CN2604600Y - 四自由度运动装置 - Google Patents

Abstract

一种四自由度运动装置，包括运动台体2、下平台10、半固定支撑5、活动支撑3、俯仰、侧倾油缸4、11和偏航油缸8。活动支撑3上端通过复合铰链7与运动台体2相连，下端通过下铰链轴承22与下平台10相连。两个俯仰、侧倾油缸4、11分别通过复合铰链7与运动台体2和下平台10相连。半固定支撑5下端与下平台10固连，上端通过复合铰链7与运动台体2相连。运动台体2中部装有旋转支撑1。旋转支撑1的内环与被测试物体固连，外环与运动台体2固连。偏航油缸8一端通过偏航油缸支座9与运动台体2相连，另一端通过偏航推板6与旋转支撑1相连。本实用新型结构简单、工作稳定、可承载特大型载荷，实现绕X、Y、Z轴的转动和沿Z轴的垂向运动。

Description

四自由度运动装置

技术领域

本实用新型涉及动感仿真运动装置，尤其是一种四自由度运动装置。

背景技术

动感仿真运动平台是一种适用于对不同海况和不同路况条件下的运动仿真装置，用作各类车辆、舰船的训练模拟器或对产品、设备进行性能测试的模拟试验台。传统的动感仿真运动平台有六自由度平台、三自由度平台以及三轴转台。传统的动感仿真运动平台的不足是：承载能力较小；此外，目前尚没有可绕X、Y、Z三轴转动，并沿Z轴垂向运动的四自由度平台。

发明内容

本实用新型的目的是针对目前动感仿真运动平台存在的承载能力较小，且不具绕X、Y、Z轴转动和沿Z轴垂直运动功能的问题，提供一种承载能力大，可绕X、Y、Z三轴转动，并沿Z轴垂向运动的四自由度运动装置。

本实用新型所述的四自由度运动装置包括一运动台体、一旋转支撑、一下平台、一半固定支撑、一活动支撑、两个俯仰、侧倾油缸和一个偏航油缸。活动支撑、半固定支撑、两个俯仰、侧倾油缸位于运动台体和下平台之间。活动支撑上端通过复合铰链与运动台体相连，下端通过下铰链轴承与下平台相连。两个俯仰、侧倾油缸分别通过复合铰链与运动台体和下平台相连。半固定支撑包括焊合的半固定支撑构架及位于半固定支撑构架内与半固定支撑构架固连的半固定支撑驱动油缸，与半固定支撑驱动油缸相连的导柱，以及起导向作用的导套。半固定支撑下端通过底板与下平台固连，上端通过半固定支撑的驱动油缸、导柱、复合铰链与运动台体相连。半固定支撑、两个俯仰、侧倾油缸沿运动台体周向均布，即相对圆心互成120°。活动支撑与半固定支撑相对运动台体圆心相互对称。运动台体中部装有旋转支撑。旋转支撑实为一转盘轴承。旋转支撑的内环与被测试物体固连，外环与运动台体固连。偏航油缸位于运动台体下方，一端通过偏航油缸支座与运动台体相连，另一端通过偏航推板与旋转支撑相连。

半固定支撑、活动支撑和俯仰、侧倾油缸，它们均通过下平台与地脚螺拴固连。

运动台体采用正八棱锥台钢板焊接箱式结构，其外侧为侧板，内侧为立板，顶面为盖板，侧板、立板、盖板之间设有加强筋。

运动台体是四自由度运动装置的基本部件。负载及测试设备固定在运动台体中旋转支撑的滚动内圈上，由固定在运动台体下面的偏航油缸推动滚动内圈实现偏航运动。两个俯仰、侧倾油缸与半固定支撑驱动油缸协调运动，实现滚转、俯仰运动。

活动支撑设计为型钢焊接结构，两面焊封钢板，提高活动支撑的强度。活动支撑包括上支撑板、上支撑轴、下支撑板、下支撑轴和上铰链轴承、下铰链轴承。上支撑板通过上支撑轴、上铰链轴承与下支撑板相连，下支撑板通过下支撑轴、下铰链轴承与下平台相连。

