專利名稱：：具有機械容錯功能的大型重載振動模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種機械自動化
技術(shù)領(lǐng)域：
的裝置，具體是一種具有容錯功能的大型重載振動模擬器。
背景技術(shù)：
：大型重載多自由度振動模擬器是研究振動破壞機理和破壞模式、評價結(jié)構(gòu)整體抗振能力和衡量減振、隔振效果的重要儀器設(shè)備，應(yīng)用于核電、海洋結(jié)構(gòu)工程、水工結(jié)構(gòu)、橋梁工程等重要領(lǐng)域。為保證此類設(shè)備的大承載能力、低慣性、高加速度高以及較好的剛度等特性，目前并聯(lián)機構(gòu)被廣泛采用(N.Ogawa，K.Ohtani，T.KatayamaandH.Shibata.Constructionofathree-dimensional,large-scaleshakingtableanddevelopmentofcoretechnology.PhilosophicalTransactions!Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences.2001，359(1786):1725-1751.)。為了保證使用壽命并可獲得強大的驅(qū)動力，驅(qū)動源被限制在液壓驅(qū)動上，多采用大型伺服油缸驅(qū)動，并配備大型蓄能裝置，導(dǎo)致設(shè)備龐大，制造、維護費用高，液壓油易泄漏造成控制精度降低、環(huán)境污染，內(nèi)部摩擦力大導(dǎo)致傳動效率降低、浪費能源，液壓油對溫度和塵土敏感使之不能在高溫、低溫或灰塵多的工作環(huán)境下工作。以伺服電機為驅(qū)動源的電氣機械系統(tǒng)驅(qū)動雖無上述液壓驅(qū)動的缺點，但目前沒有符合其動力要求的合適伺服電機，且大功率伺服電機的研發(fā)費用高并存在技術(shù)瓶頸。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，《一種局部并聯(lián)冗余驅(qū)動機械手》(T.Kokkinis，P.Millies.AParallelRobot-ArmRegionalStructureswithActuationalRedundancy.MechanismandMachineTheory.1991,6(26):629-641)；以；《云力力冗余并聯(lián)操作器的運動性能》(Kokkinis,T,Millies,P.KinetostaticPerformanceofaDynamicallyRedundantParallelRobot.InternationalJournalofRobotics&Automation.1992,7(1):30-37))等文獻，從理論上提出了一些冗余驅(qū)動的方法并進行了一定的性能指標分析，為實現(xiàn)多電機冗余輸入替代液壓驅(qū)動提供了可能。用多個較小電機作為驅(qū)動源，提供較大的驅(qū)動力和輸出功率，不但可以克服上述液壓驅(qū)動的缺點，而且相對于同功率大電機驅(qū)動也能夠降低成本.多個小電機作為驅(qū)動源還可以彌補由于大電機的大慣性所導(dǎo)致的響應(yīng)較慢的不足。但上述技術(shù)中所提及的冗余驅(qū)動多為局部的驅(qū)動冗余且僅僅停留于理論推導(dǎo)，也并未考慮實際的機構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)組成。特別是對于具有大型重載振動模擬器特點的電氣機械冗余驅(qū)動系統(tǒng)的機構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)形式以及實現(xiàn)技術(shù)并未涉及。現(xiàn)有技術(shù)的另一不足是并未從機構(gòu)上解決大型重載振動模擬器冗余支鏈過約束所引起的問題，系統(tǒng)也不具備協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元間受力不均勻的容錯模塊。無論是液壓的冗余驅(qū)動還是電機的冗余驅(qū)動，都存在冗余驅(qū)動引起的過約束問題。過約束對系統(tǒng)的變形和制造、設(shè)置及控制誤差敏感，其存在對系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面1)導(dǎo)致構(gòu)件及運動副元素在運轉(zhuǎn)過程中的強制變形，使運動副中的作用力急劇增大，機械效率降低；還使運動副的磨損加快，降低機械工作的可靠性、精度和使用壽命。2)要求各部件具有較高的制造精度、裝配精度和結(jié)構(gòu)剛度，提高了制造、設(shè)置拆卸的難度和成本。3)對控制精度要求較高，不允許地位對等的約束任何一方出現(xiàn)運行故障，也不允許出現(xiàn)較大的控制誤差，提高了控制系統(tǒng)的成本和難度。一般的電氣機械驅(qū)動單元剛度較大，當存在系統(tǒng)誤差或控制誤差時，各冗余驅(qū)動單元間的受力不均衡，為避免該缺陷，現(xiàn)有技術(shù)需使用力反饋控制，而在重載、高速場合必須使用動力特性好、承載能力強的力傳感器，且控制算法復(fù)雜并引入新的非線性化因素，導(dǎo)致控制難度和制造成本大幅度提高，控制的穩(wěn)定性和魯棒性下降。液壓冗余驅(qū)動雖因液壓油的非絕對不可壓縮性和低剛性而對過約束表現(xiàn)出一定的容忍性，但一旦出現(xiàn)大的誤差和地位對等的驅(qū)動源中有一個或幾個出現(xiàn)故障，也必然造成各冗余驅(qū)動單元間的受力不均衡，以致影響部件壽命，甚至損壞部件造成模擬平臺傾覆等災(zāi)難性事故。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種具有機械容錯功能的大型重載振動模擬器。此具有無過約束及機械容錯功能的運動模擬器，具有承載力大、動態(tài)響應(yīng)快、容錯性能好、無過約束、制造成本低、無污染等優(yōu)點。