技术摘要：
本发明公开了一种四级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 全部
背景技术：
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。
技术实现要素：
本发明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。 本发明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； 5 CN 111551330 A 说 明 书 2/12 页 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 6 CN 111551330 A 说 明 书 3/12 页 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。 进一步的，所述的作动器支路分为二十四条，其作用是为系统提供精确可控的输 出力，每条支路包括作动器、铰链组件、转接板和下连接块；其中铰链组件包括球铰底座、球 铰球头、球铰上连接件、中U形叉和上U形叉；各部分通过如下连接方式组成二十四条作动器 支路： 球铰底座与球铰球头通过外六角螺钉互相配合安装，球铰球头与球铰上连接件通 过螺纹安装，球铰上连接件与中U形叉通过外六角螺钉平行安装，中U形叉与上U形叉通过十 字轴、两对滚动轴承以及外六角螺钉互相垂直安装，组成铰链组件1；铰链组件1中的球铰底 座与作动器动圈通过转接板进行连接，并通过定位孔保证铰链组件各自由度旋转中心连线 与动圈轴线相合；下连接块通过内六角螺钉安装于作动器底部，并通过定位销与作动器底 部定位孔进行定位； 二十四条作动器支路安装方式相同，并通过定位销与上平台组件相连，通过下连 接块与下平台组件相连，形成六自由度振动模拟系统的机械运动部分。 进一步的，所述的空气弹簧支路分为十六条，或者根据所选空气弹簧型号的能力 以及整台的实际载荷重量增减空气弹簧支路的数量，其作用是为工作时系统运动部分提供 抵消重力的支撑力，布局方式为四个空气弹簧支路为一组，呈四边形分布，每组空气弹簧支 路可实现对单级Stewart经典构型的支撑； 十六条空气弹簧支路安装方式相同，并通过外六角螺钉分别与上平台组件、下平 台组件相连，形成具有调节支撑力的六自由度振动模拟系统的空气弹簧支撑部分。 进一步的，所述的辅助支撑支路在一种典型的设计中分为十二条，或者根据所选 辅助支撑部件的能力以及整台的实际载荷重量增减辅助支撑支路的数量，其作用是为试验 结束时和自动充气时的系统运动部分提供抵消重力的支撑力，并且将自动充气时提供的支 撑力作为反馈信号输入自动充气控制系统，布局方式为三个辅助支撑支路为一组，呈三角 形分布，每组辅助支撑支路可实现对单级Stewart经典构型的支撑； 十二条辅助支撑支路安装方式相同，并通过定位块与上平台组件相连，通过外六 角螺钉与下平台组件相连，形成具有提供支撑力以及反馈支撑力信号的六自由度振动模拟 系统的辅助支撑部分。 进一步的，所述的上平台组件，其作用是为试件提供刚性的机械安装台面，并能通 过测得的加速度信号来观测所模拟的振动信号；其包括上平台、十二个上铰链座、中心传感 器座、侧面传感器座、六个加速度传感器；上平台下表面边缘有十二个定位槽，分别与十二 个上铰链座相连；中心传感器座安装于上平台下表面中心处，通过三个安装孔分别与传感 7 CN 111551330 A 说 明 书 4/12 页 器1、传感器2和传感器3相连，用于测得上平台沿X、Y和Z轴的平动加速度；传感器4通过螺柱 连接于上平台下表面Y轴与加强筋交点处，用于测得上平台绕X轴的转动加速度；侧面传感 器座安装于上平台下表面X轴与加强筋交点处，通过两个安装孔与传感器5和传感器6相连， 用于测得上平台绕Y、Z轴的转动加速度。 进一步的，所述的下平台组件，其作用是为系统提供稳定的安装基础，并通过地脚 螺钉与地基固连，将系统自身的振动传递给隔振地基，保护周边设备。 本发明的优点在于： (1)本发明设计了一种六自由度的振动激励系统，具有带负载下的六自由度运动 能力，可以产生最多六自由度的振动激励信号； (2)本发明设计了一种新型的六自由度并联机构的构型——四级Stewart机构六 自由度并联构型，按该构型布局的六自由度并联机构具有较大的工作空间以及较大的负载 能力；前者意味着选用相同作动器的情况下，本系统可以获得更大的平动和转动空间；后者 意味着本系统的上平台尺寸可以设计得较大，同时多条空气弹簧支路和辅助支撑支路可提 供抵消负载重力的额外支撑力，这使得本系统具有较大的承载能力，并且负载尺寸可以较 大； (3)本发明形成了以直线动磁式电机为中心的作动机构，结构简单、坚固的同时也 具有直线动磁式电机的输出线性度好、响应快及可靠性高等优点； (4)本发明除了上平台尺寸较大外，所设计的铰链组件等其他机械部件也可以承 受负载较大的重力，这使得本发明的四级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统的 可装载负载质量较大，进而使其具有较大的承载能力以及较高的工作带宽。 