CN111551328B - 一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用三级Stewart机构六自由度并联构型，包括十八条作动器支路、多条空气弹簧支路、多条辅助支撑支路、上平台组件、下平台组件及实时控制硬件系统；上、下平台组件由十八条作动器支路、空气弹簧支路、辅助支撑支路连接；每条作动器支路由直线动磁式电机、铰链组件及转接件构成；每条空气弹簧支路由空气弹簧及转接件构成；每条辅助支撑支路由螺纹丝杆升降机及转接件构成；实时控制硬件系统通过A/D采样获得传感器采集的上平台六自由度位移及加速度信号，解算出控制信号；控制信号经由D/A输出到功率放大器，驱动作动器输出轴向运动，推动上平台产生期望的六自由度振动激励信号。

Description

一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统

技术领域

本发明属于智能并联机构的振动控制领域，具体涉及一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，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度复杂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系统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激励系统，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。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用三级Stewart机构六自由度并联构型，包括十八条作动器支路、多条空气弹簧支路、多条辅助支撑支路、上平台组件、下平台组件及实时控制硬件系统；

系统的机构构型为三级Stewart机构六自由度并联构型，其十八条作动器支路分为三组，每组在在空间中的布局方式为Stewart构型，此三组Stewart构型通过并联方式组成三级Stewart机构六自由度并联构型；

所述的三级Stewart机构六自由度并联构型为：将十八条作动器支路分为三组，每组六条作动器组成一个经典Stewart构型机构；每个Stewart经典构型上台面均为水平面；三个Stewart构型机构在同一个水平面高度上，并且三个Stewart构型机构的上台面中心组成一个三角形，整台上台面中心在此三角形之内，其布局方式为三个Stewart构型机构的上台面中心绕整台中心的Z轴旋转对称，即三个Stewart经典构型的上台面中心与整台上台面中心所连射线方向互成120°夹角，绕整台中心的Z轴旋转120°后三个Stewart经典构型的上台面中心完全重合；三个Stewart经典构型的上台面中心在以整台上台面中心为圆心，以一定距离为半径的圆上；三个Stewart经典构型对于整个系统的构型属于三级并联关系，称该构型为三级Stewart机构六自由度并联构型；

所述的作动器支路，每条包括一套精密铰链组件、一个作动器及其相关连接件；铰链组件包括一个两自由度铰链和一个三自由度铰链，具备五自由度的转动；两自由度铰链包括一根十字轴、两对滚动轴承及其相关连接件，形成一个两自由度虎克铰，三自由度铰链包含一根竖轴、一个万向球铰及其相关连接件，形成一个三自由度转动铰链；作动器为由动圈和定磁组件组成的直线动磁式电机，具备输出电磁作动力进而控制动圈的沿轴向线性运动的能力；铰链组件通过转接板与作动器相连组成作动器组件，作动器组件通过上铰链座与上平台相连，通过下连接块与下平台组件相连；

所述的空气弹簧支路，每条包括一个空气弹簧、一个支撑部件及其相关连接件；空气弹簧包含可充气式气囊、充放气气嘴以及连接螺钉，其能够在安装高度上，通过充放气使得气囊保持特定气压，对所连接的上台面产生相应的竖直支撑力；

所述的辅助支撑支路，每条包括一个螺纹丝杆升降机、一个S型力传感器及其相关连接件；螺纹丝杆升降机能够将螺纹的转动转化为丝杆顶端竖直方向的平动，通过连接件保持自动充气过程以及试验结束后对上台面的支撑；S型力传感器安装于丝杆与上台面之间，能够在自动充气过程中实时反馈辅助支撑系统所提供的支撑力；

所述的实时控制硬件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、力传感器、位移传感器、信号调理器及传感器工装；其中加速度传感器经传感器工装安装于上平台组件，力传感器通过连接件安装于辅助支撑系统支路，位移传感器经传感器工装安装于作动器支路，多通道A/D数据采集卡及多通道D/A数据输出卡安装于高速控制计算机机箱内，A/D采集卡通过屏蔽线、接线盒与传感器及其配套信号调理器相连，D/A输出卡通过BNC屏蔽线与功率放大器相连，功率放大器与作动器一一配套，组成实时硬件控制系统的控制回路；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；力传感器用于测量辅助支撑系统对上台面的支撑力，经多通道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数据输出卡产生充放气控制信号，控制各空气弹簧支路的充放气过程；位移传感器用于测量各作动器支路电机的位置，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位移闭环控制信号，再经过多通道D/A数据输出卡、功率放大器产生驱动信号，进而控制作动器位置稳定于中心位置附近，保持上平台组件的安全与稳定。

进一步的，所述的构型为三级Stewart机构六自由度并联构型，包括三个经典单级Stewart构型并联；其中的经典单级Stewart构型包括上台面、下台面、6条作动器支路以及空气弹簧支路或辅助支撑支路，每条作动器支路经由上铰点与上台面相连，每条作动器支路经由下铰点与下台面相连，六个上铰点与六个下铰点分别分布于上台面包络圆以及下台面包络圆上；每两个相邻上铰点分为一组，共三组，每组上铰点与上台面中心形成的夹角相同，每两个相邻下铰点分为一组，共三组，每组下铰点与下台面中心形成的夹角相同；经典单级Stewart构型以上台面中心指向某一组上铰点中点方向为X轴正方向，以下台面中心指向上台面中心方向为Z轴正方向，并满足右手坐标系；

