CN110398332A - 一种异面构型的六自由度振动模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及振动控制技术领域，公开了一种异面构型的六自由度振动模拟装置，包括作动器支路、上平台、下平台以及控制系统，其中作动器支路分为六条，作用是为系统提供精确可控的输出力；上平台的作用是为试件提供刚性的机械安装台面，并能通过测得的加速度信号来观测所模拟的振动信号；下平台的作用是为本系统提供稳定的安装基础；控制系统通过采集的上平台六自由度加速度信号，解算出控制信号，并输出到功率放大器进而驱动作动器输出轴向伸缩运动，推动上平台产生期望的模拟振动信号。本发明设计了一种六自由度的振动模拟系统，具有较大幅度的六自由度运动能力，可以产生最多六自由度的振动模拟信号。
Description
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，具体地涉及一种异面构型的六自由度振动模拟装置，可用于模拟精密仪器在各种环境下所受到的振动信号。
背景技术
高精度载荷、精密仪器等在执行任务中不可避免地受到来自其载运工具自身或外界的机械振动干扰，且呈现出多自由度线角振动耦合、高频与低频振动共存等特点，极大地影响了其控制精度和稳定水平，因此在实验室(内场)环境下检验设备在多自由复杂度振动干扰下的工作状态及并进行调试具有重要的工程意义。
为试件提供振动信号所用到的典型设备是振动台，目前单自由度振动台已得到广泛应用，但其仅能提供单轴平动或通过工装转接成单轴转动的振动信号，随着工程技术的进步及对振动环境认识水平的提高，单自由度的振动模拟已日益不能满足高精度载荷、精密仪器等的试验需求。目前多自由度的振动模拟设备仍少有研发成果，在各个领域更是少有实际应用。因此，研发多自由度的振动模拟装置具有重要的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对单自由度振动台难以满足多自由度振动模拟的试验需求，提出一种新型的六自由度振动模拟装置，可用于同步模拟最多六自由度的振动信号，为试件(高精度载荷、精密仪器等)提供星载、弹载、机载、舰载或车载等复杂环境下的多自由度振动激励，以检验其在复杂振动干扰环境下的稳定水平和控制精度，或进行功能性能测试与标定等。
本发明目的通过以下技术方案实现：
提供一种异面构型的六自由度振动模拟装置，包括下平台、上平台、六条作动器支路和控制系统；
所述六条作动器支路形成六自由度并联机构连接在上平台与下平台之间；
所述控制系统通过获取上平台的六自由度加速度信号，并且转换成控制信号控制六条作动器支路输出轴向运动，从而推动上平台产生期望的模拟振动信号；
其中，所述六条作动器支路中的每条作动器支路的结构相同，布局方式满足任意两条作动器支路的轴线在空间中均不相交且为两两异面直线的要求，具体如下：将六条作动器支路均匀分为两组，每组的三条作动器支路的轴线形成一个单叶双曲面，两个单叶双曲面的虚轴相互重合，同一单叶双曲面上的三条作动器支路绕单叶双曲面的虚轴旋转对；六条作动器支路的轴线在空间直角坐标系中与 XY平面的夹角角度以及Z轴距离为一定值。
进一步地，所述作动器支路包括作动器和铰链组件，所述铰链组件包括球铰杆以及球铰杆两端的球铰，所述球铰通过螺杆同轴安装在球铰杆的两侧，并且通过背紧螺母紧固定位，所述球铰杆一侧的球铰与作动器动圈通过转接板进行连接，并且通过定位孔保证球心与动圈轴线相合。
进一步地，所述作动器支路还包括与下平台固定连接的台座，所述台座数量至少为两个，通过螺栓以及定位销安装在作动器的两侧；所述下平台设有与台座配合固定的安装孔，所述安装孔在下平台的分布位置对应六条作动器支路的布局方式。
进一步地，所述上平台设有与铰链组件定位连接的铰链座，所述铰链座数量对应作动器支路的数量为六个，所述铰链座与设置在上平台下表面边缘的六个定位槽相连，并且在上平台的分布位置对应六条作动器支路的布局方式。
优选地，所述作动器为音圈作动器。
进一步地，所述控制系统包括高速控制计算机、多通道A/D数据采集卡、多通道D/A数据输出卡、功率放大器、加速度传感器、信号调理器，所述加速度传感器用于测量上平台的六自由度加速度，经过信号调理器、多通道A/D数据采集卡作为反馈信号，经过高速控制计算机进行解算产生控制信号，再经过多通道 D/A数据输出卡、功率放大器产生驱动信号，进而控制作动器输出轴向运动，推动上平台组件产生期望的模拟振动信号。
进一步地，所述加速度传感器的数量为六个，具体在上平台的布置如下：所述上平台下表面中心处安装有中心传感器座，所述中心传感器座通过三个安装孔分别与第一传感器、第二传感器、第三传感器连接相连，用于测得上平台沿X、Y和Z轴的平动加速度；第四传感器通过螺柱连接于上平台下表面Y轴与加强筋交点处，用于第三传感器差分测得上平台绕X轴的转动加速度；X轴与铰链座侧面加强筋交点处安装有侧面传感器座，所述侧面传感器座通过两个安装孔与第五传感器和第六传感器相连，分别用于与第三传感器和第二传感器差分测得上平台绕Y、Z轴的转动加速度。
进一步地，所述下平台还设有六个减震器，所述下平台为铸造平台，并在外侧凹槽处布有六个安装孔，分别与六个减震器相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明设计了一种六自由度的振动模拟装置，具有较大幅度的六自由度运动能力，可以产生最多六自由度的振动模拟信号。
