一種基於柔性關節的空間三平移並聯激振振動裝置的製作方法

2023-06-03 15:35:31

專利名稱：一種基於柔性關節的空間三平移並聯激振振動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及柔順機構和高頻振動領域，尤其涉及一種由靜平臺、動平臺、三條PRPR型柔性運動支鏈及三臺單維激振器組成的三自由度並聯工作檯，其能實現空間三平移的位姿變換，模擬實際エ況中空間三平移高頻振動。
背景技術：
隨著現代機械工程向著高速度、高精度等高性能方向發展，對設備裝置進行振動可靠性能的測試，特別是高頻(400Hz以上)振動性能的測試，需要高頻激振臺來模擬實際高頻振動激勵。通常，航空航天領域中的電子設備的金屬觸點、機械設備中的閥體、軍エ領域中相關產品等在低頻是安全的，但在高頻振動吋，出現了性能下降或失效現象。工程中多數機械振動均呈多維合成振動的形式，且多屬於多維非線性及強耦合狀態。單維(單自由度)的激振器(振動臺)裝置已經很成熟，高頻的單方向激振裝置也已有產品出售，但不能真實 模擬實際高頻多自由度振動激勵。目前能夠模擬實際多維合成振動輸出的多維激振裝置很少，特別是能夠模擬實際高頻多維振動輸出的裝置未見報導。當前已知的多維激振臺的研究主要存在兩個問題一是大多數具有較高激振頻率的多維激振裝置結構複雜，實際上是由若干單自由度移動激振器的疊加組合而成，不能真正模擬出實際多維振動，尤其是轉動激振無法實現，實際上是ー種多點激勵系統，容易造成多維振動試驗出現有的方向過試驗，而有的方向欠試驗的結果；ニ是少量結構簡單的基於並聯機構的多維激振裝置振動頻率較低，一般振動頻率IOOHz以下，只能適用於低頻振動試驗，不能模擬實際的高頻振動，因此工程實際迫切需要一種能夠真實模擬自然界振動，且結構簡單的新型多自由度高頻激振裝置的出現。目前關於激振臺的已有申請主要有以下幾種I、公開號是CN101854153A、名稱是「壓電式高頻振動臺」，是ー種單維高頻激振臺，可以產生2kHZ-50kHZ的單維振動輸出，但其缺陷是不能模擬實際情況中的多自由度高頻振動輸出。2、公開號是CN87210629、名稱是「液壓式異步顛簸振動臺」，能進行垂直運動又能承受水平運動，但其振動形式是由若干單自由度激振器疊加而成，不能模擬實際環境中的多維真實振動，工作精度和頻率都較低。3、公開號是CN101038208、名稱是「ー種六軸微激振器系統」，採用柔性關節實現高頻多維複合運動，但其產生的是微小變形，只能實現空間六自由度高頻微激勵輸出，而不能實現宏觀尺寸下的高頻運動輸出。

發明內容
本發明的目的是為克服現有激振臺存在的不足，構造ー種能夠模擬自然界真實振動的、在宏觀條件下能進行大尺寸變形且能實現空間三平移高頻激振的並聯工作檯，並且其具有剛度大、承載能力強、可實現空間多維輸出。
本發明公開了ー種能夠實現空間三平移高頻振動形式的並聯激振裝置，該裝置是由靜平臺、動平臺、三條相同結構的柔性運動支鏈以及三臺相同參數的單維激振器組成。每條柔性運動支鏈頂端通過螺紋連接與動平臺固連，底端亦通過螺紋連接固定在相應的單維激振器工作檯面上。三條運動鏈對稱設置於動、靜平臺之間，各柔性支鏈對稱平面兩兩間隔120°。三臺激振器通過螺紋連接固定在靜平臺上。所述的柔性運動鏈是由兩個柔性轉動副R1、R2與ー個4R型柔性機構(Pl副)串接而成，其中4R型柔性機構(Pl副)因其結構上的特殊性，能實現類似移動的效果，固可當作ー個柔性移動副使用。具體結構為將柔性轉動副Rl通過螺紋連接固定在4R型柔性機構(Pl副)上端的卡槽結構處，柔性轉動副Rl的軸線與4R型柔性機構(Pl副)的軸線相互垂直；將柔性轉動副R2亦通過螺紋連接固定在4 R型柔性機構(Pl副)下端的卡槽結構處，其軸線亦垂直於4R型柔性機構(Pl副)的軸線，且平行於柔性轉動副Rl的軸線。柔性運動鏈的具體布置方式為=Rl丄Pl丄R2，且Rl Il R2。