一種實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，能夠實現任意方向的純彎矩加載、拉壓力加載以及純彎矩和拉壓力的復合加載；該模擬器包括運動平臺、固定基座和運動支鏈；運動平臺與受載試件相固結；運動支鏈分為中心運動支鏈和均布運動支鏈，其中均布運動支鏈包括六種不同的構型；類型不同的均布運動支鏈和中心支鏈、固定基座、運動平臺可以組成六種不同的“彎矩-拉壓力”復合負載模擬器構型。本發明的優點為：能夠實現多維純彎矩的載荷輸出，能夠輸出彎矩和拉壓力的復合負載，由于存在多條支鏈，結構具備很高的承載剛度，拉壓力和彎矩的輸出能夠實現解耦，利于控制，且制造簡單，安裝方便。
【專利說明】一種實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，屬于機器人和機械制造領域。
【背景技術】
[0002]負載模擬器是一種用于地面半物理(實驗)仿真的實驗設備，可以在實驗室條件下模擬被測對象在特殊環境載荷下的影響。
[0003]傳統的實驗測試方法往往需要將被測對象放置在實際的工作環境中進行測試并采集相關的數據，但是成本極高，且采集實時數據相對較困難。而使用負載模擬器能夠將經典的全實物實驗轉化為在實驗室條件下的半實物預測性實驗，從而獲得被測對象的各項性能參數，為后期的進一步性能優化提供依據。負載模擬器具有成本低、效率高、采集數據方便等優勢。
[0004]目前國內外的負載模擬器主要集中在能夠輸出單維以及單個載荷類型的負載模擬器的研究上，比如扭矩負載模擬器、彎矩負載模擬器和拉壓力負載模擬器等；而實際工況下，被測試件往往是承受的是多載荷類型的復合狀態，且對于每一種載荷類型，其幅值和方向都可能隨時間發生變化，這為負載模擬器的設計帶來了困難。并聯機構由于本身剛度大，響應速度快，運動精度高，被廣泛應用于飛行器重載模擬設備、機器人、數控機床、傳感器及微操作等領域，同時也為負載模擬器提供了新思路。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提出一種實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，可以實現二維的純彎矩負載或者一維的拉壓力負載，并且能夠實現二維純彎矩和一維拉壓力的復合負載。該負載模擬器在施加純彎矩時，能夠實現針對固定點的彎矩負載，這樣不會由于彎矩中心點的變動而給被測試件帶來額外的負載。
[0006]本發明一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，包括運動平臺、固定基座、中心運動支鏈以及三條外圍運動支鏈。其中，運動平臺與固定基座分別位于上下方位，中心位置間通過一條運動支鏈相連；外圍周向上通過均布的三條外圍運動支鏈相連。
[0007]上述中心運動支鏈具有上運動副A與下運動副A ;上運動副A為虎克鉸，下運動副A為移動副；虎克鉸與與運動平臺相連，形成轉動副；下運動副與固定基座相連，且下運動副A的軸線與固定基座的軸線相重合。
[0008]三條外圍運動支鏈結構相同，均包括上運動副B、中運動副B與下運動副B ;其中，上運動副B與下運動副B分別與運動平臺和固定基座相連。
[0009]上述結構的復合負載模擬器，在初始狀態下，需滿足:
[0010]A、運動平臺與固定基座互相平行；
[0011]B、二條外圍運動支鏈中上運動副B中心所確定的平面與固定基座平面平行；
[0012]C、中心運動支鏈中虎克鉸的中平面與運動平臺的中平面相重合。[0013]且在任意狀態下，需滿足:
[0014]a、三條外圍運動支鏈中下運動副B中心所確定的平面與固定基座平面平行；
[0015]b、中心運動支鏈中虎克鉸的中心點，始終位于運動平臺的中平面中心處；
[0016]且與運動平臺中心重合；
[0017]C、運動平臺的中心位于固定基座軸線上。
[0018]通過本發明實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，當中心運動支鏈3a的移動副鎖定后，此時，復合負載模擬器可作為一個能輸出純二維轉動的并聯機構，能夠輸出平面內任意方向的二維純彎矩；
[0019]當三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，且位移在任意時刻相等時，中心運動支鏈3a的移動副隨著三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，此時，復合負載模擬器可作為一個能輸出一維移動的并聯機構，此時能夠輸出沿著固定基座軸線方向的一維拉壓力。
