CN105171728A - 一种六棱锥式六自由度并联机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种运动模拟装备,特别是一种六棱锥式六自由度并联机构。由负载平台(1)、机构底座(8)与六组支链并联组成。每组支链由虎克铰(2)、连杆(3)、三自由度铰链(4)和直线电机(7)构成。连杆(3)的一头通过虎克铰(2)与负载平台(1)相联,另一头通过三自由度铰链(4)与直线电机(7)的楔形滑块(16)相联。直线电机(7)通过楔形滑块(16)驱动连杆(3)带动负载平台(1)联动。本发明具有高速度、高精度、响应速度快等优点,负载平台(1)最大转角θ可达到51°,实现越野路况下汽车六自由度振动模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种运动模拟装备,特别是一种基于直线电机驱动、导轨倾斜设置的六棱锥式六自由度并联机构,适用于汽车在越野路况下行驶时六个自由度上的振动模拟。
背景技术
目前,公知的六自由度并联机构由负载平台、连杆、底座、铰链和驱动***组成。6根连杆通过铰链将负载平台和底座联接,当驱动***改变连杆位置或者长度时,负载平台能够完成预期的空间六自由度运动。运动模拟器作为六自由度并联机构最广泛的应用之一,近年来成为研究的热点,不同结构、不同驱动源的并联机构有着不同的性能特点。在模拟越野路况下汽车在六个自由度上的振动情况时,要求负载平台能够有较好的转动性能(通常最大转动角度θ>30°),但是已有的六自由度并联机构,如Stewart平台,通常将驱动源附着在运动连杆上,运动连杆固定于同一水平面,并且采用转角范围小于30°的球铰联接,导致负载平台与水平面的最大转动角度θ<10°,不能够满足对越野路况下汽车六自由度振动的模拟。
目前已有的六自由度并联机构通常采用机液驱动***,机构结构复杂、弹性元件的迟滞和杆件的涨缩都会影响机构的性能。作为汽车六自由度振动模拟器要求机构应当具有高速度、高精度和频率响应快的特点,因此电液伺服***开始应用于汽车六自由度振动模拟。电液控制具有信号传递准确、快捷、可靠的优点,易于实现多调节参数的综合调节和智能控制,但仍未从根本上解决液压驱动***结构复杂、速度精度低、频率响应慢的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术难题是,克服上述现有技术的不足,提供一种六棱锥式六自由度并联机构。采用直线电机驱动,解决了液压驱动***结构复杂、易发生漏油泄压故障、弹性元件的迟滞、运动速度和精度低等问题。该机构具有较好的转动性能,能够满足越野路况下汽车的六自由度振动模拟所需的大转角和高速、高精度的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是,由负载平台(1)、机构底座(8)和六组支链构成,负载平台(1)与机构底座(8)之间通过六组支链进行并联,其特征在于:六组支链轮辐式设置,每组支链之间依次为α=30°和β=90°均布,使负载平台(1)、机构底座(8)和六组支链之间呈六棱锥形设置;所述每组支链由虎克铰(2)、连杆(3)、三自由度铰链(4)和直线电机(7)构成,直线电机(7)倾斜式固定在机构底座(8)上;直线电机(7)上设有电机动子轴(13)和可在电机动子轴(13)上往复式直线运动的楔形滑块(16);连杆(3)的上端通过虎克铰(2)与负载平台(1)相联接;连杆(3)的下一端通过三自由度铰链(4)与电机动子轴(13)上的楔形滑块(16)相联接。
