一種基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，通過將主動隔振技術(shù)、被動隔振技術(shù)、空間六自由度并聯(lián)運動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、柔性機構(gòu)設(shè)計等多種方法相結(jié)合，設(shè)計了一種能夠剛性傳遞低頻姿態(tài)控制信號，衰減高頻干擾信號并且無諧振的六自由度隔振平臺。隔振平臺集成了控制力矩陀螺群，將控制力矩陀螺群產(chǎn)生的多自由度擾動轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶄€獨立的單方向線振動，每個伸縮桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全相同，均集成一個主動隔振單元和一個被動隔振單元，分別隔離六個獨立線振動。
【專利說明】—種基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及并聯(lián)機構(gòu)、多體系統(tǒng)動力學(xué)與控制、振動隔離等科學(xué)技術(shù)，應(yīng)用于航天器姿態(tài)控制及其振動隔離領(lǐng)域，尤其是一種六自由度隔振平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器在軌運行期間，星上轉(zhuǎn)動部件高速轉(zhuǎn)動(飛輪、陀螺等)、大型可控構(gòu)件驅(qū)動機構(gòu)步進(jìn)運動、變軌調(diào)姿期間推力器點火工作、大型柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)出陰影冷熱交變誘發(fā)擾動等都會使星體產(chǎn)生一種幅值較小、頻率較高的抖動響應(yīng)，該抖動響應(yīng)稱為航天器微振動。由于微振動動力學(xué)環(huán)境響應(yīng)幅值小，對大部分航天器不會產(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(太陽翼、天線)的振動、液體晃動主要引起低頻擾動。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、低溫制冷器等工作時引起。一般情況下，上述的振動干擾中，衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)能夠補償?shù)皖l擾動(一般IHz以下)，但是對于高頻擾動卻無能為力。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(尤其在20Hz-200Hz)對于衛(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，對于大型長壽命航天器，控制力矩陀螺是最為理想的姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)。因此，極有必要對控制力矩陀螺產(chǎn)生的振動干擾進(jìn)行控制和隔離。
[0003]故，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開一種能夠剛性傳遞低頻姿態(tài)控制信號，衰減高頻干擾信號并且無諧振的基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺可采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，包括下平臺、上平臺及連接上、下平臺的六個并聯(lián)的伸縮桿；所述伸縮桿設(shè)有連接上平臺的第一連接部、連接下平臺的第二連接部、主動隔振單元、被動隔振單元，其中主動隔振單元及被動隔振單元位于第一連接部及第二連接部之間；所述主動隔振單元包括作動器，該作動器為壓電陶瓷片疊堆而成的壓電堆棧；所述被動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階部，缸套的尾部向外延伸有第二臺階部，彈簧套在阻尼套上并且彈簧的兩端分別抵靠第一臺階部及第二臺階部。
[0007]與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺設(shè)計主動隔振單元和被動隔振單元，兩者串聯(lián)，控制力矩陀螺群的輸出力信號，首先經(jīng)過主動隔振單元抵消抑制，然后經(jīng)過被動隔振單元衰減，最后傳遞至與衛(wèi)星本體相連的下平臺。采用串聯(lián)方式連接，可以提高隔振的可靠性，當(dāng)主動隔振單元失效或者停止工作時，伸縮桿的剛度由被動隔振單元的剛度決定，此時隔振平臺仍然能夠隔離高頻擾動。被動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，彈簧部分儲存和釋放振動能量，阻尼部分耗散振動能量。
[0008]所述上平臺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°，上平臺的半徑ra、下平臺的半徑rb、伸縮桿的長度L的值之比為1:1.42:1。此時，Stewart平臺力傳遞的耦合性最低，而且避免了力奇異性，不會因為干擾力的微小變化引起主動控制力很大的變化，既降低了主動隔振控制的難度，又提高了主動控制精度。
[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平臺成為一個六自由度柔性機構(gòu)。以柔性鉸鏈的變形產(chǎn)生運動自由度，可以消除了傳動的間隙和摩擦，避免部件相對運動時的碰撞，能夠?qū)⑸炜s桿的運動平穩(wěn)地傳遞至上平臺，有效地提高隔振平臺中主動隔振單元的控制精度。柔性鉸鏈的變形量在μ m級，與控制力矩陀螺群產(chǎn)生的擾動量級一致，完全適用于航天器隔振的應(yīng)用場合。所述作動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)機構(gòu)的六自由度隔振平臺還包括IMU慣性測量單元、信號處理模塊、控制運算器、功率放大模塊；所述主動隔振單元的壓電堆棧集成力傳感器，該力傳感器連接信號處理模塊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2為本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺的機電系統(tǒng)原理圖。
[0013]圖3為本發(fā)明基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺的構(gòu)型簡圖。
