一种三自由度可移动试验平台及控制方法与流程

本发明涉及一种可移动试验平台，尤其是一种三自由度可移动试验平台及控制方法，属于多自由度机械结构设计领域。

背景技术：

现有的三自由度试验平台主要由x、y、z共三个方向的丝杆直线导轨或同步带直线导轨组成，导轨由步进电机驱动。该类三自由度全线性导轨试验平台一般应用在3D打印机、雕刻机、激光切割机等领域，具有结构简单、操作方便、响应速度快等优点。但是，一般线性导轨试验平台在搭载精密传感器进行试验时，存在一些缺陷，如下：

1)导轨导程较短，特别是水平运动的导轨，不适合搭载需要长距离大范围探测的传感器；

2)导轨模组的滑台为纯线性运动，滑台角度调节极不方便，不适合搭载需要进行特定角度调节才能实现准确探测的传感器；

3)一般的三自由度试验平台大多在室内特定位置使用，拆装和移动都不方面，不适合在室外搭载传感器使用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种三自由度可移动试验平台，该平台结构简单、使用方便，可以实现对所搭载传感设备的高度调节、水平运动控制和角度调节。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述试验平台的控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种三自由度可移动试验平台，包括第一可移动底座托架、第二可移动底座托架、第一垂直同步带滑台模组、第二垂直同步带滑台模组、水平同步带滑台模组、电动旋转台和控制系统；

所述第一垂直同步带滑台模组的底端与第一可移动底座托架固定连接，所述第二垂直同步带滑台模组的底端与第二可移动底座托架固定连接，所述水平同步带滑台模组的两端分别与第一垂直同步带滑台模组、第二垂直同步带滑台模组的第一滑台固定连接，所述电动旋转台设置在水平同步带滑台模组的第二滑台上；

所述控制系统分别与第一垂直同步带滑台模组、第二垂直同步带滑台模组、水平同步带滑台模组、电动旋转台连接。

进一步的，所述第一垂直同步带滑台模组和第二垂直同步带滑台模组均包括第一滑台、第一同步带导轨、第一导轨三角支架、第一变速轮套件和第一驱动电机，所述第一滑台通过连接槽与第一同步带导轨滑动连接，所述第一变速轮套件的一端与第一同步带导轨连接，另一端与第一驱动电机连接，所述第一驱动电机带动第一变速轮套件转动，从而带动第一滑台在第一同步带导轨上滑动；所述第一垂直同步带滑台模组的底端通过第一导轨三角支架与第一可移动底座托架固定连接，所述第二垂直同步带滑台模组的底端通过第一导轨三角支架与第二可移动底座托架固定连接。

进一步的，所述第一垂直同步带滑台模组和第二垂直同步带滑台模组的长度为0.5～2米，重复定位精度不大于0.05mm，两端均内置限位开关；所述第一滑台的负载大于15kg，长宽尺寸不小于100×90mm；所述第一驱动电机为步进电机或伺服电机。

进一步的，所述水平同步带滑台模组包括第二滑台、第二同步带导轨、第二导轨三角支架、第三导轨三角支架、第二变速轮套件、第二驱动电机和第一水平尺，所述第二滑台通过连接槽与第二同步带导轨滑动连接，所述第二变速轮套件的一端与第二同步带导轨连接，另一端与第二驱动电机连接，所述第二驱动电机带动第二变速轮套件转动，从而带动第二滑台在第二同步带导轨上滑动，所述电动旋转台配有第三驱动电机，所述第三驱动电机和第一水平尺均设置在第二滑台上；所述水平同步带滑台模组的一端通过第二导轨三角支架与第一垂直同步带滑台模组的第一滑台固定连接，另一端通过第三导轨三角支架与第二垂直同步带滑台模组的第一滑台固定连接。

进一步的，所述水平同步带滑台模组的长度在2～5米之间，重复定位精度不大于0.05mm，两端均内置限位开关；所述第二滑台的负载大于10kg，长宽尺寸不小于120×100mm；所述第二驱动电机为步进电机或伺服电机；

所述电动旋转台内置限位开关，电动旋转台旋转角度范围为360°，台面直径为100mm，承载不小于10kg，角度分辨率不大于0.01°；所述第三驱动电机为步进电机。

进一步的，所述第一可移动底座托架和第二可移动底座托架之间通过平衡连接支架连接，第一可移动底座托架和第二可移动底座托架均包括底座托架平板、水平调节脚轮和第二水平尺，所述第二水平尺设置在底座托架平板的顶部，所述水平调节脚轮设置在底座托架平板的底部；所述第一可移动底座托架的底座托架平板与第一垂直同步带滑台模组的底端固定连接，所述第二可移动底座托架的底座托架平板与第二垂直同步带滑台模组的底端固定连接。

