[發(fā)明專利]六自由度伺服加載試驗(yàn)裝置及其位姿控制方法

有效

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• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111458117B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仇映輝
• 申請（專利權(quán)）人: 長沙天映航空裝備有限公司
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00;G01N3/02
• 代理公司: 長沙永星專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 43001
• 代理人: 鄧淑紅

1.一種六自由度伺服加載試驗(yàn)裝置，其特征在于：該裝置包括機(jī)架、靜平臺、底托、動平臺和夾具；

動平臺包括加載框架和多組作動組件，作動組件為三角組件，包括連接軸、一對鉸接座和一對伸縮構(gòu)件，兩伸縮構(gòu)件的一端鉸接于同一連接軸上、另一端分別與對應(yīng)的鉸接座鉸接，各組作動組件分別以其連接軸連接于加載框架的內(nèi)表面；

靜平臺裝配于外框內(nèi)、位置可調(diào)，底托裝配于外框底部外，動平臺以加載框架置于底托上、內(nèi)端通過各鉸接座與外框可拆卸連接；

調(diào)節(jié)靜平臺在外框內(nèi)位置至與試件規(guī)格相應(yīng)，試件安裝于夾具上與夾具圍成密閉腔，夾具的一端與靜平臺相連、另一端與動平臺相連，各作動組件協(xié)同施力以調(diào)節(jié)位姿加載；

所述加載框架包括面板、耳板、縱向承力板、橫向承力板和封板；面板為整體件，包括上部的矩型段和下部的三角段，矩型段的上部兩頂點(diǎn)和三角段的底腳處設(shè)有均方形槽，面板上設(shè)若干安裝孔；耳板的兩端設(shè)有卡口，一對耳板并列布置于方形槽內(nèi)，卡口卡入面板的實(shí)體上焊接；橫向承力板固接于面板外將面板分隔為若干層；縱向承力板固接于面板和橫向承力板之間將各層分隔為若干相互獨(dú)立的空腔；封板封閉各空腔；

所述機(jī)架包括側(cè)框、橫梁、移動梁和組合梁；側(cè)框和組合梁上均設(shè)安裝板；一對側(cè)框并列布置，一端的頂部和底部均通過橫梁相連，另一端頂部通過移動梁相連、底部通過組合梁相連；

所述側(cè)框包括頂梁、底梁、立柱和斜梁，頂梁和底梁上均沿梁長方向設(shè)有若干插銷套，頂梁上設(shè)設(shè)有導(dǎo)軌，一對立柱分別連接于頂梁與底梁之間，斜梁設(shè)置于底梁內(nèi)端與立柱之間，頂梁的內(nèi)端與斜梁的中部均設(shè)有所述安裝板；

所述作動組件分兩類布置；一類分設(shè)于所述加載框架的兩側(cè)，一端通過連接軸裝配于所述面板頂部的耳板處，另一端通過鉸接座安裝于所述側(cè)框的安裝板上；另一類設(shè)置于所述加載框架的底部，一端通過連接軸裝配于所述面板底部的耳板處，另一端通過鉸接座安裝于所述組合梁的安裝板上；

所述靜平臺包括框架主體和插銷組件；框架主體包括活動梁、立板、縱向板、橫向板和封板，活動梁的中部設(shè)有驅(qū)動機(jī)構(gòu)、兩端設(shè)有滾輪和導(dǎo)向輪，滾輪的輪軸與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的輸出軸相連，立板焊接于活動梁下，縱向板和橫向板焊接于立板一側(cè)分隔出若干空腔，封板封閉各空腔；所述插銷組件包括插銷液壓缸、插銷和導(dǎo)向套，插銷同軸設(shè)置于導(dǎo)向套內(nèi)、一端與插銷液壓缸的活塞桿相連；插銷液壓缸的缸體和導(dǎo)向套的外壁連接于框架主體的四角空腔中；靜平臺以其滾輪置于所述導(dǎo)軌上，插銷插入所述插銷套內(nèi)。

