一種基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，通過(guò)將主動(dòng)隔振技術(shù)、被動(dòng)隔振技術(shù)、空間六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種能夠剛性傳遞低頻姿態(tài)控制信號(hào)，衰減高頻干擾信號(hào)并且無(wú)諧振的六自由度隔振平臺(tái)。隔振平臺(tái)集成了控制力矩陀螺群，將控制力矩陀螺群產(chǎn)生的多自由度擾動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶄€(gè)獨(dú)立的單方向線振動(dòng)，每個(gè)伸縮桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全相同，均集成一個(gè)主動(dòng)隔振單元和一個(gè)被動(dòng)隔振單元，分別隔離六個(gè)獨(dú)立線振動(dòng)。
【專利說(shuō)明】—種基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及并聯(lián)機(jī)構(gòu)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制、振動(dòng)隔離等科學(xué)技術(shù)，應(yīng)用于航天器姿態(tài)控制及其振動(dòng)隔離領(lǐng)域，尤其是一種六自由度隔振平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器在軌運(yùn)行期間，星上轉(zhuǎn)動(dòng)部件高速轉(zhuǎn)動(dòng)(飛輪、陀螺等)、大型可控構(gòu)件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)、變軌調(diào)姿期間推力器點(diǎn)火工作、大型柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)出陰影冷熱交變誘發(fā)擾動(dòng)等都會(huì)使星體產(chǎn)生一種幅值較小、頻率較高的抖動(dòng)響應(yīng)，該抖動(dòng)響應(yīng)稱為航天器微振動(dòng)。由于微振動(dòng)動(dòng)力學(xué)環(huán)境響應(yīng)幅值小，對(duì)大部分航天器不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，通常予以忽略。但隨著新一代高分辨衛(wèi)星發(fā)展，微振動(dòng)嚴(yán)重影響有效載荷指向精度、穩(wěn)定度及分辨率等重要性能指標(biāo)。柔性附件(太陽(yáng)翼、天線)的振動(dòng)、液體晃動(dòng)主要引起低頻擾動(dòng)。高頻部分主要是由于星體內(nèi)部的控制力矩陀螺/反作用輪、磁帶機(jī)、低溫制冷器等工作時(shí)引起。一般情況下，上述的振動(dòng)干擾中，衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)能夠補(bǔ)償?shù)皖l擾動(dòng)(一般IHz以下)，但是對(duì)于高頻擾動(dòng)卻無(wú)能為力。作為航天器姿態(tài)控制用的慣性執(zhí)行部件——控制力矩陀螺和飛輪，引起的高頻擾動(dòng)(尤其在20Hz-200Hz)對(duì)于衛(wèi)星的指向精度和穩(wěn)定度等指標(biāo)影響更為明顯?？刂屏赝勇菖c飛輪相比，其輸出力矩遠(yuǎn)大于飛輪的(通常數(shù)百倍以上)，具有較高的能效比，對(duì)于大型長(zhǎng)壽命航天器，控制力矩陀螺是最為理想的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，極有必要對(duì)控制力矩陀螺產(chǎn)生的振動(dòng)干擾進(jìn)行控制和隔離。
[0003]故，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開(kāi)一種能夠剛性傳遞低頻姿態(tài)控制信號(hào)，衰減高頻干擾信號(hào)并且無(wú)諧振的基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)可采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，包括下平臺(tái)、上平臺(tái)及連接上、下平臺(tái)的六個(gè)并聯(lián)的伸縮桿；所述伸縮桿設(shè)有連接上平臺(tái)的第一連接部、連接下平臺(tái)的第二連接部、主動(dòng)隔振單元、被動(dòng)隔振單元，其中主動(dòng)隔振單元及被動(dòng)隔振單元位于第一連接部及第二連接部之間；所述主動(dòng)隔振單元包括作動(dòng)器，該作動(dòng)器為壓電陶瓷片疊堆而成的壓電堆棧；所述被動(dòng)隔振單元包括圍繞有阻尼套的導(dǎo)桿、收容導(dǎo)桿及阻尼套并與阻尼套摩擦接觸的缸套、及彈簧；所述導(dǎo)桿的尾部向外延伸有第一臺(tái)階部，缸套的尾部向外延伸有第二臺(tái)階部，彈簧套在阻尼套上并且彈簧的兩端分別抵靠第一臺(tái)階部及第二臺(tái)階部。