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括振動模擬平臺、六條具有機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的運動支鏈以及若干個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元，其中振動模擬平臺的三個相鄰的正交側(cè)面上依次設(shè)有三個、兩個和一個運動支鏈，六條具有機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的運動支鏈的末端分別設(shè)有兩個或四個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元。所述的運動支鏈為I型運動支鏈或II型運動支鏈，其中I型運動支鏈包括1型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)和機架，其中I型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的兩端分別與振動模擬平臺和固定設(shè)置于機架上的四個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相連接，機架固定設(shè)置于地面；II型運動支鏈包括11型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)和機架，其中11型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的兩端分別與振動模擬平臺和固定設(shè)置于機架上的兩個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相連接，機架固定設(shè)置于地面。所述的機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元包括機械協(xié)調(diào)齒輪、雙螺母滑塊和導(dǎo)軌、兩組絲杠和兩臺電機，其中機械協(xié)調(diào)齒輪分別與雙螺母滑塊固定連接，導(dǎo)軌設(shè)置于機架上，滑塊活動設(shè)置于導(dǎo)軌上，兩組絲杠與雙螺母滑塊配合組成雙絲杠螺母副，兩臺電機分別與絲杠配合并固定于機架上并提供冗余驅(qū)動力。所述的I型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)包括與振動模擬平臺連接的第一鉸鏈以及依次串聯(lián)的四鉸連板、第二鉸組、第一桿件組和第三鉸組。所述的II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)包括與振動模擬平臺連接的第一鉸鏈以及依次串聯(lián)的二鉸連板、第四鉸組第二桿件組和第五鉸組。本發(fā)明通過以下二級機械協(xié)調(diào)方式去除冗余所引起的過約束影響第一級無論是I型運動支鏈還是II型運動支鏈的滑臺上，均裝有機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元。其工作方式是當兩冗余電機中的任何一個發(fā)生故障而停機時，滑臺仍能輸出，系統(tǒng)仍能工作，避免了因其中一個電機損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng)停止工作或進一步損壞系統(tǒng)的事故發(fā)生。而當兩電機均正常工作時，機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元也可以協(xié)調(diào)冗余電機之間的位置不同步或力不均衡。第一級冗余容錯協(xié)調(diào)為驅(qū)動級協(xié)調(diào)。第二級對于I型運動支鏈，I型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)具有第二級機械協(xié)調(diào)功能，即當四個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相互之間由于機械誤差等原因?qū)е卤舜瞬煌交虺隽Σ痪鶆驎r，此機構(gòu)總能進行協(xié)調(diào)，甚至當其中任何一個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元的雙電機同時壞掉時，此機構(gòu)也能在一定范圍內(nèi)工作，具有容錯功能；對于II型運動支鏈，II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)也具有第二級機械協(xié)調(diào)功能，即當兩個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相互之間由于機械誤差等原因?qū)е卤舜瞬煌交虺隽Σ痪鶆驎r，此機構(gòu)總能進行協(xié)調(diào)，甚至當其中任何一個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元的雙電機同時壞掉時，此機構(gòu)也能在一定范圍內(nèi)工作，具有容錯功能。第二級冗余容錯協(xié)調(diào)為支鏈的傳動級容錯。本發(fā)明解決了大型運動模擬器使用傳統(tǒng)液壓設(shè)備導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維護費用高，傳動效率低，受溫度和環(huán)境制約，液壓系統(tǒng)易泄漏、造成環(huán)境污染和控制精度低等缺點；由于本發(fā)明設(shè)計在機構(gòu)構(gòu)型上的合理布局和巧妙構(gòu)思，使其具有多達32個電機的輸入，增強了設(shè)備的承載力和驅(qū)動能力，此構(gòu)型布局也從份考慮了豎直方向承載力大和水平兩向驅(qū)動能力應(yīng)相當?shù)奶攸c；由于本發(fā)明設(shè)計在每個支鏈上均采用I型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)或II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