CN101016971A - 主从式双并联十二自由度广义力顺应加载机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主从式双并联十二自由度广义力顺应加载机构,该机构主要用于空间对接广义加载实验、航空航天材料及机构疲劳试验。主要由Stewart型主动式并联六自由度加载机构、SPS型六维力/力矩传感器以及SPS型从动式并联六自由度顺应机构组成。主动式并联六自由度加载机构模拟空间运动,从动式并联六自由度顺应机构的主、从动平台做跟随运动,并带动拉压双向同性弹簧装置做拉伸或压缩,从而实现广义力动态同步加载的实验效果。它为六自由度广义力动态同步加载系统提供了一种精度高、可靠性好的方案,可应用于空间对接地面半物理仿真实验,航空航天材料和机构的疲劳试验以及其他广义力加载实验系统。
Description
技术领域
本发明涉及多自由度力/力矩加载及负载仿真系统,特别涉及一种主从式双并联十二自由度广义力顺应加载机构。
背景技术
广义加载系统用于模拟特殊工作环境下产生的复杂变化的六维广义力,可以用于空间对接地面仿真实验、航空航天材料的疲劳综合实验和负载仿真实验等场合。
目前的加载系统、负载仿真系统的加载驱动方式基本属于单自由度电液驱动,因而只能进行单自由度加载。中国专利:基于并联六自由度平台的广义加载系统,专利号:ZL200310108997.4针对这个问题提出一种基于并联多自由度机构的广义加载方案,但未能解决由机构耦合、以及加载面刚度带来控制精度受限的问题,另外系统的稳定性受到振动、冲击等干扰的严重影响。从而大大降低了系统的可靠性,对于动态同步加载存在一定困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种主从式双并联十二自由度广义力顺应加载机构,能通过改变从动式并联六自由度顺应机构主、从动平台的相对位姿来实现精确广义力加载和动态同步跟踪,此外还能有效的实现六个自由度的减振、缓冲和储能。本发明为空间对接动态同步加载系统提供了一种稳定性好、工作可靠的方案。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
包括由基座和主动式并联六自由度机构运动平台间用六路液压缸通过虎克铰组成的基于并联六自由度机构的加载系统;其特征在于:在并联六自由度加载机构的运动平台和从动式并联六自由度顺应机构主动平台之间,用球铰将六路轴向力传感器按照SPS型并联六自由度机构排列,构成六维力/力矩检测装置;从动式并联六自由度顺应机构由从动式并联六自由度顺应机构主动平台、从动式并联六自由度顺应机构从动平台以及六路单出杆拉压双向同性弹簧装置两端分别通过连接球铰安装组成,其中六路单出杆拉压双向同性弹簧装置按SPS型并联六自由度机构排列。
所述的单出杆拉压双向同性弹簧装置:缸壁穿过压缩挡板与固定挡板焊接;
缸壁靠近压缩挡板的一端两侧对称开槽,并与压缩挡板滑动连接;缸壁靠近压缩挡板端向外依次内置拉伸活塞,弹簧、压缩活塞和压缩导杆;两根对称布置的拉伸导杆一端与压缩挡板焊接,两根对称布置的拉伸导杆另一端与拉伸挡板滑动连接,并用螺栓限定行程;压缩导杆与挡板焊接;并联式双导轨套装在两根对称布置的拉伸导杆和压缩导杆外滑动连接,并联式双导轨套一端与缸壁固定连接;固定挡板通过球铰与并联六自由度顺应机构主动平台连接,压缩导杆通过另一球铰与并联六自由度顺应机构从动平台连接。
本发明与背景技术相比,具有的有益效果是:
(1)本发明充分利用并联六自由度机构位姿跟踪精度高的特点和弹簧系统力/位移函数线性度好的特点实现了高精度六自由度广义力动态同步加载;
(2)继承了弹簧阻尼系统在减振和缓冲方面的优点,实现了六维力/力矩的复合振动缓冲;
(3)对于由加载机构和被加载机构的初始位姿、零部件的安装和加工以及锁紧装置锁合产生的偏差具有容错能力;
