九自由度运动模拟系统的制作方法

本发明属于航空航天运动模拟技术领域，尤其是涉及一种交汇对接半物理仿真试验的九自由度运动模拟系统。

背景技术：

九自由度运动模拟系统一般用于模拟两个航空器或航天器之间的相对运动规律、验证导航制导控制算法的正确性、高效性、标定相关传感器的测量精度。

目前航空航天领域内的九自由度为“6+3”的自由度分配形式，即其中一个模拟器只具备三轴姿态三个自由度的运动能力，另一个模拟器具备三轴姿态和三轴直线六自由度的运动能力。这种自由度匹配方式从逻辑上更趋于表达对两体相对自由度的模拟。但是将过多自由度堆叠在一个模拟器上时，必将引入较多的误差项，使其不易达到较高的相对位姿精度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种九自由度运动模拟系统，以解决现有九自由度系统精度不高的问题，同时，在满足相同功能的条件下降低了系统构建的制造规模，降低制造难度，提高了系统的可行性和经济性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种九自由度运动模拟系统，包括横向直线移动机构、竖向直线移动机构、纵向直线移动机构以及横向移动平台机构、竖向移动平台机构、纵向移动平台机构，三个方向的直线移动机构正交，横向移动平台机构在横向直线移动机构上直线移动，竖向移动平台机构在竖向直线移动机构上直线移动，纵向移动平台机构在纵向直线移动机构上直线移动，且纵向直线移动机构设置在横向移动平台机构上，在竖向移动平台机构上设有追踪台系统；在纵向移动平台机构上设有目标台系统；

进一步的，追踪台系统包括设置在竖向移动平台机构上的追踪台基座机构，追踪台基座机构上设有能自由转动的追踪台外环框架，在追踪台外环框架上设有能自由转动的追踪台中环框架，且追踪台中环框架的转动轴垂直于追踪台外环框架转动轴，在追踪台中环框架上设有能自由转动的追踪台负载机构，追踪台负载机构的追踪台内环转轴与追踪台外环框架的转动轴、追踪台中环框架的转动轴在空间上互相垂直；

进一步的，目标台系统包括设置在纵向移动平台机构上的目标台增高机构和设置在其上的目标台基座机构以及设置在目标台基座机构上的自由转动的目标台外环框架，在目标台外环框架上设有能自由转动的目标台中环框架，在目标台中环框架的目标台内环轴上设有目标台负载系统；

追踪台部分有三个方向上的转动自由度，直线移动系统上有三个方向上的平移自由度，目标台部分有三个方向的转动自由度，即在追踪台整个系统上具有三个转动自由度和两个平移自由度，在目标台整个系统上具有三个转动自由度和一个平移自由度，上述即所谓的“5+4”自由的分配方式；

进一步的，横向直线移动机构包括横向导轨组件，横向导轨组件包括横向结构平台、横向丝杠支座和横向丝杠，横向移动平台机构包括横向丝杠螺母、横向驱动电机和横向移动平台；横向结构平台固定在地基上，横向丝杠支座固定在横向结构平台上，横向丝杠安装在横向丝杠支座上，横向驱动电机安装在横向移动平台上上，横向丝杠螺母安装在横向驱动电机上，横向丝杠螺母与横向丝杠配合形成螺纹副；

进一步的，还包括横向滑块和横向导轨，横向导轨安装在横向结构平台上，横向滑块安装在横向导轨上且能沿导轨方向直线移动，横向滑块固定安装在横向移动平台上；

进一步的，竖向直线移动机构包括竖向导轨组件，竖向导轨组件包括竖向结构平台、竖向驱动电机、驱动带轮、同步带、随动带轮、轴承、轴承支座和竖向丝杠；竖向移动平台机构包括竖向移动平台和竖向丝杠螺母；竖向结构平台固定安装在横向移动平台上，随横向移动平台在横向上运动，竖向驱动电机、轴承支座均固定在竖向结构平台上；驱动带轮固定在竖向驱动电机的转动轴上，随动带轮固定在竖向丝杠的顶端，驱动带轮与随动带轮通过同步带连接，竖向丝杠两端通过轴承设置在轴承支座内，竖向丝杠螺母固定在竖向移动平台上，竖向移动平台用于安装追踪台系机构；

