CN102865985A - 一种基于柔性关节的空间三平移并联激振振动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性关节的空间三平移并联激振装置，该装置是由动平台、静平台、三条相同结构的柔性支链以及三台相同参数的单维激振器组成，其特征在于：每条柔性支链与各自对应的单维激振器组成一条RPRP型运动支链，所述RPRP型运动支链的顶端通过螺纹连接固定在所述动平台上，所述RPRP型运动支链的底端通过螺纹连接固定在所述静平台上，三条所述RPRP型运动支链环绕所述静平台的中心轴线均匀分布。从而实现空间三平移的位置变换，模拟实际工况中空间三平移高频振动。

Description

一种基于柔性关节的空间三平移并联激振振动装置

技术领域

本发明涉及柔顺机构和高频振动领域，尤其涉及一种由静平台、动平台、三条PRPR型柔性运动支链及三台单维激振器组成的三自由度并联工作台，其能实现空间三平移的位姿变换，模拟实际工况中空间三平移高频振动。

背景技术

随着现代机械工程向着高速度、高精度等高性能方向发展，对设备装置进行振动可靠性能的测试，特别是高频（400Hz以上）振动性能的测试，需要高频激振台来模拟实际高频振动激励。通常，航空航天领域中的电子设备的金属触点、机械设备中的阀体、军工领域中相关产品等在低频是安全的，但在高频振动时，出现了性能下降或失效现象。工程中多数机械振动均呈多维合成振动的形式，且多属于多维非线性及强耦合状态。单维（单自由度）的激振器（振动台）装置已经很成熟，高频的单方向激振装置也已有产品出售，但不能真实模拟实际高频多自由度振动激励。

目前能够模拟实际多维合成振动输出的多维激振装置很少，特别是能够模拟实际高频多维振动输出的装置未见报道。当前已知的多维激振台的研究主要存在两个问题：一是大多数具有较高激振频率的多维激振装置结构复杂，实际上是由若干单自由度移动激振器的叠加组合而成，不能真正模拟出实际多维振动，尤其是转动激振无法实现，实际上是一种多点激励***，容易造成多维振动试验出现有的方向过试验，而有的方向欠试验的结果；二是少量结构简单的基于并联机构的多维激振装置振动频率较低，一般振动频率100Hz以下，只能适用于低频振动试验，不能模拟实际的高频振动，因此工程实际迫切需要一种能够真实模拟自然界振动，且结构简单的新型多自由度高频激振装置的出现。

目前关于激振台的已有申请主要有以下几种：

1、公开号是CN101854153A、名称是“压电式高频振动台”，是一种单维高频激振台，可以产生2kHZ-50kHZ的单维振动输出，但其缺陷是不能模拟实际情况中的多自由度高频振动输出。

2、公开号是CN87210629、名称是“液压式异步颠簸振动台”，能进行垂直运动又能承受水平运动，但其振动形式是由若干单自由度激振器叠加而成，不能模拟实际环境中的多维真实振动，工作精度和频率都较低。

3、公开号是CN101038208、名称是“一种六轴微激振器***”，采用柔性关节实现高频多维复合运动，但其产生的是微小变形，只能实现空间六自由度高频微激励输出，而不能实现宏观尺寸下的高频运动输出。

发明内容

本发明的目的是为克服现有激振台存在的不足，构造一种能够模拟自然界真实振动的、在宏观条件下能进行大尺寸变形且能实现空间三平移高频激振的并联工作台，并且其具有刚度大、承载能力强、可实现空间多维输出。

本发明公开了一种能够实现空间三平移高频振动形式的并联激振装置，该装置是由静平台、动平台、三条相同结构的柔性运动支链以及三台相同参数的单维激振器组成。每条柔性运动支链顶端通过螺纹连接与动平台固连，底端亦通过螺纹连接固定在相应的单维激振器工作台面上。三条运动链对称设置于动、静平台之间，各柔性支链对称平面两两间隔120°。三台激振器通过螺纹连接固定在静平台上。

