一種三自由度可移動試驗平臺及控制方法與流程

2023-07-21 06:32:16 3

本發明涉及一種可移動試驗平臺，尤其是一種三自由度可移動試驗平臺及控制方法，屬於多自由度機械結構設計領域。

背景技術：

現有的三自由度試驗平臺主要由x、y、z共三個方向的絲杆直線導軌或同步帶直線導軌組成，導軌由步進電機驅動。該類三自由度全線性導軌試驗平臺一般應用在3D印表機、雕刻機、雷射切割機等領域，具有結構簡單、操作方便、響應速度快等優點。但是，一般線性導軌試驗平臺在搭載精密傳感器進行試驗時，存在一些缺陷，如下：

1)導軌導程較短，特別是水平運動的導軌，不適合搭載需要長距離大範圍探測的傳感器；

2)導軌模組的滑臺為純線性運動，滑臺角度調節極不方便，不適合搭載需要進行特定角度調節才能實現準確探測的傳感器；

3)一般的三自由度試驗平臺大多在室內特定位置使用，拆裝和移動都不方面，不適合在室外搭載傳感器使用。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供一種三自由度可移動試驗平臺，該平臺結構簡單、使用方便，可以實現對所搭載傳感設備的高度調節、水平運動控制和角度調節。

本發明的另一目的在於提供一種基於上述試驗平臺的控制方法。

本發明的目的可以通過採取如下技術方案達到：

一種三自由度可移動試驗平臺，包括第一可移動底座託架、第二可移動底座託架、第一垂直同步帶滑臺模組、第二垂直同步帶滑臺模組、水平同步帶滑臺模組、電動旋轉臺和控制系統；

所述第一垂直同步帶滑臺模組的底端與第一可移動底座託架固定連接，所述第二垂直同步帶滑臺模組的底端與第二可移動底座託架固定連接，所述水平同步帶滑臺模組的兩端分別與第一垂直同步帶滑臺模組、第二垂直同步帶滑臺模組的第一滑臺固定連接，所述電動旋轉臺設置在水平同步帶滑臺模組的第二滑臺上；

所述控制系統分別與第一垂直同步帶滑臺模組、第二垂直同步帶滑臺模組、水平同步帶滑臺模組、電動旋轉臺連接。

進一步的，所述第一垂直同步帶滑臺模組和第二垂直同步帶滑臺模組均包括第一滑臺、第一同步帶導軌、第一導軌三角支架、第一變速輪套件和第一驅動電機，所述第一滑臺通過連接槽與第一同步帶導軌滑動連接，所述第一變速輪套件的一端與第一同步帶導軌連接，另一端與第一驅動電機連接，所述第一驅動電機帶動第一變速輪套件轉動，從而帶動第一滑臺在第一同步帶導軌上滑動；所述第一垂直同步帶滑臺模組的底端通過第一導軌三角支架與第一可移動底座託架固定連接，所述第二垂直同步帶滑臺模組的底端通過第一導軌三角支架與第二可移動底座託架固定連接。

進一步的，所述第一垂直同步帶滑臺模組和第二垂直同步帶滑臺模組的長度為0.5～2米，重複定位精度不大於0.05mm，兩端均內置限位開關；所述第一滑臺的負載大於15kg，長寬尺寸不小於100×90mm；所述第一驅動電機為步進電機或伺服電機。

進一步的，所述水平同步帶滑臺模組包括第二滑臺、第二同步帶導軌、第二導軌三角支架、第三導軌三角支架、第二變速輪套件、第二驅動電機和第一水平尺，所述第二滑臺通過連接槽與第二同步帶導軌滑動連接，所述第二變速輪套件的一端與第二同步帶導軌連接，另一端與第二驅動電機連接，所述第二驅動電機帶動第二變速輪套件轉動，從而帶動第二滑臺在第二同步帶導軌上滑動，所述電動旋轉臺配有第三驅動電機，所述第三驅動電機和第一水平尺均設置在第二滑臺上；所述水平同步帶滑臺模組的一端通過第二導軌三角支架與第一垂直同步帶滑臺模組的第一滑臺固定連接，另一端通過第三導軌三角支架與第二垂直同步帶滑臺模組的第一滑臺固定連接。