活动支撑为一随动部件，它可利用自身转轴作垂向升降和X向平移，它不承受垂向力，它与半固定支撑一起承受运动台体的旋转力偶。

半固定支撑构架采用箱形焊接结构，结构内部焊接加强筋，底部设有底板，保证半固定支撑的强度。

复合铰链由轴承、大轴、小轴、轴承座、轴承盖、上接头和六角头螺栓构成。大轴通过轴承装在轴承座中，小轴垂直安装于大轴中并通过轴承装在上接头中。

复合铰链联接线运动单元与运动台体和下平台，使线运动单元产生较大范围的运动，而不产生干涉，与运动台体相连的有四组复合铰链。

旋转支撑又称做交叉圆柱滚子转盘轴承。一般情况下，旋转支撑自身均带有安装孔、润滑油孔和密封装置。旋转支撑与试件联接，在外力作用下产生旋转运动。

旋转支撑外圈与运动台体在一个圆周上联接，圆周上均布多个螺栓，把轴承与运动台体固联为一整体，既提高了运动台体的强度和刚度，也提高了旋转支撑的强度和刚度。

四自由度运动装置通过计算机程序控制液压阀，控制流量、流速，实现对液压缸的控制，最终准确的实现四自由度运动测试。

本实用新型所提供的四自由度平台，可绕X、Y、Z三轴转动，并沿Z轴垂向运动，除运动台体、固定下平台外，采用了活动支撑、半固定支撑、旋转支撑和四套线运动单元。这种结构形式与现有运动平台均不相同。特别是它所具有的承载特大型载荷(≤20吨)和运动台体中部可以空心的特点，使其具有广泛的应用领域。

本实用新型具有结构简单、稳定、运动解耦、可承载特大型载荷等优点，适用于针对不同海况和不同路况条件下的运动仿真，可作为各类车辆、舰船的训练模拟器或对产品、设备进行性能测试的模拟试验台。

附图说明

图1是本实用新型四自由度运动装置的构造图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的左侧视图；

图4是运动台体的构造图；

图5是图4的俯视图；

图6是活动支撑的构造图；

图7是图6的左侧视图；

图8是半固定支撑的构造图；

图9是图8的左侧视图；

图10是复合铰链的构造图；

图11是图10的俯视图；

图12是图10的左侧视图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实用新型所述的四自由度运动装置包括一运动台体2、一下平台10、一半固定支撑5、一活动支撑3、俯仰、侧倾油缸4、俯仰、侧倾油缸11和一个偏航油缸8。活动支撑3、半固定支撑5、两个俯仰、侧倾油缸4、11位于运动台体2和下平台10之间。活动支撑3上端通过复合铰链7与运动台体2相连，下端通过下铰链轴承22(图6)与下平台10相连。两个俯仰、侧倾油缸4、11分别通过复合铰链7与运动台体2和下平台10相连。半固定支撑5包括焊合的半固定支撑构架26(图8)及位于半固定支撑构架26内，与半固定支撑构架26固连的半固定支撑驱动油缸12，与半固定支撑驱动油缸12相连的导柱24，以及起导向作用的导套25(图8)。半固定支撑5下端通过底板27与下平台10固连，上端通过半固定支撑驱动油缸12、导柱24、复合铰链7与运动台体2相连。半固定支撑5、两个俯仰、侧倾油缸4、11沿运动台体2周向均布，即相对圆心互成120°。活动支撑3与半固定支撑5相对运动台体2圆心相互对称。运动台体2中部为空心圆，空心圆内装有旋转支撑1。旋转支撑1实为一转盘轴承。旋转支撑1的内环与被测试物体固连，外环与运动台2体固连。偏航油缸8位于运动台体2下方，一端通过偏航油缸支座9与运动台体2相连，另一端通过偏航推板6与旋转支撑1相连。

半固定支撑5、活动支撑3和两个俯仰、侧倾油缸4、11，均通过下平台10与地脚螺拴固连。

如图4、图5所示，运动台体2采用正八棱锥台钢板焊接箱式结构，其外侧为侧板15，内侧为立板17，顶面为盖板13、14，侧板15、立板17、盖板13、14之间设有加强筋16。