所述直线电机(7),包括电机中心轴(12)、电机磁钢(19)、电机动子(20)、电机动子轴(13)、电机外壳(18)和电机端盖(17),电机动子轴(13)与电机中心轴(12)平行设置;电机磁钢(19)设于电机中心轴(12)上,电机动子(20)套在电机磁钢(19)的外侧,电机动子(20)通过连接块(14)与设于电机动子轴(13)上的楔形滑块(16)相连,电机动子(20)在电机磁钢(19)的电磁作用下,带动楔形滑块(16)沿电机动子轴(13)作往复直线运动。
直线电机(7)的电机动子轴(13)与机构底座(8)之间的倾斜角δ=45°设置,每组支链的电机动子轴(13)之间也依次成30°和90°设置。
所述虎克铰(2)包括一对叉形的虎克铰端盖(24)和十字轴(26),十字轴(26)的四端设有虎克铰轴承(25),两个虎克铰端盖(24)之间通过十字轴(26)相连接。
所述三自由度铰链(4)包括一对叉形的三自由度铰链端盖(23)、十字轴(26)、铰链轴承(27)、转动副顶盖(28)和转动副轴承(29),十字轴(26)的四端设有铰链轴承(27),两个叉形的三自由度铰链端盖(23)之间通过十字轴(26)相连;其中一个三自由度铰链端盖(23)与楔形滑块(16)固定连接,另一个三自由度铰链端盖(23)通过固连的转动副顶盖(28)和转动副轴承(29)与连杆(3)连接;连杆(3)既可在转动副轴承(29)内转动,又可随十字轴(26)前后、左右摆动。
直线电机(7)的驱动采用单片机实现位移和电流的双闭环控制。
直线电机(7)通过直线电机底座(6)固定在机构底座(8)上,直线电机底座(6)与机构底座(8)之间的夹角γ=45°。
本发明与现有技术相对比,所具备的有益效果是:
(1)六组支链的两端均采用虎克铰和三自由度铰链联接、传动,同时直线电机又采用导轨倾斜的布置方式,使得整个机构具有极其良好的转动性能,负载平台的最大转角θ可以达到51°,可以满足越野路况下(转角>30°)汽车的六自由度运动模拟;
(2)采用直线电机的驱动方式,相对于传统液压驱动,具有高速度、高精度、响应速度快等优点,更加适合作为汽车振动模拟的驱动***;
(3)采用六棱锥形、轮幅式并联结构,具有刚度好,结构简单;累积误差小等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为六个支链的位置结构示意图;
图3为图2中A-A剖面中的机构底板8与电机底座6的装配示意图;
图4为单个支链的结构示意图;
图5为直线电机7的结构示意图;
图6为图5的B-B剖面图;
图7为图5中的C向视图;
图8为图5中的D向视图;
图9为图4中的局部放大图,也既为虎克铰2的结构示意图;
图10为图9的E-E剖面图;
图11为图9的F-F剖面图;
图12为图4中的局部放大图,也既为三自由度铰链4的结构示意图;
图13为图12中的G-G剖面图。
图中:1、负载平台;2、虎克铰;3、连杆;4、三自由度铰链;5、楔形滑块;6、直线电机底座;7、直线电机;8、机构底座;9、定位销;10、螺栓;11、锁紧螺母;12、电机中心轴;13、电机动子轴;14、连接块;15、直线轴承;16、楔形滑块;17、电机端盖;18、电机外壳;19、电机磁钢;20、电机动子;21、沉头螺钉;22、螺栓;23、三自由度铰链端盖;24、虎克铰端盖;25、虎克铰轴承;26、十字轴;27、三自由度铰链轴承;28、转动副顶盖;29、转动副轴承。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作进一步详细描述。
本发明主要由负载平台(1)、机构底座(8)和六组支链组成,负载平台(1)与机构底座(8)之间通过六组支链进行并联。六组支链轮辐式设置,每组支链之间依次为α=30°和β=90°均布,使负载平台(1)、机构底座(8)和六组支链之间呈六棱锥形设置。
