一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法技术方案

本发明专利技术公开了一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法，所述姿态模拟系统包括圆弧移动机构、上下直线移动机构、轴向横滚机构和上下摆动机构、控制装置包括系统控制箱和PC机；其中圆弧移动机构包括圆弧基座、移动小车以及与基座相连的电缆线滑轨，用于模拟弧形运动自由度；上下直线移动机构包括支撑基座、直线滑台、承载重物的滑块、电机和减速器，用于模拟上下直线运动自由度；轴向横滚机构包括横滚转动平台、第二L型支撑件和轴向横滚电缸用于模拟轴向横滚运动自由度；上下摆动机构包括上下摆动平台、第一L型支撑架、上下摆动电缸，用于模拟上下摆动自由度。本发明专利技术中的各自由度相互独立、互不干涉，可实现准确的单轴或多轴姿态模拟。

A high precision attitude simulation system with four degrees of freedom and simulation method

The invention discloses a system and Simulation of four degrees of freedom high precision attitude, the attitude simulation system including arc moving structure, linear moving mechanism, axial rolling mechanism and luffing mechanism, the control device comprises a system control box and PC machine; the arc moving mechanism comprises a circular base, mobile the car and connected to the base of the cable rail, used to simulate the arc movement freedom; linear movement mechanism includes base, slide, slide bearing, and the weight of the motor reducer support, used to simulate the vertical linear movement freedom; axial roll roll mechanism comprises a rotating platform, second type L and axial support roll electric cylinder to simulate axial roll movement of freedom; on the swing mechanism comprises a swing up and down the platform, the first L type supporting frame, swing up and down for the electric cylinder. Simulate the upper and lower swing degrees of freedom. The degrees of freedom of the invention are independent and noninterference each other, and can realize accurate single axis or multi axis gesture simulation.

【技术实现步骤摘要】
一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法
本专利技术涉及一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法，属于姿态模拟

