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专利名称：一种基于六自由度并联机构的加载装置的制作方法
技术领域：
本发明属于模拟加载设备技术领域，尤其是涉及ー种基于六自由度并联机构的加
载装置。
背景技术：
在现有的技术中，随着科技的发展，各种高速运行装备和大型结构件的安全性和可靠性成为装备制造业重要的研究工作和技术保障手段，例如大型风カ发电机组主轴和高铁车端组件等关键部件的疲劳、強度和寿命等特性对于保证人民生命、财产安全起着至关重要的作用。因此，需要有ー套高性能的加载综合试验装置，能够全面模拟试件在运行エ 况所处的力学环境，实现对被试件进行高精度的运动、疲劳和加载试验，满足国民经济和国防领域中关键核心部件对于多自由度疲劳、強度等试验测试的需求。目前并没有一种专用设备能够同时满足上述的要求。目前国内外还没有专用仪器能实现六自由并联机构位姿输出的精确测量，在要求不高的情况下，可采用三维惯导装置进行测量。三维惯导装置是由三个正交安装的陀螺和三个正交安装的加速度计组成，该装置用于船舶、飞机和航天器的惯性导航。三维惯导装置能够实现载体姿态角的精确测量，而位移的測量是根据加速度的測量通过积分或滤波获得。就目前国内外三维惯导装置来看，姿态角的測量精度一般能高于0.01度，但位置的测量精度一般只有20_左右。用于试件位置的測量显然精度太低，不能满足要求。此外，由于加速度传感器不仅敏感线加速度，而且也敏感载体的横摇角和俯仰角，因此当载体产生多自由度耦合运动时，加速度传感器输出值是不可信的。从这一点来说，三维惯导装置不能实现试件位姿的測量。

发明内容
本发明要解决的问题是提供一种基于六自由度并联机构的加载装置，尤其适合为大型结构件的六自由度运动模拟试验和六自由度力加载强度和疲劳的综合试验。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于六自由度并联机构的加载装置，该装置设置于地基上，包括前反カ基础、六自由度并联机构、重力平衡机构、测カ机构、试件和后反カ基�。�所述六自由度并联机构包括与前反力基础连接的下铰支座、一端与下铰支座连接的液压执行机构和与液压执行机构的另一端连接的运动平台；所述重力平衡机构包括与运动平台通过托架连接的空气弹簧、与空气弹簧通过连接架连接的前端过渡板；所述测カ机构包括运动平台上的传感器，所述传感器与前端过渡板连接；所述前端过渡板与所述试件连接；所述试件与所述后端过渡板连接；所述后反力基础与后端过渡板连接；所述后反力基础与地基为可调节性连接；所述前反力基础与地基固定连接。进ー步，所述下铰支座为三组，所述液压执行机构为六套，所述上铰支座为三組。进ー步，所述后反力基础与所述后端过渡板之间设有模拟车厢端。进ー步，所述液压执行机构包括液压缸和液压缸内的磁滞伸縮位移传感器。
再进ー步，所述传感器为六维力/力矩传感器。本发明具有的优点和积极效果是由于采用模块化柔性设计，可以满足多种试验エ况，模拟列车通过直线、曲线时的状态，以检验车端各零部件之间的相互干涉关系；同时可以对安装在车端的部件单独进行功能性试验和研究性试验；试验台采用液压驱动的六自由度并联机构完成试件相对运动的模拟，主要包括三向平移、三轴摆动等运动模拟试验，以及疲劳和拉伸强度试验；运用并联机构运动学正解测量输出位姿，不仅简化了測量设备的投入，而且有效提高了输出位姿的測量精度；基于六维力/力矩传感器的力測量方案，有效提高了カ测量的精度，达到了对カ测量的高精度要求；采用六自由度并联机构作为运动模拟和カ加载装置，可以进行部件六个自由度的运动模拟和カ加载试验，为部件的综合实验提供了一种紧凑、理想的集成方案，将运动模拟试验和カ加载试验有机结合。


图I是本发明的结构示意图；图2是六自由度并联机构的局部放大图。图中I、前反カ基础 2、下铰支座3、液压执行机构4、运动平台5、上铰支座6、连接架7、空气弹簧8、前端过渡板 9、托架10、传感器11、试件12、后端过渡板13、模拟车厢端 14、后反カ基础
