[发明专利]一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统

权利要求书

1.一种三级Stewart机构并联构型六自由度振动激励系统，采用三级Stewart机构六自由度并联构型，包括十八条作动器支路、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：

系统的机构构型为三级Stewart机构六自由度并联构型，其十八条作动器支路分为三组，每组在在空间中的布局方式为Stewart构型，此三组Stewart构型通过并联方式组成三级Stewart机构六自由度并联构型；

所述的三级Stewart机构六自由度并联构型为：将十八条作动器支路分为三组，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；三个Stewart构型机构在同一个水平面高度上，并且三个Stewart构型机构的上台面中心组成一个三角形，整台上台面中心在此三角形之内，其布局方式为三个Stewart构型机构的上台面中心绕整台中心的Z轴旋转对称，即三个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120°夹角，绕整台中心的Z轴旋转120°后三个Stewart经典构型的上台面中心完全重合；三个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；三个Stewart经典构型对于整个系统的构型属于三级并联关系，称该构型为三级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；铰链组件包括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；两自由度铰链包括一根十字轴、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、一个支撑部件及其相关连接件；空气弹簧包含可充气式气囊、充放气气嘴以及连接螺钉，其能够在安装高度上，通过充放气使得气囊保持特定气压，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；螺纹丝杆升降机能够将螺纹的转动转化为丝杆顶端竖直方向的平动，通过连接件保持自动充气过程以及试验结束后对上台面的支撑；S型力传感器安装于丝杆与上台面之间，能够在自动充气过程中实时反馈辅助支撑系统所提供的支撑力；

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；

所述的构型为三级Stewart机构六自由度并联构型，包括三个经典单级Stewart构型并联；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；

三个经典单级Stewart构型的排布方向共设置四种实现方式：

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为三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向平行，即单级X轴方向与整台X轴方向平行的旋转对称实现方式；

实现方式4为三个经典单级Stewart构型X轴正方向同向，均与整台的X轴方向垂直，即单级X轴方向与整台X轴方向垂直的旋转对称实现方式；

所述的作动器支路分为十八条，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十八条作动器支路：

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；铰链组件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；

十八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。