一种六自由度大行程高精度复位装置的制作方法

本发明涉及风洞天平校准系统的复位装置，具体的说是一种六自由度大行程高精度复位装置。

背景技术：

风洞应变天平在风洞测力试验前需要进行校准，天平校准系统是应变天平静态校准的主要设备。目前，天平校准系统承受载荷和精度都相对较低，而没有出现超大载荷高精度的校准系统。对于超大载荷高精度的校准系统，传统的复位单元达不到系统所对应复位单元的要求。一方面，大载荷要求机构具有足够的刚度，导致相应零件的体积必然增大。另一方面，高精度对机构的设计和加工精度提出了很高的要求。

国内还没有出现可用的超大载荷高精度的校准系统复位单元，当系统运行时，复位单元要承受很大的载荷且对其运动精度有很高的要求，因此很难保证始终承受超大载荷时的高精度复位运动，实现对风洞天平校准的实时精确复位。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种六自由度大行程高精度复位装置。该六自由度大行程高精度复位装置能保证在承受很大的载荷时，进行高精度复位运动，通过结构设计和高精度传感器的运用，实现对风洞天平校准的实时精确复位。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种六自由度大行程高精度复位装置，包括固定及安装机构、x向粗复位平台、z向粗复位平台、y向粗复位平台、高精度并联复位机构及三轴转台，其中固定及安装机构下部与地基固连，x向粗复位平台安装于固定及安装机构上，z向粗复位平台安装于x向粗复位平台上，y向粗复位平台安装于z向粗复位平台上，y向粗复位平台上安装有支撑立柱，高精度并联复位机构的一端 与y向粗复位平台连接或通过支撑立柱与y向粗复位平台连接，另一端与三轴转台固连。

所述固定及安装机构包括底座、调整垫块、t型槽块和地脚螺栓，其中地脚螺栓的一端与地基固连，另一端与t型槽块连接，t型槽块上安装底座，t型槽块与底座之间安装调整垫块，在安装时可以通过调整垫块来使底座保持水平。

所述x向粗复位平台包括x向滑台与x向直线驱动单元，x向滑台通过x向直线驱动单元安装在底座上；所述z向粗复位平台包括z向滑台与z向直线驱动单元，其中z向滑台通过z向直线驱动单元安装于x向滑台的上方；所述x向直线驱动单元和z向直线驱动单元结构相同，均包括伺服电机i、减速器、滚珠丝杠i及滑块i，其中伺服电机i通减速器i连接滚珠丝杠i，所述滑块i通过螺旋副与滚珠丝杠i连接。

所述减速器i上连有手柄i，在故障或停电等异常状态下可进行人工干预调整，所述x向滑台和z向滑台上均设有光栅尺i，所述光栅尺i用于复位运动的实时闭环控制。

所述y向粗复位平台包括升降台、导向柱、氮气平衡缸、伺服电机ii、减速器ii、换向机构及螺旋升降机，其中导向柱与升降台之间通过铜套进行滑动，氮气平衡缸安装在导向柱上，其所平衡重力可通过安装在氮气平衡缸上的压力调整装置进行调整，伺服电机ii通过减速器ii和换向机构与螺旋升降机连接，升降台与螺旋升降机连接，并通过螺旋升降机的驱动进行上下运动。

所述减速器ii上连有手柄ii，在故障或停电等异常状态下可进行人工干预调整，所述升降台上设有光栅尺ii，光栅尺ii用于复位运动的实时闭环控制。

所述高精度并联复位机构包括多根单杠，多根单杠分别沿x、z、y方向布设，在y方向布设的单杠的两端分别与升降台和三轴转台固连，在x、z方向布设的单杠的两端分别与支撑立柱和三轴转台固连，所述支撑立柱安装在升降台上。

所述单杠包括安装座、伺服电机iii、精密减速器、滚珠丝杠ii、滑块ii、导轨、铰链关节和光栅尺iii，其中安装座通过铰链关节与三轴转台连接，伺服电机iii和滚珠丝杠ii均安装在安装座上，并且伺服电机iii通过精密减速器与滚珠丝杠ii连接，滑块ii与滚珠丝杠ii通过螺纹副连接，所述导轨通过铰链关节与升降台或支撑立柱连接、并与滑块ii滑动配合，光栅尺固定于安装座上，用于复位运动的实时闭环控制。

所述三轴转台包括主支撑框架及安装在主支撑框架内的俯仰转动机构、偏航转动机构及滚转转动机构，其中主支撑框架外部与高精度并联复位机构连接，俯仰转动机构的主体为框架机构，其框架两侧安装转动轴，转动轴与主支撑框架连接；偏航转动机构通过上下两侧转动轴安装在俯仰转动机构的框架上，滚转转动机构安装在偏航转动机构的空心轴中间。