附图说明 图1为本发明的等轴测图； 图2为本发明的四级Stewart机构六自由度并联构型简图； 图3为本发明的四级Stewart机构六自由度并联构型实现方式1的俯视图； 图4为本发明的四级Stewart机构六自由度并联构型实现方式2的俯视图； 图5为本发明的四级Stewart机构六自由度并联构型实现方式3的俯视图； 图6为本发明的四级Stewart机构六自由度并联构型实现方式4的俯视图； 图7为本发明的主视图； 图8为本发明的后视图； 图9为本发明的下平台组件1俯视图； 图10为本发明的作动器支路1左视图； 图11为本发明的空气弹簧支路排布等轴测图； 图12为本发明的辅助支撑支路排布等轴测图； 图13为本发明的上平台组件仰视图； 图14为本发明的实时控制硬件系统的控制回路框图。 图中： 10000—下平台组件 20100—作动器支路1 20200—作动器支路2 20300—作动器支路3 20400—作动器支路4 20500—作动器支路5 8 CN 111551330 A 说 明 书 5/12 页 20600—作动器支路6 20700—作动器支路7 20800—作动器支路8 20900—作动器支路9 21000—作动器支路10 21100—作动器支路11 21200—作动器支路12 21300—作动器支路13 21400—作动器支路14 21500—作动器支路15 21600—作动器支路16 21700—作动器支路17 21800—作动器支路18 21900—作动器支路19 22000—作动器支路20 22100—作动器支路21 22200—作动器支路22 22300—作动器支路23 22400—作动器支路24 30100—空气弹簧支路1 30200—空气弹簧支路2 30300—空气弹簧支路3 30400—空气弹簧支路4 30500—空气弹簧支路5 30600—空气弹簧支路6 30700—空气弹簧支路7 30800—空气弹簧支路8 30900—空气弹簧支路9 31000—空气弹簧支路10 31100—空气弹簧支路11 31200—空气弹簧支路12 31300—空气弹簧支路13 31400—空气弹簧支路14 31500—空气弹簧支路15 31600—空气弹簧支路16 40100—辅助支撑支路1 40200—辅助支撑支路2 40300—辅助支撑支路3 40400—辅助支撑支路4 40500—辅助支撑支路5 40600—辅助支撑支路6 40700—辅助支撑支路7 40800—辅助支撑支路8 40900—辅助支撑支路9 41000—辅助支撑支路10 41100—辅助支撑支路11 41200—辅助支撑支路12 50000—上平台组件 10101—下平台 20101—作动器1 20201—作动器2 20301—作动器3 20401—作动器4 20501—作动器5 20601—作动器6 20701—作动器7 20801—作动器8 20901—作动器9 21001—作动器10 21101—作动器11 21201—作动器12 21301—作动器13 21401—作动器14 21501—作动器15 21601—作动器16 21701—作动器17 21801—作动器18 21901—作动器19 22001—作动器20 22101—作动器21 22201—作动器22 22301—作动器23 22401—作动器24 20102—下连接块1 20202—下连接块2 20302—下连接块3 20402—下连接块4 20502—下连接块5 20602—下连接块6 20702—下连接块7 20802—下连接块8 20902—下连接块9 21002—下连接块10 21102—下连接块11 21202—下连接块12 21302—下连接块13 21402—下连接块14 21502—下连接块15 21602—下连接块16 21702—下连接块17 21802—下连接块18 21902—下连接块19 22002—下连接块20 22102—下连接块21 22202—下连接块22 22302—下连接块23 22402—下连接块24 20103—转接板1 20203—转接板2 20303—转接板3 20403—转接板4 20503—转接板5 20603—转接板6 20703—转接板7 20803—转接板8 20903—转接板9 21003—转接板10 21103—转接板11 21203—转接板12 