三个经典单级Stewart构型的排布方向共设置四种实现方式：

实现方式1为每个经典单级Stewart构型X轴正方向均指向每个经典单级Stewart构型上台面中心与整台上台面中心连线的反方向，即单级X轴正方向向外的旋转对称实现方式；

实现方式2为每个经典单级Stewart构型X轴正方向均指向每个经典单级Stewart构型上台面中心与整台上台面中心连线的方向，即单级X轴正方向向内的旋转对称实现方式；

实现方式3为三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向平行，即单级X轴方向与整台X轴方向平行的旋转对称实现方式；

实现方式4为三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向垂直，即单级X轴方向与整台X轴方向垂直的旋转对称实现方式。

进一步的，所述的作动器支路分为十八条，其作用是为系统提供精确可控的输出力，每条支路包括作动器、铰链组件、转接板和下连接块；其中铰链组件包括球铰底座、球铰球头、球铰上连接件、中U形叉和上U形叉；各部分通过如下连接方式组成十八条作动器支路：

球铰底座与球铰球头通过外六角螺钉互相配合安装，球铰球头与球铰上连接件通过螺纹安装，球铰上连接件与中U形叉通过外六角螺钉平行安装，中U形叉与上U形叉通过十字轴、两对滚动轴承以及外六角螺钉互相垂直安装，组成铰链组件1；铰链组件1中的球铰底座与作动器动圈通过转接板进行连接，并通过定位孔保证铰链组件各自由度旋转中心连线与动圈轴线相合；下连接块通过内六角螺钉安装于作动器底部，并通过定位销与作动器底部定位孔进行定位；

十八条作动器支路安装方式相同，并通过定位销与上平台组件相连，通过下连接块与下平台组件相连，形成六自由度振动模拟系统的机械运动部分。

进一步的，所述的空气弹簧支路分为十二条，或者根据所选空气弹簧型号的能力以及整台的实际载荷重量增减空气弹簧支路的数量，其作用是为工作时系统运动部分提供抵消重力的支撑力，每条支路由空气弹簧、上转接板、下转接板和空气弹簧支座组成；各部分通过如下连接方式组成十二条空气弹簧支路：

空气弹簧与空气弹簧支座通过下转接板以及外六角螺钉同轴安装，上转接板与空气弹簧通过外六角螺钉同轴安装；

十二条空气弹簧支路安装方式相同，并通过外六角螺钉分别与上平台组件、下平台组件相连，形成具有调节支撑力的六自由度振动模拟系统的空气弹簧支撑部分。

进一步的，所述的辅助支撑支路分为九条，或者根据所选辅助支撑部件的能力以及整台的实际载荷重量增减辅助支撑支路的数量，其作用是为试验结束时和自动充气时的系统运动部分提供抵消重力的支撑力，并且将自动充气时提供的支撑力作为反馈信号输入自动充气控制系统，每条支路由螺纹丝杆升降机、S型力传感器、上定位块和辅助支撑支座组成；各部分通过如下连接方式组成九条辅助支撑支路：

螺纹丝杆升降机与S型力传感器通过螺杆同轴安装，上定位块与S型力传感器通过螺杆同轴安装，螺纹丝杆升降机与辅助支撑支座通过外六角螺钉同轴安装；

九条辅助支撑支路安装方式相同，并通过定位块与上平台组件相连，通过外六角螺钉与下平台组件相连，形成具有提供支撑力以及反馈支撑力信号的六自由度振动模拟系统的辅助支撑部分。

进一步的，所述的上平台组件，其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；其组成包括上平台、九个上铰链座、中心传感器座、侧面传感器座、六个加速度传感器；上平台下表面边缘有九个定位槽，分别与九个上铰链座相连；中心传感器座安装于上平台下表面中心处，通过三个安装孔分别与传感器1、传感器2和传感器3相连，用于测得上平台沿X、Y和Z轴的平动加速度；传感器4通过螺柱连接于上平台下表面Y轴与加强筋交点处，用于测得上平台绕X轴的转动加速度；侧面传感器座安装于上平台下表面X轴与加强筋交点处，通过两个安装孔与传感器5和传感器6相连，用于测得上平台绕Y、Z轴的转动加速度。

进一步的，所述的下平台组件，其作用是为系统提供稳定的安装基础，并通过地脚螺钉与地基固连，将系统自身的振动传递给隔振地基，保护周边设备。

本发明的优点在于：

(1)本发明设计了一种六自由度的振动激励系统，具有带负载下的六自由度运动能力，可以产生最多六自由度的振动激励信号；

(2)本发明设计了一种新型的六自由度并联机构的构型——三级Stewart机构六自由度并联构型，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大的负载能力；前者意味着选用相同作动器的情况下，本系统可以获得更大的平动和转动空间；后者意味着本系统的上平台尺寸可以设计得较大，同时多条空气弹簧支路和辅助支撑支路可提供抵消负载重力的额外支撑力，这使得本系统具有较大的承载能力，并且负载尺寸可以较大；