所述主支撑框架包括电机、减速器iii、电机安装座、交叉滚子轴承、输出轴、轴承座、手柄iii和圆光栅，其中电机安装座上安装有电机，电机与减速器iii连接，减速器iii与输出轴连接，所述输出轴通过交叉滚子轴承安装在轴承座内，所述转动轴与输出轴连接，所述减速器iii上连有手柄iii，在故障或停电等异常状态下可进行人工干预调整，电机上带有转动测量的圆光栅，用于复位运动的实时闭环控制。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的三轴转台可以提供大行程的转动，满足滚转、俯仰、偏航三个方向的行程要求，其中俯仰角可达30°，偏航角可达10°，滚转角可达360°。

2.本发明填充了国内大载荷高精度天平校准系统复位装置的空白，可以在终承受超大载荷时进行高精度复位运动，实现了对风洞天平校准的实时精确复位。

3.本发明的高精度并联复位机构在其他机构进行粗调后可进行高精度微调，满足系统所需的精度要求，其中线位移误差小于0.03mm，角位移误差小于0.0012°。

4.本发明的x向粗复位平台与z向粗复位平台可实现x与z向的大范围 调整，实现系统对行程的要求，其中轴向(x向)可达2000mm，侧向(z向)可达350mm。

5.本发明的y向粗复位平台可实现y向的大范围调整，实现系统对行程的要求，氮气平衡装置可以平衡重力，其中法向(y向)可达450mm。

6.本发明的各运动机构都加有高精度位置传感器，可实现对运动的精准控制，减速器上加装手轮，可实现对运动的手动调整。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中直线驱动单元的结构示意图；

图3为本发明中y向粗复位平台的结构示意图；

图4为本发明中高精度并联复位机构单杠的结构示意图；

图5为本发明中三轴转台的结构示意图；

图6为本发明中转轴机构的结构示意图。

其中：1为固定及安装机构，2为x向粗复位平台，3为z向粗复位平台，4为y向粗复位平台，5为高精度并联复位机构，6为三轴转台，7为支撑立柱，8为底座，9为调整垫块，10为t型槽块，11为地脚螺栓，12为x向滑台，13为z向滑台，14为手柄i，15为伺服电机i，16为减速器i，17为滚珠丝杠i，18为滑块i，19为光栅尺i，20为氮气平衡缸，21为导向柱，22为升降台，23为光栅尺ii，24为换向机构，25为减速器ii，26为手柄ii，27为伺服电机ii，28为螺旋升降机，29为单杠，30为精密铰关节，31为安装座，32为伺服电机iii，33为精密减速器，34为滚珠丝杠ii，35为滑块ii，36为光栅尺iii，37为主支撑框架，38为俯仰转动机构，39为转动轴，40为滚转转动机构，41为偏航转动机构，42为输出轴，43为交叉滚子轴承，44为减速器iii，45为圆光栅，46为电机，47为轴承座，48为电机安装座，49为手柄iii。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种六自由度大行程高精度复位装置，包括固定及安装机构1、x向粗复位平台2、z向粗复位平台3、y向粗复位平台4、高精度并联复位机构5及三轴转台6，其中固定及安装机构1下部与地基固连，x向粗复位平台2安装于固定及安装机构2上，z向粗复位平台3安装于x向粗复位平台3上，y向粗复位平台4安装于z向粗复位平台3上，y向粗复位平台4上安装有支撑立柱7，高精度并联复位机构5一端与y向粗复位平台4连接或通过支撑立柱7与y向粗复位平台4连接，另一端与三轴转台6固连。

所述固定及安装机构1包括底座8、调整垫块9、t型槽块10和地脚螺栓11，其中地脚螺栓11一端与地基固连，另一端与t型槽块10连接，t型槽块10上安装底座8。t型槽块10与底座8之间安装调整垫块9，在安装时可以通过调整垫块9来使底座8保持水平。

如图2所示，所述x向粗复位平台2包括x向滑台12与x向直线驱动单元，x向滑台12通过x向直线驱动单元安装在底座8上；所述z向粗复位平台3包括z向滑台13与z向直线驱动单元，其中z向滑台13通过z向直线驱动单元安装于x向滑台12的上方。x向直线驱动单元和z向直线驱动单元结构相同，均包括伺服电机i15、减速器i16、滚珠丝杠i17、滑块i18、手柄i14及光栅尺i19，其中伺服电机i15通减速器i16连接滚珠丝杠i17，所述滑块i18通过螺旋副与滚珠丝杠i17连接。减速器i16上连有手柄i14，在故障或停电等异常状态下可进行人工干预调整。所述x向滑台12和z向滑台13上均设有光栅尺i19，光栅尺i19用于x向粗复位平台和z向粗复位平台3复位运动的实时闭环控制。

所述x向粗复位平台2与z向粗复位平台3可实现x与z向的大范围调整，实现系统对行程的要求，其中轴向(x向)可达2000mm，侧向(z向)可达350mm。

如图3所示，所述y向粗复位平台4包括升降台22、导向柱21、氮气平衡缸20、伺服电机ii27、减速器ii25、换向机构24、螺旋升降机28、手柄ii26及光栅尺ii23，其中导向柱21与升降台22之间通过铜套进行滑动，氮气平衡缸20安装在导向柱21上，其所平衡重力可通过安装在平衡缸上的压力 调整装置进行调整。伺服电机ii27通过减速器ii25和换向机构24与螺旋升降机28连接，将伺服电机ii27的驱动转换为两侧同步进行上下运动。减速器ii25上连有手柄ii26，在故障或停电等异常状态下可进行人工干预调整。光栅尺ii23固定于升降台22上，用于y向粗复位平台3复位运动的实时闭环控制。