[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)機構(gòu)的六自由度隔振平臺的隔振效果測試結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(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)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0017]Stewart并聯(lián)機構(gòu)(也稱Stewart平臺)是一種空間六自由度并聯(lián)機構(gòu)，由上下兩個平臺和六個并聯(lián)的自由伸縮桿組成，每條伸縮桿通過兩個球鉸或者一個球鉸和一個虎克鉸與上下兩平臺相連。該機構(gòu)本身的下平臺(基座)靜止不動，通過控制六個伸縮桿獨立運動，可使上平臺(動平臺)獲得需要的位置和姿態(tài)。相比串聯(lián)機構(gòu)，Stewart平臺具有一些固有的優(yōu)勢，包括更大的剛度質(zhì)量比，更高的基頻，可以承受相對較大的負(fù)載；更強的動態(tài)性能和穩(wěn)定性；以及更高的運動精度，能完成精密級任務(wù)。自1965年被提出以來，其運動學(xué)、奇異性、工作空間與靈巧性、動力學(xué)與控制、平臺的設(shè)計與開發(fā)等方面均得到深入而廣泛的研究。Stewart平臺可以將六個移動自由度轉(zhuǎn)變?yōu)槿齻€位置和三個方向自由度，若將六個伸縮桿替換成單自由度隔振器，則該機構(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)實現(xiàn)六自由度隔振，特別是基于高精度微位移作動器的Stewart平臺，既可以充分隔振，又可以對敏感載荷進(jìn)行精確姿態(tài)操作。本發(fā)明即公開了一種基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺。
[0018]請參閱圖1至圖4所示，本發(fā)明公開基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，包括下平臺2、上平臺I及連接上、下平臺的六個并聯(lián)的伸縮桿3。隔振平臺的每條伸縮桿3由主動隔振單元和被動隔振單元兩部分組成。被動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，依靠摩擦產(chǎn)生阻尼作用，支撐套3.9采用固體自潤滑材料制成，通過螺紋配合與缸套3.7連接，用以支撐導(dǎo)桿3.11在缸套3.7的內(nèi)的直線運動，保證運動的平穩(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)螺紋孔中旋入兩個內(nèi)六角緊定螺釘3.13，鎖緊支撐套3.9，防止松動；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)過缸套3.7左端通孔安裝墊片
3.8并旋入螺釘3.14。主動隔振單元的核心元器件是作動器3.4，該作動器是由壓電陶瓷片疊堆而成的壓電堆棧構(gòu)成，同時壓電堆棧集成力傳感器，用于精確控制壓電堆棧的輸出力。信號傳輸線從側(cè)邊引出，包括外部電壓信號輸入線和力傳感器信號輸出線。壓電堆棧的左端連接螺紋頭，通過球鉸連接盤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，通過右連接座
3.5、內(nèi)六角圓柱頭螺釘3.6和3.17與被動隔振單元相連。安裝順序為: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，通過六個螺釘3.2將連接座3.3和連接盤3.1相連。在完成主被動隔振伸縮桿后，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，同時采用緊定螺釘3.18和3.12鎖緊防松。
[0019]設(shè)計柔性球鉸4和柔性虎克鉸5時，通過改變零件關(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，增加主動控制的效力，因為旋轉(zhuǎn)剛度將決定系統(tǒng)的零點。同時，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)，因為這些模態(tài)將降低高頻隔振性能。
[0020]四個控制力矩陀螺按金字塔形式分布在隔振平臺的上平臺I上，信號源和驅(qū)動系統(tǒng)控制陀螺群運動，下平臺2與衛(wèi)星本體連接，陀螺群產(chǎn)生的控制力矩將通過六個伸縮桿3傳遞至下平臺2。同時隔振平臺將多自由度干擾振動轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶄€獨立的單方向線振動，被六個獨立的伸縮桿3分別隔離，每個伸縮桿3的結(jié)構(gòu)設(shè)計完全相同，均集成一個主動隔振單元和一個被動隔振單元。主動控制單元還需配置力傳感器、頂U慣性測量單元、信號處理模塊、控制運算器、功率放大模塊等功能性部件。MU單元獲取上平臺I的三維加速度和三維角速度信號，經(jīng)過信號處理、運算，輸出主動控制律，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和功率放大后輸入主動隔振單兀。
[0021]請繼續(xù)結(jié)合圖3所示，對Stewart平臺的構(gòu)型和尺度進(jìn)行優(yōu)化前提是導(dǎo)出該機構(gòu)的力雅可比矩陣，假定兩個參考系分別與上平臺和下平臺固連，稱為動坐標(biāo)系和靜坐標(biāo)系。每條伸縮桿與動平臺的連接點在動坐標(biāo)系中的矢徑記為:a1;..., a6,與基座的連接點在靜坐標(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)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，包括下平臺、上平臺及連接上、下平臺的六個并聯(lián)的伸縮桿；其特征在于:所述伸縮桿設(shè)有連接上平臺的第一連接部、連接下平臺的第二連接部、主動隔振單元、被動隔振單元，其中主動隔振單元及被動隔振單元位于第一連接部及第二連接部之間； 所述主動隔振單元包括作動器，該作動器為壓電陶瓷片疊堆而成的壓電堆棧； 所述被動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階部，缸套的尾部向外延伸有第二臺階部，彈簧套在缸套上并且彈簧的兩端分別抵靠第一臺階部及第二臺階部。
2.如權(quán)利要求1所述的基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，其特征在于:所述上平臺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°，上平臺的半徑ra、下平臺的半徑rb、伸縮桿的長度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)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，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)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，其特征在于:該基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺還包括MU慣性測量單元、信號處理模塊、控制運算器、功率放大模塊； 所述主動隔振單元的壓電堆棧集成力傳感器，該力傳感器連接信號處理模塊。
5.如權(quán)利要求3所述的基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六自由度隔振平臺，其特征在于:所述作動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】F16F15/06GK103587724SQ201310440171
【公開日】2014年2月19日 申請日期: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 申請人:南京航空航天大學(xué)