所述每组支链由虎克铰(2)、连杆(3)、三自由度铰链(4)和直线电机(7)构成,直线电机(7)倾斜式固定在机构底座(8)上;直线电机(7)上设有电机动子轴(13)和可在电机动子轴(13)上往复式直线运动的楔形滑块(16);连杆(3)的上端通过虎克铰(2)与负载平台(1)相连接;连杆(3)的下一端通过三自由度铰链(4)与电机动子轴(13)上的楔形滑块(16)相联接。
所述直线电机(7),包括电机中心轴(12)、电机磁钢(19)、电机动子(20)、电机动子轴(13)、电机外壳(18)和电机端盖(17),电机动子轴(13)与电机中心轴(12)平行设置;电机磁钢(19)设于电机中心轴(12)上,电机动子(20)套在电机磁钢(19)的外侧,电机动子(20)通过连接块(14)与设于电机动子轴(13)上的楔形滑块(16)相连,楔形滑块(16)上设有直线轴承(15),电机动子(20)在电机磁钢(19)的电磁作用下,带动楔形滑块(16)沿电机动子轴(13)作往复直线运动。直线电机(7)的电机动子轴(13)与机构底座(8)之间的倾斜角δ=45°设置,每组支链的电机动子轴(13)之间也依次成30°和90°设置。直线电机(7)通过直线电机底座(6)固定在机构底座(8)上,直线电机底座(6)与机构底座(8)之间的夹角γ=45°。其中电机端盖(17)通过M3沉头螺钉(21)与电机外壳(18)联接。楔形滑块(5)通过连接块(14)和M3螺栓(22)与电机动子(20)联接,楔形滑块(5)通过直线轴承(15)实现在电机动子轴(13)上的往复直线式运动。
所述虎克铰(2)包括一对叉形的虎克铰端盖(24)和十字轴(26),十字轴(26)的四端设有虎克铰轴承(25),两个虎克铰端盖(24)之间通过十字轴(26)相连接。
所述三自由度铰链(4)由一对叉形的三自由度铰链端盖(23)、十字轴(26)、铰链轴承(27)、转动副顶盖(28)和转动副轴承(29)组成,十字轴(26)的四端设有铰链轴承(27),两个叉形的三自由度铰链端盖(23)之间通过十字轴(26)相连;其中一个三自由度铰链端盖(23)通过M3螺栓(22)与楔形滑块(16)联接,另一个三自由度铰链端盖(23)通过M3螺栓(22)与转动副顶盖(28)联接,转动副顶盖(28)再通过转动副轴承(29)与连杆(3)过盈配合联接。连杆(3)既可在转动副轴承(29)内转动,又可随十字轴(26)前后、左右摆动。
本发明共有6根支链,每根支链上,连杆(3)的一头通过M3螺栓(22)与虎克铰(2)联接,连杆(3)的另一头通过转动副轴承(29)与三自由度铰链(4)过盈联接。本发明整机结构由于呈棱锥形设置,故称为六棱锥式并联机构。
本发明安装时,采用轮辐式的布置方式,将呈夹角γ=45°的直线电机底座(6)按照α=30°和β=90°的角度依次通过定位销(9)和M10螺栓(10)固定在机构底座(8)上,直线电机(7)通过锁紧螺母(11)、直线电机中心轴(12)、直线电机动子轴(13)与直线电机底座(6)联接,保证直线电机两根轴的倾斜角度δ=45°。
本发明在工作时,通过驱动***改变直线电机(7)导轨上铰链的位置,再由六根连杆(3)共同驱动负载平台实现六个自由度上的运动。与传统球铰联接方式不同,本发明采用虎克铰和三自由度铰链联接、传动,其优点在于最大转角可以达到90°,因此使本发明具有较好的转动性能,其负载平台(1)的最大转角θ能够达到51°,能够满足越野路况下汽车六自由度振动的模拟。
所述的控制***由直线电机作为执行器,涉及的传感器包括位移传感器和电流传感器,通过单片机实现位移和电流的双闭环控制,从而提高驱动***的控制精度,保证机构运动时的高速度、高精度、高响应频率。
本发明的工作原理是:对于给定的负载平台(1)运动规律,由数学模型计算出各个直线电机的运动规律,包括位移、速度、加速度和驱动力的变化规律,通过单片机的位移和电流双闭环控制,使直线电机(7)按照预期的规律运动。电机动子(20)通过连接块(14)带动楔形滑块(16)沿直线电机动子轴(13)往复运动,楔形滑块(16)推动三自由度铰链(4)、连杆(3)和虎克铰(2)在空间六个自由度上运动,六个虎克铰(2)共同作用于负载平台(1),使得对于给定的六个直线电机位置存在唯一的负载平台(1)位姿与之对应,实现负载平台的六个自由度运动。
