一种四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统技术方案

本发明专利技术公开了一种四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用四级Stewart机构六自由度并联构型，包括二十四条作动器支路、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、下平台组件由二十四条作动器支路、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。

【技术实现步骤摘要】
一种四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统
本专利技术属于智能并联机构的振动控制领域，具体涉及一种四级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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用四级Stewart机构六自由度并联构型，包括二十四条作动器支路、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；系统的机构构型为四级Stewart机构六自由度并联构型，其二十四条作动器支路分为四组，每组在在空间中的布局方式为Stewart构型，此四组Stewart构型通过并联方式组成四级Stewart机构六自由度并联构型；所述的四级Stewart机构六自由度并联构型为：将二十四条作动器支路分为四组，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；四个Stewart构型机构在同一个水平面高度上，并且四个Stewart构型机构的上台面中心组成一个四边形，整台上台面中心在此四边形之内，布局方式为四个Stewart构型机构的上台面中心绕整台中心的Z轴旋转对称，即四个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90°夹角，绕整台中心的Z轴旋转90°后四个Stewart经典构型的上台面中心完全重合；四个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；四个Stewart经典构型对于整个系统的构型属于四级并联关系，称该构型为四级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；铰链组件包含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；两自由度铰链包含一根十字轴、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及其相关连接件，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，在充气或非工作状态下对上台面产生相应的竖直支撑力；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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的控制信号，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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的控制信号，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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的位移闭环控制信号，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，所述的构型为四级Stewart机构六自由度并联构型，包括四个经典单级Stewart构型并联组成；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，每两个相邻下铰点可分为一组，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；四个经典单级Stewart构型的排布方向共设置有四种实现方式：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为四个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，即单级X轴方向相同的旋转对称实现方式；实现方式4为一侧的两个经典单级Stewart构型X轴正方向与另一侧的两个经典单级Stewart构型X轴正方向相反，关于某条轴线对称，即两侧单级X轴方向相反的轴对称实现方式。...

【技术保护点】
1.一种四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用四级Stewart机构六自由度并联构型，包括二十四条作动器支路、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：/n系统的机构构型为四级Stewart机构六自由度并联构型，其二十四条作动器支路分为四组，每组在在空间中的布局方式为Stewart构型，此四组Stewart构型通过并联方式组成四级Stewart机构六自由度并联构型；/n所述的四级Stewart机构六自由度并联构型为：/n将二十四条作动器支路分为四组，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；四个Stewart构型机构在同一个水平面高度上，并且四个Stewart构型机构的上台面中心组成一个四边形，整台上台面中心在此四边形之内，布局方式为四个Stewart构型机构的上台面中心绕整台中心的Z轴旋转对称，即四个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90°夹角，绕整台中心的Z轴旋转90°后四个Stewart经典构型的上台面中心完全重合；四个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；四个Stewart经典构型对于整个系统的构型属于四级并联关系，称该构型为四级Stewart机构六自由度并联构型；/n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；铰链组件包含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；两自由度铰链包含一根十字轴、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；/n所述的空气弹簧支路，每条包括一个空气弹簧及其相关连接件，对所连接的上台面产生相应的竖直支撑力；/n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，在充气或非工作状态下对上台面产生相应的竖直支撑力；/n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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的控制信号，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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的控制信号，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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的位移闭环控制信号，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。/n...

【技术特征摘要】
1.一种四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用四级Stewart机构六自由度并联构型，包括二十四条作动器支路、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：
系统的机构构型为四级Stewart机构六自由度并联构型，其二十四条作动器支路分为四组，每组在在空间中的布局方式为Stewart构型，此四组Stewart构型通过并联方式组成四级Stewart机构六自由度并联构型；
所述的四级Stewart机构六自由度并联构型为：
将二十四条作动器支路分为四组，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；四个Stewart构型机构在同一个水平面高度上，并且四个Stewart构型机构的上台面中心组成一个四边形，整台上台面中心在此四边形之内，布局方式为四个Stewart构型机构的上台面中心绕整台中心的Z轴旋转对称，即四个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90°夹角，绕整台中心的Z轴旋转90°后四个Stewart经典构型的上台面中心完全重合；四个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；四个Stewart经典构型对于整个系统的构型属于四级并联关系，称该构型为四级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；铰链组件包含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；两自由度铰链包含一根十字轴、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及其相关连接件，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，在充气或非工作状态下对上台面产生相应的竖直支撑力；
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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的控制信号，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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的控制信号，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在四级Stewart机构六自由度并联构型下的位移闭环控制信号，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。


2.根据权利要求1所述的一种四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，其特征在于：
所述的构型为四级Stewart机构六自由度并联构型，包括四个经典单级Stewart构型并联组成；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，每两个相邻下铰点可分为一组，共三组，每组下铰点与下台...

【专利技术属性】
技术研发人员：边边，
申请(专利权)人：北京航宇振控科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11