[發明專利]六自由度伺服加載試驗裝置及其位姿控制方法

有效

• 申請號: 202010162997.6
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111458117B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 仇映輝
• 申請（專利權）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: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 鄧淑紅

1.一種六自由度伺服加載試驗裝置，其特征在于：該裝置包括機架、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件，兩伸縮構件的一端鉸接于同一連接軸上、另一端分別與對應的鉸接座鉸接，各組作動組件分別以其連接軸連接于加載框架的內表面；

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

調節靜平臺在外框內位置至與試件規格相應，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，各作動組件協同施力以調節位姿加載；

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和三角段的底腳處設有均方形槽，面板上設若干安裝孔；耳板的兩端設有卡口，一對耳板并列布置于方形槽內，卡口卡入面板的實體上焊接；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立的空腔；封板封閉各空腔；

所述機架包括側框、橫梁、移動梁和組合梁；側框和組合梁上均設安裝板；一對側框并列布置，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有若干插銷套，頂梁上設設有導軌，一對立柱分別連接于頂梁與底梁之間，斜梁設置于底梁內端與立柱之間，頂梁的內端與斜梁的中部均設有所述安裝板；

所述作動組件分兩類布置；一類分設于所述加載框架的兩側，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框的安裝板上；另一類設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，活動梁的中部設有驅動機構、兩端設有滾輪和導向輪，滾輪的輪軸與驅動機構的輸出軸相連，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、插銷和導向套，插銷同軸設置于導向套內、一端與插銷液壓缸的活塞桿相連；插銷液壓缸的缸體和導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軌上，插銷插入所述插銷套內。

2.如權利要求1所述的六自由度伺服加載試驗裝置，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；空腔內設加強管和加強筋；封板外對應加強管位置處設有補強圈。

3.如權利要求1所述的六自由度伺服加載試驗裝置，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有所述安裝板；斜梁上對應安裝板兩側分別設有限位托。

4.如權利要求1所述的六自由度伺服加載試驗裝置，其特征在于：所述底托包括基座，基座的兩端內設升降臺；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形板之間，兩安裝板之間設有連接梁，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—并聯機器人；

S2、將預期位姿X_r與當前動平臺實際位姿X_t進行比較，得到位姿差量ΔX,通過位姿控制器控制并聯機器人運動使ΔX趨近于零，并通過預設的傳感器得到力與力矩參數的需求；

S3、根據傳感器測得參數，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該力信號進行控制，給出控制量；

S4、根據S2中力與力矩參數的需求進行力和力矩的反解,

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、設支撐桿的驅動力為F_i，對加載框架產生的驅動力矩為：M_i＝R_i×F_i,

S4.3、根據力螺旋理論知：

提出各驅動力的數值大小得：

即：

S5、位置反解，

S5.1、以S4.1中等效幾何模型為基礎建立固定坐標系O-XYZ動坐標系O_l-X_lY_lZ_l，原點O處于下平臺的幾何中心，OX軸處于下平臺六個鉸鏈點所在的平面內，方向垂直于六邊形下平臺的幾何長邊，OY軸朝向由右手規則確定，Z軸垂直于下平臺，六個鉸鏈點所在平面，原點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、俯仰和側傾運動，在上平臺處于初始狀態，動坐標系的O_lX_l軸、O_lY_l軸分別與靜坐標系的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O-XYZ與O_l-X_lY_lZ_l之間的坐標變換規律，將動平臺的位姿T可以用定平臺的一個位置向量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＝偏轉角，β＝俯仰角，γ＝側傾角；

5.3、建立位置反解方程，l_ij表示六個支撐桿l_i分別在固定坐標系O-XYZ的三個坐標軸上的投影；

S6、速度反解，

根據支撐桿輸入速度與上平臺輸出速度關系式：結算，其中r_i為支撐桿與上平臺鉸接點至上平臺中心點的向徑。