(3)本发明形成了以直线动磁式电机为中心的作动机构，结构简单、坚固的同时也具有直线动磁式电机的输出线性度好、响应快及可靠性高等优点；

(4)本发明除了上平台尺寸较大外，所设计的铰链组件等其他机械部件也可以承受负载较大的重力，这使得本发明的三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统的可装载负载质量较大，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

图1为本发明的等轴测图；

图2为本发明的三级Stewart机构六自由度并联构型简图；

图3为本发明的三级Stewart机构六自由度并联构型实现方式1的俯视图；

图4为本发明的三级Stewart机构六自由度并联构型实现方式2的俯视图；

图5为本发明的三级Stewart机构六自由度并联构型实现方式3的俯视图；

图6为本发明的三级Stewart机构六自由度并联构型实现方式4的俯视图；

图7为本发明的主视图；

图8为本发明的后视图；

图9为本发明的下平台组件1俯视图；

图10为本发明的作动器支路1左视图；

图11为本发明的空气弹簧支路1主视图；

图12为本发明的辅助支撑支路1等轴测图；

图13为本发明的上平台组件仰视图；

图14为本发明的实时控制硬件系统的控制回路框图。

图中：

10000—下平台组件 20100—作动器支路1 20200—作动器支路2

20300—作动器支路3 20400—作动器支路4 20500—作动器支路5

20600—作动器支路6 20700—作动器支路7 20800—作动器支路8

20900—作动器支路9 21000—作动器支路10 21100—作动器支路11

21200—作动器支路12 21300—作动器支路13 21400—作动器支路14

21500—作动器支路15 21600—作动器支路16 21700—作动器支路17

21800—作动器支路18 30100—空气弹簧支路1 30200—空气弹簧支路2

30300—空气弹簧支路3 30400—空气弹簧支路4 30500—空气弹簧支路5

30600—空气弹簧支路6 30700—空气弹簧支路7 30800—空气弹簧支路8

30900—空气弹簧支路9 31000—空气弹簧支路10 31100—空气弹簧支路11

31200—空气弹簧支路12 40100—辅助支撑支路1 40200—辅助支撑支路2

40300—辅助支撑支路3 40400—辅助支撑支路4 40500—辅助支撑支路5

40600—辅助支撑支路6 40700—辅助支撑支路7 40800—辅助支撑支路8

40900—辅助支撑支路9 50000—上平台组件

10101—下平台

20101—作动器1 20201—作动器2 20301—作动器3

20401—作动器4 20501—作动器5 20601—作动器6

20701—作动器7 20801—作动器8 20901—作动器9

21001—作动器10 21101—作动器11 21201—作动器12

21301—作动器13 21401—作动器14 21501—作动器15

21601—作动器16 21701—作动器17 21801—作动器18

20102—下连接块1 20202—下连接块2 20302—下连接块3

20402—下连接块4 20502—下连接块5 20602—下连接块6

20702—下连接块7 20802—下连接块8 20902—下连接块9

21002—下连接块10 21102—下连接块11 21202—下连接块12

21302—下连接块13 21402—下连接块14 21502—下连接块15

21602—下连接块16 21702—下连接块17 21802—下连接块18

20103—转接板1 20203—转接板2 20303—转接板3

20403—转接板4 20503—转接板5 20603—转接板6

20703—转接板7 20803—转接板8 20903—转接板9

21003—转接板10 21103—转接板11 21203—转接板12

21303—转接板13 21403—转接板14 21503—转接板15

21603—转接板16 21703—转接板17 21803—转接板18

20104—球铰底座1 20204—球铰底座2 20304—球铰底座3

20404—球铰底座4 20504—球铰底座5 20604—球铰底座6

20704—球铰底座7 20804—球铰底座8 20904—球铰底座9

21004—球铰底座10 21104—球铰底座11 21204—球铰底座12

21304—球铰底座13 21404—球铰底座14 21504—球铰底座15

21604—球铰底座16 21704—球铰底座17 21804—球铰底座18

20105—球铰球头1 20205—球铰球头2 20305—球铰球头3

20405—球铰球头4 20505—球铰球头5 20605—球铰球头6

20705—球铰球头7 20805—球铰球头8 20905—球铰球头9

21005—球铰球头10 21105—球铰球头11 21205—球铰球头12

21305—球铰球头13 21405—球铰球头14 21505—球铰球头15

21605—球铰球头16 21705—球铰球头17 21805—球铰球头18

20106—球铰上连接件1 20206—球铰上连接件2 20306—球铰上连接件3

20406—球铰上连接件4 20506—球铰上连接件5 20606—球铰上连接件6

20706—球铰上连接件7 20806—球铰上连接件8 20906—球铰上连接件9

21006—球铰上连接件10 21106—球铰上连接件11 21206—球铰上连接件12

21306—球铰上连接件13 21406—球铰上连接件14 21506—球铰上连接件15

21606—球铰上连接件16 21706—球铰上连接件17 21806—球铰上连接件18

20107—中U形叉1 20207—中U形叉2 20307—中U形叉3