运动台体2可绕相互垂直的轴线X、Y、Z作定轴转动并沿Z轴作垂向运动。其中，X轴位于试件纵轴下方，Y轴垂直于X轴，X轴、Y轴位于同一水平面内，Z轴位于圆形旋转支撑1的中心，与X轴、Y轴垂直。

运动台体2是四自由度运动装置的基本部件。负载及测试设备固定在运动台体中旋转支撑1的滚动内圈上，由固定在运动台体2下面的偏航油缸8推动滚动内圈实现偏航运动。两个俯仰、侧倾油缸4、11与半固定支撑驱动油缸12协调运动实现滚转、俯仰运动。

如图6、图7所示，活动支撑3为型钢焊接结构，两面焊封钢板，提高活动支撑的强度。活动支撑3包括上支撑板18、上支撑轴19、下支撑板20、下支撑轴21和上铰链轴承23、下铰链轴承22。上支撑板18通过上支撑轴19、上铰链轴承23与下支撑板20相连，下支撑板20通过下支撑轴21、下铰链轴承22与下平台10相连。

活动支撑3为一随动部件，它可利用自身转轴作垂向升降和X向平移，它不承受垂向力，它与半固定支撑5一起承受运动台体2的旋转力偶。

活动支撑3限制运动台体2沿Y轴方向的水平运动，同时保证运动台体2俯仰、侧倾、垂直运动的灵活性。

活动支撑3的两个关键部位，上铰链轴承23和下铰链轴承22设计为圆锥滚子轴承支撑形式，以克服轴向力和径向力的联合作用，采用轴承使活动支撑3运动灵活自如，避免活动支撑3运动发生锁死的弊端。

如图8、图9所示，半固定支撑5的底板27与下平台10固定联接，从而限制运动台体2沿X、Y方向的运动，保证运动台体2安全可靠的运动，防止运动台体2失稳、倾倒等意外。

半固定支撑5除了对运动台体2起到支撑的作用外，它还与两个俯仰、侧倾油缸4、11一起驱动运动平台2实现绕Y轴的俯仰运动。这样，Y轴可平移到试件重心下方，大大缩短了油缸的俯仰转动半径，在做俯仰运动时，大幅度减小了两个俯仰、侧倾油缸4、11活塞杆端的垂向位移、垂向速度和垂向加速度，减小了运动台体2的垂向牵连运动，从而很大程度的降低了所需的油缸出力和油源流量。

半固定支撑5限制运动台体2水平移动、沿垂直方向的旋转运动，防止运动台体2意外失稳、倾倒。半固定支撑驱动油缸12作垂直运动以实现运动台体2的俯仰及辅助实现运动台体2的侧倾。

半固定支撑构架26采用箱形焊接结构，结构内部焊有加强筋，底部设有底板27，保证半固定支撑5的强度。

半固定支撑5上安装的导柱24及导套25采用重负荷型滚珠花键及花键套。滚珠花键利用装在花键套筒内的滚珠，在精密研磨的滚动沟槽中作平滑滚动，同时传递力矩，是一种理想的直线运动系统。与传统的构造不同，因为可以对单个花键外筒施加预压，所以可在振动冲击负荷作用过大，定位精度要求高，以及需要高速运动性能的工况条件下发挥有效的作用。与普通直线滚珠导柱、导套相比较，在轴径相同情况下，滚珠花键所具有的额定负荷是普通直线滚珠导柱、导套的10余倍，即使在悬臂负荷力矩等作用的情况下，也可安全使用，而且寿命长。

如图10-图12所示，复合铰链7由轴承32、34、大轴33、小轴31、轴承座29、轴承盖30、上接头28和六角头螺栓35、36、37构成。大轴33通过轴承34装在轴承座29中，小轴31垂直安装于大轴33中并通过轴承32装在上接头28中。

旋转支撑1又称交叉圆柱滚子转盘轴承，是一种能够同时承受较大轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩等综合载荷的特殊结构的大型轴承。一般情况下，旋转支撑1自身均带有安装孔、润滑油孔和密封装置。旋转支撑1与试件联接，在外力作用下产生旋转运动。