(2)本发明设计了一种新型的六自由度并联机构的构型——异面构型，并将其应用于六自由度振动模拟装置，按该构型布局的六自由度并联机构具有较大的工作空间以及较小的上平台包络；前者意味着选用相同作动器的情况下，本装置可以获得更大的平动和转动空间；后者意味着本装置的上平台可以设计得很轻，这使得本装置具有较强的承载能力及较高的工作带宽；另外，传统的六自由度并联机构若要达到较小的上平台包络则势必会导致机构的病态性，而本构型则克服了这个问题。
(3)本发明形成了以音圈电机为中心的作动机构，结构简单的同时也具有音圈电机的输出线性度好、响应快及可靠性高等优点。
(4)本发明除了上平台较轻外，所设计的铰链组件也很轻，这使得本发明的六自由度振动模拟装置的运动部分质量较小，进而使其具有较大的承载能力以及较高的工作带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明异面构型的六自由度振动模拟装置结构示意图。
图2为本发明的异面构型简图。
图3为本发明的异面构型俯视图。
图4为本发明的作动器支路的结构示意图1。
图5为本发明的作动器支路的结构示意图2。
图6为本发明的作动器支路的铰链组件结构示意图。
图7为本发明的下平台组件等轴测图。
图8为本发明的下平台组件俯视图。
图9为本发明的上平台组件等轴测图。
图10为本发明的上平台组件仰视图。
图11为本发明的控制系统的控制回路框图。
其中，1101—下平台，1102-安装孔，1201—减震器，1202—减震器，1203 —减震器，1204—减震器，1205—减震器，1206—减震器，2101—作动器，2102 —第一台座，2103—第二台座，2104—转接板，2105—第一球铰，2106—第二球铰，2109—球铰杆，2107—第一背紧螺母、2108—第一背紧螺母，2100—作动器支路，2200—作动器支路，2300—作动器支路，2400—作动器支路，2500—作动器支路，2600—作动器支路，3101—上平台，3201—铰链座、3202—铰链座、3203 —铰链座、3204—铰链座、3205—铰链座、3206—铰链座，3301—中心传感器座、 3401—第一传感器、3402—第二传感器、3403—第三传感器、3404—第四传感器、 3405—第五传感器、3406—第六传感器、3302—侧面传感器座。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明提供了一种异面构型的六自由度振动模拟装置，包括作动器支路、上平台、下平台以及实时控制的控制系统。其中作动器支路分为六条，作用是为系统提供精确可控的输出力；上平台的作用是为试件提供刚性的机械安装台面，并能通过测得的加速度信号来观测所模拟的振动信号；下平台的作用是为本系统提供稳定的安装基础；控制系统通过采集的上平台六自由度加速度信号，解算出控制信号，并输出到功率放大器进而驱动作动器输出轴向伸缩运动，推动上平台产生期望的模拟振动信号，下面将结合具体实施例进行说明。
如图1所示，本实施例中所述异面构型的六自由度振动模拟装置包括下平台1101、上平台3101、六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、 2600)和控制系统。
其中，六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)形成六自由度并联机构连接在上平台3101与下平台1101之间。
其中，所述控制系统通过获取上平台3101的六自由度加速度信号，并且转换成控制信号控制六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600) 输出轴向运动，从而推动上平台3101产生期望的模拟振动信号。
此处需要说明的是，本实施例中六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、 2500、2600)形成六自由度并联机构并非传统的六自由度并联机构构型，而是异面构型，其具体定义是指六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、 2600)布局方式满足任意两条作动器支路的轴线在空间中均不相交且为两两异面直线的要求，具体如图2～3所示，将六条作动器支路(2100、2200、2300、 2400、2500、2600)均匀分为两组，每组的三条作动器支路的轴线形成一个单叶双曲面，两个单叶双曲面的虚轴相互重合，同一单叶双曲面上的三条作动器支路绕单叶双曲面的虚轴旋转对称；六条作动器支路的轴线在空间直角坐标系中与 XY平面的夹角角度以及Z轴距离为一定值。
按照上述异面构型布局的六自由度并联机构应用在六自由度振动模拟装置中，具有较大的工作空间以及较小的上平台包络；前者意味着选用相同作动器的情况下，本装置可以获得更大的平动和转动空间；后者意味着本装置的上平台可以设计得很轻，这使得本装置具有较强的承载能力及较高的工作带宽。