20407—中U形叉4 20507—中U形叉5 20607—中U形叉6

20707—中U形叉7 20807—中U形叉8 20907—中U形叉9

21007—中U形叉10 21107—中U形叉11 21207—中U形叉12

21307—中U形叉13 21407—中U形叉14 21507—中U形叉15

21607—中U形叉16 21707—中U形叉17 21807—中U形叉18

20108—上U形叉1 20208—上U形叉2 20308—上U形叉3

20408—上U形叉4 20508—上U形叉5 20608—上U形叉6

20708—上U形叉7 20808—上U形叉8 20908—上U形叉9

21008—上U形叉10 21108—上U形叉11 21208—上U形叉12

21308—上U形叉13 21408—上U形叉14 21508—上U形叉15

21608—上U形叉16 21708—上U形叉17 21808—上U形叉18

30101—空气弹簧支座1 30201—空气弹簧支座2 30301—空气弹簧支座3

30401—空气弹簧支座4 30501—空气弹簧支座5 30601—空气弹簧支座6

30701—空气弹簧支座7 30801—空气弹簧支座8 30901—空气弹簧支座9

31001—空气弹簧支座10 31101—空气弹簧支座11 31201—空气弹簧支座12

30102—下转接板1 30202—下转接板2 30302—下转接板3

30402—下转接板4 30502—下转接板5 30602—下转接板6

30702—下转接板7 30802—下转接板8 30902—下转接板9

31002—下转接板10 31102—下转接板11 31202—下转接板12

30103—空气弹簧1 30203—空气弹簧2 30303—空气弹簧3

30403—空气弹簧4 30503—空气弹簧5 30603—空气弹簧6

30703—空气弹簧7 30803—空气弹簧8 30903—空气弹簧9

31003—空气弹簧10 31103—空气弹簧11 31203—空气弹簧12

30104—上转接板1 30204—上转接板2 30304—上转接板3

30404—上转接板4 30504—上转接板5 30604—上转接板6

30704—上转接板7 30804—上转接板8 30904—上转接板9

31004—上转接板10 31104—上转接板11 31204—上转接板12

40101—辅助支撑支座1 40201—辅助支撑支座2 40301—辅助支撑支座3

40401—辅助支撑支座4 40501—辅助支撑支座5 40601—辅助支撑支座6

40701—辅助支撑支座7 40801—辅助支撑支座8 40901—辅助支撑支座9

40102-螺纹丝杆升降机1 40202-螺纹丝杆升降机2 40302-螺纹丝杆升降机3

40402-螺纹丝杆升降机4 40502-螺纹丝杆升降机5 40602-螺纹丝杆升降机6

40702-螺纹丝杆升降机7 40802-螺纹丝杆升降机8 40902-螺纹丝杆升降机9

40103—S型力传感器1 40203—S型力传感器2 40303—S型力传感器3

40403—S型力传感器4 40503—S型力传感器5 40603—S型力传感器6

40703—S型力传感器7 40803—S型力传感器8 40903—S型力传感器9

40104—上定位块1 40204—上定位块2 40304—上定位块3

40404—上定位块4 40504—上定位块5 40604—上定位块6

40704—上定位块7 40804—上定位块8 40904—上定位块9

50101—上平台 50201—上铰链座1 50202—上铰链座2

50203—上铰链座3 50204—上铰链座4 50205—上铰链座5

50206—上铰链座6 50207—上铰链座7 50208—上铰链座8

50209—上铰链座9 50301—中心传感器座 50302—侧面传感器座

50401—加速度传感器1 50402—加速度传感器2 50403—加速度传感器3

50404—加速度传感器4 50405—加速度传感器5 50406—加速度传感器6

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，本发明是一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，按照三级Stewart机构六自由度构型布局，包括作动器支路、空气弹簧支路、辅助支撑支路、上平台组件、下平台组件以及实时控制硬件系统；其中作动器支路分为十八条，作用是为系统提供精确可控的输出力；空气弹簧支路在一种典型设计中分为十二条，作用是为工作时系统运动部分提供抵消重力的支撑力，并通过外六角螺钉分别与上平台组件、下平台组件相连；辅助支撑支路在一种典型设计中分为九条，作用是为试验结束时和自动充气时的系统运动部分提供抵消重力的支撑力，并且将自动充气时提供的支撑力作为反馈信号输入自动充气控制系统；上平台组件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；下平台组件作用是为本系统提供稳定的安装基础；实时控制硬件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振动激励信号。

所述的三级Stewart机构六自由度并联构型的构型简图如图2所示，将三个经典单级Stewart构型在同一水平面上进行并联组合，并且三个Stewart构型机构的上台面中心可组成一个三角形，整台上台面中心在此三角形之内，一种典型的布局方式为三个Stewart构型机构的上台面中心绕整台中心的Z轴旋转对称，即三个经典单级Stewart构型的上台面中心与整台上台面中心所连射线方向互成120°夹角，绕整台中心的Z轴旋转120°后三个经典单级Stewart构型的上台面中心完全重合；三个经典单级Stewart构型的上台面中心在以整台上台面中心为圆心，以一定距离为半径的圆上。

