专利名称：测量空间六自由度运动的滑块式并联机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，用于对运动物体进行空间六自由度机械运动的动态测量。该六自由度包括:三自由度运动位移X⑴、y (t)、z⑴及三自由度运动角度θχ( )、Θ y (t) , θΖ( )。
背景技术：
现有工业、军事以及航天航空等各种行业对物体空间运动的测量精度要求越来越高，并且工作环境也越来越复杂，原有的测量方式，已不能够满足要求。如火箭弹(导弹)发射时，发射产生的大推力、强冲击、高温高压、气浪等一系列原因使发射装置处于恶劣的环境中，发射装置对火箭弹(导弹)发射的初始扰动影响其飞行轨迹、命中精度及密集度，甚至导致整个部队的战斗力下降。为了评价恶劣环境中发射装置各关键部位可靠性和安全性，考察发射装置的抗扰动能力及对火箭弹(导弹)射击精度的影响，需要对发射过程中的初始扰动各主要因素进行动态测试和研究，尤其需要能够适应特殊环境下的全程准确测量发射装置空间六自由度运动(轴向移动、平移、升沉、俯仰、偏航、滚转)的测量方法及装置。目前国内外测量发射装置空间运动的方法有I)拉线式位移传感器测量法。火箭弹(导弹)武器系统现场试验时，在发射装置上安装了拉线式位移传感器。该方法是单自由度测量，方法简单、便携、测量容易，但在测量精度、多自由度耦合测量和高频扰动测量时，存在重大缺陷，会产生多自由度耦合原理性误差，高温、气浪对拉线长度有影响，产生环境误差，甚至造成拉线断毁。2)机器视觉测量法。是非接触光学测量法，采用高速摄像头基于图像分析法测量运动位移，精度高，便于数据处理。如南京理工大学的李开明利用高速线阵列CCD测试定向器束运动角位移。该方法可以是多自由度测量，但是非接触式测量易受到弹丸脱离炮口瞬间所产生的羽流的干扰，高温气浪的空气折射波动及烟雾粉尘使该方法测量误差大，不能适应发射时的烟尘、高温环境，甚至完全不能使用。3)振动传感器测量法。采用振动加速度传感器或振动速度传感器直接安装在发射装置上，经积分成速度或位移，该方法很难做到多自由度测量，由于高温、量程、频响及积分误差等造成误差较大。4)陀螺仪测量法。采用三轴陀螺仪测量空间三轴角速度，积分成角位移，该方法不能测量三轴位移，由于量程、频响及积分误差等造成误差较大。在工业、军事以及航天航空的其它工程应用中，目前国内外测量物体空间六自由度运动的方法与测量发射装置空间六自由度运动的方法大同小异，直接将有关位移/角度、速度/角速度、加速度/角加速度的测量方法应用到物体空间六自由度运动的测量。目前在测量领域同时测量运动物体空间六自由度的传感器较少，常见的有单独测量位移和角度的传感器。如单向、两向、三向的运动加速度传感器，一轴、两轴、三轴的角度传感器，但积分后误差很大。如果测量同一运动物体的位移和角度，两种传感器不便于安装。有一种基于多目机器视觉的非接触的测量方法可以实现空间六自由度运动的测量，但系统复杂，对被测物体表面、大小及测量环境要求高。除多目机器视觉测量法外，其它方法都不能准确、同时得到空间六自由度运动的测量值

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，能够快速和精确的同时测量不同环境条件下被测运动物体的空间六自由度运动。
本发明的技术方案如下一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，在机座
(8)上固定有两组左右平行的导轨(I)，每组导轨(I)的旁边设有一个光栅尺(10)，所述光栅尺(10)固定在机座(I)上，各光栅尺(10)与对应的导轨(I)相平行，并保持一定距离安装；在每组导轨(I)的前部、中部及后部各安装一个滑块(2)，该滑块(2)能在对应的导轨
(I)上滑动，左右两边导轨(I)上的滑块(2)对称布置，在每个滑块(2)上均安装有下球铰
(7)和光栅尺读数头(9)，同一边的滑块(2)上的光栅尺读数头(9)位于对应的光栅尺(10)的上方，光栅尺读数头(9)与对应的光栅尺(10)之间具有间隙；在所述机座(8)的上方设有动平台(4)，该动平台(4)为矩形，在动平台(4)的四个角处均装有上球铰￠)，所述动平台(4)后侧边的中央连接有一块斜板(4a)，该斜板(4a)上也安装有两个左右对称的上球铰