所述的柔性运动链是由两个柔性转动副R1、R2与一个4R型柔性机构（P1副）串接而成，其中4R型柔性机构（P1副）因其结构上的特殊性，能实现类似移动的效果，固可当作一个柔性移动副使用。具体结构为：将柔性转动副R1通过螺纹连接固定在4R型柔性机构（P1副）上端的卡槽结构处，柔性转动副R1的轴线与4R型柔性机构（P1副）的轴线相互垂直；将柔性转动副R2亦通过螺纹连接固定在4R型柔性机构（P1副）下端的卡槽结构处，其轴线亦垂直于4R型柔性机构（P1副）的轴线，且平行于柔性转动副R1的轴线。柔性运动链的具体布置方式为：R1⊥P1⊥R2，且R1∥R2。由于柔性转动副R1、R2结构上的特殊性，即两段连接梁之间呈一钝角，该角度可根据实际情况确定，这时使得固连于该两个柔性转动副之间的4R型柔性机构（P1副）与静平台平面呈一定角度，该角度等于柔性转动副R1、R2两连接梁所夹角度再减去90°。

所述的单向激振器充当一个移动副（P2副），其振动方向垂直于两个柔性转动副R1、R2轴线方向，通过控制***输出可各种规律的振动形式，如正弦规律等。各激振器与所对应的柔性运动链组成一条RPRP型支链，具体布置方式为R1∥R2⊥P2。

所述的柔性转动副R1、R2与4R型柔性机构（P1副）均是基于曲板（圆弧型薄板）结构设计的，其中4R型柔性机构（P1副）是一个由4个轴线相互平行的曲板结构首尾相连而成的平行四边形复合机构。

本发明的有益效果是：

1、采用具有刚度大，累积误差小，受力性能好等特点的并联机构作为主体机构，能达到多维输出效果，从而实现空间三平移高频激振。

2、采用无间隙、无摩擦磨损、可整体加工成型的柔性运动副代替传统刚性关节，很好地解决了后者因存在间隙、摩擦磨损等缺陷而无法准确传递高频激励的问题。

3、本发明中的并联机构具有结构对称性，且结构紧凑，加工成本较低。

附图说明

图1本发明实施例空间三平移高频激振装置具体结构图；

图2本发明实施例柔性支链结构图（以支链一为例）；

图3本发明实施例柔性支链机构简图；

图4本发明实施例柔性转动副R1局部结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由动平台12、静平台6以及串接在这两者之间的三条同样结构的柔性运动支链3、10、11及三台单维激振器5、8、9组成。其中附图标记分别表示如下：1—动平台连接螺钉；2—柔性运动支链连接螺钉2；3—柔性支链1；4—激振器连接螺钉；5—单向激振器1；6—静平台；7—静平台连接螺钉；8—单维激振器2；9—单向激振器3；10—柔性支链2；11—柔性支链3；12—动平台。

静平台上对称加工有三个沉孔，两两间隔120°。

如图2和3所示，每条柔性运动链的顶端，亦即是每个柔性转动副R1的顶端加工有一个螺纹。动平台通过三个连接螺钉1与三条环绕动平台中心轴线均匀布置的柔性运动链3、10、11固连在一起。每条柔性运动链是由一个柔性转动副R1、一个4R型柔性机构（P1副）、一个柔性转动副R2串接而成，其中转动副R1的末端以及转动副R2的顶端都加工有螺纹孔，通过柔性运动链连接螺钉2将两个转动副固定于4R型柔性机构（P1副）两端的卡槽结构处。其中两个转动副R1、R2的轴线相互平行且都垂直于4R型柔性机构（P1副）的轴线，即R1⊥P1（4R）⊥R2，且R1∥R2。

由于柔性转动副R1、R2结构上的特殊性，即两段连接梁之间呈一钝角，该角度可根据实际情况确定，这时使得固连于该两个柔性转动副之间的4R型柔性机构（P1副）与静平台平面呈一定角度，该角度等于柔性转动副R1、R2两连接梁所夹角度再减去90°。

每条柔性运动链的末端连接板上加工有四个均匀分布通孔，其定位尺寸与单维激振器5、8、9工作台面上的相应螺纹孔定位尺寸一致，通过十二个激振器连接螺钉4分别将三条柔性运动链3、10、11固定在三台单维激振器5、8、9的工作台面上。每台单维激振器充当一个移动副（P2副），与相对应的柔性支链组成一条RPRP型运动链，其移动轨迹与动静平台中心轴线方向一致，它所输出的各种规律的振动激励通过与之相固连的柔性运动链，最终传递给了动平台12，经三台单向激振器5、8、9同时作用，最终使动平台能实现三个方向的高频平移运动，能实现对实际工况中三平移高频振动的模拟。