旋转支撑1外圈与运动台体2在一个圆周上联接，圆周上均布多个螺栓，把旋转支撑1与运动台体2固联为一整体，既提高了运动台体2的强度和刚度，也提高了旋转支撑1的强度和刚度。

四自由度运动装置通过计算机控制液压阀，控制流量、流速实现对液压缸的控制，最终准确的实现四自由度运动测试。

停机时，两个俯仰、侧倾油缸4、11、半固定支撑驱动油缸8的活塞杆缩回缸底，运动台体2处于水平最低位置。开机时，两个俯仰、侧倾油缸4、11、半固定支撑驱动油缸12的活塞杆各伸出行程的一半，运动台体2位于水平中立位置，即运动零位，在此基础上开始运动仿真。

四自由度运动装置的运动原理：

1.运动台体2以Y轴为对称轴的俯仰运动：运动台体2升到中立位置时，两个俯仰、侧倾油缸4、11向上运动，半固定支撑驱动油缸12向下运动，则实现运动台体2的俯运动；当两个俯仰、侧倾油缸4、11向下运动，半固定支撑驱动油缸12向上运动，则实现运动台体2的仰运动。

2.运动台体2以X轴为对称轴的侧倾运动：运动台体2到达中立位置，两个俯仰、侧倾油缸4、11同时运动、且方向相反，而半固定支撑驱动油缸12保持位置不变，此时实现运动台体2的侧倾运动。

3.以Z轴为回转轴的回转运动：偏航油缸8推动旋转支撑1运动时，旋转支撑1相对运动台体2作沿Z轴的回转运动。

4.沿Z轴的垂直运动：两个俯仰、侧倾油缸4、11、半固定支撑驱动油缸12同向运动时，运动台体2实现沿Z轴的垂直运动。

Claims (5)

1.一种四自由度运动装置，其特征在于：包括一运动台体、一旋转支撑、一下平台、一半固定支撑、一活动支撑、两个俯仰、侧倾油缸和一个偏航油缸；活动支撑、半固定支撑、两个俯仰、侧倾油缸位于运动台体和下平台之间，活动支撑上端通过复合铰链与运动台体相连，下端通过下铰链轴承与下平台相连，两个俯仰、侧倾油缸分别通过复合铰链与运动台体和下平台相连；半固定支撑包括焊合的半固定支撑构架及位于半固定支撑构架内与半固定支撑构架固连的半固定支撑驱动油缸，与半固定支撑驱动油缸相连的导柱，以及起导向作用的导套，半固定支撑下端通过底板与下平台固连，上端通过半固定支撑的驱动油缸、导柱、复合铰链与运动台体相连；半固定支撑、两个俯仰、侧倾油缸沿运动台体周向均布，即相对圆心互成120°，活动支撑与半固定支撑相对运动台体圆心相互对称；运动台体中部装有旋转支撑，旋转支撑实为一转盘轴承，旋转支撑的内环与被测试物体固连，外环与运动台体固连；偏航油缸位于运动台体下方，一端通过偏航油缸支座与运动台体相连，另一端通过偏航推板与旋转支撑相连。

2.按权利要求1所述的四自由度运动装置，其特征在于：运动台体采用正八棱锥台钢板焊接箱式结构，其中部为空心圆，外侧为侧板，内侧为立板，顶面为盖板，侧板、立板、盖板之间设有加强筋。

3.按权利要求1所述的四自由度运动装置，其特征在于：活动支撑为型钢焊接结构，两面焊封钢板，活动支撑包括上支撑板、上支撑轴、下支撑板、下支撑轴和上铰链轴承、下铰链轴承，上支撑板通过上支撑轴、上铰链轴承与下支撑板相连，下支撑板通过下支撑轴、下铰链轴承与下平台相连。

4.按权利要求1所述的四自由度运动装置，其特征在于：半固定支撑构架采用箱形焊接结构，内部焊接加强筋，底部设有底板。

5.按权利要求1所述的四自由度运动装置，其特征在于：复合铰链由轴承、大轴、小轴、轴承座、轴承盖、上接头构成，大轴通过轴承装在轴承座中，小轴垂直安装于大轴中并通过轴承装在上接头中。

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