具体实施例方式如图I和2所示，本发明ー种基于六自由度并联机构的加载装置，该装置设置于地基上，包括前反カ基础I、六自由度并联机构、重力平衡机构、测カ机构和后反カ基础14，所述六自由度并联机构包括与前反カ基础I连接的下铰支座2、一端与下铰支座2连接的液压执行机构3和与液压执行机构3的另一端连接的运动平台4 ;所述重力平衡机构包括与运动平台4通过托架9连接的空气弹簧7、与空气弹簧7通过连接架6连接的前端过渡板8 ;所述测カ机构包括运动平台4上的传感器10，所述传感器10与前端过渡板8连接；所述后反カ基础14与一后端过渡板12连接；所述后反カ基础14与地基为可调节性连接；所述前反カ基础I与地基固定连接。进ー步，所述下铰支座2为三组，所述液压执行机构3为六套，所述上铰支座5也为三組。进ー步，所述后反カ基础14与所述后端过渡板12之间设有模拟车厢端13。进ー步，所述液压执行机构3包括液压缸和液压缸内的磁滞伸縮位移传感器10。再进ー步，所述传感器10为六维力/力矩传感器10。前反カ基础I与地基固定，通过三组下铰支座2与六套液压执行机构3相连，液压执行机构3的前端通过三组上铰支座5与运动平台4相连；运动平台4通过托架9连接空气弹簧7，空气弹簧7的另一端通过连接架6与前端过渡板8连接；运动平台4上还安装有六维カ/力矩传感器10，六维カ/力矩传感器10的另一端与前端过渡板8连接；前端过渡板8的右端连接试件11，通过后端过渡板12其右侧可连接模拟车厢端13或后反カ基础14 ；后反カ基础14连接到地基，可调整在地基上的位置以适应不同的部件类型。
本实例的工作过程控制系统通过管理与处理单元发出控制指令，驱动安装在反力基础上的液压驱动的六自由度并联机构对试件11左右两端面之间的空间相对运动状态进行模拟。运动过程中，由六维カ传感器10精确测量出试件11在被加载时所受的カ和力矩，由六自由度并联机构运动学正解可精确得到试件11在各自由度上的位移和转动角度，通过重力平衡装置消除试件11和风挡等部件的重力影响。由数据采集系统记录运动过程中试件11的位移和所受的力/力矩，当试验结束时，通过管理与处理单元发出控制指令，液压驱动的六自由度并联机构回复到运动起始点。由试件11的位移和所受的力/力矩即可精确计算出试件11的性能參数，例如刚度和阻 尼特性。本试验装置也可进行试件11的疲劳测试等试验。本发明采用�？榛�柔性设计，可以满足多种试验エ况，例如地铁车辆、动车组、铁路客车车辆车端上的所有部件试验，模拟列车通过直线、曲线时的状态，以检验车端各零部件之间的相互干涉关系；同时可以对安装在车端的部件单独进行功能性试验和研究性试验。试验台采用液压驱动的六自由度并联机构完成试件11相对运动的模拟，主要包括三向平移、三轴摆动等运动模拟试验，以及疲劳和拉伸強度试验。在高速列车运行过程中，贯通道两端面之间的相对运动呈现为不规则的随机曲线形态，该随机曲线可通过人工计算得至IJ，或通过实际測量得到，并由六自由度并联机构实现精确复现，从而再现运行时的颠簸和弯道通过等运动状态。本发明具有以下技术特点I.基于六自由度并联机构运动学正解，能够实现高精度位姿測量。六自由度并联机构的运动学是描述驱动系统的运动和上平台运动间的关系的。已知上平台的运动，求驱动系统的运动称之为运动学逆解；反之，已知驱动系统的运动，求上平台的运动称为运动学正解。由于运动系统的上平台与试件11固定连接，因此上平台的运动与试件11的运动是一滞的。本发明在液压缸内装有磁滞伸縮位移传感器10，通过精确測量液压缸的长度，并运用六自由度并联机构的运动学正解算法，能够实时计算出试件11的输出位姿。在工程应用中，六自由度并联机构的运动学正解采用数值迭代算法计算，迭代序列可表示为</,+1 = q} + {Im -Ij)G)式中j——迭代次数，j ^ I ;Im-缸长测量值(m)；Ij——上一个迭代序列的缸长值；qj——上一个迭代序列的输出位姿；qJ+1——当前输出位姿；J,；'——六自由度并联机构的雅克比矩阵的逆矩阵；磁滞伸缩位移传感器10的主要性能參数为,测量范围0 465mm,分辨率5μηι,输出形式数字信号。