此处需要说明的是，六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、 2600)的结构相同，以作动器支路2100举例说明，如图4～6所示，作动器支路2100包括作动器2101、第一台座2102、第二台座2103、转接板2104以及铰链组件；其中铰链组件如图6所示，包括第一球铰2105、第二球铰2106、第一背紧螺母2107、第二背紧螺母2108和球铰杆2109。其中，作动器支路2100 中第一台座2102、第二台座2103分别通过四个螺栓安装于作动器2101的两侧，通过定位销与作动器2101两侧定位孔进行定位；第一球铰2105、第二球铰2106 通过螺杆同轴安装于球铰杆2109两侧，并分别通过第一背紧螺母2107、第二背紧螺母2108紧固定位。铰链组件中第一球铰2105与作动器2101动圈通过转接板2104进行连接，通过定位孔保证球心与动圈轴线相合。
其中，作动器2101优选为音圈作动器，其具备输出线性度好、响应快及可靠性高等优点。
可以理解的是，本实施例中下平台1101、上平台3101的与六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)的连接方式应当满足上述异面构型布局的要求，具体在本实施例中的连接结构如下：
如图7～8所示，下平台1101设有与第一台座2102、第二台座2103配合固定的安装孔1102，安装孔1102在下平台1101的分布位置对应六条作动器支路 (2100、2200、2300、2400、2500、2600)的布局方式。
此外，所述下平台1101还设有六个减震器(1201、1202、1203、1204、 1205、1206)，所述下平台1101为铸造平台，并在外侧凹槽处布有六个安装孔，分别与六个减震器(1201、1202、1203、1204、1205、1206)相连。
如图9～10所示，上平台3101设有与六条作动器支路(2100、2200、2300、 2400、2500、2600)的铰链组件定位连接的六个铰链座(3201、3202、3203、 3204、3205、3206)，以作动器支路2100为例，第二球铰2106的定位柱与上平台3101的铰链座3201定位连接。六个铰链座(3201、3202、3203、3204、3205、 3206)与设置在上平台3101下表面边缘的六个定位槽相连，并且在上平台3101 的分布位置对应六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)的布局方式。
通过上述连接结构，六条作动器支路如图1、图2所示按照异面构型进行空间布置，顺次与下平台1101和上平台3101相连，其异面构型由下平台1101上的安装孔1102和上平台3101上的定位槽或铰链座保证，形成具有特定功能的六自由度振动模拟装置的机械部分。
如图11所示，所述控制系统包括高速控制计算机、多通道A/D数据采集卡、多通道D/A数据输出卡、功率放大器、加速度传感器、信号调理器及传感器工装等；加速度传感器用于测量上平台的六自由度加速度，经过信号调理器、多通道 A/D数据采集卡作为反馈信号，经过高速控制计算机进行解算产生控制信号，再经过多通道D/A数据输出卡、功率放大器产生驱动信号，进而控制作动器输出轴向运动，推动上平台组件产生期望的模拟振动信号。
其中，加速度传感器数量为六个分别安装在上平台3101，具体在上平台3101 的布置继续参照图9～10，中心传感器座3301安装于上平台3101下表面中心处，通过三个安装孔分别与第一传感器3401、第二传感器3402和第三传感器3403 相连，用于测得上平台沿X、Y和Z轴的平动加速度；第四传感器3404通过螺柱连接于上平台3101下表面Y轴与加强筋交点处，用于与第三传感器3403差分测得上平台3101绕X轴的转动加速度；侧面传感器座3302安装于X轴与铰链座 3201侧面加强筋交点处，并通过两个安装孔与第五传感器3405和第六传感器 3406相连，分别用于与第三传感器3403和第二传感器3402差分测得上平台绕 Y、Z轴的转动加速度。
本实施例异面构型的六自由度振动模拟装置运行时，试件安装于上平台 3101上方，随后调整作动器3101将上平台3101调平并卸载重力；开启高速控制计算机，可在用户交互界面输入期望的时频域振动控制指令，产生相应的六自由度模拟振动信号(包括正弦扫频、随机或用户导入时域振动信号等)，为试件 (高精度载荷、精密仪器等)提供星载、弹载、机载、舰载或车载等复杂环境下的多自由度振动激励。
本实施例异面构型的六自由度振动模拟装置应用于六自由度振动模拟装置中，具有六自由度的振动模拟能力，以音圈电机作为作动器支路的主动元件，并通过特殊设计的异面构型布置作动器支路的空间位置，使得本发明具有工作空间大、承载能力强、输出力大、响应速度快以及控制带宽高的优点。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，包括下平台(1101)、上平台(3101)、六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)和控制系统；
所述六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)形成六自由度并联机构连接在上平台(3101)与下平台(1101)之间；
