CN114323526A - 一种直线电机驱动六自由度振动模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，包括六自由度并联机构、直线电机驱动机构、六自由度测量控制***。所述直线电机驱动机构同时充当所述六自由度并联机构的静平台，六自由度并联机构的动平台位于静平台的上端，通过六根运动支链与所述直线电机驱动机构相连接。六自由度并联机构的设计刚度大，承载能力强，整体结构稳定。六自由度测量控制***由直线光栅传感器、加速度计和控制器组成，以实现六自由度并联机构运动位置的实时反馈与直线电机驱动装置的运动控制。本发明能够用于测试复杂多自由度振动激励下的传感器动态响应特性，地解决了现有技术中六自由度振动模拟装置工作空间小的问题，以提高传感器测试的精度与效率及范围。

Description

一种直线电机驱动六自由度振动模拟装置

技术领域

本发明涉及振动试验设备设计与测试技术领域，具体涉及一种利用直线电机驱动的六自由度振动模拟装置。

背景技术

振动测量在机械加工、航空航天、精密加工等领域的应用越来越广泛，相应的，用于振动测量的传感器种类也越来越多。为了测试振动传感器的性能是否达到相应要求，保障测量数据的有效性，需要提高振动激励的振动模拟装置。振动校准装置主要任务是为被测振动传感器提供激励加速度，常用于提供不同运动轨迹下的多自由度振动激励，用以标定和校验各种运动轨迹复杂振动环境下的传感器功能性能，或检验其在复杂环境下的稳定水平和控制精度。

现有的六自由度振动模拟装置，大多为液压振动台。虽然液压振动台具有较大的承载能力，振幅相对较大，但这种设备液压***的性能容易受温度的影响，对油液要求高，且造价贵、维修复杂。由于油泵的压力脉动、油液压缩性引起的共振、液压密封件的摩擦等因素的影响，使液压台提供的激励加速度波形失真较大。目前，国内也存在少部分的电动激励振动台，但机械结构所占据的空间大，振动台能够实现的工作空间小，振动模拟装置结构复杂，而且电动振动台多为中高频范围，很难实现低频振动激励。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中机械结构占据空间大、振动台工作空间小等问题，提供一种新型直线电机驱动的六自由度振动模拟装置。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：提供一种基于直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，包括：六自由度并联机构、直线电机驱动机构、六自由度测量控制***。所述直线电机驱动机构同时充当所述六自由度并联机构的静平台，所述六自由度并联机构的动平台位于静平台的上端，通过六根运动支链与所述直线电机驱动机构相连接。六自由度测量控制***由直线光栅传感器、加速度计和控制器组成，直线光栅传感器与加速度计分别位于直线电机驱动机构的底部和工作台侧表面。

在一个优选的实施方案中，所述六自由度并联机构包括动平台(1)、运动支链(2)。所述动平台(1)为Y型平台，用于安装被测传感器，为其提供多自由度振动激励。所述运动支链(2)的数量为六，由动平台球铰(5)、连杆(6)以及静平台球铰(7)组成。运动支链(2)的连杆(6)为刚性体，不具有伸缩性，承载能力强。运动支链(2)的可动部分为动平台球铰(5)和静平台球铰(7)，其结构简单、稳定、累计误差减小，且具有良好的传动性能。所述直线电机驱动机构工作台(9)的顶端与支撑平台安装座(17)固定连接，静平台球铰(7)固定安装于支撑平台安装座(17)的上表面。所述动平台(1)的下表面与动平台安装座(18)固定连接，每两个动平台球铰(5)为一组，固定安装于动平台安装座(18)上，使六自由度并联机构的旋转能够达到更大的角度。运动支链(2)两两一组，通过动平台球铰(5)与静平台球铰(7)实现动平台(1)与直线电机驱动机构工作台(9)的连接，使六自由度并联机构的动平台(1)能够输出不同的位置和姿态。

在一个优选的实施方案中，所述直线电机驱动机构包括直线电机(4)、基座(8)、工作台(9)、导轨(12)、气浮轴承(13)。所述直线电机(4)的数量为六，两两一组平行安装在同一基座(8)上，以120°间隔均匀分布。所述导轨(12)平行固定在所述基座(8)上，气浮轴承(13)布置在导轨(12)上，气浮轴承(13)的顶端与工作台(9)的底端相配合，以减小摩擦、降低噪声，使运动更加平稳。所述直线电机选用无铁芯直线电机，电机的动子(次级)(10)固定于工作台(9)的下表面，磁轨(11)固定在基座(8)的底端，定子均匀的分布在磁轨(11)的凹槽两侧。当定子(初级)绕组通入交流电时，在气隙中产生行波磁场，动子(次级)(10)在行波磁场的切割下产生感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用产生电磁推力，动子(次级)(10)在推力作用下做直线运动，以使工作台(9)在导轨(12)上做直线运动。