2.如權(quán)利要求1所述的六自由度伺服加載試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述縱向承力板的高度自所述面板中部向四周漸減；空腔內(nèi)設(shè)加強(qiáng)管和加強(qiáng)筋；封板外對應(yīng)加強(qiáng)管位置處設(shè)有補(bǔ)強(qiáng)圈。

3.如權(quán)利要求1所述的六自由度伺服加載試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述組合梁包括梁主體和一對斜撐，斜撐的一端與梁主體相連、另一端與所述底梁相連，斜撐外表面近梁主體端外設(shè)有所述安裝板；斜梁上對應(yīng)安裝板兩側(cè)分別設(shè)有限位托。

4.如權(quán)利要求1所述的六自由度伺服加載試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述底托包括基座，基座的兩端內(nèi)設(shè)升降臺；所述夾具包括一對安裝板和若干半圓板，各半圓板同軸布置可拆卸連接于兩環(huán)形板之間，兩安裝板之間設(shè)有連接梁，一安裝板與加載框架相連、另一安裝板與靜平臺相連。

5.一種六自由度伺服加載試驗(yàn)裝置的位姿控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

S1、建立加載框架和各組作動組件的簡化等效模型—并聯(lián)機(jī)器人；

S2、將預(yù)期位姿X_r與當(dāng)前動平臺實(shí)際位姿X_t進(jìn)行比較，得到位姿差量ΔX,通過位姿控制器控制并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動使ΔX趨近于零，并通過預(yù)設(shè)的傳感器得到力與力矩參數(shù)的需求；

S3、根據(jù)傳感器測得參數(shù)，與所給定力信號比較求出力誤差信號，并通過力控制器根據(jù)該力信號進(jìn)行控制，給出控制量；

S4、根據(jù)S2中力與力矩參數(shù)的需求進(jìn)行力和力矩的反解,

S4.1、建立受力分析等效幾何模型，包括上平臺、下平臺和六根支撐桿，

S4.2、設(shè)支撐桿的驅(qū)動力為F_i，對加載框架產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為：M_i＝R_i×F_i,

S4.3、根據(jù)力螺旋理論知：

提出各驅(qū)動力的數(shù)值大小得：

即：

S5、位置反解，

S5.1、以S4.1中等效幾何模型為基礎(chǔ)建立固定坐標(biāo)系O-XYZ動坐標(biāo)系O_l-X_lY_lZ_l，原點(diǎn)O處于下平臺的幾何中心，OX軸處于下平臺六個(gè)鉸鏈點(diǎn)所在的平面內(nèi)，方向垂直于六邊形下平臺的幾何長邊，OY軸朝向由右手規(guī)則確定，Z軸垂直于下平臺，六個(gè)鉸鏈點(diǎn)所在平面，原點(diǎn)O_l位于上平臺的幾何中心，且始終保持與上平臺一起做移動、偏轉(zhuǎn)、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動，在上平臺處于初始狀態(tài)，動坐標(biāo)系的O_lX_l軸、O_lY_l軸分別與靜坐標(biāo)系的OX軸和OY兩軸平行，且Z_l軸垂直于上平臺所在平面，

S5.2、根據(jù)O-XYZ與O_l-X_lY_lZ_l之間的坐標(biāo)變換規(guī)律，將動平臺的位姿T可以用定平臺的一個(gè)位置向量P＝[X_p Y_p Z_p]^T和一組歐拉角α、β、γ來表示：

R＝R(Z₁，α)R(Y₁，β)R(X₁，γ)，α＝偏轉(zhuǎn)角，β＝俯仰角，γ＝側(cè)傾角；

5.3、建立位置反解方程，l_ij表示六個(gè)支撐桿l_i分別在固定坐標(biāo)系O-XYZ的三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影；

S6、速度反解，

根據(jù)支撐桿輸入速度與上平臺輸出速度關(guān)系式：結(jié)算，其中r_i為支撐桿與上平臺鉸接點(diǎn)至上平臺中心點(diǎn)的向徑。