进一步的，还包括竖向导轨、竖向滑块；竖向导轨固定在竖向结构平台上，竖向滑块固定在竖向移动平台上，竖向滑块安装在竖向导轨上，可沿竖向导轨方向直线移动；

进一步的，纵向直线移动机构包括纵向结构平台、齿条和纵向导轨；纵向移动平台机构包括纵向移动平台、减速器、纵向驱动电机、齿轮和纵向滑块；纵向结构平台固定在地基上，可采用浇注方式固定在地基上，齿条、纵向导轨安装在纵向结构平台上，减速器、纵向滑块安装在纵向移动平台上，纵向驱动电机安装在减速器输入端，齿轮安装在减速器输出端，纵向滑块安装在导轨上，能沿纵向导轨方向直线移动；纵向驱动电机通电转动时，通过减速器将运动传递给齿轮上，齿轮与齿条形成齿轮副，推动纵向移动平台、纵向滑块、减速器以及纵向驱动电机沿纵向导轨方向运动；

进一步的，追踪台系统包括追踪转台，追踪转台包括追踪台系座体、追踪台系外环电机、追踪台系外环架体、追踪台系外环轴承、追踪台系中环电机、追踪台系中环轴、追踪台系中环轴承、追踪台系中环架体、追踪台系内环电机、追踪台系内环轴承、追踪台系内环轴和追踪台系负载盘；追踪台系座体固接在竖向移动平台上，随竖向移动平台一起在竖向上移动，追踪台系外环电机和追踪台系外环轴承安装在追踪台系座体上，追踪台系外环架体设置在追踪台系外环电机的转子上，且位于追踪台系外环轴承内圈，追踪台系外环电机通电转动时，驱动追踪台系外环架体在追踪台系外环轴承的约束下转动；追踪台系中环电机和追踪台系中环轴承设置在追踪台系外环架体上，追踪台系中环轴固接在追踪台系中环电机的转子上，且位于追踪台系中环轴承内圈，追踪台系中环架体设置在追踪台系中环轴上，追踪台系中环电机通电转动时，驱动追踪台系中环轴及追踪台系中环架体在追踪台系中环轴承的约束下转动；追踪台系内环电机和追踪台系内环轴承设置在追踪台系中环架体上，追踪台系内环轴安装在追踪台系内环电机的转子上，且位于追踪台系内环轴承内圈，追踪台系负载盘固接在追踪台系内环轴上，追踪台系内环电机通电转动时，驱动追踪台系内环轴及追踪台系负载盘在追踪台系内环轴承的约束下转动；

进一步的，目标台系统包括目标转台，目标转台包括目标台系座体、目标台系外环电机、目标台系外环架体、目标台系外环轴承、目标台系中环电机、目标台系中环轴、目标台系中环轴承、目标台系中环架体、目标台系内环电机、目标台系内环轴承、目标台系内环轴和目标台系负载盘；目标台系座体设置在增高结构上，目标台系座体和增高结构一起随纵向移动平台运动，目标台系外环电机和目标台系外环轴承设置在目标台系座体上，目标台系外环架体设置在目标台系外环电机的转子上且位于目标台系外环轴承内圈，目标台系外环电机通电转动时，驱动目标台系外环架体在目标台系外环轴承的约束下转动；目标台系中环电机和目标台系中环轴承安装在目标台系外环架体上，目标台系中环轴安装在目标台系中环电机转子上且位于目标台系中环轴承内圈，目标台系中环架体与目标台系中环轴固定连接，目标台系中环电机通电转动时，驱动目标台系中环轴及目标台系中环架体在目标台系中环轴承的约束下转动；目标台系内环电机和目标台系内环轴承安装在目标台系中环架体上，目标台系内环轴设在目标台系内环电机转子上且位于目标台系内环轴承内圈，目标台系负载盘与目标台系内环轴固定连接，目标台系内环电机通电转动时，驱动目标台系内环轴及目标台系负载盘在目标台系内环轴承的约束下转动；