(6)，所述动平台(4)前端角落处的两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨前部滑块(2)上的下球铰(7)连接，动平台(4)后端角落处的两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨后部滑块⑵上的下球铰(7)连接，斜板(4a)上的两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨中部滑块(2)上的下球铰(7)连接。采用以上技术方案，将被测运动物体固定在动平台上，设定空间正交体坐标系o-xyz，被测运动物体的运动通过动平台及拉杆，带动滑块在导轨上滑动，六个滑块运动的同时，根据六个光栅尺读数头的位置测量数据Si(t)，i = 1，2，3，4，5，6，再经机构运动学正解计算，即可同时得到被测运动物体空间六自由度运动三自由度运动位移x(t)、y(t)、Z (t)及三自由度运动角度θ X⑴、Θ y⑴、Θ z⑴。本发明采用并联机构，消除了由于测量环境影响带来的不便，并且使用测量精度极高的光栅尺，保证了的运动物体的测量精度。由于本发明在测量过程中需承受较大的冲击和震动，要求并联机构刚度高、质量小，尽量降低并联机构对被测运动物体的附加力及附加质量。为了简化结构、方便加工制作及装配，所述机座⑶为平板结构，动平台⑷位于机座(8)的正上方，该动平台(4)与机座(8)相平行。为了尽可能地提高运动性能，左右两边导轨(I)与滑块(2)相配合的面为斜面，该斜面与机座(8)之间具有15-45°的夹角，并且左右两边导轨(I)的斜面相对。作为优选，所述斜板(4a)的上端与动平台(4)的后侧边相固定或连为一体，斜板(4a)与动平台(4)之间具有20-60°的夹角。本发明的有益效果是I)由一套并联机构实现了运动物体同一测量点的三个运动位移和三个运动角度的六自由度的同时测量，并联机构刚度好、结构简单，测量精度高、无耦合误差。2)灵活性好，量程大，适应能力强，可以根据环境和需要改变机构的结构尺寸。
3)既满足烟尘、高温等室外特殊环境下测量，又能够在实验室条件下进行测量。4)应用范围广，可应用到并联机床、飞行模拟器、空间对接设备等工业、军事、国防重点领域中。


图I为本发明的结构示意图。图2为本发明的原理简图。
具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明如图I所示，机座8为矩形平板结构，在机座8上固定有两组左右平行的导轨I。在每组导轨I的前部、中部及后部各安装一个滑块2，该滑块2能在对应的导轨I上滑动，左右两边导轨I上的滑块2对称布置，并且左右两边导轨I与滑块2相配合的面为斜面，该斜面与机座8之间具有15-45°的夹角，左右两边导轨I的斜面相对。每组导轨I的旁边设有一个光栅尺10,所述光栅尺10固定在机座I上，左边光栅尺10位于左边导轨I的右侧,右边光栅尺10位于右边导轨I的左侧，各光栅尺10与对应的导轨I相平行，并保持一定距离安装。如图I所示，在左边三个滑块2的右侧边中部均安装有光栅尺读数头9，该光栅尺读数头9位于左边光栅尺10的上方，且该光栅尺读数头9与左边光栅尺10之间具有间隙。在右边三个滑块2的左侧边中部也安装有光栅尺读数头9，该光栅尺读数头9位于右边光栅尺10的上方，且该光栅尺读数头9与右边光栅尺10之间具有间隙。在每个滑块2上均安装有下球铰7，左右两边的下球铰7对称分布，左右两边的光栅尺读数头9也对称分布。如图I所示，在机座8的上方设有动平台4，本实施例中，动平台4位于机座8的正上方，该动平台4与机座8相平行。所述动平台4为矩形，在动平台4的四个角处均装有上球铰6,所述动平台4后侧边的中央连接有一块斜板4a,该斜板4a的上端与动平台4的后侧边相固定或连为一体，斜板4a的下端向后下方延伸，斜板4a与动平台4之间具有20_60°的夹角，并在斜板4a的下端上也安装有两个左右对称的上球铰6。所述动平台4前端左边角处的上球铰6通过一根拉杆3与左边导轨前部滑块2上的下球铰7连接，动平台4前端右边角处的上球铰6通过一根拉杆3与右边导轨前部滑块2上的下球铰7连接，动平台4后端左边角处的上球铰6通过一根拉杆3与左边导轨后部滑块2上的下球铰7连接，动平台4后端右边角处的上球铰6通过一根拉杆3与右边导轨后部滑块2上的下球铰7连接。斜板4a下端左边角处的上球铰6通过一根拉杆3与左边导轨中部滑块2上的下球铰7连接，斜板4a下端右边角处的上球铰6通过一根拉杆3与右边导轨中部滑块2上的下球铰7连接。如图2所示，拉杆3两端分别为上球铰6和下球铰7，球铰表示为S，滑块2和导轨I之间是移动副P，并联测量机构共有6个运动支链，故并联测量机构也被称为6-PSS并联机构。在图2中，上球铰6使用Ui = 1,2,3,4,5,6)表示，下球铰7使用Di (i = 1,2,3,4，5，6)表示。