三个经典单级Stewart构型的排布方向共有四种实现方式，实现方式1～实现方式4的构型俯视图如图3～6所示：

实现方式1构型俯视图如图3所示，每个经典单级Stewart构型X轴正方向均指向每个经典单级Stewart构型上台面中心与整台上台面中心连线的反方向，即单级X轴正方向向外的旋转对称实现方式；

实现方式2构型俯视图如图4所示，每个经典单级Stewart构型X轴正方向均指向每个经典单级Stewart构型上台面中心与整台上台面中心连线的方向，即单级X轴正方向向内的旋转对称实现方式；

实现方式3构型俯视图如图5所示，三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向平行，即单级X轴方向与整台X轴方向平行的旋转对称实现方式；

实现方式4构型俯视图如图6所示，三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向垂直，即单级X轴方向与整台X轴方向垂直的旋转对称实现方式。

每种实现方式中，空气弹簧支路和辅助支撑支路的构型布局均按照单级经典Stewart构型的方向来排布，俯视图中仅为示意，其具体数量和安装位置均可根据整台载荷的不同进行调整。

所述的振动模拟系统的机械结构如图7、图8所示，包括10000下平台组件、20100作动器支路1、20200作动器支路2、20300作动器支路3、20400作动器支路4、20500作动器支路5、20600作动器支路6、20700作动器支路7、20800作动器支路8、20900作动器支路9、21000作动器支路10、21100作动器支路11、21200作动器支路12、21300作动器支路13、21400作动器支路14、21500作动器支路15、21600作动器支路16、21700作动器支路17、21800作动器支路18、30100空气弹簧支路1、30200空气弹簧支路2、30300空气弹簧支路3、30400空气弹簧支路4、30500空气弹簧支路5、30600空气弹簧支路6、30700空气弹簧支路7、30800空气弹簧支路8、30900空气弹簧支路9、31000空气弹簧支路10、31100空气弹簧支路11、31200空气弹簧支路12、40100辅助支撑支路1、40200辅助支撑支路2、40300辅助支撑支路3、40400辅助支撑支路4、40500辅助支撑支路5、40600辅助支撑支路6、40700辅助支撑支路7、40800辅助支撑支路8、40900辅助支撑支路9及50000上平台组件。

所述的10000下平台组件如图9所示，下平台为铸造平台，并在其上布有安装孔，分别与地基和各作动器支路、空气弹簧支路、辅助支撑支路相连。

所述的十八条作动器支路20100、20200、20300、20400、20500、20600、20700、20800、20900、21000、21100、21200、21300、21400、21500、21600、21700和21800结构相同，以作动器支路1为例，如图10所示，其由20101作动器、20102下连接块、20103转接板、20104球铰底座、20105球铰球头、20106球铰上连接件、20107中U形叉和20108上U形叉。

各部分通过如下连接方式组成十八条作动器支路：

20100作动器支路1中20102下连接块通过八个内六角螺栓安装于20101作动器的底部，通过定位销与20101作动器底部定位孔进行定位；20104球铰底座和20105球铰球头通过八个外六角螺栓互相配合安装，20106球铰上连接件和20105球铰球头通过螺纹同轴安装，20107中U形叉和20106球铰上连接件通过八个外六角螺栓平行安装，20108上U形叉和20107中U形叉通过一个十字轴、两对滚动轴承以及三十二个外六角螺栓互相垂直安装，组成铰链组件1；铰链组件1中20104球铰底座与20101作动器动圈通过20103转接板进行连接，通过定位孔保证各转动中心连线与动圈轴线相合。

作动器支路20200、20300、20400、20500、20600、20700、20800、20900、21000、21100、21200、21300、21400、21500、21600、21700、21800与作动器支路20100的结构相同，具体实施方式相同。

所述的十二条空气弹簧支路30100、30200、30300、30400、30500、30600、30700、30800、30900、31000、31100和31200结构相同，以空气弹簧支路1为例，如图11所示，其由30101空气弹簧支座、30102下转接板、30103空气弹簧和30104上转接板。

各部分通过如下连接方式组成十二条空气弹簧支路：

30100空气弹簧支路1中30102下转接板通过四个外六角螺栓安装于30101空气弹簧支座的顶部；30103空气弹簧通过一个螺杆安装于30102下转接板的顶部；30104上转接板通过一个螺杆安装于30103空气弹簧的顶部。

空气弹簧支路30200、30300、30400、30500、30600、30700、30800、30900、31000、31100、31200与空气弹簧支路30100结构相同，具体实施方式相同。

所述的九条辅助支撑支路40100、40200、40300、40400、40500、40600、40700、40800和40900结构相同，以辅助支撑支路1为例，如图12所示，其由40101辅助支撑支座、40102螺纹丝杆升降机、40103S型力传感器和40104上定位块。

各部分通过如下连接方式组成九条辅助支撑支路：

40100辅助支撑支路1中40102螺纹丝杆升降机通过四个外六角螺栓安装于40101辅助支撑支座的顶部；40103S型力传感器通过一个螺杆安装于40102螺纹丝杆升降机的顶部；40104上定位块通过一个螺杆安装于40103S型力传感器的顶部。