由於柔性轉動副Rl、R2結構上的特殊性，即兩段連接梁之間呈ー鈍角，該角度可根據實際情況確定，這時使得固連於該兩個柔性轉動副之間的4R型柔性機構(Pl副)與靜平臺平面呈一定角度，該角度等於柔性轉動副R1、R2兩連接梁所夾角度再減去90°。所述的單向激振器充當一個移動副(P2副)，其振動方向垂直於兩個柔性轉動副R1、R2軸線方向，通過控制系統輸出可各種規律的振動形式，如正弦規律等。各激振器與所對應的柔性運動鏈組成一條RPRP型支鏈，具體布置方式為Rl Il R2丄P2。所述的柔性轉動副R1、R2與4R型柔性機構(Pl副)均是基於曲板(圓弧型薄板)結構設計的，其中4R型柔性機構(Pl副)是ー個由4個軸線相互平行的曲板結構首尾相連而成的平行四邊形複合機構。本發明的有益效果是I、採用具有剛度大，累積誤差小，受カ性能好等特點的並聯機構作為主體機構，能達到多維輸出效果，從而實現空間三平移高頻激振。2、採用無間隙、無摩擦磨損、可整體加工成型的柔性運動副代替傳統剛性關節，很好地解決了後者因存在間隙、摩擦磨損等缺陷而無法準確傳遞高頻激勵的問題。3、本發明中的並聯機構具有結構對稱性，且結構緊湊，加工成本較低。


圖I本發明實施例空間三平移高頻激振裝置具體結構圖；圖2本發明實施例柔性支鏈結構圖(以支鏈ー為例)；圖3本發明實施例柔性支鏈機構簡圖；圖4本發明實施例柔性轉動副Rl局部結構圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明由動平臺12、靜平臺6以及串接在這兩者之間的三條同樣結構的柔性運動支鏈3、10、11及三臺單維激振器5、8、9組成。其中附圖標記分別表示如下1 一動平臺連接螺釘；2—柔性運動支鏈連接螺釘2 ;3—柔性支鏈I ;4ー激振器連接螺釘；5—單向激振器I ;6—靜平臺；7—靜平臺連接螺釘；8—單維激振器2 ;9—單向激振器3 ;10—柔性支鏈2 ; 11—柔性支鏈3 ; 12—動平臺。靜平臺上對稱加工有三個沉孔，兩兩間隔120°。如圖2和3所示，每條柔性運動鏈的頂端，亦即是每個柔性轉動副Rl的頂端加工有ー個螺紋。動平臺通過三個連接螺釘I與三條環繞動平臺中心軸線均勻布置的柔性運動鏈3、10、11固連在一起。每條柔性運動鏈是由ー個柔性轉動副R1、ー個4R型柔性機構(Pl副)、一個柔性轉動副R2串接而成，其中轉動副Rl的末端以及轉動副R2的頂端都加工有螺紋孔，通過柔性運動鏈連接螺釘2將兩個轉動副固定於4R型柔性機構(Pl副)兩端的卡槽結構處。其中兩個轉動副Rl、R2的軸線相互平行且都垂直於4R型柔性機構(Pl副)的軸線，即 Rl 丄 Pl (4R)丄 R2，且 Rl // R2。由於柔性轉動副Rl、R2結構上的特殊性，即兩段連接梁之間呈ー鈍角，該角度可根據實際情況確定，這時使得固連於該兩個柔性轉動副之間的4R型柔性機構(Pl副)與靜 平臺平面呈一定角度，該角度等於柔性轉動副Rl、R2兩連接梁所夾角度再減去90°。每條柔性運動鏈的末端連接板上加工有四個均勻分布通孔，其定位尺寸與單維激振器5、8、9工作檯面上的相應螺紋孔定位尺寸一致，通過十二個激振器連接螺釘4分別將三條柔性運動鏈3、10、11固定在三臺單維激振器5、8、9的工作檯面上。每臺單維激振器充當一個移動副(P2副)，與相對應的柔性支鏈組成一條RPRP型運動鏈，其移動軌跡與動靜平臺中心軸線方向一致，它所輸出的各種規律的振動激勵通過與之相固連的柔性運動鏈，最終傳遞給了動平臺12，經三臺單向激振器5、8、9同時作用，最終使動平臺能實現三個方向的高頻平移運動，能實現對實際エ況中三平移高頻振動的模擬。三臺環繞靜平臺7中心軸線均勻分布的單維激振器5、8、9通過若干靜平臺連接螺釘7固定在靜平臺6上。