所述控制系统通过获取上平台(3101)的六自由度加速度信号，并且转换成控制信号控制六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)输出轴向运动，从而推动上平台(3101)产生期望的模拟振动信号；
其中，所述六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)中的每条作动器支路的结构相同，布局方式满足任意两条作动器支路的轴线在空间中均不相交且为两两异面直线的要求，具体如下：将六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)均匀分为两组，每组的三条作动器支路的轴线形成一个单叶双曲面，两个单叶双曲面的虚轴相互重合，同一单叶双曲面上的三条作动器支路绕单叶双曲面的虚轴旋转对称；六条作动器支路的轴线在空间直角坐标系中与XY平面的夹角角度以及Z轴距离为一定值。
2.根据权利要求1所述异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，所述作动器支路(2100)包括作动器(2101)和铰链组件，所述铰链组件包括球铰杆(2109)以及球铰杆(2109)两端的球铰(2105、2106)，所述球铰(2105、2106)通过螺杆同轴安装在球铰杆(2109)的两侧，并且通过背紧螺母(2107、2108)紧固定位，所述球铰杆(2109)一侧的球铰(2105)与作动器(2101)动圈通过转接板(2104)进行连接，并且通过定位孔保证球心与动圈轴线相合。
3.根据权利要求2所述异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，所述作动器支路(2100)还包括与下平台(1101)固定连接的台座(2102、2103)，所述台座(2102、2103)数量至少为两个，通过螺栓以及定位销安装在作动器的两侧；所述下平台(1101)设有与台座(2102、2103)配合固定的安装孔(1102)，所述安装孔(1102)在下平台(1101)的分布位置对应六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)的布局方式。
4.根据权利要求2所述异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，所述上平台(3101)设有与六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)的铰链组件定位连接的六个铰链座(3201、3202、3203、3204、3205、
3206)，所述六个铰链座(3201、3202、3203、3204、3205、3206)与设置在上平台(3101)下表面边缘的六个定位槽相连，并且在上平台(3101)的分布位置对应六条作动器支路(2100、2200、2300、2400、2500、2600)的布局方式。
5.根据权利要求2所述异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，所述作动器(2101)为音圈作动器。
6.根据权利要求1～5任意一项所述异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，所述控制系统包括高速控制计算机、多通道A/D数据采集卡、多通道D/A数据输出卡、功率放大器、加速度传感器、信号调理器，所述加速度传感器用于测量上平台的六自由度加速度，经过信号调理器、多通道A/D数据采集卡作为反馈信号，经过高速控制计算机进行解算产生控制信号，再经过多通道D/A数据输出卡、功率放大器产生驱动信号，进而控制作动器输出轴向运动，推动上平台组件产生期望的模拟振动信号。
7.根据权利要求6所述异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，所述加速度传感器的数量为六个，具体在上平台(3101)的布置如下：所述上平台(3101)下表面中心处安装有中心传感器座(3301)，所述中心传感器座(3301)通过三个安装孔分别与第一传感器(3401)、第二传感器(3402)、第三传感器连接(3403)相连，用于测得上平台(3101)沿X、Y和Z轴的平动加速度；第四传感器(3404)通过螺柱连接于上平台(3101)下表面Y轴与加强筋交点处，用于与第三传感器(3403)差分测得上平台(3101)绕X轴的转动加速度；X轴与铰链座(3201)侧面加强筋交点处安装有侧面传感器座(3303)，所述侧面传感器座(3302)通过两个安装孔与第五传感器(3405)和第六传感器(3406)相连，分别用于与第三传感器(3403)和第二传感器(3402)差分测得上平台绕Y、Z轴的转动加速度。
8.根据权利要求1所述异面构型的六自由度振动模拟装置，其特征在于，所述下平台(1101)还设有六个减震器(1201、1202、1203、1204、1205、1206)，所述下平台(1101)为铸造平台，并在外侧凹槽处布有六个安装孔，分别与六个减震器(1201、1202、1203、1204、1205、1206)相连。
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