进一步的，所述控制系统包括电控箱，所述电控箱包括单片机、控制按键、系统参数显示屏、垂直同步带滑台模组控制模块、水平同步带滑台模组控制模块和电机旋转台控制模块，所述单片机分别与控制按键、系统参数显示屏、垂直同步带滑台模组控制模块、水平同步带滑台模组控制模块、电机旋转台控制模块连接，所述垂直同步带滑台模组控制模块有两个，分别与第一垂直同步带滑台模组、第二垂直同步带滑台模组连接，所述水平同步带滑台模组控制模块与水平同步带滑台模组连接，所述电机旋转台控制模块与电动旋转台连接。

进一步的，所述控制系统还包括PC端，所述PC端上设有无线发射模块，所述电控箱还包括无线接收模块，所述无线接收模块与单片机连接，所述无线发射模块与无线接收模块连接，使PC端通过无线通信技术对电控箱的单片机进行控制。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述试验平台的控制方法所述方法包括：控制系统在接收到控制指令后，若控制指令是对垂直同步带滑台模组进行控制，则控制第一垂直同步带滑台模组、第二垂直同步带滑台模组的第一滑台上下运动来调节水平同步带滑台模组的高度，从而实现对电动旋转台所搭载传感设备的高度调节；若控制指令是对水平同步带滑台模组进行控制，则控制水平同步带滑台模组的第二滑台水平运动来实现电动旋转台的水平运动，从而实现对电动旋转台所搭载传感设备的水平运动控制；若控制指令是对电动旋转台进行控制，则控制电动旋转台的旋转来调节搭载在电动旋转台的传感设备的角度。

进一步的，所述控制系统控制垂直同步带滑台模组的第一滑台上下运动的速度范围在0～1m/s之间，上下往复频率0～1Hz之间；控制系统控制水平同步带滑台模组的第二滑台水平运动的速度范围在0～2m/s之间，水平往复频率0～1Hz之间；控制系统控制电动旋转台的旋转为逆时针旋转或顺时针旋转，旋转角度范围为0～360°。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明设置了两个垂直同步带滑台模组和一个水平同步带滑台模组和一个电动旋转台，将水平同步带滑台模组的两端分别与两个垂直同步带滑台模组的滑台固定连接，并将电动旋转台设置在水平同步带滑台模组的滑台上，电动旋转台上可以搭载传感设备，通过控制系统控制两个垂直同步带滑台模组的滑台上下运动来调节水平同步带滑台模组的高度，从而实现对电动旋转台所搭载传感设备的高度调节；通过控制系统控制水平同步带滑台模组的第二滑台水平运动来实现电动旋转台的水平运动，从而实现对电动旋转台所搭载传感设备的水平运动控制；通过控制电动旋转台的旋转，可以调节搭载在电动旋转台的传感设备的角度，通过各种控制使传感设备能够满足测量的需求。

2、本发明在两个可移动底座托架顶部和水平同步带滑台模组的滑台上各设置一个水平尺，通过观察水平尺，可以获知电动旋转台所搭载传感设备的实时状态，如果传感设备不是水平状态，可以通过不断控制，确保传感设备处于水平状态。

3、本发明的在两个可移动底座托架的底部设置水平调节脚轮，配合两个垂直同步带滑台模组，能较快调整电动旋转台上搭载的传感设备的水平度，从而提高测量数据的可靠性。

4、本发明采用了同步带导轨，与现有通常使用的丝杆导轨相比，行程较长，为传感设备提供了足够长的检测长度，同时考虑到水平同步带滑台模组的滑台在导轨上不可旋转，在该滑台上安装了电动旋转台，通过在电动旋转台上搭载传感设备，方便对传感设备的角度进行调节。

5、本发明与现有的试验平台通常固定在室内特定位置使用相比，拆装方便，根据使用场合，可以在拆装后直接推动可移动底座托架到指定位置使用，即方便在室内室外不同位置使用，一机多用，节省成本。

6、本发明除了可以使用电控箱的控制按键控制，还可以使用PC端的控制软件无线控制，更为简单直观，控制精度更高，为传感设备提供了稳定的基础试验平台。

附图说明

图1为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台整体机械结构的立体示意图。

图2为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台整体机械结构的正视图。

图3为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台整体机械结构的俯视图。

图4为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台整体机械结构的左视图。

图5为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台中垂直同步带滑台模组(第一垂直同步带滑台模组和第二垂直同步带滑台模组)的结构图。

图6为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台中水平同步带滑台模组和电动旋转台的结构图。

图7为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台中可移动底座托架(第一可移动底座托架和第二可移动底座托架)的结构图。