[0007]與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)設(shè)計(jì)主動(dòng)隔振單元和被動(dòng)隔振單元，兩者串聯(lián)，控制力矩陀螺群的輸出力信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)主動(dòng)隔振單元抵消抑制，然后經(jīng)過(guò)被動(dòng)隔振單元衰減，最后傳遞至與衛(wèi)星本體相連的下平臺(tái)。采用串聯(lián)方式連接，可以提高隔振的可靠性，當(dāng)主動(dòng)隔振單元失效或者停止工作時(shí)，伸縮桿的剛度由被動(dòng)隔振單元的剛度決定，此時(shí)隔振平臺(tái)仍然能夠隔離高頻擾動(dòng)。被動(dòng)隔振單元包含彈簧部分和阻尼部分，兩部分以同軸并聯(lián)方式連接，彈簧部分儲(chǔ)存和釋放振動(dòng)能量，阻尼部分耗散振動(dòng)能量。
[0008]所述上平臺(tái)與伸縮桿的第一連接部均按圓周分布，相鄰第一連接部的夾角α =30°，下平臺(tái)與伸縮桿的第二連接部均按圓周分布，相鄰的第二連接部的夾角β =90°，上平臺(tái)的半徑ra、下平臺(tái)的半徑rb、伸縮桿的長(zhǎng)度L的值之比為1:1.42:1。此時(shí)，Stewart平臺(tái)力傳遞的耦合性最低，而且避免了力奇異性，不會(huì)因?yàn)楦蓴_力的微小變化引起主動(dòng)控制力很大的變化，既降低了主動(dòng)隔振控制的難度，又提高了主動(dòng)控制精度。
[0009]所述第一連接部為柔性球鉸、第二連接部為柔性虎克鉸。采用柔性球鉸4和柔性虎克鉸5代替一般鉸鏈，Stewart平臺(tái)成為一個(gè)六自由度柔性機(jī)構(gòu)。以柔性鉸鏈的變形產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)自由度，可以消除了傳動(dòng)的間隙和摩擦，避免部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的碰撞，能夠?qū)⑸炜s桿的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)地傳遞至上平臺(tái)，有效地提高隔振平臺(tái)中主動(dòng)隔振單元的控制精度。柔性鉸鏈的變形量在μ m級(jí)，與控制力矩陀螺群產(chǎn)生的擾動(dòng)量級(jí)一致，完全適用于航天器隔振的應(yīng)用場(chǎng)合。所述作動(dòng)器的兩端分別連接左連接座及右連接座，所述左連接座連接柔性球鉸，右連接座連接阻尼套的尾部；所述導(dǎo)桿的尾部連接柔性虎克鉸。
[0010]該基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)還包括IMU慣性測(cè)量單元、信號(hào)處理模塊、控制運(yùn)算器、功率放大模塊；所述主動(dòng)隔振單元的壓電堆棧集成力傳感器，該力傳感器連接信號(hào)處理模塊。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2為本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)原理圖。
[0013]圖3為本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)的構(gòu)型簡(jiǎn)圖。
[0014]圖4為本發(fā)明中伸縮桿的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖5為本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)的隔振效果測(cè)試結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0017]Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)(也稱Stewart平臺(tái))是一種空間六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由上下兩個(gè)平臺(tái)和六個(gè)并聯(lián)的自由伸縮桿組成，每條伸縮桿通過(guò)兩個(gè)球鉸或者一個(gè)球鉸和一個(gè)虎克鉸與上下兩平臺(tái)相連。該機(jī)構(gòu)本身的下平臺(tái)(基座)靜止不動(dòng)，通過(guò)控制六個(gè)伸縮桿獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，可使上平臺(tái)(動(dòng)平臺(tái))獲得需要的位置和姿態(tài)。