相对于现有技术，本发明所述的九自由度运动模拟系统具有以下优势：

本发明采取新形式的自由度分配方案，从误差传递的理论基础提高了系统精度，即采用的“5+4”的自由度分配形式，相比于现有的“6+3”及其他组合形成的九自由度结构更加科学合理，通过合理的自由度匹配将误差进行综合匹配，从而使系统达到更高的综合位姿精度；

在满足相同九自由度运动模拟系统功能的条件下降低了系统构件的制造规模，降低制造难度，提高了可行性与经济性；

本发明整体结构质量轻量化，能够获得更高的运动速度和动态响应能力，使系统的仿真能力大幅提升。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明九自由度运动模拟系统机构运动简图；

图2是本发明实施例所述的九自由度运动模拟系统组成图；

图3是本发明实施例所述的横向直线移动机构截面图；

图4是本发明实施例所述的竖向直线移动机构截面图；

图5是本发明实施例所述的纵向直线移动机构截面图；

图6是本发明实施例所述的追踪转台侧视截面图；

图7是本发明实施例所述的追踪转台俯视截面图；

图8是本发明实施例所述的目标转台侧视截面图；

图9是本发明实施例所述的目标转台俯视截面图；

附图标记说明：

101-横向直线移动机构；102-竖向直线移动机构；103-纵向直线移动机构；104-横向移动平台机构；105-竖向移动平台机构；106-纵向移动平台机构；107-追踪台基座机构；108-追踪台外环框架；109-追踪台中环框架；110-追踪台内环转轴；111-追踪台负载机构；112-目标台增高机构；113-目标台基座机构；114-目标台外环框架；115-目标台中环框架；116-目标台内环轴；117-目标台负载系统；21-横向导轨组件；22-竖向导轨组件；23-纵向导轨组件；24-追踪转台；25-增高结构；26-目标转台；2101-横向结构平台；2102-横向丝杠支座；2103-横向丝杠；2104-横向丝杠螺母；2105-横向驱动电机；2106-横向移动平台；2107-横向滑块；2108-横向导轨；2201-竖向结构平台；2202-竖向驱动电机；2203-驱动带轮；2204-同步带；2205-随动带轮；2206-轴承；2207-轴承支座；2208-竖向导轨；2209-竖向滑块；2210-竖向移动平台；2211-竖向丝杠螺母；2212-竖向丝杠；2301-纵向结构平台；2302-齿条；2303-纵向移动平台；2304-减速器；2305-纵向驱动电机；2306-齿轮；2307-纵向导轨；2308-纵向滑块；2401-追踪台系座体；2402-追踪台系外环电机；2403-追踪台系外环架体；2404-追踪台系外环轴承；2405-追踪台系中环电机；2406-追踪台系中环轴；2407-追踪台系中环轴承；2408-追踪台系中环架体；2409-追踪台系内环电机；2410-追踪台系内环轴承；2411-追踪台系内环轴；2412-追踪台系负载盘；2601-目标台系座体；2602-目标系外环电机；2603-目标台系外环架体；2604-目标台系外环轴承；2603-目标台系外环架体；2605-目标台系中环电机；2606-目标台系中环轴；2607-目标台系中环轴承；2608-目标台系中环架体；2609-目标台系内环电机；2610-目标台系内环轴承；2611-目标台系内环轴；2612-目标台系负载盘。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合图1所示，一种九自由度运动模拟系统，包括横向直线移动机构101、竖向直线移动机构102、纵向直线移动机构103以及横向移动平台机构104、竖向移动平台机构105、纵向移动平台机构106，三个方向的直线移动系统互相垂直，横向移动平台机构104在横向直线移动机构101上直线移动，竖向移动平台机构105在竖向直线移动机构102上直线移动，纵向移动平台机构106在纵向直线移动机构103上直线移动，且纵向直线移动机构103设置在横向移动平台机构104上，在竖向移动平台机构105上设有追踪台基座机构107，追踪台基座机构107上设有能自由转动的追踪台外环框架108，在追踪台外环框架108上设有能自由转动的追踪台中环框架109，且追踪台中环框架109的转动轴垂直于追踪台外环框架108转动轴，在追踪台中环框架109上设有能自由转动的追踪台负载机构111，追踪台负载机构111的追踪台内环转轴110与追踪台外环框架108的转动轴、追踪台中环框架109的转动轴在空间上互相垂直；在纵向移动平台机构106上设有目标台增高机构112和设置在其上的目标台基座机构113以及设置在目标台基座机构113上的自由转动的目标台外环框架114，在目标台外环框架114上设有能自由转动的目标台中环框架115，在目标台中环框架115的目标台内环轴116上设有目标台负载系统117；追踪台部分有三个方向上的转动自由度，直线移动系统上有三个方向上的平移自由度，目标台部分有三个方向的转动自由度，即在追踪台整个系统上具有三个转动自由度和两个平移自由度，在目标台整个系统上具有三个转动自由度和一个平移自由度，上述即所谓的“5+4”自由的分配方式；

