六自由度
物体在空间具有六个自由度,即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。因此,要完全确定物体的位置,就必须清楚这六个自由度。
基本介绍
六自由度
六自由度六自由度运动平台定义
六自由度运动平台用途及特点:六自由度运动平台,由于有极为广阔的应用前景,近几年,引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。
六自由度运动平台原理
是由六支油缸,上、下各六只万向集团链和上、下两个平台组成,下平台固定在基础上,借助六只油缸的伸缩运动,完成上平台在空间六个自由度(X,Y,Z,α,β,γ)的运动,从而可以模拟出各种空间运动姿态,可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域,甚至可用到空间载人飞船的对接,空中加油机的加油对接中。在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。由于六自由度运动平台的研制,涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器,空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域,因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。六自由度运动平台是液压及控制技术领域的皇冠级产品,掌握了它,在液压和控制领域基本上就没有了难题。以下介绍它的开发过程,由于有极为广阔的应用前景,近几年,引起了国内外科研、院校广泛的研究兴趣。
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原理
任何一个没有受约束的物体,在空间均具有6个独立的运动。
以如图所示的长方形为例,它在直角坐标系oxyz中可以有3个平移运动和3个转动。3个平移运动分别是沿x,y,z轴的平移运动,3个转动分别是绕x,y,z轴的转动。习惯上把上述6个独立运动称做6个自由度。
如果采取一定的约束措施,消除物体的6个自由度,则物体被完全定位。如图所示,采用6个按一定规则设置的支撑点,约束物体6个自由度的原理称为六点定位原理。
应用
六自由度机器人
六自由度工业机器人是典型的机电一体化产品,其动作灵活性高,工作空间范围大,可以很灵活的绕过障碍物,并且结构紧凑,占地面积也比较小,关节上相对运动部件容易密封防尘,广泛应用在机床上下料、取件、弧焊、喷漆等行业,但对其实物进行研究和开发存在成本高、周期长等缺点。而针对教学和研究的需要,对六自由度工业机器人结构、运动和控制系统的认知理解和研究,要求机器人能完成相关六个自由度的运动,且要结构简单,操纵安全,成本低,一般不会造成事故。为此开发一种六自由度机器人来满足这些研究和教学的要求是很有必要的。
六自由度运动平台
六自由度运动平台是由六支作动筒,上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成,下平台固定在基础上,借助六支作动筒的伸缩运动,完成上平台在空间六个自由度(X,Y,Z,α,β,γ)的运动,从而可以模拟出各种空间运动姿态。
六自由度天线调节装置
六自由度天线调节装置所具备的六个独立的调节方向,完美地契合了射频仿真对天线位置和姿态的复杂要求。在射频仿真场景中,天线可能需要模拟在空中飞行器上的动态变化,或者是在复杂地形环境下的不同安装角度。通过在前后、左右、上下三个轴向方向上的平移调节,以及围绕这三个轴向的旋转调节,天线可以精确地复现各种实际情况下的空间位置和角度变化。这种全方位的调节能力,就像是为射频仿真搭建了一个真实的天线运动舞台,使得仿真中的天线行为能够与实际应用场景高度一致。
六自由度调节器设计
六自由度调节器主要用于射频目标线阵天线单元的机械位置调整,同一波段的每个天线单元必须处在相应半径的球面上,以保证各个单元天线口径上的等相位面。故要求各单元天线之后分别装上个六自由度调节器:分别在旋转方向可调,以保证适宜的天线单元极化特性;前后径向方向可调,以保证等距离:左/右,上/下可调,以保证天线之间的间隔等距离和等水平线上;以及左/右旋转和上/下转一定的调节角度,保证各天线单元均在径向方向上。此外还要求六个自由度间的调节互不干扰,一旦调节测试好后,可以锁定.不再在六个自由度方向上有所变化。它的强度,长度,连接方法和调节要方便可靠且满足稳定机电性能要求。
六自由度调节器设计方案
三个位移方向的调节及定位
三个位移方向的调节均采用了螺距为1mm的细牙螺纹,这样设计一方面可以适应微调的要求,另一方面螺纹牙也有一定的强度。此外采用1mm螺距也有利于调节者确定调节的位移量(转动圈数×1mm)。
由于该调节器是一个高精度的设备,对定位精度要求很高,设计上必须考虑定位过程和调节过程相独立。设计者考虑到这一因素,在定位设计上采用了有预紧并和调节方向相垂直的定位方向,从而使定位和调节独立,并且尽可能减少定位误差。
z向角度调节及定位
z向采用了固定蜗轮使蜗杆既自转又公转的设计方案,同时为了防止手轮干涉,提高易操作性,选择蜗杆位置和上法兰(与喇叭相连)边成45º。
定位上仍然采用定位和运动相垂直的方式,对原有定位方式进行了重大改进,避免了定位过程可能产生的附加运动和定位放松后,定位装置仍不能松开的问题。为提高定位可靠性,采用了轴瓦结构。
x、y方向角度调节及定位
这两个方向的角度调节采用了双螺纹自动锁定式即利用螺纹的自锁性,在调节中实现自锁定位。
六自由度调节器结构设计
主要零件均采用了LYl2cZ硬铝,既有较好强度、硬度和耐磨性、较轻的重量。
法兰盘(TTQ-4)设计上采用了内六角头螺栓和机架联接,既美观又不影响,Y方向的位移调节。
引导柱(TJQ-2)采用45钢,保证定位销( TJQ-3)定位过程的可靠性。
false、false两个方向均匀调节,中间采用方向联轴器,保证false,false绕同一个球心进行角向调节,从而保证了两个运动的独立性和运动调节过程喇叭运动方式的一致性。
false、false两个方向的调节螺杆所配的螺纹从原来的双回转副结构改为球联接,提高了外观的美观性,减少了运动副之间的间隙对调节定位的影响。
调向球的配对副采用球铰链,限位采用含有球铰链的细牙螺纹,这样接触为面接触,接触应力小,接触刚度大,长期工作不会发生变形,细牙螺纹跟位可随时对球铰链的联接紧度进行调节。
false采用了Z=36的蜗轮和单头蜗杆,在调节中每蜗杆一转,蜗轮相对转过10º,便于调节者控制。
调节器和喇叭采用中心定位结构,这样既可以提高定位精度,又有较好的加工工艺性。
优势
射频仿真对天线位置和角度的精度要求极高,微小的偏差都可能导致仿真结果出现重大误差。六自由度天线调节装置采用了先进的机械传动和控制技术,以满足这一高精度需求。
对射频仿真技术发展的推动作用
六自由度天线调节装置在射频仿真中的应用,极大地推动了射频仿真技术的发展。它提高了仿真的真实性和准确性,使得研究人员能够更深入地了解射频系统在各种复杂场景下的性能表现。通过精确的天线调节,能够更细致地分析信号传播特性、系统的电磁兼容性等关键问题,为新型射频系统的研发提供了更可靠的测试平台。同时,它也为射频仿真技术向更高层次的发展,如实时仿真、大规模场景仿真等奠定了坚实的基础,引领着射频仿真领域朝着更精准、更高效的方向不断前进。
参考资料
六自由度天线调节装置.新报网.2024-11-06