图8为本发明实施例1的三自由度可移动试验平台中控制系统结构框图。

图9为本发明实施例2的三自由度可移动试验平台中控制系统结构框图。

其中，1-第一可移动底座托架，2-第二可移动底座托架，3-第一垂直同步带滑台模组，4-第二垂直同步带滑台模组，5-水平同步带滑台模组，6-电动旋转台，7-第一滑台，8-第一同步带导轨，9-第一导轨三角支架，10-第一变速轮套件，11-第一驱动电机，12-第二滑台，13-第二同步带导轨，14-第二导轨三角支架，15-第三导轨三角支架，16-第二变速轮套件，17-第二驱动电机，18-第一水平尺，19-第三驱动电机，20-平衡连接支架，21-底座托架平板，22-水平调节脚轮，23-第二水平尺。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～图7所示，本实施例提供了一种三自由度可移动试验平台，该平台包括第一可移动底座托架1、第二可移动底座托架2、第一垂直同步带滑台模组3、第二垂直同步带滑台模组4、水平同步带滑台模组5、电动旋转台6和控制系统。

所述第一垂直同步带滑台模组3和第二垂直同步带滑台模组4分别位于左右两侧，第一垂直同步带滑台模组3和第二垂直同步带滑台模组4均包括第一滑台7、第一同步带导轨8、第一导轨三角支架9、第一变速轮套件10和第一驱动电机11，所述第一滑台7通过连接槽与第一同步带导轨8滑动连接，所述第一变速轮套件10的一端与第一同步带导轨8连接，本实施例与第一同步带导轨8的底端连接，方便进行维护，第一变速轮套件10的另一端与第一驱动电机11连接，所述第一驱动电机11带动第一变速轮套件10转动，从而带动第一滑台7在第一同步带导轨8上滑动。

在本实施例中，第一垂直同步带滑台模组3和第二垂直同步带滑台模组4的长度(即第一同步带导轨8的长度)为0.5～2米，重复定位精度不大于0.05mm，两端均内置限位开关；所述第一滑台7的负载大于15kg，长宽尺寸不小于100×90mm；所述第一驱动电机11为步进电机或伺服电机。

所述水平同步带滑台模组5包括第二滑台12、第二同步带导轨13、第二导轨三角支架14、第三导轨三角支架15、第二变速轮套件16、第二驱动电机17和第一水平尺18，所述第二滑台12通过连接槽与第二同步带导轨13滑动连接，所述第二变速轮套件16的一端与第二同步带导轨13连接，本实施例与第二同步带导轨14的右端连接，第二变速轮套件16的另一端与第二驱动电机17连接，所述第二驱动电机17带动第二变速轮套件16转动，从而带动第二滑台12在第二同步带导轨13上滑动，所述电动旋转台6配有第三驱动电机19，所述电动旋转台6、第三驱动电机19和第一水平尺18均设置在第二滑台12上，其中电动旋转台6和第一水平尺18均通过螺栓安装。

在本实施例中，所述水平同步带滑台模组5的长度(即第二同步带导轨13的长度)在2～5米之间，重复定位精度不大于0.05mm，两端均内置限位开关；所述第二滑台12的负载大于10kg，长宽尺寸不小于120×100mm；所述第二驱动电机17为步进电机或伺服电机；所述电动旋转台6内置限位开关，电动旋转台6旋转角度范围为360°，台面直径为100mm，承载不小于10kg，角度分辨率不大于0.01°；所述第三驱动电机19为步进电机。

所述第一可移动底座托架1和第二可移动底座托架2分别位于左右两侧，第一可移动底座托架1和第二可移动底座托架2之间通过平衡连接支架20连接，第一可移动底座托架1和第二可移动底座托架2均包括底座托架平板21、水平调节脚轮22和第二水平尺23，所述第二水平尺23设置在底座托架平板21的顶部，所述水平调节脚轮22设置在底座托架平板21的底部，其中第二水平尺23和水平调节脚轮22均通过螺栓安装。

所述第一垂直同步带滑台模组3的底端通过第一导轨三角支架9与第一可移动底座托架1的底座托架平板21固定连接，所述第二垂直同步带滑台模组4的底端通过第一导轨三角支架9与第二可移动底座托架2的底座托架平板21固定连接；所述水平同步带滑台模组5的一端通过第二导轨三角支架14与第一垂直同步带滑台模组3的第一滑台7固定连接，另一端通过第三导轨三角支架15与第二垂直同步带滑台模组4的第一滑台7固定连接。