详细具体自由度分配：在地基上预埋横向直线移动机构101和纵向直线移动机构103，两直线移动系统处于水平面上，且两直线移动系统正交；

其中，横向直线移动机构101上有横向移动平台机构104，其可沿横向直线导轨101方向进行水平运动，具有直线移动自由度；

其中，竖向直线移动机构102安装在横向移动平台机构104上，随横向移动平台一同运动，竖向直线移动机构102同时与横向直线移动机构101和纵向直线移动机构103正交；

其中，竖向直线移动机构102上有竖向移动平台机构105，其可沿竖向直线导轨102方向进行竖直运动，具有直线运动自由度；

其中，追踪台基座机构107安装在竖向移动平台机构105上，随竖向移动平台机构105进行运动；

其中，追踪台基座机构107上有追踪台外环框架108，可相对追踪台基座机构107沿竖直轴进行偏航回转，具有转动自由度；

其中，追踪台外环框架108上有追踪台中环框架109，可相对追踪台外环框架108沿水平轴进行俯仰回转，具有转动自由度；

其中，追踪台中环框架109上有追踪台内环轴110，可相对追踪台中环框架109沿水平轴进行滚动回转，具有转动自由度；

其中，追踪台负载盘111固定在追踪台内环轴110上，随追踪台内环轴一同运动；

纵向直线移动机构103上有纵向移动平台机构106，其可沿纵向直线移动机构103方向进行水平运动，具有直线移动自由度；

其中，目标台增高结构112固定在纵向移动平台上，随纵向移动平台机构106一同运动；

其中，目标台基座113固定在目标台增高结构112，随目标台增高结构112一同运动。

其中，目标台基座113上有目标台外环框架114，其可相对目标台基座113沿竖直轴进行偏航回转，具有转动自由度；

其中，目标台外环框架114上有目标台中环框架115，其可相对目标台外环框架114沿水平轴进行俯仰回转，具有转动自由度；

其中，目标台中环框架115上有目标台内环轴116，其可相对目标台中环框架115沿水平轴进行滚动回转，具有转动自由度；

其中，目标台负载盘117固定在目标台内环轴116上，随目标台内环轴116一同运动；

结合图2所示，本发明所应用的九自由度运动模拟系统中各个部分的具体结构，包括横向导轨组件21、竖向导轨组件22、纵向导轨组件23、追踪转台24、增高结构25和目标转台26，横向导轨组件21即为横向直线移动机构101具体的表现形式之一，竖向导轨组件22即为竖向直线移动机构102具体的表现形式之一，纵向导轨组件23即为纵向直线移动机构103具体的表现形式之一，追踪转台24即为追踪台基座机构107、追踪台外环框架108、追踪台中环框架109、追踪台内环转轴110和追踪台负载机构111集成机构的表现形式之一，增高结构25和目标台26即为目标台增高机构112、目标台基座机构113、目标台外环框架114、目标台中环框架115、目标台内环轴116和目标台负载系统117集成机构的表现形式之一；