辅助支撑支路40200、40300、40400、40500、40600、40700、40800、40900与辅助支撑支路40100结构相同，具体实施方式相同。

所述的50000上平台组件如图13所示，其组成包括50101上平台、50201上铰链座1、50202上铰链座2、50203上铰链座3、50204上铰链座4、50205上铰链座5、50206上铰链座6、50207上铰链座7、50208上铰链座8、50209上铰链座9、50301中心传感器座、50302侧面传感器座、50401加速度传感器1、50402加速度传感器2、50403加速度传感器3、50404加速度传感器4、50405加速度传感器5及50406加速度传感器6；50101上平台下表面边缘有九个定位槽，分别与各上铰链座相连；50301中心传感器座安装于50101上平台下表面中心处，通过三个安装孔分别与50401传感器1、50402传感器2和50403传感器3相连，用于测得上平台沿X、Y和Z轴的平动加速度；50404传感器4通过螺柱连接于上平台下表面Y轴与加强筋交点处，用于测得上平台绕X轴的转动加速度；50302侧面传感器座安装于上平台下表面X轴与加强筋交点处，并通过两个安装孔与50405传感器5和50406传感器6相连，用于测得上平台绕Y、Z轴的转动加速度。

十八条作动器支路的位置排布以三级Stewart机构六自由度并联构型实现方式1为例，依据权利要求1所述三级Stewart机构并联构型进行空间布置，如图2、图3所示，顺次与10000下平台组件和50000上平台组件相连，其构型由10000下平台上的安装孔和50101上平台上的定位槽(上铰链座)保证，形成具有特定功能的六自由度振动模拟系统的机械运动部分：

20100作动器支路1中的20101作动器通过20102下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20108上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50201上铰链座定位连接。

20200作动器支路2中的20201作动器通过20202下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20208上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50202上铰链座定位连接。

20300作动器支路3中的20301作动器通过20302下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20308上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50202上铰链座定位连接。

20400作动器支路4中的20401作动器通过20402下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20408上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50203上铰链座定位连接。

20500作动器支路5中的20501作动器通过20502下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20508上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50203上铰链座定位连接。

20600作动器支路6中的20601作动器通过20602下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20608上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50201上铰链座定位连接。

20700作动器支路7中的20701作动器通过20702下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20708上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50204上铰链座定位连接。

20800作动器支路8中的20801作动器通过20802下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20808上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50205上铰链座定位连接。

20900作动器支路9中的20901作动器通过20902下连接块与10000下平台上的安装孔相连，20908上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50205上铰链座定位连接。

21000作动器支路10中的21001作动器通过21002下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21008上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50206上铰链座定位连接。

21100作动器支路11中的21101作动器通过21102下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21108上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50206上铰链座定位连接。

21200作动器支路12中的21201作动器通过21202下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21208上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50204上铰链座定位连接。

21300作动器支路13中的21301作动器通过21302下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21308上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50207上铰链座定位连接。

21400作动器支路14中的21401作动器通过21402下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21408上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50208上铰链座定位连接。

21500作动器支路15中的21501作动器通过21502下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21508上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50208上铰链座定位连接。

21600作动器支路16中的21601作动器通过21602下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21608上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50209上铰链座定位连接。

21700作动器支路17中的21701作动器通过21702下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21708上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50209上铰链座定位连接。

21800作动器支路18中的21801作动器通过21802下连接块与10000下平台上的安装孔相连，21808上U形叉通过定位销与50000上平台组件的50207上铰链座定位连接。

十二条空气弹簧支路的位置排布以三级Stewart机构六自由度并联构型实现方式1为例，依据权利要求1所述，如图2、图3所示，顺次与10000下平台组件和50000上平台组件相连，形成具有特定功能的六自由度振动模拟系统的空气弹簧部分：

30100空气弹簧支路1中的30101空气弹簧支座与10000下平台上的安装孔相连，30104上转接板通过螺栓与50000上平台组件的50101上平台连接。

空气弹簧支路30200、30300、30400、30500、30600、30700、30800、30900、31000、31100、31200与空气弹簧支路30100结构相同，与10000下平台组件和50000上平台组件的连接方式相同。

九条辅助支撑支路的位置排布以三级Stewart机构六自由度并联构型实现方式1为例，依据权利要求1所述，如图2、图3所示，顺次与10000下平台组件和50000上平台组件相连，形成具有特定功能的六自由度振动模拟系统的辅助支撑部分：

40100辅助支撑支路1中的40101辅助支撑支座与10000下平台上的安装孔相连，40104上定位块通过定位销与50000上平台组件的50101上平台定位连接。

辅助支撑支路40200、40300、40400、40500、40600、40700、40800、40900与辅助支撑支路40100结构相同，与10000下平台组件和50000上平台组件的连接方式相同。