对于第一可移动底座托架1和第二可移动底座托架2，起到方便移动整个平台到指定使用位置的作用；对于第一垂直同步带滑台模组3和第二垂直同步带滑台模组4，第一驱动电机11带动第一滑台7在第一同步带导轨8上滑动，以调节水平同步带滑台模组5的高度，起到电动旋转台6高度调节的作用；对于水平同步带滑台模组5，所述第二驱动电机17带动第二滑台12在第二同步带导轨13上滑动，起到对电动旋转台6水平运动控制的作用；对于电动旋转台6，所述第三驱动电机19驱动电动旋转台6旋转，起到调节搭载在电动旋转台6上的传感设备角度的作用。

如图8所示，所述控制系统包括电控箱，所述电控箱包括单片机、控制按键、系统参数显示屏、垂直同步带滑台模组控制模块、水平同步带滑台模组控制模块和电机旋转台控制模块，所述单片机采用Cortex-M3系列单片机，单片机通过I/O接口与控制按键连接，通过LCD接口与系统参数显示屏连接，通过控制接口分别与垂直同步带滑台模组控制模块、水平同步带滑台模组控制模块、电机旋转台控制模块连接，垂直同步带滑台模组控制模块、水平同步带滑台模组控制模块、电机旋转台控制模块这三个控制模块具体为驱动电机控制器；其中，垂直同步带滑台模组控制模块有两个，分别与第一垂直同步带滑台模组3、第二垂直同步带滑台模组4的第一驱动电机11连接，水平同步带滑台模组控制模块与水平同步带滑台模组5的第二驱动电机17连接，电机旋转台控制模块与电动旋转台6的第三驱动电机19连接。

如图1～图8所示，本实施例的三自由度可移动试验平台工作原理是：

S1、通过推动第一可移动底座托架1和第二可移动底座托架2来移动整个平台到合适位置；通过调节第一可移动底座托架1和第二可移动底座托架2的水平调节脚轮22的支撑脚高度，观察第一可移动底座托架1和第二可移动底座托架2的第二水平尺23，以及水平同步带滑台模组5的第一水平尺18，确保电动旋转台6搭载的传感设备处于水平状态；

S2、控制系统在接收到控制按键的控制指令后，若控制指令是对垂直同步带滑台模组(第一垂直同步带滑台模组3、第二垂直同步带滑台模组4)进行控制，则进入步骤S3；若控制指令是对水平同步带滑台模组5进行控制，则进入步骤S4；若控制指令是对电动旋转台6进行控制，则进入步骤S5；

S3、控制第一垂直同步带滑台模组3、第二垂直同步带滑台模组4的第一滑台7(左侧和右侧的第一滑台7)上下运动来调节水平同步带滑台模组5的高度，从而实现对电动旋转台6所搭载传感设备的高度调节；

S4、控制水平同步带滑台模组5的第二滑台12水平运动来实现电动旋转台6的水平运动，从而实现对电动旋转台6所搭载传感设备的水平运动控制；

S5、控制电动旋转台6的旋转来调节搭载在电动旋转台6的传感设备的角度。

在上述控制过程中，所述控制系统控制垂直同步带滑台模组的第一滑台上下运动的速度范围在0～1m/s之间，上下往复频率0～1Hz之间；控制系统控制水平同步带滑台模组的第二滑台水平运动的速度范围在0～2m/s之间，水平往复频率0～1Hz之间；控制系统控制电动旋转台的旋转为逆时针旋转或顺时针旋转，旋转角度范围为0～360°。

通过上述控制，可以实现对整个平台所搭载传感设备的高度调节、水平运动控制和角度调节。

实施例2：

如图9所示，本实施例的主要特点是：所述控制系统还包括PC端，所述PC端上安装了控制软件，且设有无线发射模块，所述电控箱还包括无线接收模块，所述无线接收模块与单片机连接，所述无线发射模块与无线接收模块连接，使PC端通过无线通信技术对电控箱的单片机进行控制。在上述步骤S2中，控制系统可以在接收到PC端控制软件的控制指令后，对垂直同步带滑台模组、水平同步带滑台模组、电动旋转台进行控制。其余同实施例1。

综上所述，本发明设置了两个垂直同步带滑台模组和一个水平同步带滑台模组和一个电动旋转台，将水平同步带滑台模组的两端分别与两个垂直同步带滑台模组的滑台固定连接，并将电动旋转台设置在水平同步带滑台模组的滑台上，电动旋转台上可以搭载传感设备，通过控制系统控制两个垂直同步带滑台模组的滑台上下运动来调节水平同步带滑台模组的高度，从而实现对电动旋转台所搭载传感设备的高度调节；通过控制系统控制水平同步带滑台模组的第二滑台水平运动来实现电动旋转台的水平运动，从而实现对电动旋转台所搭载传感设备的水平运动控制；通过控制电动旋转台的旋转，可以调节搭载在电动旋转台的传感设备的角度，通过各种控制使传感设备能够满足测量的需求。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。