该系统采用CAN总线数字传感器10，精度能够达到10 μ m,因此，运动学正解的计算精度可达到高于10_5的量级，因此该方法是测量试件11位姿输出的有效方法。运动学正解计算需要运动系统的结构參数，由于结构參数在设计、加工和安装过程均可能产生误差，虽然液压缸的位移測量和运动学正解计算都很准确，但由于结构误差的影响，使得计算的试件11位姿输出与实际位姿输出有一定的误差。所以必须对系统的结构误差进行严格的控制。本发明对结构參数在设计、加工和安装过程中进行严格的控制，通过激光干涉仪进行准确测量，使得本发明运动系统结构误差控制在液压缸的初始长度误差0. 2mm ;上、下铰点的位置误差小于O. 25mm ;上平台定义的动坐标系原点误差，也就是上平台中心位置误差小于O. 15mm。本发明运动系统结构误差控制在上述范围内时，运动系统的输出误差小于O. 45mm,即小于O. 3%。但做到这点还不够，最重要的是对运动学正解进行标定，即在试件11整个运动范围内測量实际输出与运动学正解间的偏差。采用激光干涉仪完成对三个平动自由度的測量，采用角位移传感器10完成对三个旋转角度的測量，标定过程是将试件11需要实现的运动以曲线的形式给出，将该曲线作为运动系统的输入信号驱动六自由度并联机构运动，采用激光干涉仪和角位移传感器10对试件11的输出位姿进行测量，得到实测值， 同时，也记录采用六自由度并联机构运动学正解计算得到的计算值，通过对比实测值和计算值得到两者的偏差，如果偏差足够�。�达到了系统的精度要求，就说明基于六自由度并联机构运动学正解计算得到的输出位姿可信，即完成了运动学正解的标定。在实际的运动学标定试验中，运动学正解得到的位姿计算值与实测值最大相差O. 1mm，因此，将运动学正解得到的计算值作为试件11输出位姿的测量值来使用，引入的最大误差即是O. 1mm，证明了精度分析结果的正确性。2.基于六维力/力矩传感器10，能够实现对试件11加载カ的精确测量。对于液压控制系统，通常的力測量方法是将カ传感器10布置到单缸上，通过测量每个液压缸的驱动カ来计算试件11的加载力，这种测量方式布置简单，容易理解，在其他领域中也有成功的应用，但对于基于六自由度并联机构的加载装置却是不可行的，主要有以下几方面原因，首先液压缸的驱动カ与试件11上的加载カ有很大的不同，如果将カ传感器10布置到单缸上，势必引入六自由度并联机构上平台的重量和惯性力。通常试件11的质量约为600kg，而一般六自由度并联机构的设计，上平台的质量也将大于600kg，即便采用重力平衡装置平衡掉重力的影响，但上平台惯性カ的影响也会超过50%，这对加载カ的测量将引入很大的误差。此外，采用这种测カ方法，六自由度并联机构同时成为カ测量装置，这种装置需要标定，但目前国内外还没有合适的仪器或方法能够标定这样大的六自由度测力装置。综上所述，虽然基于液压缸驱动カ测量的方案在其他领域有过成功应用，但基于六自由度并联机构的加载测量中不仅误差很大，而且无法标定，所以是无法应用的。本发明的加载カ测量方案在运动平台4与试件11间安装力传感器10，直接測量六自由度并联机构加载到试件11上的力。这种测量方法的原理如下Fg=mgag+Bgvg+kgxg (2)Mg = Ig0)g +(OgX Img +BgWg + k'g￡g( 3 )式中Fg，Mg——加载到试件11上的力、カ矩；mg, Ig-试件11的质量和转动惯量；Bg, B' g——试件11的阻尼；kg，k' g——试件11的刚度；ag, vg, Xg-试件11的加速度、速度和位移；