進一步的，所述水平同步帶滑臺模組的長度在2～5米之間，重複定位精度不大於0.05mm，兩端均內置限位開關；所述第二滑臺的負載大於10kg，長寬尺寸不小於120×100mm；所述第二驅動電機為步進電機或伺服電機；

所述電動旋轉臺內置限位開關，電動旋轉臺旋轉角度範圍為360°，臺面直徑為100mm，承載不小於10kg，角度解析度不大於0.01°；所述第三驅動電機為步進電機。

進一步的，所述第一可移動底座託架和第二可移動底座託架之間通過平衡連接支架連接，第一可移動底座託架和第二可移動底座託架均包括底座託架平板、水平調節腳輪和第二水平尺，所述第二水平尺設置在底座託架平板的頂部，所述水平調節腳輪設置在底座託架平板的底部；所述第一可移動底座託架的底座託架平板與第一垂直同步帶滑臺模組的底端固定連接，所述第二可移動底座託架的底座託架平板與第二垂直同步帶滑臺模組的底端固定連接。

進一步的，所述控制系統包括電控箱，所述電控箱包括單片機、控制按鍵、系統參數顯示屏、垂直同步帶滑臺模組控制模塊、水平同步帶滑臺模組控制模塊和電機旋轉臺控制模塊，所述單片機分別與控制按鍵、系統參數顯示屏、垂直同步帶滑臺模組控制模塊、水平同步帶滑臺模組控制模塊、電機旋轉臺控制模塊連接，所述垂直同步帶滑臺模組控制模塊有兩個，分別與第一垂直同步帶滑臺模組、第二垂直同步帶滑臺模組連接，所述水平同步帶滑臺模組控制模塊與水平同步帶滑臺模組連接，所述電機旋轉臺控制模塊與電動旋轉臺連接。

進一步的，所述控制系統還包括PC端，所述PC端上設有無線發射模塊，所述電控箱還包括無線接收模塊，所述無線接收模塊與單片機連接，所述無線發射模塊與無線接收模塊連接，使PC端通過無線通信技術對電控箱的單片機進行控制。

本發明的另一目的可以通過採取如下技術方案達到：

基於上述試驗平臺的控制方法所述方法包括：控制系統在接收到控制指令後，若控制指令是對垂直同步帶滑臺模組進行控制，則控制第一垂直同步帶滑臺模組、第二垂直同步帶滑臺模組的第一滑臺上下運動來調節水平同步帶滑臺模組的高度，從而實現對電動旋轉臺所搭載傳感設備的高度調節；若控制指令是對水平同步帶滑臺模組進行控制，則控制水平同步帶滑臺模組的第二滑臺水平運動來實現電動旋轉臺的水平運動，從而實現對電動旋轉臺所搭載傳感設備的水平運動控制；若控制指令是對電動旋轉臺進行控制，則控制電動旋轉臺的旋轉來調節搭載在電動旋轉臺的傳感設備的角度。

進一步的，所述控制系統控制垂直同步帶滑臺模組的第一滑臺上下運動的速度範圍在0～1m/s之間，上下往復頻率0～1Hz之間；控制系統控制水平同步帶滑臺模組的第二滑臺水平運動的速度範圍在0～2m/s之間，水平往復頻率0～1Hz之間；控制系統控制電動旋轉臺的旋轉為逆時針旋轉或順時針旋轉，旋轉角度範圍為0～360°。

本發明相對於現有技術具有如下的有益效果：

1、本發明設置了兩個垂直同步帶滑臺模組和一個水平同步帶滑臺模組和一個電動旋轉臺，將水平同步帶滑臺模組的兩端分別與兩個垂直同步帶滑臺模組的滑臺固定連接，並將電動旋轉臺設置在水平同步帶滑臺模組的滑臺上，電動旋轉臺上可以搭載傳感設備，通過控制系統控制兩個垂直同步帶滑臺模組的滑臺上下運動來調節水平同步帶滑臺模組的高度，從而實現對電動旋轉臺所搭載傳感設備的高度調節；通過控制系統控制水平同步帶滑臺模組的第二滑臺水平運動來實現電動旋轉臺的水平運動，從而實現對電動旋轉臺所搭載傳感設備的水平運動控制；通過控制電動旋轉臺的旋轉，可以調節搭載在電動旋轉臺的傳感設備的角度，通過各種控制使傳感設備能夠滿足測量的需求。