技术介绍
姿态模拟系统通常应用于模拟被试件姿态和半实物仿真领域，目前在航空、航天、兵器、船舶等国防工业领域和精密测量领域得到广泛的应用。目前，转台在姿态模拟系统领域中应用较为广泛，技术也较为成熟。转台技术有如下的发展趋势：多自由度化、更高定位精度、负载更复杂化、速率范围进一步向低速段和高速段扩大、动态响应向宽频带扩展、伺服控制由模拟向数字控制转变等。但转台类型较为单一，一般旋转型的居多，转台的变化也多是在原来转台的基础上进行结构上的改进，一些新形式的姿态模拟系统较少；另外，转台速度一般较低，运动范围也较小，最后，在多轴多自由度的模拟系统下，经过多力耦合后，被试件的测试精度大大降低，这就大大限制了模拟被试件姿态和半实物仿真领域的进一步发展。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种四自由度高精度姿态模拟系统及模拟方法，拓宽了姿态模拟系统的应用范围。本专利技术提供了一种四自由度高精度姿态模拟系统，包括圆弧移动机构（1）、上下直线移动机构（2）、轴向横滚机构（3）、上下摆动机构（4）和控制装置（5），控制装置（5）包括控制箱和PC机；所述的圆弧移动机构包括圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨组件（13），用于模拟弧形运动自由度。所述的圆弧基座（11）由直线段和圆弧段拼接而成，包括底座（111）、底板（112）、轨道（113）、齿条（114）四部分，其中底座（111）由直线段底座和圆弧段底座拼接而成，底板（112）由直线段和圆弧段组成，平铺在底座上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分为外轨道和内轨道，分别安装在底板的内侧和外侧；齿条（114）安装在外轨道和内轨道的中间，为移动小车（12）的圆弧移动提供力矩传递支撑；移动小车（12）包括驱动电机及减速器（121）、相应齿轮传动机构（122）、承载重物的移动平台（123，下称移动平台）；电缆线滑轨组件（13）包括电缆轨道支撑杆（131）、连接件（132）、直线段与圆弧段滑轨（133）；所述的上下直线移动机构（2）与圆弧移动机构（1）垂直安装，包括支撑基座（21）、直线滑台（22）、承载重物的滑块（23，下称滑块）、电机和减速器（24）四部分，用于模拟上下直线运动自由度。所述的支撑基座（21）固定在移动小车（12）的移动平台（123）上；所述的直线滑台（22）安装在支撑基座（21）的侧面，与所述的圆弧基座（11）垂直；所述的电机和减速器（24）安装在直线滑台（22）的顶部；直线滑台（22）带动滑块（23）在竖直方向上移动；所述的上下摆动机构（4）包括上下摆动平台（41）、第一L型支撑架（42）、上下摆动电缸（43）三部分，用于模拟上下摆动自由度。所述第一L型支撑架（42）安装于上下直线移动机构的滑块（23）上，在该支撑件上分别安装上下摆动电缸（43）和上下摆动平台（41），其中上下摆动平台（41）受上下摆动电缸驱动（43）实现上下摆动自由度的模拟。所述的轴向横滚机构（3）包括横滚转动平台（31）、第二L型支撑件（32）和轴向横滚电缸（33），其中第二L型支撑件（32）安装于上下摆动平台（41）上，轴向横滚电缸（33）和横滚转动平台（31）分别安装于第二L型支撑件（32）上，用于模拟轴向横滚自由度。喇叭口型被试件（６）安装在横滚转动平台（31）上。在测试过程中，圆弧轨道的圆心处放有标准测试仪器，喇叭口型被试件始终朝向标准测量仪器，以便于测试其性能。本专利技术中，所述底座（111）通过地脚螺栓固定在地面上；底板（112）通过内六角螺栓平铺在底座（111）上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分内轨道和外轨道，通过内六角螺栓安装在底板（112）的内侧和外侧；齿条（114）通过内六角螺栓安装在内轨道和外轨道的中间；电缆线滑轨组件（13）的电缆轨道支撑杆（131）一端通过沉头螺栓与圆弧基座（11）的侧面连接，另一端与圆弧段滑轨（133）焊接，构成了电缆线移动的轨道。所述的圆弧基座（11）是由两个直线段基座和六个圆弧段基座拼接而成，直线段基座在两端，圆弧段在中间，且拼成半圆形；圆弧基座的直线段为1.5m，圆弧段组成的圆弧半径为3.22m。所述的齿条（114）、和轨道（113）也分别由两个直线段和六个圆弧段拼接而成，两个直线段齿条和六个圆弧段齿条（114）安装在圆弧基座（11）的中间。为保证圆弧运动的平稳性，齿条（114）和轨道（113）的加工精度和安装精度要求较高。上述专利技术中，所述移动小车（12）的驱动电机通过内六角螺栓与减速器相连；减速器通过内六角螺栓与移动平台（123）连接。上述专利技术中，所述的移动小车（12）下方为齿轮传动机构（122），包括主动齿轮和从动齿轮，从动齿轮为双联齿轮，主动齿轮与双联齿轮上方啮合，双联齿轮下方与齿条啮合，动力由安装在移动平台（123）上的驱动电机及减速器（121）提供。根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述支撑基座（21）竖直方向设有若干个孔，直线滑台（22）背面开有两排孔，直线滑台（22）通过螺栓与支撑基座（21）侧面连接，直线滑台（22）内部采用同步带与电机和减速器（24）连接，完成运动传递，从而带动滑块（23）在竖直方向上移动；本专利技术提供了一种四自由度高精度姿态模拟方法，包括以下步骤：Ⅰ各机构寻找零点：刚上电后，系统自动驱动各机构寻找零点。其中圆弧移动机构（1）和上下直线移动机构（2）采用限位开关寻找零点。其寻找零点过程分为两步，第一步驱动相应机构移动到限位开关处，触发限位开关信号，使机构停止运行；第二步再缓慢反向运行，当刚好使限位开关信号消失时，停止运动，此时即为对应机构零点。轴向横滚机构（3）和上下摆动机构(４)则通过机械挡块阻止相应机构运动的方式寻找零点，其过程为横滚机构（3）和上下摆动机构(４)沿坐标反方向运动，当遇到机械挡块时，对应机构的驱动器会有大的电流跳变，从而将机械挡块处作为相应机构的零点。Ⅱ若各自由度已在零点，可开始测试环节，设定各自由度的运行参数，驱动各自由度运动；Ⅲ因圆弧移动自由度分为直线段和圆弧段，故圆弧移动过程中，传感器实时监测并反馈，当运行在直线段时调用直线段的程序，当运行在圆弧段时调用圆弧段的程序；实时判断各自由度是否达到所设定的距离或角度，当达到设定值后，该自由度将停止运动，测试完毕；当未达到设定值时，驱动该自由度继续运动。本专利技术的原理及工况简介如下：四自由度高精度姿态模拟系统工作在密闭的实验室里，主要用于模拟喇叭口被试件（６）的姿态。所设计的姿态模拟系统由四个自由度组成，分别为圆弧移动自由度、上下直线移动自由度、轴向横滚自由度和上下摆动自由度；圆弧移动自由度由圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨（13）构成，是整个设备运行的基础；上下直线移动自由度通过支撑基座（21）与移动小车（12）连接，上下摆动自由度通过第一L型支撑架（42）与上下直线移动机构的滑块（23）连接，轴向横滚自由度通过第二L型支撑件（32）与上下摆动平台（41）连接，通过各自由度驱动电机运动，可使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：包括圆弧移动机构（1）、上下直线移动机构（2）、轴向横滚机构（3）、上下摆动机构（4）、控制装置（5）；所述的圆弧移动机构包括圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨组件（13），用于模拟弧形运动自由度；所述的圆弧基座（11）由直线段和圆弧段拼接而成，包括底座（111）、底板（112）、轨道（113）、齿条（114）四部分，其中底座（111）由直线段底座和圆弧段底座拼接而成，底板（112）由直线段和圆弧段组成，平铺在底座上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分为外轨道和内轨道，分别安装在底板的内侧和外侧；齿条（114）安装在外轨道和内轨道的中间，为移动小车（12）的圆弧移动提供力矩传递支撑；移动小车（12）包括驱动电机及减速器（121）、相应齿轮传动机构（122）、承载重物的移动平台（123）；电缆线滑轨组件（13）包括电缆轨道支撑杆（131）、连接件（132）、直线段与圆弧段滑轨（133）；所述的上下直线移动机构（2）与圆弧移动机构（1）垂直安装，包括支撑基座（21）、直线滑台（22）、承载重物的滑块（23）、电机和减速器（24）四部分，用于模拟上下直线运动自由度；所述的支撑基座（21）固定在移动小车（12）的移动平台（123）上；所述的直线滑台（22）安装在支撑基座（21）的侧面，与所述的圆弧基座（11）垂直；所述的电机和减速器（24）安装在直线滑台（22）的顶部；直线滑台（22）带动滑块（23）在竖直方向上移动；所述的上下摆动机构（4）包括上下摆动平台（41）、第一L型支撑架（42）、上下摆动电缸（43）三部分，用于模拟上下摆动自由度；所述第一L型支撑架（42）安装于上下直线移动机构的滑块（23）上，在该支撑件上分别安装上下摆动电缸（43）和上下摆动平台（41），其中上下摆动平台（41）受上下摆动电缸驱动（43）实现上下摆动自由度的模拟；所述的轴向横滚机构（3）包括横滚转动平台（31）、第二L型支撑件（32）和轴向横滚电缸（33），其中第二L型支撑件（32）安装于上下摆动平台（41）上，轴向横滚电缸（33）和横滚转动平台（31）分别安装于第二L型支撑件（32）上，用于模拟轴向横滚自由度；喇叭口型被试件（6）安装在横滚转动平台（31）上。...