)，以及每個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元上均采用機械協(xié)調(diào)裝置，解決了過約束對系統(tǒng)造成的影響，對設(shè)備制造、設(shè)置及控制精度無苛刻要求，使設(shè)備制造和設(shè)置容易，控制系統(tǒng)中也無須價格昂貴的力傳感器，進一步降低了成本；由于本發(fā)明設(shè)計所述的傳動支鏈上的機械協(xié)調(diào)機構(gòu)和驅(qū)動單元的機械協(xié)調(diào)裝置均具有容忍故障特性，使得當?shù)匚粚Φ鹊娜哂囹?qū)動源之間不同步或發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，避免了驅(qū)動源因載荷相反且超出額定載荷而導(dǎo)致系統(tǒng)部件損壞或振動模擬平臺傾覆等災(zāi)難性事故，使得設(shè)備的安全性和可靠性得到保證。圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明機構(gòu)中I型運動支鏈示意圖。圖3為本發(fā)明機構(gòu)中的機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元。圖4為本發(fā)明機構(gòu)中II型運動支鏈示意圖。具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括運動支鏈1-6，振動模擬平臺7、機架8，其中振動模擬平臺1的三個不同的正交側(cè)面上分別布置有三個、兩個和一個運動支鏈，其中第一運動支鏈1和第六運動支鏈6為I型運動支鏈，第二至第五運動支鏈2-5為II型運動支鏈。如圖2所示，所述的I型運動支鏈包括1型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)和機架8，其中1型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的兩端分別與振動模擬平臺7和固定設(shè)置于機架8上的四個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相連接，機架8固定設(shè)置于地面。所述的I型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)包括與振動模擬平臺連接的第一鉸鏈9、與第一鉸鏈9另一端連接的四鉸連板10、與四鉸連板10連接的第二鉸組11-14(共四個鉸鏈)、與第二鉸組11-14另一端連接的桿件組15-18(共四個連桿)、與桿件組15-18另一端連接的第三鉸組19-22(共四個鉸鏈)。如圖3所示，所述的機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元包括機械協(xié)調(diào)齒輪23和M、雙螺母滑塊25、導(dǎo)軌沈、兩組絲杠27和觀、兩臺電機四和30，其中機械協(xié)調(diào)齒輪23和M互相嚙合且均與雙螺母滑塊25固定連接，導(dǎo)軌沈設(shè)置于機架8上，雙螺母滑塊25活動設(shè)置于導(dǎo)軌沈上，兩組絲杠27和28分別與雙螺母滑塊25配合組成雙絲杠螺母副，用于提供冗余驅(qū)動力的電機四和30分別與絲杠27和28配合并固定于機架8上。如圖4所示，所述II型運動支鏈包括機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元、II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)和機架8，其中II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的兩端分別與振動模擬平臺7和固定設(shè)置于機架8上的兩個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相連接，機架8固定設(shè)置于地面。所述II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)包括與振動模擬平臺連接的第一鉸鏈31、與第一鉸鏈31另一端連接的二鉸連板32、與二鉸連板32另一端連接的第二鉸組33-34(共兩個鉸鏈)、與第四鉸組33-34另一端連接的桿件組35-36(共兩個連桿)、與桿件組35-36另一端連接的第五鉸組37-38(共兩個鉸鏈)。機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元均為雙電機驅(qū)動，雙螺母滑臺25與絲杠27和28組成雙螺母雙絲杠副，機械協(xié)調(diào)齒輪23和M設(shè)置于滑臺25的前端或后端。當由于某種誤差使雙絲杠27和觀轉(zhuǎn)動不同步時，機械協(xié)調(diào)齒輪23和M可以自動進行協(xié)調(diào)，使兩螺母輸出速度相同即滑臺25兩端不偏轉(zhuǎn)，以消除不同步引起的反向載荷，提高絲杠和電機的壽命和傳動效率；當由于某種原因冗余驅(qū)動中的某一驅(qū)動電機發(fā)生故障而不能工作時，未發(fā)生故障電機仍可以通過機械協(xié)調(diào)齒輪23和M的作用驅(qū)動滑臺25工作，只是驅(qū)動能力降低，但不至于因反向載荷存在而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障。I型或II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)均由機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元驅(qū)動，第三鉸組19-22(共四個鉸鏈)和第五鉸組37-38(共兩個鉸鏈)上的鉸鏈分別和機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元的雙螺母滑臺25鉸接。