2、本發明在兩個可移動底座託架頂部和水平同步帶滑臺模組的滑臺上各設置一個水平尺，通過觀察水平尺，可以獲知電動旋轉臺所搭載傳感設備的實時狀態，如果傳感設備不是水平狀態，可以通過不斷控制，確保傳感設備處於水平狀態。

3、本發明的在兩個可移動底座託架的底部設置水平調節腳輪，配合兩個垂直同步帶滑臺模組，能較快調整電動旋轉臺上搭載的傳感設備的水平度，從而提高測量數據的可靠性。

4、本發明採用了同步帶導軌，與現有通常使用的絲杆導軌相比，行程較長，為傳感設備提供了足夠長的檢測長度，同時考慮到水平同步帶滑臺模組的滑臺在導軌上不可旋轉，在該滑臺上安裝了電動旋轉臺，通過在電動旋轉臺上搭載傳感設備，方便對傳感設備的角度進行調節。

5、本發明與現有的試驗平臺通常固定在室內特定位置使用相比，拆裝方便，根據使用場合，可以在拆裝後直接推動可移動底座託架到指定位置使用，即方便在室內室外不同位置使用，一機多用，節省成本。

6、本發明除了可以使用電控箱的控制按鍵控制，還可以使用PC端的控制軟體無線控制，更為簡單直觀，控制精度更高，為傳感設備提供了穩定的基礎試驗平臺。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺整體機械結構的立體示意圖。

圖2為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺整體機械結構的正視圖。

圖3為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺整體機械結構的俯視圖。

圖4為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺整體機械結構的左視圖。

圖5為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺中垂直同步帶滑臺模組(第一垂直同步帶滑臺模組和第二垂直同步帶滑臺模組)的結構圖。

圖6為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺中水平同步帶滑臺模組和電動旋轉臺的結構圖。

圖7為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺中可移動底座託架(第一可移動底座託架和第二可移動底座託架)的結構圖。

圖8為本發明實施例1的三自由度可移動試驗平臺中控制系統結構框圖。

圖9為本發明實施例2的三自由度可移動試驗平臺中控制系統結構框圖。

其中，1-第一可移動底座託架，2-第二可移動底座託架，3-第一垂直同步帶滑臺模組，4-第二垂直同步帶滑臺模組，5-水平同步帶滑臺模組，6-電動旋轉臺，7-第一滑臺，8-第一同步帶導軌，9-第一導軌三角支架，10-第一變速輪套件，11-第一驅動電機，12-第二滑臺，13-第二同步帶導軌，14-第二導軌三角支架，15-第三導軌三角支架，16-第二變速輪套件，17-第二驅動電機，18-第一水平尺，19-第三驅動電機，20-平衡連接支架，21-底座託架平板，22-水平調節腳輪，23-第二水平尺。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例1：

如圖1～圖7所示，本實施例提供了一種三自由度可移動試驗平臺，該平臺包括第一可移動底座託架1、第二可移動底座託架2、第一垂直同步帶滑臺模組3、第二垂直同步帶滑臺模組4、水平同步帶滑臺模組5、電動旋轉臺6和控制系統。

所述第一垂直同步帶滑臺模組3和第二垂直同步帶滑臺模組4分別位於左右兩側，第一垂直同步帶滑臺模組3和第二垂直同步帶滑臺模組4均包括第一滑臺7、第一同步帶導軌8、第一導軌三角支架9、第一變速輪套件10和第一驅動電機11，所述第一滑臺7通過連接槽與第一同步帶導軌8滑動連接，所述第一變速輪套件10的一端與第一同步帶導軌8連接，本實施例與第一同步帶導軌8的底端連接，方便進行維護，第一變速輪套件10的另一端與第一驅動電機11連接，所述第一驅動電機11帶動第一變速輪套件10轉動，從而帶動第一滑臺7在第一同步帶導軌8上滑動。