曲板結構包括剛性連接梁a、d，導向觸點b，導槽C、接觸導板e和曲板f，其中曲板即一段圓弧型薄板，如圖4中f部分所示，該處結構在受力時易繞其中心軸線發生較大程度的弾性形變，且形變量較大，這ー現象可看作是連接曲板的兩剛性矩形截面梁所產生的相對轉動，基於這ー原理就設計了本發明中的三類柔性運動副，具體結構可參考圖5 (轉動副Rl局部結構圖)連接梁Ia和連接梁2d為連接曲板f的兩段矩形截面剛性梁，該部分在受力時發生的弾性變形微乎其微，可忽略不計；曲板f為實現柔性副產生轉動效果的最直接結構，要求該處結構在工作時有一定的弾性，同時具備很高的疲勞強度；導向觸點b有兩個作用，一是為了避免柔性副在受拉カ有逆向變形傾向時，其側面與其旁邊的勾狀觸點相貼合，可阻止柔性副產生逆向變形，ニ是當柔性副在受壓カ發生正向變形時，其與導槽c(導槽可視為導向觸點的導軌)結構配合工作，即導向觸點b則沿著導槽c作相應的滑動，使兩端的剛性連接梁a、d發生相對轉動，能起到精確導向作用；接觸導板e在柔性副受壓カ正向轉動時與曲板內表面貼合，一方面能增加柔性副的抗壓能力，另ー方面亦能起到導向作用。為了減少應力集中，各過渡結構均要倒角。另外，連接梁Ia與連接梁2d對稱軸線所夾角度可根據實際情況調整。上述提及的三類柔性副，即Rl副、R2副、Pl副都是通過線切割整體加工成型的，各柔性結構均為一個連貫的整體。
權利要求
1.一種基於柔性關節的空間三平移並聯激振裝置，所述裝置是由動平臺、靜平臺、三條相同結構的柔性支鏈以及三臺相同參數的單向激振器組成，其特徵在幹每條柔性支鏈與相應的單向激振器組成一條RPRP型運動鏈，所述RPRP型運動支鏈的頂端通過螺紋連接固定在所述動平臺上，所述RPRP型運動支鏈的底端通過螺紋連接固定在所述靜平臺上，三條所述RPRP型運動支鏈環繞所述靜平臺的中心軸線均勻分布；所述RPRP型運動支鏈的頂端為Rl副的頂端；所述RPRP型運動支鏈的底端為單維激振器固定架。
2.如權利要求I所述基於柔性關節的空間三平移並聯激振裝置，其中所述柔性支鏈是由一個柔性轉動副R1，ー個4R型柔性機構Pl副，一個柔性轉動副R2通過螺紋連接串接而成，其具體布置方式為=Rl丄Pl丄R2，且Rl Il R2。
3.如權利要求I所述基於柔性關節的空間三平移並聯激振裝置，其特徵在於每臺單向激振器充當一個移動副P2副，經控制系統控制，能輸出各種規律的振動形式，振動方向同動靜平臺中心軸線方向保持一致。
4.如權利要求2所述基於柔性關節的空間三平移並聯激振裝置，其特徵在於所述柔性轉動副R1、4R型柔性機構(Pl副)、柔性轉動副R2，都是基於曲板結構；其中4R型柔性機構Pl副是ー個由4個軸線相互平行的曲板結構首尾相連而成的平行四邊形複合機構。
5.如權利要求4所述基於柔性關節的空間三平移並聯激振裝置，其特徵在於所述曲板結構包括剛性連接梁(a)、(d)，導向觸點(b)，導槽(C)、接觸導板(e)和曲板(f)，所述曲板(f)為一段圓弧型薄板，其兩端為可忽略彈性變形的剛性連接梁(a)、(d)，在受カ時所述曲板繞其中心軸線發生彈性變形，使兩端的剛性連接梁(a)、(d)發生相對轉動，而導向觸點(b)則沿著導槽(C)作相應的滑動，這樣使曲板在受カ時更加準確的繞其中心軸線發生變形；接觸導板(e)在柔性副受壓カ正向轉動時與曲板內表面貼合。
6.如權利要求2所述基於柔性關節的空間三平移並聯激振裝置，其特徵在於所述Rl畐|J、R2副、Pl副都是通過線切割整體加工成型，均為ー個連貫的整體。
全文摘要
本發明公開了一種基於柔性關節的空間三平移並聯激振裝置，該裝置是由動平臺、靜平臺、三條相同結構的柔性支鏈以及三臺相同參數的單維激振器組成，其特徵在於每條柔性支鏈與各自對應的單維激振器組成一條RPRP型運動支鏈，所述RPRP型運動支鏈的頂端通過螺紋連接固定在所述動平臺上，所述RPRP型運動支鏈的底端通過螺紋連接固定在所述靜平臺上，三條所述RPRP型運動支鏈環繞所述靜平臺的中心軸線均勻分布。從而實現空間三平移的位置變換，模擬實際工況中空間三平移高頻振動。
文檔編號G01M7/06GK102865985SQ20121031992
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月3日 優先權日2012年9月3日
發明者楊啟志, 莊佳奇, 陳龍, 朱小兵, 姚斌斌 申請人:江蘇大學