结合图3所示，横向导轨组件21包括横向结构平台2101、横向丝杠支座2102、横向丝杠2103、横向丝杠螺母2104，横向驱动电机2105、横向移动平台2106、横向滑块2107和横向导轨2108，横向结构平台2101固定在地基上，横向结构平台可采用浇注方式与地基固定，横向丝杠支座2102固定在横向结构平台2101上，横向丝杠2103安装在横向丝杠支座2102上，横向导轨2108安装在横向结构平台2101上，横向滑块2107安装在横向导轨2108上且能沿导轨方向直线移动，横向滑块2107固定安装在横向移动平台2106上，横向驱动电机2105安装在横向移动平台上2106上，横向丝杠螺母2104安装在横向驱动电机2105上，随电机转子转动，同时，横向丝杠螺母2104与横向丝杠2103配合形成螺纹副；横向驱动电机2105通电转动时，横向丝杠螺母2104随之转动，推动横向移动平台2106及横向滑块2107沿横向导轨2108方向运动；

结合图4所示，竖向导轨组件22包括竖向结构平台2201、竖向驱动电机2202、驱动带轮2203、同步带2204、随动带轮2205、轴承2206、轴承支座2207、竖向导轨2208、竖向滑块2209、竖向移动平台2210、竖向丝杠螺母2211和竖向丝杠2212；竖向结构平台2201固定安装在横向移动平台2106上，随横向移动平台2106在横向上运动，竖向驱动电机2202、轴承支座2207、竖向导轨2208均固定在竖向结构平台2201上；驱动带轮2203固定在竖向驱动电机2202的转动轴上，随动带轮2205固定在竖向丝杠2212的顶端，驱动带轮2203与随动带轮2205通过同步带2204连接，竖向丝杠2212两端通过轴承2206设置在轴承支座2207内，竖向滑块2209、竖向丝杠螺母2211固定在竖向移动平台2210上，竖向滑块2209安装在竖向导轨2208上，可沿竖向导轨方向直线移动，竖向移动平台2210用于安装追踪台系机构；竖向驱动电机2202通电转动时，通过驱动带轮2203、同步带2204、随动带轮2205将运动传递给竖向丝杠2212，竖向丝杠2212在轴承2206约束下转动，由于竖向丝杠2212与竖向丝杠螺母2211组成螺纹副，竖向丝杠2212回转推动竖向移动平台2210、竖向丝杠螺母2211及竖向滑块2209沿竖向导轨2208方向运动；

结合图5所示，纵向直线移动机构103包括纵向结构平台2301、齿条2302、纵向移动平台2303、减速器2304、纵向驱动电机2305、齿轮2306、纵向导轨2307和纵向滑块2308；纵向结构平台2301固定在地基上，可采用浇注方式固定在地基上，齿条2302、纵向导轨2307安装在纵向结构平台2301上，减速器2304、纵向滑块2308安装在纵向移动平台2303上，纵向驱动电机2305安装在减速器2304输入端，齿轮2306安装在减速器2304输出端，纵向滑块2308安装在导轨2307上，能沿纵向导轨方向直线移动；纵向驱动电机2305通电转动时，通过减速器2304将运动传递给齿轮2306上，齿轮2306与齿条2302形成齿轮副，推动纵向移动平台2303、纵向滑块2308、减速器2304以及纵向驱动电机2305沿纵向导轨2302方向运动；