所述的实时控制硬件系统的控制回路如图14所示，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、力传感器、位移传感器、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；力传感器用于测量辅助支撑系统对上台面的支撑力，经多通道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数据输出卡产生充放气控制信号，控制各空气弹簧支路的充放气过程；位移传感器用于测量各作动器支路电机的位置，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位移闭环控制信号，再经过多通道D/A数据输出卡、功率放大器产生驱动信号，进而控制作动器位置稳定于中心位置附近，保持上平台组件的安全与稳定。

本发明的三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统运行时，试件安装于50000上平台组件上方，随后调整辅助支撑和空气弹簧将50101上平台调平并卸载重力；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振动激励信号(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。

本发明的三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统具有六自由度的振动模拟能力，以直线动磁式电机作为作动器支路的主动元件，并通过特殊设计的三级Stewart机构六自由度并联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。

本发明未详细公开技术属于本领域技术人员公知常识。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减包括但并不局限于以下几种典型情况：三级Stewart机构六自由度并联构型的具体构型参数数值(单级、三级Stewart机构并联构型的尺寸参数等)、三个单级Stewart子平台的布局位置(可不关于整台上平台中心旋转对称)与方向、直线作动器的具体形式与型号、实现五自由度转动的精密铰链部件的铰链形式、空气弹簧支路与辅助支撑支路的数量及安装位置等。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用三级Stewart机构六自由度并联构型，包括十八条作动器支路、多条空气弹簧支路、多条辅助支撑支路、上平台组件、下平台组件及实时控制硬件系统；其特征在于：

系统的机构构型为三级Stewart机构六自由度并联构型，其十八条作动器支路分为三组，每组在在空间中的布局方式为Stewart构型，此三组Stewart构型通过并联方式组成三级Stewart机构六自由度并联构型；

所述的三级Stewart机构六自由度并联构型为：将十八条作动器支路分为三组，每组六条作动器组成一个经典Stewart构型机构；每个Stewart经典构型上台面均为水平面；三个Stewart构型机构在同一个水平面高度上，并且三个Stewart构型机构的上台面中心组成一个三角形，整台上台面中心在此三角形之内，其布局方式为三个Stewart构型机构的上台面中心绕整台中心的Z轴旋转对称，即三个Stewart经典构型的上台面中心与整台上台面中心所连射线方向互成120°夹角，绕整台中心的Z轴旋转120°后三个Stewart经典构型的上台面中心完全重合；三个Stewart经典构型的上台面中心在以整台上台面中心为圆心，以一定距离为半径的圆上；三个Stewart经典构型对于整个系统的构型属于三级并联关系，称该构型为三级Stewart机构六自由度并联构型；

所述的作动器支路，每条包括一套精密铰链组件、一个作动器及其相关连接件；铰链组件包括一个两自由度铰链和一个三自由度铰链，具备五自由度的转动；两自由度铰链包括一根十字轴、两对滚动轴承及其相关连接件，形成一个两自由度虎克铰，三自由度铰链包含一根竖轴、一个万向球铰及其相关连接件，形成一个三自由度转动铰链；作动器为由动圈和定磁组件组成的直线动磁式电机，具备输出电磁作动力进而控制动圈的沿轴向线性运动的能力；铰链组件通过转接板与作动器相连组成作动器组件，作动器组件通过上铰链座与上平台相连，通过下连接块与下平台组件相连；

所述的空气弹簧支路，每条包括一个空气弹簧、一个支撑部件及其相关连接件；空气弹簧包含可充气式气囊、充放气气嘴以及连接螺钉，其能够在安装高度上，通过充放气使得气囊保持特定气压，对所连接的上台面产生相应的竖直支撑力；

所述的辅助支撑支路，每条包括一个螺纹丝杆升降机、一个S型力传感器及其相关连接件；螺纹丝杆升降机能够将螺纹的转动转化为丝杆顶端竖直方向的平动，通过连接件保持自动充气过程以及试验结束后对上台面的支撑；S型力传感器安装于丝杆与上台面之间，能够在自动充气过程中实时反馈辅助支撑系统所提供的支撑力；

所述的实时控制硬件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、力传感器、位移传感器、信号调理器及传感器工装；其中加速度传感器经传感器工装安装于上平台组件，力传感器通过连接件安装于辅助支撑系统支路，位移传感器经传感器工装安装于作动器支路，多通道A/D数据采集卡及多通道D/A数据输出卡安装于高速控制计算机机箱内，A/D采集卡通过屏蔽线、接线盒与传感器及其配套信号调理器相连，D/A输出卡通过BNC屏蔽线与功率放大器相连，功率放大器与作动器一一配套，组成实时硬件控制系统的控制回路；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；力传感器用于测量辅助支撑系统对上台面的支撑力，经多通道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数据输出卡产生充放气控制信号，控制各空气弹簧支路的充放气过程；位移传感器用于测量各作动器支路电机的位置，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位移闭环控制信号，再经过多通道D/A数据输出卡、功率放大器产生驱动信号，进而控制作动器位置稳定于中心位置附近，保持上平台组件的安全与稳定；