ω8, ε g—试件11的角速度和角位移。Bg、B' g、kg和k' g即为试件11的阻尼和刚度，也是需要测量的试件11的參数。从式(2)和式(3)可见，只有mg和Ig由于存在于传感器10与试件11连接件的质量和转动惯量中，对测量和数据分析结构有影响，但由于连接件的质量可设计的很小，重量小于试件11的10%，因此引起的误差较小。3.本发明采用模块柔性化设计，能够实现多种部件试验。试验台能够进行能进行功能性试验和研究性试验。试验台采用�？榛�柔性设计，通过单个部件或调整不同部件的组合，可以满足不同试件11试验需求，例如地铁车辆、动车组、鉄路客车车辆车端上的所有部件进行功能性试验和研究性试验。车端部件干涉验证试验模拟列车通过直线-曲线及S曲线时的运行状态，检验安装在车端各部件的相互干涉关系；车端部件功能试验进行车钩模拟连挂试验、转动试验,测量车钩转动范围；进行试件11模拟摆动试验，測量其在纵向、横向和垂向的线位移量和角位移量；研究性试验将所有车端部件安装后，进行模拟运动，測量整个车端部件的刚度和阻尼，包括线性刚度、阻尼和非线性刚度、阻尼及随位移和速度变化的动刚度、动阻尼；对试件11、外风挡单件进行刚度、阻尼试验，包括线性刚度、阻尼和非线性刚度、阻尼及随位移和速度变化的动刚度、动阻尼；具有进行车端跨接电缆的疲劳试验和拉伸強度试验功能；具有进行空气连接橡胶管路疲劳试验的功能；具有进行或验证内外风挡、试件11疲劳性试验的功能。以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施 例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
权利要求
1.一种基于六自由度并联机构的加载装置，该装置设置于地基上，其特征在于包括前反力基础、六自由度并联机构、重力平衡机构、测力机构、试件和后反力基础，所述六自由度并联机构包括与前反力基础连接的下铰支座、一端与下铰支座连接的液压执行机构和与液压执行机构的另一端连接的运 动平台；所述重力平衡机构包括与运动平台通过托架连接的空气弹簧、与空气弹簧通过连接架连接的前端过渡板；所述测力机构包括运动平台上的传感器，所述传感器与前端过渡板连接；所述前端过渡板与所述试件连接；所述试件与所述后端过渡板连接；所述后反力基础与后端过渡板连接；所述后反力基础与地基为可调节性连接；所述前反力基础与地基固定连接。
2.根据权利要求I所述的一种基于六自由度并联机构的加载装置，其特征在于所述下铰支座为三组，所述液压执行机构为六套，所述上铰支座为三组。
3.根据权利要求I所述的一种基于六自由度并联机构的加载装置，其特征在于所述后反力基础与所述后端过渡板之间设有模拟车厢端。
4.根据权利要求I所述的一种基于六自由度并联机构的加载装置，其特征在于所述液压执行机构包括液压缸和液压缸内的磁滞伸缩位移传感器。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的一种基于六自由度并联机构的加载装置，其特征在于所述传感器为六维力/力矩传感器。
全文摘要
本发明提供一种基于六自由度并联机构的加载装置，该装置设置于地基上，包括前反力基础、六自由度并联机构、重力平衡机构、测力机构和后反力基�。�六自由度并联机构包括与前反力基础连接的下铰支座、与下铰支座连接的液压执行机构和与液压执行机构连接的运动平台；重力平衡机构包括与运动平台通过托架连接的空气弹簧、与空气弹簧通过连接架连接的前端过渡板；测力机构包括运动平台上的传感器；后反力基础与地基为可调节性连接。本发明的有益效果是运用并联机构运动学正解测量输出位姿，简化了测量设备的投入，有效提高了输出位姿的测量精度；有效提高了力测量的精度，达到了对力测量的高精度要求；可以进行部件六个自由度的运动模拟和力加载试验。
文档编号G01M17/08GK102680257SQ201210176410
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者不公告发明人 申请人:天津福云天翼科技有限公司