在本實施例中，第一垂直同步帶滑臺模組3和第二垂直同步帶滑臺模組4的長度(即第一同步帶導軌8的長度)為0.5～2米，重複定位精度不大於0.05mm，兩端均內置限位開關；所述第一滑臺7的負載大於15kg，長寬尺寸不小於100×90mm；所述第一驅動電機11為步進電機或伺服電機。

所述水平同步帶滑臺模組5包括第二滑臺12、第二同步帶導軌13、第二導軌三角支架14、第三導軌三角支架15、第二變速輪套件16、第二驅動電機17和第一水平尺18，所述第二滑臺12通過連接槽與第二同步帶導軌13滑動連接，所述第二變速輪套件16的一端與第二同步帶導軌13連接，本實施例與第二同步帶導軌14的右端連接，第二變速輪套件16的另一端與第二驅動電機17連接，所述第二驅動電機17帶動第二變速輪套件16轉動，從而帶動第二滑臺12在第二同步帶導軌13上滑動，所述電動旋轉臺6配有第三驅動電機19，所述電動旋轉臺6、第三驅動電機19和第一水平尺18均設置在第二滑臺12上，其中電動旋轉臺6和第一水平尺18均通過螺栓安裝。

在本實施例中，所述水平同步帶滑臺模組5的長度(即第二同步帶導軌13的長度)在2～5米之間，重複定位精度不大於0.05mm，兩端均內置限位開關；所述第二滑臺12的負載大於10kg，長寬尺寸不小於120×100mm；所述第二驅動電機17為步進電機或伺服電機；所述電動旋轉臺6內置限位開關，電動旋轉臺6旋轉角度範圍為360°，臺面直徑為100mm，承載不小於10kg，角度解析度不大於0.01°；所述第三驅動電機19為步進電機。

所述第一可移動底座託架1和第二可移動底座託架2分別位於左右兩側，第一可移動底座託架1和第二可移動底座託架2之間通過平衡連接支架20連接，第一可移動底座託架1和第二可移動底座託架2均包括底座託架平板21、水平調節腳輪22和第二水平尺23，所述第二水平尺23設置在底座託架平板21的頂部，所述水平調節腳輪22設置在底座託架平板21的底部，其中第二水平尺23和水平調節腳輪22均通過螺栓安裝。

所述第一垂直同步帶滑臺模組3的底端通過第一導軌三角支架9與第一可移動底座託架1的底座託架平板21固定連接，所述第二垂直同步帶滑臺模組4的底端通過第一導軌三角支架9與第二可移動底座託架2的底座託架平板21固定連接；所述水平同步帶滑臺模組5的一端通過第二導軌三角支架14與第一垂直同步帶滑臺模組3的第一滑臺7固定連接，另一端通過第三導軌三角支架15與第二垂直同步帶滑臺模組4的第一滑臺7固定連接。

對於第一可移動底座託架1和第二可移動底座託架2，起到方便移動整個平臺到指定使用位置的作用；對於第一垂直同步帶滑臺模組3和第二垂直同步帶滑臺模組4，第一驅動電機11帶動第一滑臺7在第一同步帶導軌8上滑動，以調節水平同步帶滑臺模組5的高度，起到電動旋轉臺6高度調節的作用；對於水平同步帶滑臺模組5，所述第二驅動電機17帶動第二滑臺12在第二同步帶導軌13上滑動，起到對電動旋轉臺6水平運動控制的作用；對於電動旋轉臺6，所述第三驅動電機19驅動電動旋轉臺6旋轉，起到調節搭載在電動旋轉臺6上的傳感設備角度的作用。

如圖8所示，所述控制系統包括電控箱，所述電控箱包括單片機、控制按鍵、系統參數顯示屏、垂直同步帶滑臺模組控制模塊、水平同步帶滑臺模組控制模塊和電機旋轉臺控制模塊，所述單片機採用Cortex-M3系列單片機，單片機通過I/O接口與控制按鍵連接，通過LCD接口與系統參數顯示屏連接，通過控制接口分別與垂直同步帶滑臺模組控制模塊、水平同步帶滑臺模組控制模塊、電機旋轉臺控制模塊連接，垂直同步帶滑臺模組控制模塊、水平同步帶滑臺模組控制模塊、電機旋轉臺控制模塊這三個控制模塊具體為驅動電機控制器；其中，垂直同步帶滑臺模組控制模塊有兩個，分別與第一垂直同步帶滑臺模組3、第二垂直同步帶滑臺模組4的第一驅動電機11連接，水平同步帶滑臺模組控制模塊與水平同步帶滑臺模組5的第二驅動電機17連接，電機旋轉臺控制模塊與電動旋轉臺6的第三驅動電機19連接。

