專利名稱：主從式雙并聯十二自由度廣義力順應加載機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及多自由度力/力矩加載及負載仿真系統，特別涉及一種主從式雙并聯十二自由度廣義力順應加載機構。
背景技術：
廣義加載系統用于模擬特殊工作環境下產生的復雜變化的六維廣義力，可以用于空間對接地面仿真實驗、航空航天材料的疲勞綜合實驗和負載仿真實驗等場合。
目前的加載系統、負載仿真系統的加載驅動方式基本屬于單自由度電液驅動，因而只能進行單自由度加載。中國專利基于并聯六自由度平臺的廣義加載系統，專利號ZL200310108997.4針對這個問題提出一種基于并聯多自由度機構的廣義加載方案，但未能解決由機構耦合、以及加載面剛度帶來控制精度受限的問題，另外系統的穩定性受到振動、沖擊等干擾的嚴重影響。從而大大降低了系統的可靠性，對于動態同步加載存在一定困難。
發明內容
本發明的目的是提供一種主從式雙并聯十二自由度廣義力順應加載機構，能通過改變從動式并聯六自由度順應機構主、從動平臺的相對位姿來實現精確廣義力加載和動態同步跟蹤，此外還能有效的實現六個自由度的減振、緩沖和儲能。本發明為空間對接動態同步加載系統提供了一種穩定性好、工作可靠的方案。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是包括由基座和主動式并聯六自由度機構運動平臺間用六路液壓缸通過虎克鉸組成的基于并聯六自由度機構的加載系統；其特征在于在并聯六自由度加載機構的運動平臺和從動式并聯六自由度順應機構主動平臺之間，用球鉸將六路軸向力傳感器按照SPS型并聯六自由度機構排列，構成六維力/力矩檢測裝置；從動式并聯六自由度順應機構由從動式并聯六自由度順應機構主動平臺、從動式并聯六自由度順應機構從動平臺以及六路單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置兩端分別通過連接球鉸安裝組成，其中六路單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置按SPS型并聯六自由度機構排列。
所述的單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置缸壁穿過壓縮擋板與固定擋板焊接；
缸壁靠近壓縮擋板的一端兩側對稱開槽，并與壓縮擋板滑動連接；缸壁靠近壓縮擋板端向外依次內置拉伸活塞，彈簧、壓縮活塞和壓縮導桿；兩根對稱布置的拉伸導桿一端與壓縮擋板焊接，兩根對稱布置的拉伸導桿另一端與拉伸擋板滑動連接，并用螺栓限定行程；壓縮導桿與擋板焊接；并聯式雙導軌套裝在兩根對稱布置的拉伸導桿和壓縮導桿外滑動連接，并聯式雙導軌套一端與缸壁固定連接；固定擋板通過球鉸與并聯六自由度順應機構主動平臺連接，壓縮導桿通過另一球鉸與并聯六自由度順應機構從動平臺連接。
本發明與背景技術相比，具有的有益效果是(1)本發明充分利用并聯六自由度機構位姿跟蹤精度高的特點和彈簧系統力/位移函數線性度好的特點實現了高精度六自由度廣義力動態同步加載；(2)繼承了彈簧阻尼系統在減振和緩沖方面的優點，實現了六維力/力矩的復合振動緩沖；(3)對于由加載機構和被加載機構的初始位姿、零部件的安裝和加工以及鎖緊裝置鎖合產生的偏差具有容錯能力；(4)可以根據實際實驗需要更換不同剛度的彈簧、不同尺寸的鎖緊裝置，通用性好。
本發明為六自由度廣義力動態同步加載提供了一種精度高、可控性強、可靠性好的方案，是在加載領域特別是多自由度加載領域的突破。可應用于空間對接地面半物理仿真實驗，航空航天材料疲勞實驗等廣義加載領域，對推動我國的航天事業，國防事業有重大意義。
圖1是本發明的結構原理圖；圖2是單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置的剖視圖。