[0020]當三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，中心運動支鏈3a的移動副隨著三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，此時，復合負載模擬器的運動平臺I能夠輸出任意方向的二維轉動和沿著固定基座軸2線方向的一維移動，此時能夠輸出二維純彎矩和一維拉壓力的復合負載。
[0021]本發明的優點在于:
[0022]1、本發明復合負載模擬器，可以實現一維的拉壓力負載、任意時刻的彎矩負載和拉壓力負載的切換、任意方向的二維彎矩負載，以及任意方向的二維彎矩負載和拉壓力負載的復合負載；
[0023]2、本發明復合負載模擬器,運動平臺的工作空間大,能夠適應較大剛度變化范圍的被測試件；
[0024]3、本發明復合負載模擬器，結構簡單，易于控制以及生產加工，且易于連接線纜或附加的傳感器等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明復合負載模擬器整體結構示意圖；
[0026]圖2為本發明復合負載模擬器中運動平臺結構示意圖；
[0027]圖3為本發明復合負載模擬器中固定基座結構示意圖；
[0028]圖4為本發明復合負載模擬器中心運動支鏈結構示意圖；
[0029]圖5為本發明復合負載模擬器中外圍運動支鏈結構I示意圖；
[0030]圖6為本發明復合負載模擬器中外圍運動支鏈結構2示意圖；
[0031]圖7為本發明復合負載模擬器中外圍運動支鏈結構3示意圖；
[0032]圖8為本發明復合負載模擬器中外圍運動支鏈結構4示意圖；
[0033]圖9為本發明復合負載模擬器中外圍運動支鏈結構5不意圖；
[0034]圖10為本發明復合負載模擬器中外圍運動支鏈結構6不意圖；
[0035]圖11為采用結構2的外圍運動支鏈構成的復合負載模擬器結構示意圖；
[0035]圖12為采用結構3的外圍運動支鏈構成的復合負載模擬器結構示意圖；
[0036]圖13為采用結構4的外圍運動支鏈構成的復合負載模擬器結構示意圖；[0037]圖14為采用結構5的外圍運動支鏈構成的復合負載模擬器結構示意圖；
[0038]圖15為米用結構6的外圍運動支鏈構成的復合負載模擬器結構不意圖；
[0039]圖16為本發明復合負載模擬器與伸縮架連接方式示意圖。
[0040]
[0041]`
[0042]圖中:
[0043]1-運動平臺2-固定基座3-運動支鏈
[0044]4-伸縮架101-中心通孔 102-中心支鏈頂部安裝孔
[0045]103-外圍支鏈頂部安裝孔 201-底座202-外圍支鏈底部安裝孔
[0046]3a_中心運動支鏈3b_外圍運動支鏈3a_l_上運動副A
[0047]3a~2~下運動副A3b~l-上運動副B 3h~2~中運動副B
[0048]3a-3_下運動副C301-外圈302-內圈
[0049]401-底板 402-導向柱 403-伸縮支鏈
【具體實施方式】
[0050]下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0051]本發明實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，包括運動平臺1、固定基座
2、以及四條運動支鏈3，如圖1所示；
[0052]所述運動平臺I為具有圓角的等邊三角形板狀結構，如圖2所示，中心位置開有同心的圓形中心通孔101，中心通孔101的孔壁上對稱位置開有圓形中心支鏈頂部安裝孔102。運動平臺I的三個角部均開有圓形外圍支鏈頂部安裝孔103，三個外圍支鏈頂部安裝孔103以圓周對稱的方式等徑均布在靠近運動平臺I的三個角部位置，每個外圍支鏈頂部安裝孔103的圓心與運動平臺I的中心間連線為對應外圍支鏈頂部安裝孔103的軸線；且三個外圍支鏈頂部安裝孔103的軸線均互相平行。
[0053]所述固定基座2為類等邊三角形板狀結構，如圖3所示，具有方形底座201與三個圓形外圍支鏈底部安裝孔202。三個外圍支鏈底部安裝孔202以圓周對稱的方式等徑均布在靠近固定基座2的三個角部位置，每個外圍支鏈底部安裝孔202的圓心與固定基座2中心的連線為對應外圍支鏈底部安裝孔202的軸線，三個外圍支鏈底部安裝孔202的軸線均互相平行。底座201固定安裝在固定基座2中心位置，其豎直軸線與固定基座2軸線重合。上述結構的運動平臺I和固定基座2分別位于上下位置，通過四條運動支鏈3相聯接。