结合图6和图7所示，追踪转台24包括追踪台系座体2401、追踪台系外环电机2402、追踪台系外环架体2403、追踪台系外环轴承2404、追踪台系中环电机2405、追踪台系中环轴2406、追踪台系中环轴承2407、追踪台系中环架体2408、追踪台系内环电机2409、追踪台系内环轴承2410、追踪台系内环轴2411和追踪台系负载盘2412；追踪台系座体2401固接在竖向移动平台2210上，随竖向移动平台2210一起在竖向上移动，追踪台系外环电机2402和追踪台系外环轴承2404安装在追踪台系座体2401上，追踪台系外环架体2403设置在追踪台系外环电机2402的转子上，且位于追踪台系外环轴承2404内圈，追踪台系外环电机2402通电转动时，驱动追踪台系外环架体2403在追踪台系外环轴承2404的约束下转动；追踪台系中环电机2405和追踪台系中环轴承2407设置在追踪台系外环架体2403上，追踪台系中环轴2406固接在追踪台系中环电机2405的转子上，且位于追踪台系中环轴承2407内圈，追踪台系中环架体2408设置在追踪台系中环轴2406上，追踪台系中环电机2405通电转动时，驱动追踪台系中环轴2406及追踪台系中环架体2408在追踪台系中环轴承2407的约束下转动；追踪台系内环电机2409和追踪台系内环轴承2410设置在追踪台系中环架体2408上，追踪台系内环轴2411安装在追踪台系内环电机2409的转子上，且位于追踪台系内环轴承2410内圈，追踪台系负载盘2412固接在追踪台系内环轴2411上，追踪台系内环电机2409通电转动时，驱动追踪台系内环轴2411及追踪台系负载盘2412在追踪台系内环轴承2410的约束下转动；

结合图8和图9所示，目标转台26包括目标台系座体2601、目标台系外环电机2602、目标台系外环架体2603、目标台系外环轴承2604、目标台系中环电机2605、目标台系中环轴2606、目标台系中环轴承2607、目标台系中环架体2608、目标台系内环电机2609、目标台系内环轴承2610、目标台系内环轴2611和目标台系负载盘2612；目标台系座体2601设置在增高结构25上，目标台系座体2601和增高结构25一起随纵向移动平台2303运动，目标台系外环电机2602和目标台系外环轴承2604设置在目标台系座体2601上，目标台系外环架体2603设置在目标台系外环电机2602的转子上且位于目标台系外环轴承2604内圈，目标台系外环电机2602通电转动时，驱动目标台系外环架体2603在目标台系外环轴承2604的约束下转动；目标台系中环电机2605和目标台系中环轴承2607安装在目标台系外环架体2603上，目标台系中环轴2606安装在目标台系中环电机2605转子上且位于目标台系中环轴承2607内圈，目标台系中环架体2608与目标台系中环轴2606固定连接，目标台系中环电机2605通电转动时，驱动目标台系中环轴2606及目标台系中环架体2608在目标台系中环轴承2607的约束下转动；目标台系内环电机2609和目标台系内环轴承2610安装在目标台系中环架体2608上，目标台系内环轴2611设在目标台系内环电机2609转子上且位于目标台系内环轴承2610内圈，目标台系负载盘2612与目标台系内环轴2611固定连接，目标台系内环电机2609通电转动时，驱动目标台系内环轴2611及目标台系负载盘2612在目标台系内环轴承2610的约束下转动；

在满足相同九自由度运动模拟系统功能的条件下降低了系统构件的制造规模，降低制造难度，提高了可行性与经济性；本发明采取新形式的自由度分配方案，从误差传递的理论基础提高了系统精度，即采用的“5+4”的自由度分配形式，通过合理的将误差进行综合匹配，从而使系统达到更高的综合位姿精度；

本发明整体结构质量轻量化，能够获得更高的运动速度和动态响应能力，使系统的仿真能力大幅提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。