如圖1～圖8所示，本實施例的三自由度可移動試驗平臺工作原理是：

S1、通過推動第一可移動底座託架1和第二可移動底座託架2來移動整個平臺到合適位置；通過調節第一可移動底座託架1和第二可移動底座託架2的水平調節腳輪22的支撐腳高度，觀察第一可移動底座託架1和第二可移動底座託架2的第二水平尺23，以及水平同步帶滑臺模組5的第一水平尺18，確保電動旋轉臺6搭載的傳感設備處於水平狀態；

S2、控制系統在接收到控制按鍵的控制指令後，若控制指令是對垂直同步帶滑臺模組(第一垂直同步帶滑臺模組3、第二垂直同步帶滑臺模組4)進行控制，則進入步驟S3；若控制指令是對水平同步帶滑臺模組5進行控制，則進入步驟S4；若控制指令是對電動旋轉臺6進行控制，則進入步驟S5；

S3、控制第一垂直同步帶滑臺模組3、第二垂直同步帶滑臺模組4的第一滑臺7(左側和右側的第一滑臺7)上下運動來調節水平同步帶滑臺模組5的高度，從而實現對電動旋轉臺6所搭載傳感設備的高度調節；

S4、控制水平同步帶滑臺模組5的第二滑臺12水平運動來實現電動旋轉臺6的水平運動，從而實現對電動旋轉臺6所搭載傳感設備的水平運動控制；

S5、控制電動旋轉臺6的旋轉來調節搭載在電動旋轉臺6的傳感設備的角度。

在上述控制過程中，所述控制系統控制垂直同步帶滑臺模組的第一滑臺上下運動的速度範圍在0～1m/s之間，上下往復頻率0～1Hz之間；控制系統控制水平同步帶滑臺模組的第二滑臺水平運動的速度範圍在0～2m/s之間，水平往復頻率0～1Hz之間；控制系統控制電動旋轉臺的旋轉為逆時針旋轉或順時針旋轉，旋轉角度範圍為0～360°。

通過上述控制，可以實現對整個平臺所搭載傳感設備的高度調節、水平運動控制和角度調節。

實施例2：

如圖9所示，本實施例的主要特點是：所述控制系統還包括PC端，所述PC端上安裝了控制軟體，且設有無線發射模塊，所述電控箱還包括無線接收模塊，所述無線接收模塊與單片機連接，所述無線發射模塊與無線接收模塊連接，使PC端通過無線通信技術對電控箱的單片機進行控制。在上述步驟S2中，控制系統可以在接收到PC端控制軟體的控制指令後，對垂直同步帶滑臺模組、水平同步帶滑臺模組、電動旋轉臺進行控制。其餘同實施例1。

綜上所述，本發明設置了兩個垂直同步帶滑臺模組和一個水平同步帶滑臺模組和一個電動旋轉臺，將水平同步帶滑臺模組的兩端分別與兩個垂直同步帶滑臺模組的滑臺固定連接，並將電動旋轉臺設置在水平同步帶滑臺模組的滑臺上，電動旋轉臺上可以搭載傳感設備，通過控制系統控制兩個垂直同步帶滑臺模組的滑臺上下運動來調節水平同步帶滑臺模組的高度，從而實現對電動旋轉臺所搭載傳感設備的高度調節；通過控制系統控制水平同步帶滑臺模組的第二滑臺水平運動來實現電動旋轉臺的水平運動，從而實現對電動旋轉臺所搭載傳感設備的水平運動控制；通過控制電動旋轉臺的旋轉，可以調節搭載在電動旋轉臺的傳感設備的角度，通過各種控制使傳感設備能夠滿足測量的需求。

以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利所公開的範圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都屬於本發明專利的保護範圍。