三台环绕静平台7中心轴线均匀分布的单维激振器5、8、9通过若干静平台连接螺钉7固定在静平台6上。

曲板结构包括刚性连接梁a、d，导向触点b，导槽c、接触导板e和曲板f，其中曲板即一段圆弧型薄板，如图4中f部分所示，该处结构在受力时易绕其中心轴线发生较大程度的弹性形变，且形变量较大，这一现象可看作是连接曲板的两刚性矩形截面梁所产生的相对转动，基于这一原理就设计了本发明中的三类柔性运动副，具体结构可参考图5（转动副R1局部结构图）：连接梁1a和连接梁2d为连接曲板f的两段矩形截面刚性梁，该部分在受力时发生的弹性变形微乎其微，可忽略不计；曲板f为实现柔性副产生转动效果的最直接结构，要求该处结构在工作时有一定的弹性，同时具备很高的疲劳强度；导向触点b有两个作用，一是为了避免柔性副在受拉力有逆向变形倾向时，其侧面与其旁边的勾状触点相贴合，可阻止柔性副产生逆向变形，二是当柔性副在受压力发生正向变形时，其与导槽c（导槽可视为导向触点的导轨）结构配合工作，即导向触点b则沿着导槽c作相应的滑动，使两端的刚性连接梁a、d发生相对转动，能起到精确导向作用；接触导板e在柔性副受压力正向转动时与曲板内表面贴合，一方面能增加柔性副的抗压能力，另一方面亦能起到导向作用。为了减少应力集中，各过渡结构均要倒角。另外，连接梁1a与连接梁2d对称轴线所夹角度可根据实际情况调整。

上述提及的三类柔性副，即R1副、R2副、P1副都是通过线切割整体加工成型的，各柔性结构均为一个连贯的整体。

Claims (6)

1.一种基于柔性关节的空间三平移并联激振装置，所述装置是由动平台、静平台、三条相同结构的柔性支链以及三台相同参数的单向激振器组成，其特征在于：每条柔性支链与相应的单向激振器组成一条RPRP型运动链，所述RPRP型运动支链的顶端通过螺纹连接固定在所述动平台上，所述RPRP型运动支链的底端通过螺纹连接固定在所述静平台上，三条所述RPRP型运动支链环绕所述静平台的中心轴线均匀分布；所述RPRP型运动支链的顶端为R1副的顶端；所述RPRP型运动支链的底端为单维激振器固定架。

2.如权利要求1所述基于柔性关节的空间三平移并联激振装置，其中所述柔性支链是由一个柔性转动副R1，一个4R型柔性机构P1副，一个柔性转动副R2通过螺纹连接串接而成，其具体布置方式为：R1⊥P1⊥R2，且R1∥R2。

3.如权利要求1所述基于柔性关节的空间三平移并联激振装置，其特征在于：每台单向激振器充当一个移动副P2副，经控制***控制，能输出各种规律的振动形式，振动方向同动静平台中心轴线方向保持一致。

4.如权利要求2所述基于柔性关节的空间三平移并联激振装置，其特征在于：所述柔性转动副R1、4R型柔性机构（P1副）、柔性转动副R2，都是基于曲板结构；其中4R型柔性机构P1副是一个由4个轴线相互平行的曲板结构首尾相连而成的平行四边形复合机构。

5.如权利要求4所述基于柔性关节的空间三平移并联激振装置，其特征在于：所述曲板结构包括刚性连接梁（a）、（d），导向触点（b），导槽（c）、接触导板（e）和曲板（f），所述曲板（f）为一段圆弧型薄板，其两端为可忽略弹性变形的刚性连接梁（a）、（d），在受力时所述曲板绕其中心轴线发生弹性变形，使两端的刚性连接梁（a）、（d）发生相对转动，而导向触点（b）则沿着导槽（c）作相应的滑动，这样使曲板在受力时更加准确的绕其中心轴线发生变形；接触导板（e）在柔性副受压力正向转动时与曲板内表面贴合。

6.如权利要求2所述基于柔性关节的空间三平移并联激振装置，其特征在于：所述R1副、R2副、P1副都是通过线切割整体加工成型，均为一个连贯的整体。

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