相比串聯(lián)機(jī)構(gòu)，Stewart平臺(tái)具有一些固有的優(yōu)勢(shì)，包括更大的剛度質(zhì)量比，更高的基頻，可以承受相對(duì)較大的負(fù)載；更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性；以及更高的運(yùn)動(dòng)精度，能完成精密級(jí)任務(wù)。自1965年被提出以來(lái)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)、奇異性、工作空間與靈巧性、動(dòng)力學(xué)與控制、平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等方面均得到深入而廣泛的研究。Stewart平臺(tái)可以將六個(gè)移動(dòng)自由度轉(zhuǎn)變?yōu)槿齻€(gè)位置和三個(gè)方向自由度，若將六個(gè)伸縮桿替換成單自由度隔振器，則該機(jī)構(gòu)成為六自由度隔振裝置，能夠?qū)τ行лd荷(敏感設(shè)備、控制力矩陀螺等)實(shí)現(xiàn)六自由度隔振，特別是基于高精度微位移作動(dòng)器的Stewart平臺(tái)，既可以充分隔振，又可以對(duì)敏感載荷進(jìn)行精確姿態(tài)操作。本發(fā)明即公開(kāi)了一種基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)。
[0018]請(qǐng)參閱圖1至圖4所示，本發(fā)明公開(kāi)基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，包括下平臺(tái)2、上平臺(tái)I及連接上、下平臺(tái)的六個(gè)并聯(lián)的伸縮桿3。隔振平臺(tái)的每條伸縮桿3由主動(dòng)隔振單元和被動(dòng)隔振單元兩部分組成。被動(dòng)隔振單元的核心部件是彈簧阻尼器，彈簧部分則是金屬壓縮彈簧3.10，阻尼部分包括缸套3.7、支撐套3.9、導(dǎo)桿3.11、阻尼套3.15、墊片3.8、內(nèi)六角圓柱頭螺釘3.14。導(dǎo)桿3.11左端安裝有阻尼套3.15，可以在缸套3.7內(nèi)左右滑動(dòng)，依靠摩擦產(chǎn)生阻尼作用，支撐套3.9采用固體自潤(rùn)滑材料制成，通過(guò)螺紋配合與缸套3.7連接，用以支撐導(dǎo)桿3.11在缸套3.7的內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)，保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于彈簧阻尼器集成度較高，裝配順序略為復(fù)雜，首先裝配缸套組件，在缸套3.7右端的螺紋孔中旋入支撐套3.9，其兩側(cè)螺紋孔中旋入兩個(gè)內(nèi)六角緊定螺釘3.13，鎖緊支撐套3.9，防止松動(dòng)；然后安裝彈黃部分，從缸套3.7右端套入彈黃3.10,導(dǎo)桿3.11插入缸套3.7中，使其左端面與彈簧3.10端面接觸；最后安裝阻尼部分，從缸套3.7左端孔中裝入阻尼套
3.15，并使阻尼套3.15右端面與導(dǎo)桿3.11的軸肩接觸，再經(jīng)過(guò)缸套3.7左端通孔安裝墊片
3.8并旋入螺釘3.14。主動(dòng)隔振單元的核心元器件是作動(dòng)器3.4，該作動(dòng)器是由壓電陶瓷片疊堆而成的壓電堆棧構(gòu)成，同時(shí)壓電堆棧集成力傳感器，用于精確控制壓電堆棧的輸出力。信號(hào)傳輸線從側(cè)邊引出，包括外部電壓信號(hào)輸入線和力傳感器信號(hào)輸出線。壓電堆棧的左端連接螺紋頭，通過(guò)球鉸連接盤3.1、左連接座3.3、內(nèi)六角圓柱頭螺釘3.2、內(nèi)六角緊定螺釘3.18、全金屬鎖緊螺母3.19與柔性球鉸4相連。壓電堆棧右端鉆螺紋孔，通過(guò)右連接座
3.5、內(nèi)六角圓柱頭螺釘3.6和3.17與被動(dòng)隔振單元相連。安裝順序?yàn)?依次在壓電堆棧左端套入連接器3.3，在螺紋頭上安裝鎖緊螺母3.19，在左連接座3.3左側(cè)安裝連接盤3.1，通過(guò)六個(gè)螺釘3.2將連接座3.3和連接盤3.1相連。在完成主被動(dòng)隔振伸縮桿后，在其兩端分別安裝柔性球鉸4和柔性虎克鉸5，兩鉸鏈均采用螺紋配合與伸縮桿3連接，同時(shí)采用緊定螺釘3.18和3.12鎖緊防松。
[0019]設(shè)計(jì)柔性球鉸4和柔性虎克鉸5時(shí)，通過(guò)改變零件關(guān)鍵部位的厚度和截面形狀，以獲得較低的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，增加主動(dòng)控制的效力，因?yàn)樾D(zhuǎn)剛度將決定系統(tǒng)的零點(diǎn)。同時(shí)，仍需保證較高的軸向剛度和剪切剛度，較高的軸向剛度保證伸縮桿的控制力可以完全傳遞，而較高的剪切剛度可以提高伸縮桿的模態(tài)，因?yàn)檫@些模態(tài)將降低高頻隔振性能。