[0054]所述四條運動支鏈3中，一條作為中心運動支鏈3a，設置于運動平臺I和固定基座2中心位置，如圖1所示。中心運動支鏈3a具有上運動副A3a-1與下運動副A3a_2，如圖4所示；上運動副A3a-1為虎克鉸，下運動副A3a-2為移動副。其中，虎克鉸由外圈301與內圈302組成；其中，外圈301周向對稱位置具有外軸；內圈302周向對稱位置具有內軸；內圈302上的內軸分別與外圈301周向上對稱位置開設的通孔配合，形成轉動副；且使外圈301上的外軸軸線與內圈302上的內軸軸線垂直；上述虎克鉸的外圈301周向上的外軸分別與運動平臺I上的圓形外圍支鏈頂部安裝孔103配合，形成轉動副；上述虎克鉸的內圈302與下運動副A3a-2相連；下運動副A3a-2與固定基座2上的底座201相連，且下運動副A3a_2的軸線與固定基座2的軸線相重合。[0055]四條運動支鏈3中，另外三條作為外圍運動支鏈3b，結構相同，均勻設置在運動平臺I與固定基座2外圍周向上，如圖1所示。三條外圍運動支鏈3b均包括上運動副B、中運動副B與下運動副B。其中，上運動副B與下運動副B分別與運動平臺I上的外圍運動支鏈頂端安裝孔103和對應的固定基座2上的運動支鏈底端安裝孔202相聯接。上述外圍運動支鏈3b可通過下述6種結構實現:
[0056]結構1:如圖5所示，外圍運動支鏈3中上運動副B3b_l與下運動副B3b_3均為球鉸；中運動副B3b-2為移動副；采用結構I的外圍運動支鏈3b結合上述中心運動支鏈3a以及運動平臺和固定基座所形成的本發明復合負載模擬器整體結構如圖1所示。
[0057]結構2:如圖6所示，外圍運動支鏈3中上運動副B3b_l與下運動副B3b_3均為球鉸；中運動副B3b-2為轉動副；采用結構2的外圍運動支鏈3b結合上述中心運動支鏈3a以及運動平臺和固定基座所形成的本發明復合負載模擬器整體結構如圖11所示。
[0058]結構3:如圖7所示，外圍運動支鏈3中上運動副B3b_l為虎克鉸；中運動副B3b_2為移動副；下運動副B3b-3為球鉸；采用結構3的外圍運動支鏈3b結合上述中心運動支鏈3a以及運動平臺和固定基座所形成的本發明復合負載模擬器整體結構如圖12所示。
[0059]結構4:如圖8所示，外圍運動支鏈中上運動副B3b_l與中運動副B3b_2均為球鉸；下運動副B3b-3為移動副；采用結構4的外圍運動支鏈3b結合上述中心運動支鏈3a以及運動平臺和固定基座所形成的本發明復合負載模擬器整體結構如圖13所示。
[0060]結構5:如圖9所示，外圍運動支鏈中上運動副B3b_l與中運動副B3b_2均為球鉸；下運動副B3b-3為轉動副；采用結構5的外圍運動支鏈3b結合上述中心運動支鏈3a以及運動平臺和固定基座所形成的本發明復合負載模擬器整體結構如圖14所示。
[0061]結構6:如圖10所示，外圍運動支鏈中上運動副B3b_l為虎克鉸；中運動副B3b_2為球鉸；下運動副B3b-3為移動副；采用結構6的外圍運動支鏈3b結合上述中心運動支鏈3a以及運動平臺和固定基座所形成的本發明復合負載模擬器整體結構如圖15所示。
[0062]上述采用各種結構外圍運動支鏈3b所形成的整體復合負載模擬器，在初始狀態(不輸出載荷)下，需滿足:
[0063]A、運動平臺I與固定基座2互相平行；
[0064]B、三條外圍運動支鏈3中上運動副B3b_l中心所確定的平面與固定基座2平面平行；
[0065]C、中心運動支鏈2中虎克鉸的中平面(即:外軸和內軸組成的平面)與運動平臺I的中平面相重合。
[0066]且采用各種結構外圍運動支鏈3b所形成的整體復合負載模擬器，在任意狀態下，需滿足:
[0067]a、三條外圍運動支鏈3中下運動副B3b_3中心所確定的平面與固定基座2平面平行；
[0068]b、中心運動支鏈中虎克鉸的中心點(即:外軸和內軸軸線的交點),始終位于運動平臺的中平面中心處；
[0069]且與運動平臺中心重合；
[0070]C、運動平臺的中心位于固定基座軸線上。
[0071]通過本發明實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，當中心運動支鏈3a的移動副鎖定后，此時，復合負載模擬器可作為一個能輸出純二維轉動的并聯機構，能夠輸出平面內任意方向的二維純彎矩；
[0072]當三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，且位移在任意時刻相等時，中心運動支鏈3a的移動副隨著三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，此時，復合負載模擬器可作為一個能輸出一維移動的并聯機構，此時能夠輸出沿著固定基座軸線方向的一維拉壓力。
[0073]當三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，中心運動支鏈3a的移動副隨著三條外圍運動支鏈3b中的移動副同時運動，此時，復合負載模擬器的運動平臺I能夠輸出任意方向的二維轉動和沿著固定基座軸2線方向的一維移動，此時能夠輸出二維純彎矩和一維拉壓力的復合負載。
[0074]本發明復合負載模擬器，還可外接伸縮架4，實現運動過程中彎矩與拉壓力的分開控制，進而實現彎矩與拉壓力的復合運動。所述伸縮架4包括底板401、導向柱402與伸縮支鏈403 ;其中，導向柱402垂直固定安裝在底板401周向上；導向柱402穿過固定基座2 ;固定基座2底面與底板401間安裝有伸縮支鏈403，伸縮支鏈403為移動副，移動副的兩端分別與固定基座2底面中心位置和底板401頂面中心位置固連。