所述的六棱锥式并联机构具有较好的转动性能,负载平台(1)的最大转角θ能够达到51°,并且具有高速度、高精度、响应速度快等特点,能够满足越野路况下汽车六自由度振动的模拟。
Claims (7)
1.一种六棱锥式六自由度并联机构,由负载平台(1)、机构底座(8)和六组支链构成,负载平台(1)与机构底座(8)之间通过六组支链进行并联,其特征在于:六组支链轮辐式设置,每组支链之间依次为α=30°和β=90°均布,使负载平台(1)、机构底座(8)和六组支链之间呈六棱锥形设置;所述每组支链由虎克铰(2)、连杆(3)、三自由度铰链(4)和直线电机(7)构成,直线电机(7)倾斜式固定在机构底座(8)上;直线电机(7)上设有电机动子轴(13)和可在电机动子轴(13)上往复式直线运动的楔形滑块(16);连杆(3)的上端通过虎克铰(2)与负载平台(1)相联接;连杆(3)的下一端通过三自由度铰链(4)与电机动子轴(13)上的楔形滑块(16)相联接。
2.如权利要求1所述的一种六棱锥式六自由度并联机构,其特征在于:所述直线电机(7),包括电机中心轴(12)、电机磁钢(19)、电机动子(20)、电机动子轴(13)、电机外壳(18)和电机端盖(17),电机动子轴(13)与电机中心轴(12)平行设置;电机磁钢(19)设于电机中心轴(12)上,电机动子(20)套在电机磁钢(19)的外侧,电机动子(20)通过连接块(14)与设于电机动子轴(13)上的楔形滑块(16)相连,电机动子(20)在电机磁钢(19)的电磁作用下,带动楔形滑块(16)沿电机动子轴(13)作往复直线运动。
3.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构,其特征在于:直线电机(7)的电机动子轴(13)与机构底座(8)之间的倾斜角δ=45°设置,每组支链的电机动子轴(13)之间也依次成30°和90°设置。
4.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构,其特征在于:所述虎克铰(2)包括一对叉形的虎克铰端盖(24)和十字轴(26),十字轴(26)的四端设有虎克铰轴承(25),两个虎克铰端盖(24)之间通过十字轴(26)相连接。
5.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构,其特征在于:所述三自由度铰链(4)包括一对叉形的三自由度铰链端盖(23)、十字轴(26)、铰链轴承(27)、转动副顶盖(28)和转动副轴承(29),十字轴(26)的四端设有铰链轴承(27),两个叉形的三自由度铰链端盖(23)之间通过十字轴(26)相连;其中一个三自由度铰链端盖(23)与楔形滑块(16)固定连接,另一个三自由度铰链端盖(23)通过固连的转动副顶盖(28)和转动副轴承(29)与连杆(3)连接;连杆(3)既可在转动副轴承(29)内转动,又可随十字轴(26)前后、左右摆动。
6.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构,其特征在于:直线电机(7)的驱动采用单片机实现位移和电流的双闭环控制。
7.如权利要求1或2所述的一种六棱锥式六自由度并联机构,其特征在于:直线电机(7)通过直线电机底座(6)固定在机构底座(8)上,直线电机底座(6)与机构底座(8)之间的夹角γ=45°。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151223 |