在一个优选的实施方案中，所述六自由度测量控制***由直线光栅传感器(3)、加速度计(20)和控制器(21)组成。所述直线光栅传感器(3)由光栅尺(14)和光栅读数头(15)组成。所述光栅尺(14)安装在基座(8)底部，所述光栅读数头(15)安装在工作台安装板(16)的侧面，控制器(21)向直线电机驱动机构发送电流信号使直线电机运动，光栅读数头(15)随工作台(9)运动获取实时位移信息，控制器(21)接受直线光栅传感器(3)的位移反馈。加速度计(20)安装于工作台(9)侧面，与工作台(9)具有一致的运动特性。工作台(9)的运动状态由加速度计(20)测量，通过信号调理仪将加速度计(20)测量的加速度信号传送回计算机，以实时分析、处理及显示。六自由度测量控制***采用直线光栅传感器低频位移测量和加速计高频加速度测量相融合的方式，实现宽频带的运动反馈。

与现有技术相比，本发明提供了一种直线电机驱动六自由度振动模拟装置，具有如下优势：

(1)该直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，相比于现有的运动平台，采用直接驱动的方式，通过并联机构将振动传至终端平台，有效消除间接传动部件的柔性影响，整机***刚度大，能够生成高频运动。

(2)该直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，相比于现有的振动模拟装置，直线电机驱动机构能够实现大范围运动，可在大工作空间范围内生成高频振动激励，无需辅助平衡机构消除自重影响。

(3)该直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，六自由度测量控制***采用直线光栅传感器低频位移测量和加速计高频加速度测量相融合的方式，确保宽频带运动反馈控制，保证伺服控制***的带宽。附图说明

附图1是根据本发明的一个具体实施的直线电机驱动的六自由度并联机构装置的结构示意图；

附图2是根据本发明的直线电机驱动的六自由度振动模拟装置的直线电机驱动机构的放大示意图；

附图3是根据本发明的直线电机驱动的六自由度振动模拟装置的六自由度测量控制***的示意图。

图中：1、动平台 2、运动支链 3、直线光栅传感器 4、直线电机 5、动平台球铰 6、连杆 7、静平台球铰 8、基座 9、工作台 10、动子 11、磁轨 12、导轨 13、气浮轴承 14、光栅尺 15、光栅读数头 16、工作台安装板 17、支撑平台安装座 18、动平台安装座 19、导轨上安装板 20、加速度计 21、控制器

具体实施方式

为更进一步的阐述本发明的技术特征、目的和优点，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的零部件采用相同的标号。

如图1为六自由度振动模拟装置的六自由度并联机构的结构示意图，所述六自由度并联机构包括动平台1、运动支链2。所述动平台1为Y型平台，用于安装被测传感器，为其提供多自由度振动激励。所述运动支链2的数量为六，由动平台球铰5、连杆6以及静平台球铰7组成。运动支链2的连杆6为刚性体，承载能力强。连杆6不具有伸缩性，减少支链的转动惯量，使六自由度并联机构运动惯量减小，整体结构更稳定。运动支链可动部分为动平台球铰5和静平台球铰7，球铰选用SRJ球面轴承，同其他万向铰链相比，SRJ球面轴承具有高刚性、小型化、高精度以及振动衰减能优异的特点。所述工作台9的顶端与支撑平台安装座17通过内六角螺钉固定连接，静平台球铰7通过内六角螺钉固定安装于支撑平台安装座17的上表面，使六自由度并联机构的动平台1能够输出不同的位置和姿态。所述动平台1的下表面与动平台安装座18通过内六角螺钉固定连接，每两个动平台球铰5为一组，固定安装于动平台安装座18上，使六自由度并联机构的旋转能够达到更大的角度。六自由度并联机构整体结构设计简单，累计误差小，具有良好的传动性能。

图2为六自由度振动模拟装置的直线电机驱动机构的放大示意图，所述直线电机驱动机构包括光栅3、基座8、工作台9、动子10、磁轨11、导轨12、气浮轴承13及导轨上安装板19。所述直线电机的数量为六，两两一组平行安装在同一基座(8)上，以120°间隔均匀分布。直线电机设置气浮轴承13，运动时没有产生机械接触、摩擦和噪声，减少传动零部件的磨损，装置的整体效率大幅提升。基座8的两侧设置有4个安装孔，基座8的轴向侧面设置凸耳，导轨12安装在基座8轴向侧面凸耳的安装孔上，导轨上安装板19通过内六角螺钉固定安装在基座8的轴向侧面，用于固定导轨12。每两个气浮轴承13为一组安装在每根导轨12上，工作台9固定安装在每组气浮轴承13的上表面。直驱直线电机选用的是无铁芯直线电机，此类型直线电机没有供线圈缠绕的铁芯或插槽，重量轻，线圈组和磁路之间不存在相互引力。轴承的摩擦力小，在低速条件下可以确保匀速运动。电机的动子10固定安装在工作台9的下表面，磁轨11固定在基座8的底端，定子(初级)均匀的分布在磁轨11的凹槽两侧。当定子(初级)绕组通入交流电时，在气隙中产生行波磁场，动子(次级)10在行波磁场的切割下产生感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用产生电磁推力，动子(次级)10在推力作用下做直线运动，以使工作台(9)在导轨(12)上做直线运动。选用直线电机作驱动，可以实现高速直线运动，且结构得到简化，动态响应和定位精度得到提升，装置的可靠性提高，同时节约生产成本，制造和后期维护更为简单便利。

