线导轨5平行，电机及减速器10的输出轴与丝杠11联结，丝杠11与轴承座4中固定的轴承联结，丝杠11与推进台3中固定的丝杠螺母相配合。

本发明中所述直线驱动装置可采用滑动螺旋传动实现，包括推进台3、丝杠11、轴承座4、直线导轨5和电机及减速器10；其中，电机及减速器10、直线导轨5和轴承座4均固定在底座6上，电机及减速器10的输出轴、丝杠11、推进台3中固定的丝杠螺母和轴承座4中固定的轴承的轴线共线且与直线导轨5平行，电机及减速器10的输出轴与丝杠11联结，丝杠11与轴承座4中固定的轴承联结，丝杠11与推进台3中固定的丝杠螺母相配合，通过控制电机的转动，使丝杠11绕固定轴线旋转，带动固定有丝杠螺母的推进台3沿直线导轨5前进后退从而使平面六杆机构运动，固定在连杆A 1上的工作台12发生相应角度的倾斜。丝杠选型时，选择丝杠的摩擦角大于螺旋升角，可实现自锁，使工作台12转动到目标倾角后，在电机停机，工作台12位置锁紧、倾角保持不变。

在控制工作台12实现任意倾斜角度与时间的函数关系时通过控制电机及减速器中电机输出轴的转角与时间的函数关系，可以间接控制工作台12随时间的位置与转角关系。

本发明中采用的平面六杆机构的连杆构型，可根据具体的设计需求，经机构尺度综合调整各构件的尺寸及构件相对位置，但要保证不会发生机构干涉。各连杆连接的空间叠放顺序或具体结构型式也可依据需要进行调整。

本发明可由本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下作出若干修改，但所作的修改仍是在本申请的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，其特征在于，主要由工作台面(12)，平面六杆机构，直线驱动装置和底座(6)组成，其中：

所述平面六杆机构，包括连杆A(1)、连杆B(2)、连杆C(7)、连杆D(8)、推进台(3)、直线导轨(5)及支撑座(9)；连杆A(1)、连杆B(2)、连杆C(7)、连杆D(8)、直线导轨(5)及支撑座(9)数量均为2个，且对称平行布置在底座(6)上，推进台数量为1个；

所述直线驱动装置，包括推进台(3)、丝杠(11)、轴承座(4)和电机及减速器(10)；推进台(3)中固定有丝杠螺母，与丝杠(11)相配合；丝杠(11)两端分别安装固定有轴承的轴承座(4)和电机及减速器(10)。

2.根据权利要求1所述的一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，其特征在于，连杆A(1)分别与连杆B(2)一端和连杆D(8)一端组成平面转动副，连杆D(8)中部和另一端分别与连杆C(7)一端和支撑座(9)组成平面转动副，连杆B(2)另一端和连杆C(7)另一端分别与推进台(3)组成平面转动副，推进台(3)和直线导轨(5)组成平面移动副，直线导轨(5)和支撑座(9)均固定在底座(6)上；推进台(3)是这个平面六杆机构运动的输入构件，连杆A(1)是这个平面六杆机构运动的输出构件。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，其特征在于，电机及减速器(10)、直线导轨(5)和轴承座(4)均固定在底座(6)上，电机及减速器(10)的输出轴、丝杠(11)、推进台(3)中固定的丝杠螺母和轴承座(4)中固定的轴承的轴线共线且与直线导轨(5)平行，电机及减速器(10)的输出轴与丝杠(11)联结，丝杠(11)与轴承座(4)中固定的轴承联结，丝杠(11)与推进台(3)中固定的丝杠螺母相配合。

4.根据权利要求1所述的一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，其特征在于，丝杠(11)的摩擦角大于螺旋升角，可实现自锁，使工作台(12)发生目标角度的倾斜后，当电机及减速器(10)中电机停机后，工作台(12)位置锁紧不变。

5.根据权利要求4所述的一种基于六杆机构的大倾角倾斜平台，其特征在于，通过控制电机及减速器(10)中电机输出轴的转角与时间的函数关系，可以控制工作台(12)随时间的位置与转角。