所述的构型为三级Stewart机构六自由度并联构型，包括三个经典单级Stewart构型并联；其中的经典单级Stewart构型包括上台面、下台面、6条作动器支路以及空气弹簧支路或辅助支撑支路，每条作动器支路经由上铰点与上台面相连，每条作动器支路经由下铰点与下台面相连，六个上铰点与六个下铰点分别分布于上台面包络圆以及下台面包络圆上；每两个相邻上铰点分为一组，共三组，每组上铰点与上台面中心形成的夹角相同，每两个相邻下铰点分为一组，共三组，每组下铰点与下台面中心形成的夹角相同；经典单级Stewart构型以上台面中心指向某一组上铰点中点方向为X轴正方向，以下台面中心指向上台面中心方向为Z轴正方向，并满足右手坐标系；

三个经典单级Stewart构型的排布方向共设置四种实现方式：

实现方式1为每个经典单级Stewart构型X轴正方向均指向每个经典单级Stewart构型上台面中心与整台上台面中心连线的反方向，即单级X轴正方向向外的旋转对称实现方式；

实现方式2为每个经典单级Stewart构型X轴正方向均指向每个经典单级Stewart构型上台面中心与整台上台面中心连线的方向，即单级X轴正方向向内的旋转对称实现方式；

实现方式3为三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向平行，即单级X轴方向与整台X轴方向平行的旋转对称实现方式；

实现方式4为三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向垂直，即单级X轴方向与整台X轴方向垂直的旋转对称实现方式；

所述的作动器支路分为十八条，其作用是为系统提供精确可控的输出力，每条支路包括作动器、铰链组件、转接板和下连接块；其中铰链组件包括球铰底座、球铰球头、球铰上连接件、中U形叉和上U形叉；各部分通过如下连接方式组成十八条作动器支路：

球铰底座与球铰球头通过外六角螺钉互相配合安装，球铰球头与球铰上连接件通过螺纹安装，球铰上连接件与中U形叉通过外六角螺钉平行安装，中U形叉与上U形叉通过十字轴、两对滚动轴承以及外六角螺钉互相垂直安装，组成铰链组件；铰链组件中的球铰底座与作动器动圈通过转接板进行连接，并通过定位孔保证铰链组件各自由度旋转中心连线与动圈轴线相合；下连接块通过内六角螺钉安装于作动器底部，并通过定位销与作动器底部定位孔进行定位；

十八条作动器支路安装方式相同，并通过定位销与上平台组件相连，通过下连接块与下平台组件相连，形成六自由度振动模拟系统的机械运动部分。

2.根据权利要求1所述的一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，其特征在于：

所述的空气弹簧支路分为十二条，或者根据所选空气弹簧型号的能力以及整台的实际载荷重量增减空气弹簧支路的数量，其作用是为工作时系统运动部分提供抵消重力的支撑力，每条支路由空气弹簧、上转接板、下转接板和空气弹簧支座组成；各部分通过如下连接方式组成十二条空气弹簧支路：

空气弹簧与空气弹簧支座通过下转接板以及外六角螺钉同轴安装，上转接板与空气弹簧通过外六角螺钉同轴安装；

十二条空气弹簧支路安装方式相同，并通过外六角螺钉分别与上平台组件、下平台组件相连，形成具有调节支撑力的六自由度振动模拟系统的空气弹簧支撑部分。

3.根据权利要求1所述的一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，其特征在于：

所述的辅助支撑支路分为九条，或者根据所选辅助支撑部件的能力以及整台的实际载荷重量增减辅助支撑支路的数量，其作用是为试验结束时和自动充气时的系统运动部分提供抵消重力的支撑力，并且将自动充气时提供的支撑力作为反馈信号输入自动充气控制系统，每条支路由螺纹丝杆升降机、S型力传感器、上定位块和辅助支撑支座组成；各部分通过如下连接方式组成九条辅助支撑支路：

螺纹丝杆升降机与S型力传感器通过螺杆同轴安装，上定位块与S型力传感器通过螺杆同轴安装，螺纹丝杆升降机与辅助支撑支座通过外六角螺钉同轴安装；

九条辅助支撑支路安装方式相同，并通过定位块与上平台组件相连，通过外六角螺钉与下平台组件相连，形成具有提供支撑力以及反馈支撑力信号的六自由度振动模拟系统的辅助支撑部分。

4.根据权利要求1所述的一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，其特征在于：

所述的上平台组件，其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；其组成包括上平台、九个上铰链座、中心传感器座、侧面传感器座、六个加速度传感器；上平台下表面边缘有九个定位槽，分别与九个上铰链座相连；中心传感器座安装于上平台下表面中心处，通过三个安装孔分别与传感器1、传感器2和传感器3相连，用于测得上平台沿X、Y和Z轴的平动加速度；传感器4通过螺柱连接于上平台下表面Y轴与加强筋交点处，用于测得上平台绕X轴的转动加速度；侧面传感器座安装于上平台下表面X轴与加强筋交点处，通过两个安装孔与传感器5和传感器6相连，用于测得上平台绕Y、Z轴的转动加速度。

5.根据权利要求1所述的一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，其特征在于：

所述的下平台组件，其作用是为系统提供稳定的安装基础，并通过地脚螺钉与地基固连，将系统自身的振动传递给隔振地基，保护周边设备。

Images