【權利要求】
1.一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:包括運動平臺、固定基座、中心運動支鏈以及三條外圍運動支鏈；其中，運動平臺與固定基座分別位于上下方位，中心位置間通過一條運動支鏈相連；外圍周向上通過均布的三條外圍運動支鏈相連； 上述中心運動支鏈具有上運動副A與下運動副A ;上運動副A為虎克鉸，下運動副A為移動副；虎克鉸與與運動平臺相連，形成轉動副；下運動副與固定基座相連，且下運動副A的軸線與固定基座的軸線相重合。 三條外圍運動支鏈結構相同，均包括上運動副B、中運動副B與下運動副B ;其中，上運動副B與下運動副B分別與運動平臺和固定基座相連； 上述結構的復合負載模擬器，在初始狀態下，需滿足: A、運動平臺與固定基座互相平行； B、三條外圍運動支鏈中上運動副B中心所確定的平面與固定基座平面平行； C、中心運動支鏈中虎克鉸的中平面與運動平臺的中平面相重合； 且在任意狀態下，需滿足: a、三條外圍運動支鏈中下運動副B中心所確定的平面與固定基座平面平行； b、中心運動支鏈中虎克鉸的中心點，始終位于運動平臺的中平面中心處；且與運動平臺中心重合； C、運動平臺的中心位于固定基座軸線上。`
2.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述運動平臺為具有圓角的等邊三角形板狀結構，中心位置開有同心的中心通孔，中心通孔的孔壁上對稱位置開有中心支鏈頂部安裝孔；運動平臺的三個角部均開有外圍支鏈頂部安裝孔，三個外圍支鏈頂部安裝孔以圓周對稱的方式等徑均布在靠近運動平臺的三個角部位置，每個外圍支鏈頂部安裝孔的圓心與運動平臺的中心間連線為對應外圍支鏈頂部安裝孔的軸線；且三個外圍支鏈頂部安裝孔的軸線均互相平行；所述固定基座為類等邊三角形板狀結構，具有方形底座與三個圓形外圍支鏈底部安裝孔；三個外圍支鏈底部安裝孔以圓周對稱的方式等徑均布在靠近固定基座的三個角部位置，每個外圍支鏈底部安裝孔的圓心與固定基座中心的連線為對應外圍支鏈底部安裝孔的軸線，三個外圍支鏈底部安裝孔的軸線均互相平行；底座固定安裝在固定基座中心位置，其豎直軸線與固定基座軸線重合，用來連接中心運動支鏈。
3.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述虎克鉸由外圈與內圈組成；其中，外圈周向對稱位置具有外軸；內圈周向對稱位置具有內軸；內圈上的內軸分別與外圈周向上對稱位置開設的通孔配合，形成轉動副；且使外圈上的外軸軸線與內圈上的內軸軸線垂直；上述虎克鉸外圈周向上的外軸與運動平臺相連形成轉動副；內圈與下運動副相連。
4.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述外圍運動支鏈中上運動副B與下運動副B均為球鉸；中運動副B為移動副。
5.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述外圍運動支鏈中上運動副B與下運動副B均為球鉸；中運動副B為轉動副。
6.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述外圍運動支鏈中上運動副B為虎克鉸；中運動副B為移動副；下運動副B為球鉸。
7.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述外圍運動支鏈中上運動副B與中運動副B均為球鉸；下運動副B為移動副。
8.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述外圍運動支鏈中上運動副B與中運動副B均為球鉸；下運動副B為轉動副。
9.如權利要求1所述一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:所述外圍運動支鏈中上運動副B為虎克鉸；中運動副B為球鉸；下運動副B為移動副。
10.如權利要求1所述的一種能夠實現多維純彎矩和拉壓力的復合負載模擬器，其特征在于:還包括伸縮架；伸縮架包括底板、導向柱與伸縮支鏈；其中，導向柱垂直固定安裝在底板周向上；導向柱穿過固定基座；固定基座底面與底板間安裝有伸縮支鏈，伸縮支鏈為移動副，移動副的兩端`分別與固定基座底面中心位置和底板頂面中心位置固連。
【文檔編號】G01D21/00GK103884373SQ201410067449
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】屈玉豐, 于靖軍, 宗光華, 吳鈧 申請人:北京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