建立坐标系，固定坐标系OXciYciZci在上球铰组成的平面内，惯性坐标系O1X1Y1Z1在动平台上。并联机构共有17个几何机构参数，分别拉杆长度I1, I2, 13，I4, I5, I6，滑块导轨和水平面倾斜角度Θ，左右导轨距离D1D4的一半d4，下球铰01和D3在平面YZ中的距离d5,动平台坐标系原点到D1D2D4D5平面距离h,下球铰到导轨平面距离hp h2,动平台上球铰U1 (U4)到平面YZ距离d6，上球铰U2U5在平面XY中距离d7，上球铰U2U5距离的一半d8，上球铰U1U4距离的一半d9，上球铰U2U3在平面XY中投影和X轴夹角Φ。运动学逆解已知动平台的运动规律，根据并联机构的已知结构参数，上球铰在惯性坐标系中的坐标位置，下球铰(也是滑块位置)在固定坐标系中位置坐标在YZ方向的分量都可直接求出。根据被测运动物体的运动，计算得到滑块X方向位移Si (t)(在计算过程中计作xdi)就是运动学逆解。上球铰在惯性坐标系中坐标为
权利要求
1.一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，其特征在于在机座(8)上固定有两组左右平行的导轨(I)，每组导轨(I)的旁边设有一根光栅尺(10)，所述光栅尺(10)固定在机座(I)上，各光栅尺(10)与对应的导轨(I)平行，并保持一定距离安装；在每组导轨(I)的前部、中部及后部各安装一个滑块(2)，该滑块(2)能在对应的导轨(I)上滑动，左右两边导轨(I)上的滑块(2)对称布置，在每个滑块(2)上均安装有下球铰(7)和光栅尺读数头(9)，同一边的滑块(2)上的光栅尺读数头(9)位于对应的光栅尺(10)的上方，光栅尺读数头(9)与对应的光栅尺(10)之间具有间隙；在所述机座(8)的上方设有动平台(4)，该 动平台(4)为矩形，在动平台(4)的四个角处均装有上球铰￠)，所述动平台(4)后侧边的中央连接有一块斜板(4a)，该斜板(4a)上也安装有两个左右对称的上球铰￠)，所述动平台(4)前端角落处的两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨前部滑块(2)上的下球铰(7)连接，动平台(4)后端角落处的两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨后部滑块⑵上的下球铰(7)连接，斜板(4a)上的两个上球铰(6)分别通过拉杆(3)与左右两边导轨中部滑块(2)上的下球铰(7)连接。
2.根据权利要求I所述的测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，其特征在于所述机座(8)为平板结构，动平台(4)位于机座(8)的正上方，该动平台(4)与机座(8)相平行。
3.根据权利要求2所述的测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，其特征在于左右两边导轨(I)与滑块(2)相配合的面为斜面，该斜面与机座(8)之间具有15-45°的夹角，并且左右两边导轨(I)的斜面相对。
4.根据权利要求I或2或3所述的测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，其特征在于所述斜板(4a)的上端与动平台(4)的后侧边相固定或连为一体，斜板(4a)与动平台(4)之间具有20-60°的夹角。
全文摘要
本发明公开了一种测量空间六自由度运动的滑块式并联机构，在机座(8)固定有两组左右平行的导轨(1)，每组导轨(1)的旁边设有一个光栅尺(10)，在每组导轨(1)前部、中部及后部各安装一个滑块(2)，每个滑块(2)上均安装有下球铰(7)和光栅尺读数头(9)；在机座(8)上方设有动平台(4)，该动平台(4)的四个角处均装有上球铰(6)，所述动平台(4)后侧边的中央连接有一块斜板(4a)，该斜板(4a)上也安装有两个上球铰(6)，六个上球铰(6)各通过一根拉杆(3)与对应的下球铰(7)连接。本发明具有刚度好、结构简单，灵活性好，量程大，同时测量六自由度等特点，可解决环境、耦合等问题，提高了测量精度和效率。
文档编号G01B11/26GK102645170SQ201210106678
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者刘志涛, 孙小勇, 孙海生, 张钧, 李良军, 梁勇, 沈志洪, 石万凯, 聂博文, 谢志江, 蹇开林 申请人:重庆大学