21303—转接板13 21403—转接板14 21503—转接板15 21603—转接板16 21703—转接板17 21803—转接板18 9 CN 111551330 A 说 明 书 6/12 页 21903—转接板19 22003—转接板20 22103—转接板21 22203—转接板22 22303—转接板23 22403—转接板24 20104—球铰底座1 20204—球铰底座2 20304—球铰底座3 20404—球铰底座4 20504—球铰底座5 20604—球铰底座6 20704—球铰底座7 20804—球铰底座8 20904—球铰底座9 21004—球铰底座10 21104—球铰底座11 21204—球铰底座12 21304—球铰底座13 21404—球铰底座14 21504—球铰底座15 21604—球铰底座16 21704—球铰底座17 21804—球铰底座18 21904—球铰底座19 22004—球铰底座20 22104—球铰底座21 22204—球铰底座22 22304—球铰底座23 22404—球铰底座24 20105—球铰球头1 20205—球铰球头2 20305—球铰球头3 20405—球铰球头4 20505—球铰球头5 20605—球铰球头6 20705—球铰球头7 20805—球铰球头8 20905—球铰球头9 21005—球铰球头10 21105—球铰球头11 21205—球铰球头12 21305—球铰球头13 21405—球铰球头14 21505—球铰球头15 21605—球铰球头16 21705—球铰球头17 21805—球铰球头18 21905—球铰球头19 22005—球铰球头20 22105—球铰球头21 22205—球铰球头22 22305—球铰球头23 22405—球铰球头24 20106—球铰上连接件1 20206—球铰上连接件2 20306—球铰上连接件3 20406—球铰上连接件4 20506—球铰上连接件5 20606—球铰上连接件6 20706—球铰上连接件7 20806—球铰上连接件8 20906—球铰上连接件9 21006—球铰上连接件10 21106—球铰上连接件11 21206—球铰上连接件12 21306—球铰上连接件13 21406—球铰上连接件14 21506—球铰上连接件15 21606—球铰上连接件16 21706—球铰上连接件17 21806—球铰上连接件18 21906—球铰上连接件19 22006—球铰上连接件20 22106—球铰上连接件21 22206—球铰上连接件22 22306—球铰上连接件23 22406—球铰上连接件24 20107—中U形叉1 20207—中U形叉2 20307—中U形叉3 20407—中U形叉4 20507—中U形叉5 20607—中U形叉6 20707—中U形叉7 20807—中U形叉8 20907—中U形叉9 21007—中U形叉10 21107—中U形叉11 21207—中U形叉12 21307—中U形叉13 21407—中U形叉14 21507—中U形叉15 21607—中U形叉16 21707—中U形叉17 21807—中U形叉18 21907—中U形叉19 22007—中U形叉20 22107—中U形叉21 22207—中U形叉22 22307—中U形叉23 22407—中U形叉24 20108—上U形叉1 20208—上U形叉2 20308—上U形叉3 20408—上U形叉4 20508—上U形叉5 20608—上U形叉6 20708—上U形叉7 20808—上U形叉8 20908—上U形叉9 21008—上U形叉10 21108—上U形叉11 21208—上U形叉12 21308—上U形叉13 21408—上U形叉14 21508—上U形叉15 10 CN 111551330 A 说 明 书 7/12 页 21608—上U形叉16 21708—上U形叉17 21808—上U形叉18 21908—上U形叉19 22008—上U形叉20 22108—上U形叉21 22208—上U形叉22 22308—上U形叉23 22408—上U形叉24 50101—上平台 50201—上铰链座1 50202—上铰链座2 50203—上铰链座3 50204—上铰链座4 50205—上铰链座5 50206—上铰链座6 50207—上铰链座7 50208—上铰链座8 50209—上铰链座9 50210—上铰链座10 50211—上铰链座11 50212—上铰链座12 50301—中心传感器座 50302—侧面传感器座 50401—加速度传感器1 50402—加速度传感器2 50403—加速度传感器3 50404—加速度传感器4 50405—加速度传感器5 50406—加速度传感器6