图3为六自由度振动模拟装置的六自由度测量控制***的示意图。所述六自由度测量控制***由直线光栅传感器3、加速度计20和控制器21组成。所述直线光栅传感器3由光栅尺14和光栅读数头15组成。直线电机4的底部安装光栅尺14，工作台安装板16通过内六角螺栓固定安装在工作台9的侧面，光栅读数头15固定安装在工作台安装板16的底部，正对光栅尺14。控制器21向直线电机驱动机构发送电流信号是直线电机运动，光栅读数头15随工作台9运动获取实时位移信息，控制器21接受直线光栅传感器3的位移反馈。加速度计20安装于工作台9侧面，与工作台9的具有一致的运动特性。本发明选用PMAC卡作为控制器，其包含能够实现自定义的控制算法。D/A转换器作为控制器21的输出通道，与直线电机驱动机构相连，将连续的虚拟信号转换为离散的数字信号，实现对***的自动控制。运动控制器发送DAC模拟信号驱动直线电机做直线运动，工作台9的振动加速度信号经加速度计20采集。A/D转换器作为信号调理仪，将加速度计20输出的模拟信号转换为数字信号传送回计算机，通过计算机实时分析、处理及显示。六自由度测量控制***采用直线光栅传感器3低频位移测量和加速计20高频加速度测量相融合的方式，实现宽频带运动测量全覆盖。六自由度测量控制***可确保测量的稳定性，减小测量误差，满足装置静态定位校准、均匀校准和高频振动校准的特点，提升***响应能力和抗扰动性能。

上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，其特征在于：包括六自由度并联机构、直线电机驱动机构、六自由度测量控制***；所述直线电机驱动机构同时充当所述六自由度并联机构的静平台，所述六自由度并联机构的动平台位于静平台的上端，通过六根运动支链与所述直线电机驱动机构相连接；六自由度测量控制***由直线光栅传感器、加速度计和控制器组成，直线光栅传感器与加速度计分别位于直线电机驱动机构的底部和工作台侧表面。

2.根据权利要求1所述的直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，其特征在于：所述六自由度并联机构包括动平台(1)、运动支链(2)；所述动平台(1)为Y型平台，用于安装被测传感器，为其提供多自由度振动激励；所述运动支链(2)的数量为六，由动平台球铰(5)、连杆(6)以及静平台球铰(7)组成；运动支链(2)的连杆(6)为刚性体；运动支链(2)的可动部分为动平台球铰(5)和静平台球铰(7)；所述直线电机驱动机构工作台(9)的顶端与支撑平台安装座(17)固定连接，静平台球铰(7)固定安装于支撑平台安装座(17)的上表面；所述动平台(1)的下表面与动平台安装座(18)固定连接，每两个动平台球铰(5)为一组，固定安装于动平台安装座(18)上，使六自由度并联机构的旋转能够达到更大的角度；运动支链(2)两两一组，通过动平台球铰(5)与静平台球铰(7)实现动平台(1)与直线电机驱动机构工作台(9)的连接，使六自由度并联机构的动平台(1)能够输出不同的位置和姿态。

3.根据权利要求2所述的直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，其特征在于：所述直线电机驱动机构包括直线电机(4)、基座(8)、工作台(9)、导轨(12)、气浮轴承(13)；所述直线电机(4)的数量为六，两两一组平行安装在同一基座(8)上，以120°间隔均匀分布；所述导轨(12)平行固定在所述基座(8)上，气浮轴承(13)布置在导轨(12)上，气浮轴承(13)的顶端与工作台(9)的底端相配合；所述直线电机选用无铁芯直线电机，电机的动子(10)固定于工作台(9)的下表面，磁轨(11)固定在基座(8)的底端，定子均匀的分布在磁轨(11)的凹槽两侧；当定子绕组通入交流电时，在气隙中产生行波磁场，动子(10)在行波磁场的切割下产生感应电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相互作用产生电磁推力，动子(10)在推力作用下做直线运动，使工作台(9)在导轨(12)上做直线运动。

4.根据权利要求3所述的直线电机驱动的六自由度振动模拟装置，其特征在于：所述六自由度测量控制***由直线光栅传感器(3)、加速度计(20)和控制器组成；所述直线光栅传感器(3)由光栅尺(14)和光栅读数头(15)组成；所述光栅尺(14)安装在基座(8)底部，所述光栅读数头(15)安装在工作台安装板(16)的侧面，控制器(21)向直线电机驱动机构发送电流信号使直线电机运动，光栅读数头(15)随工作台(9)运动获取实时位移信息，控制器(21)接受直线光栅传感器(3)的位移反馈；加速度计(20)安装于工作台(9)侧面，与工作台(9)具有一致的运动特性；工作台(9)的运动状态由加速度计(20)测量，通过信号调理仪将加速度计(20)测量的加速度信号传送回计算机，以实时分析、处理及显示；六自由度测量控制***采用直线光栅传感器低频位移测量和加速计高频加速度测量相融合的方式，实现宽频带的运动反馈。

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