當由于誤差或故障使同等地位的機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元不同步時，機械協(xié)調(diào)機構(gòu)可以自動進行協(xié)調(diào)，甚至當由于某種原因某一機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元發(fā)生故障而不能工作時，未發(fā)生故障機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元仍可以通過機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的作用，系統(tǒng)仍可以繼續(xù)工作，只是驅(qū)動能力降低，但不至于因反向載荷存在而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障。動力源以多伺服電機取代液壓泵站和液壓缸，解決了設(shè)備龐大，制造、維護費用高，液壓油易泄漏造成控制精度降低、環(huán)境污染，內(nèi)部摩擦力大導(dǎo)致效率降低、浪費能源，受工作環(huán)境溫度和清潔度影響等缺點。本實施例中電機可以通過連軸器與絲杠直接相連，也可以在電機與絲杠之間加入齒輪副、齒輪齒條副、帶及帶輪或其他公知的傳動裝置代替。權(quán)利要求1.一種具有容錯功能的大型重載振動模擬器，其特征在于，包括振動模擬平臺、六條具有機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的運動支鏈以及若干個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元，其中振動模擬平臺的三個相鄰的正交側(cè)面上依次設(shè)有三個、兩個和一個運動支鏈，六條具有機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的運動支鏈的末端分別設(shè)有兩個或四個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有容錯功能的大型重載振動模擬器，其特征是，所述的運動支鏈為I型運動支鏈或II型運動支鏈，其中I型運動支鏈包括I型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)和機架，其中1型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的兩端分別與振動模擬平臺和固定設(shè)置于機架上的四個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相連接，機架固定設(shè)置于地II型運動支鏈包括11型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)和機架，其中11型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的兩端分別與振動模擬平臺和固定設(shè)置于機架上的兩個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元相連接，機架固定設(shè)置于地面。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有容錯功能的大型重載振動模擬器，其特征是，所述的機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元包括機械協(xié)調(diào)齒輪、雙螺母滑塊和導(dǎo)軌、兩組絲杠和兩臺電機，其中機械協(xié)調(diào)齒輪分別與雙螺母滑塊固定連接，導(dǎo)軌設(shè)置于機架上，滑塊活動設(shè)置于導(dǎo)軌上，兩組絲杠與雙螺母滑塊配合組成雙絲杠螺母副，兩臺電機分別與絲杠配合并固定于機架上并提供冗余驅(qū)動力。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有容錯功能的大型重載振動模擬器，其特征是，所述的I型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)包括與振動模擬平臺連接的第一鉸鏈以及依次串聯(lián)的四鉸連板、第二鉸組、第一桿件組和第三鉸組。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有容錯功能的大型重載振動模擬器，其特征是，所述的II型機械協(xié)調(diào)機構(gòu)包括與振動模擬平臺連接的第一鉸鏈以及依次串聯(lián)的二鉸連板、第四鉸組第二桿件組和第五鉸組。全文摘要一種機械自動化
技術(shù)領(lǐng)域：
的具有容錯功能的大型重載振動模擬器，包括振動模擬平臺、六條運動支鏈、機械協(xié)調(diào)機構(gòu)、機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元以及三十二個冗余驅(qū)動電機，其中振動模擬平臺的三個不同的正交側(cè)面上分別布置有三個、兩個和一個運動支鏈，每個具有機械協(xié)調(diào)機構(gòu)的運動支鏈的末端分別設(shè)有兩個或四個機械協(xié)調(diào)冗余驅(qū)動單元，所述的運動支鏈為I型運動支鏈或II型運動支鏈。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比增強了承載力和驅(qū)動力，制造和設(shè)置容易，當?shù)匚粚Φ鹊娜哂囹?qū)動源之間不同步或發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，避免了驅(qū)動源因載荷相反且超出額定載荷而導(dǎo)致系統(tǒng)部件損壞或振動模擬平臺傾覆等災(zāi)難性事故，使得設(shè)備的安全性和可靠性得到保證。文檔編號G01M7/02GK102252813SQ201110107998公開日2011年11月23日申請日期2011年4月28日優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日發(fā)明者張建政,趙現(xiàn)朝,郭為忠,金振林,高峰申請人:上海交通大學(xué)