【技术特征摘要】
1.一种四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：包括圆弧移动机构（1）、上下直线移动机构（2）、轴向横滚机构（3）、上下摆动机构（4）、控制装置（5）；所述的圆弧移动机构包括圆弧基座（11）、移动小车（12）以及与基座相连的电缆线滑轨组件（13），用于模拟弧形运动自由度；所述的圆弧基座（11）由直线段和圆弧段拼接而成，包括底座（111）、底板（112）、轨道（113）、齿条（114）四部分，其中底座（111）由直线段底座和圆弧段底座拼接而成，底板（112）由直线段和圆弧段组成，平铺在底座上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）分为外轨道和内轨道，分别安装在底板的内侧和外侧；齿条（114）安装在外轨道和内轨道的中间，为移动小车（12）的圆弧移动提供力矩传递支撑；移动小车（12）包括驱动电机及减速器（121）、相应齿轮传动机构（122）、承载重物的移动平台（123）；电缆线滑轨组件（13）包括电缆轨道支撑杆（131）、连接件（132）、直线段与圆弧段滑轨（133）；所述的上下直线移动机构（2）与圆弧移动机构（1）垂直安装，包括支撑基座（21）、直线滑台（22）、承载重物的滑块（23）、电机和减速器（24）四部分，用于模拟上下直线运动自由度；所述的支撑基座（21）固定在移动小车（12）的移动平台（123）上；所述的直线滑台（22）安装在支撑基座（21）的侧面，与所述的圆弧基座（11）垂直；所述的电机和减速器（24）安装在直线滑台（22）的顶部；直线滑台（22）带动滑块（23）在竖直方向上移动；所述的上下摆动机构（4）包括上下摆动平台（41）、第一L型支撑架（42）、上下摆动电缸（43）三部分，用于模拟上下摆动自由度；所述第一L型支撑架（42）安装于上下直线移动机构的滑块（23）上，在该支撑件上分别安装上下摆动电缸（43）和上下摆动平台（41），其中上下摆动平台（41）受上下摆动电缸驱动（43）实现上下摆动自由度的模拟；所述的轴向横滚机构（3）包括横滚转动平台（31）、第二L型支撑件（32）和轴向横滚电缸（33），其中第二L型支撑件（32）安装于上下摆动平台（41）上，轴向横滚电缸（33）和横滚转动平台（31）分别安装于第二L型支撑件（32）上，用于模拟轴向横滚自由度；喇叭口型被试件（6）安装在横滚转动平台（31）上。2.根据权利要求1所述的四自由度高精度姿态模拟系统，其特征在于：所述底座（111）通过地脚螺栓固定在地面上；底板（112）通过内六角螺栓紧固在底座（111）上，为轨道（113）和齿条（114）的安装提供基准面；轨道（113）通过内六角螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘璐，赵鹏飞，郭彦青，史源源，王超超，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14