圖中1、基座，2、虎克鉸，3、六路液壓缸，4、主動式并聯六自由度機構運動平臺5、球鉸，6、六路軸向力傳感器，7、從動式并聯六自由度順應機構主動平臺，8、球鉸，9、六路單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置，10、從動式并聯六自由度順應機構從動平臺，11、拉伸擋板，12、拉伸導桿，13、壓縮導桿，14、并聯式雙導軌套，15、缸壁，16、壓縮活塞，17、壓縮彈簧，18、拉伸活塞，19、壓縮擋板，20、固定擋板。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，包括由基座1和主動式并聯六自由度機構運動平臺4間用六路液壓缸3通過虎克鉸2組成的基于并聯六自由度機構的加載系統；其特征在于在并聯六自由度加載機構的運動平臺4和從動式并聯六自由度順應機構主動平臺7之間，用球鉸5將六路軸向力傳感器6按照SPS型并聯六自由度機構排列，構成六維力/力矩檢測裝置；從動式并聯六自由度順應機構由從動式并聯六自由度順應機構主動平臺7、從動式并聯六自由度順應機構從動平臺10以及六路單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置9兩端分別通過連接球鉸8安裝組成，其中六路單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置9按SPS型并聯六自由度機構排列。
如圖2所示，所述的單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置9缸壁15穿過壓縮擋板19與固定擋板20焊接；缸壁15靠近壓縮擋板19的一端兩側對稱開槽，并與壓縮擋板19滑動連接；缸壁靠近壓縮擋板19端向外依次內置拉伸活塞18，彈簧17、壓縮活塞16和壓縮導桿13；兩根對稱布置的拉伸導桿12一端與壓縮擋板19焊接，兩根對稱布置的拉伸導桿另一端與拉伸擋板11滑動連接，并用螺栓限定行程；壓縮導桿13與擋板11焊接；并聯式雙導軌套14裝在兩根對稱布置的拉伸導桿12和壓縮導桿13外滑動連接，并聯式雙導軌套一端與缸壁固定連接；固定擋板20通過球鉸8與并聯六自由度順應機構主動平臺7連接，壓縮導桿13通過另一球鉸8與并聯六自由度順應機構從動平臺10連接。
工作原理如下介紹主動式并聯六自由度加載機構為典型的Stewart型并聯六自由度電液伺服機構，采用液壓驅動，以主動運動的方式模擬安裝在空間站上的對接機構，其運動平臺可以高精度跟蹤廣義空間位姿Xp-o＝[x y zαβγ]，其中x，y，z為沿三坐標軸的位移量，α，β，γ為繞三坐標軸的旋轉量。
從動式并聯六自由度順應機構為SPS型并聯機構，其從動平臺通過附加鎖緊裝置與被加載對象鎖緊，并做同步跟隨運動；同時，從動式并聯六自由度順應機構主動平臺通過六路軸向力傳感器與并聯六自由度加載機構運動平臺固聯；六路軸向力傳感器可實時檢測沿三坐標軸的力矢Fx，Fy，Fz和繞三坐標軸的力矩Mx，My，Mz并反饋。
所述的單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置，采用并聯式雙導軌結構。當裝置承受壓力時，壓縮導桿13通過并聯式雙導軌套14沿軸向正向移動，并通過壓縮活塞16作用在壓縮彈簧17上；同時拉伸活塞18和壓縮擋板19緊靠固定擋板20，此時拉伸導桿12與拉伸擋板11滑動連接；當裝置承受拉力時，拉伸擋板11通過固定在拉伸導桿12一端的螺母帶動拉伸導桿12沿軸向反向移動，拉伸導桿12可在并聯式雙導軌套14中移動，并通過壓縮擋板19帶動拉伸活塞18，從而作用在壓縮彈簧17上；同時，壓縮活塞16緊靠并聯式雙導軌14的內壁。
通過預緊力，可以實現拉壓交替時剛度的連續、平滑線性過渡。此外，由于彈簧系統本身的動力學特性，該裝置還起到緩沖和減振的作用。