所述y向粗复位平台4可实现y向的大范围调整，实现系统对行程的要求，氮气平衡装置可以平衡重力，其中法向(y向)调整范围可达450mm。

如图1所示，所述高精度并联复位机构5包括多根单杠29，多根单杠29分别沿x、z、y方向布设，在y方向布设的单杠29的两端分别与升降台22和三轴转台6固连，在x、z方向布设的单杠29的两端分别与支撑立柱7和三轴转台6固连，所述支撑立柱7安装在升降台22上。

本实施例中，所述高精度并联复位机构5包括六根单杠29，其中三根单杠29的两端在y方向与升降台22和三轴转台6固连，另外两根单杠29在z方向与支撑立柱7和三轴转台6固连，最后一根单杠29在x方向与支撑立柱7和三轴转台6固连。

如图4所示，所述单杠29包括安装座31、伺服电机iii32、精密减速器33、滚珠丝杠ii34、滑块ii35、铰链关节30和光栅尺iii36，其中安装座31通过铰链关节30与三轴转台6连接，伺服电机iii32和滚珠丝杠ii34均安装在安装座31上，并且伺服电机iii32通过精密减速器33与滚珠丝杠ii34连接，滑块ii35与滚珠丝杠ii34通过螺纹副连接。所述导轨通过铰链关节30与升降台22或支撑立柱7连接，并与滑块ii35滑动配合。从而将伺服电机iii32的旋转运动转换为滚珠丝杠ii34的直线运动。光栅尺iii36固定于安装座31上，用于复位运动的实时闭环控制。

所述高精度并联复位机构5在其他机构进行粗调后可进行高精度微调，满足系统所需的精度要求，其中线位移误差小于0.03mm，角位移误差小于0.0012°。

如图5所示，所述三轴转台6包括主支撑框架37及安装在主支撑框架37内部的俯仰转动机构38、偏航转动机构41及滚转转动机构40，其中主支撑 框架37外部与高精度并联复位机构5连接，俯仰转动机构38主体也为框架机构，该框架两侧安装转动轴39，转动轴39与主支撑框架37上的轴承座内的轴承配合安装。偏航转动机构41通过上下两侧转动轴安装在俯仰转动机构38的俯仰转动框架上，其支撑约束方式、电机及减速器安装驱动方式与俯仰轴一致。滚转转动机构40安装在偏航转动机构41的空心轴中间，其约束支撑方式与上述两轴一致。

如图6所示，所述主支撑框架37包括电机46、减速器iii44、电机安装座48、交叉滚子轴承43、输出轴42、轴承座47、手柄iii49和圆光栅45，其中电机安装座48上安装有电机46，交叉滚子轴承43安装于轴承座47，电机46与减速器iii44连接，减速器iii44与输出轴42连接，所述输出轴42通过交叉滚子轴承43安装在轴承座47内，转动轴39与输出轴42连接；所述减速器iii44上连接有手柄iii49，在故障或停电等异常状态下可进行人工干预调整。电机46上带有转动测量的圆光栅45，用于复位运动的实时闭环控制，实现复位运动控制的闭环测量。

所述三轴转台6满足滚转、俯仰、偏航三个方向的行程要求，其中俯仰角可达30°，偏航角可达10°，滚转角可达360°。

本发明的工作原理为：

本发明的复位机构可以在承受超大载荷时进行高精度复位运动，在实现大行程的粗调整的基础上由高精度并联复位实现精调，实现了对风洞天平校准的实时精确复位。

当运动产生偏差时，传感器将变化量反馈至控制系统，控制系统根据变化量驱动三轴转台、x向粗复位平台、y向粗复位与z向粗复位平台进行粗复位调整。当将运动偏差调整至一定范围内时，初调整机构三轴直线运动及三轴转台锁定保持不动，精调整并联平台进行精定位调整。精调整并联平台由于行程复位小，只在局部小范围内运动，可实现高精度定位。通过高精度并联复位机构实时闭环调整，直至加复位精度满足精度要求时，停止调整并锁定，完成复位过程。

其中三轴转台6可以提供大行程的转动，满足滚转、俯仰、偏航三个方 向的行程要求，x向粗复位平台、y向粗复位与z向粗复位平台可实现x、y与z向的大范围调整，实现系统对行程的要求，氮气平衡装置可以平衡重力，高精度并联复位机构在其他机构进行粗调后可进行高精度微调，满足系统所需的精度要求，各运动机构都加有高精度位置传感器，可实现对运动的精准控制，减速器上加装手轮，可实现对运动的手动调整。

本发明提供的六自由度大行程高精度复位装置能保证在承受很大的载荷时，进行高精度复位运动，通过结构设计和高精度传感器的运用，实现对风洞天平校准的实时精确复位。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。