[0020]四個(gè)控制力矩陀螺按金字塔形式分布在隔振平臺(tái)的上平臺(tái)I上，信號(hào)源和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制陀螺群運(yùn)動(dòng)，下平臺(tái)2與衛(wèi)星本體連接，陀螺群產(chǎn)生的控制力矩將通過(guò)六個(gè)伸縮桿3傳遞至下平臺(tái)2。同時(shí)隔振平臺(tái)將多自由度干擾振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶄€(gè)獨(dú)立的單方向線振動(dòng)，被六個(gè)獨(dú)立的伸縮桿3分別隔離，每個(gè)伸縮桿3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全相同，均集成一個(gè)主動(dòng)隔振單元和一個(gè)被動(dòng)隔振單元。主動(dòng)控制單元還需配置力傳感器、頂U(kuò)慣性測(cè)量單元、信號(hào)處理模塊、控制運(yùn)算器、功率放大模塊等功能性部件。MU單元獲取上平臺(tái)I的三維加速度和三維角速度信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、運(yùn)算，輸出主動(dòng)控制律，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換和功率放大后輸入主動(dòng)隔振單兀。
[0021]請(qǐng)繼續(xù)結(jié)合圖3所示，對(duì)Stewart平臺(tái)的構(gòu)型和尺度進(jìn)行優(yōu)化前提是導(dǎo)出該機(jī)構(gòu)的力雅可比矩陣，假定兩個(gè)參考系分別與上平臺(tái)和下平臺(tái)固連，稱為動(dòng)坐標(biāo)系和靜坐標(biāo)系。每條伸縮桿與動(dòng)平臺(tái)的連接點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系中的矢徑記為:a1;..., a6,與基座的連接點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的矢徑記為:b1;…，b6。這些矢量的坐標(biāo)形式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，包括下平臺(tái)、上平臺(tái)及連接上、下平臺(tái)的六個(gè)并聯(lián)的伸縮桿；其特征在于:所述伸縮桿設(shè)有連接上平臺(tái)的第一連接部、連接下平臺(tái)的第二連接部、主動(dòng)隔振單元、被動(dòng)隔振單元，其中主動(dòng)隔振單元及被動(dòng)隔振單元位于第一連接部及第二連接部之間； 所述主動(dòng)隔振單元包括作動(dòng)器，該作動(dòng)器為壓電陶瓷片疊堆而成的壓電堆棧； 所述被動(dòng)隔振單元包括圍繞有阻尼套的導(dǎo)桿、收容導(dǎo)桿及阻尼套并與阻尼套摩擦接觸的缸套及彈簧；所述導(dǎo)桿的尾部向外延伸有第一臺(tái)階部，缸套的尾部向外延伸有第二臺(tái)階部，彈簧套在缸套上并且彈簧的兩端分別抵靠第一臺(tái)階部及第二臺(tái)階部。
2.如權(quán)利要求1所述的基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，其特征在于:所述上平臺(tái)與伸縮桿的第一連接部均按圓周分布，相鄰第一連接部的夾角α=30° ,下平臺(tái)與伸縮桿的第二連接部均按圓周分布，相鄰的第二連接部的夾角β=90°，上平臺(tái)的半徑ra、下平臺(tái)的半徑rb、伸縮桿的長(zhǎng)度L的值之比為1:1.40:1?1:1.45:1。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，其特征在于:所述第一連接部為柔性球鉸、第二連接部為柔性虎克鉸。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，其特征在于:該基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)還包括MU慣性測(cè)量單元、信號(hào)處理模塊、控制運(yùn)算器、功率放大模塊； 所述主動(dòng)隔振單元的壓電堆棧集成力傳感器，該力傳感器連接信號(hào)處理模塊。
5.如權(quán)利要求3所述的基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度隔振平臺(tái)，其特征在于:所述作動(dòng)器的兩端分別連接左連接座及右連接座，所述左連接座連接柔性球鉸，右連接座連接阻尼套的尾部；所述導(dǎo)桿的尾部連接柔性虎克鉸。
【文檔編號(hào)】F16F15/06GK103587724SQ201310440171
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】楊小龍, 陳柏, 吳洪濤, 李耀, 戴文偉, 孫宏麗 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)