在進行航天航空材料或機構的動態力加載疲勞試驗中，被加載對象固定在承載機構上，加載的目標六維廣義力F＝[FxFyFzMxMyMz]可以根據被加載對象的工作環境，按照某一復合函數規律變化，從而模擬復雜的太空受力環境。根據所設計的從動式并聯六自由度順應機構的靜力學模型可知，當該機構主動平臺和被動平臺之間的相互位置和姿態確定時，從動平臺可唯一確定的輸出一組六維廣義力F＝[FxFyFzMxMyMz]；因此通過主動調整并聯六自由度加載機構上平臺的位置和位姿，即可改變并聯六自由度順應機構主、從動平臺的相對位姿，從而實現按某一函數曲線進行六維廣義力加載。
空間交會對接模擬實驗中，被加載機構模擬航天器做空間六自由度運動，主動式并聯六自由度加載機構模擬安裝在空間站上的對接裝置，通過確定并聯六自由度順應機構主、從動平臺相對位姿實現六維廣義力的加載；當航天器與空間站相對速度不為零并因而產生廣義加載偏差時，加載機構通過六維力/力矩傳感器的在線檢測，將廣義力信息反饋回來，并重新調整加載機構運動平臺的位姿，從而實時改變并聯六自由度順應機構主、從動平臺的相對位姿，使得廣義力偏差控制在精度范圍內，實現動態同步廣義力高精度加載。
權利要求
1.一種主從式雙并聯十二自由度廣義力順應加載機構，包括由基座(1)和主動式并聯六自由度機構運動平臺(4)間用六路液壓缸(3)通過虎克鉸(2)組成的基于并聯六自由度機構的加載系統；其特征在于在并聯六自由度加載機構的運動平臺(4)和從動式并聯六自由度順應機構主動平臺(7)之間，用球鉸(5)將六路軸向力傳感器(6)按照SPS型并聯六自由度機構排列，構成六維力/力矩檢測裝置；從動式并聯六自由度順應機構由從動式并聯六自由度順應機構主動平臺(7)、從動式并聯六自由度順應機構從動平臺(10)以及六路單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置(9)兩端分別通過連接球鉸(8)安裝組成，其中六路單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置(9)按SPS型并聯六自由度機構排列。
2.根據權利要求1所述的一種主從式雙并聯十二自由度廣義力順應加載機構，其特征在于所述的單出桿拉壓雙向同性彈簧裝置(9)缸壁(15)穿過壓縮擋板(19)與固定擋板(20)焊接；缸壁(15)靠近壓縮擋板(19)的一端兩側對稱開槽，并與壓縮擋板(19)滑動連接；缸壁靠近壓縮擋板(19)端向外依次內置拉伸活塞(18)，彈簧(17)、壓縮活塞(16)和壓縮導桿(13)；兩根對稱布置的拉伸導桿(12)一端與壓縮擋板(19)焊接，兩根對稱布置的拉伸導桿另一端與拉伸擋板(11)滑動連接，并用螺栓限定行程；壓縮導桿(13)與擋板(11)焊接；并聯式雙導軌套(14)裝在兩根對稱布置的拉伸導桿(12)和壓縮導桿(13)外滑動連接，并聯式雙導軌套一端與缸壁固定連接；固定擋板(20)通過球鉸(8)與并聯六自由度順應機構主動平臺(7)連接，壓縮導桿(13)通過另一球鉸(8)與并聯六自由度順應機構從動平臺(10)連接。
全文摘要
本發明公開了一種主從式雙并聯十二自由度廣義力順應加載機構，該機構主要用于空間對接廣義加載實驗、航空航天材料及機構疲勞試驗。主要由Stewart型主動式并聯六自由度加載機構、SPS型六維力/力矩傳感器以及SPS型從動式并聯六自由度順應機構組成。主動式并聯六自由度加載機構模擬空間運動，從動式并聯六自由度順應機構的主、從動平臺做跟隨運動，并帶動拉壓雙向同性彈簧裝置做拉伸或壓縮，從而實現廣義力動態同步加載的實驗效果。它為六自由度廣義力動態同步加載系統提供了一種精度高、可靠性好的方案，可應用于空間對接地面半物理仿真實驗，航空航天材料和機構的疲勞試驗以及其他廣義力加載實驗系統。
文檔編號G01N19/00GK101016971SQ20061015566
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月30日 優先權日2006年12月30日
發明者王宣銀, 吳樂彬, 程佳, 李強 申請人:浙江大學
專業數控銑床產品供應商
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