(4)可以根据实际实验需要更换不同刚度的弹簧、不同尺寸的锁紧装置,通用性好。
本发明为六自由度广义力动态同步加载提供了一种精度高、可控性强、可靠性好的方案,是在加载领域特别是多自由度加载领域的突破。可应用于空间对接地面半物理仿真实验,航空航天材料疲劳实验等广义加载领域,对推动我国的航天事业,国防事业有重大意义。
附图说明
图1是本发明的结构原理图;
图2是单出杆拉压双向同性弹簧装置的剖视图。
图中:1、基座,2、虎克铰,3、六路液压缸,4、主动式并联六自由度机构运动平台5、球铰,6、六路轴向力传感器,7、从动式并联六自由度顺应机构主动平台,8、球铰,9、六路单出杆拉压双向同性弹簧装置,10、从动式并联六自由度顺应机构从动平台,11、拉伸挡板,12、拉伸导杆,13、压缩导杆,14、并联式双导轨套,15、缸壁,16、压缩活塞,17、压缩弹簧,18、拉伸活塞,19、压缩挡板,20、固定挡板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示,包括由基座1和主动式并联六自由度机构运动平台4间用六路液压缸3通过虎克铰2组成的基于并联六自由度机构的加载系统;其特征在于:在并联六自由度加载机构的运动平台4和从动式并联六自由度顺应机构主动平台7之间,用球铰5将六路轴向力传感器6按照SPS型并联六自由度机构排列,构成六维力/力矩检测装置;从动式并联六自由度顺应机构由从动式并联六自由度顺应机构主动平台7、从动式并联六自由度顺应机构从动平台10以及六路单出杆拉压双向同性弹簧装置9两端分别通过连接球铰8安装组成,其中六路单出杆拉压双向同性弹簧装置9按SPS型并联六自由度机构排列。
如图2所示,所述的单出杆拉压双向同性弹簧装置9:缸壁15穿过压缩挡板19与固定挡板20焊接;缸壁15靠近压缩挡板19的一端两侧对称开槽,并与压缩挡板19滑动连接;缸壁靠近压缩挡板19端向外依次内置拉伸活塞18,弹簧17、压缩活塞16和压缩导杆13;两根对称布置的拉伸导杆12一端与压缩挡板19焊接,两根对称布置的拉伸导杆另一端与拉伸挡板11滑动连接,并用螺栓限定行程;压缩导杆13与挡板11焊接;并联式双导轨套14装在两根对称布置的拉伸导杆12和压缩导杆13外滑动连接,并联式双导轨套一端与缸壁固定连接;固定挡板20通过球铰8与并联六自由度顺应机构主动平台7连接,压缩导杆13通过另一球铰8与并联六自由度顺应机构从动平台10连接。
工作原理如下介绍:
主动式并联六自由度加载机构为典型的Stewart型并联六自由度电液伺服机构,采用液压驱动,以主动运动的方式模拟安装在空间站上的对接机构,其运动平台可以高精度跟踪广义空间位姿Xp-o=[x y zαβγ],其中x,y,z为沿三坐标轴的位移量,α,β,γ为绕三坐标轴的旋转量。
从动式并联六自由度顺应机构为SPS型并联机构,其从动平台通过附加锁紧装置与被加载对象锁紧,并做同步跟随运动;同时,从动式并联六自由度顺应机构主动平台通过六路轴向力传感器与并联六自由度加载机构运动平台固联;六路轴向力传感器可实时检测沿三坐标轴的力矢Fx,Fy,Fz和绕三坐标轴的力矩Mx,My,Mz并反馈。
所述的单出杆拉压双向同性弹簧装置,采用并联式双导轨结构。当装置承受压力时,压缩导杆13通过并联式双导轨套14沿轴向正向移动,并通过压缩活塞16作用在压缩弹簧17上;同时拉伸活塞18和压缩挡板19紧靠固定挡板20,此时拉伸导杆12与拉伸挡板11滑动连接;当装置承受拉力时,拉伸挡板11通过固定在拉伸导杆12一端的螺母带动拉伸导杆12沿轴向反向移动,拉伸导杆12可在并联式双导轨套14中移动,并通过压缩挡板19带动拉伸活塞18,从而作用在压缩弹簧17上;同时,压缩活塞16紧靠并联式双导轨14的内壁。
通过预紧力,可以实现拉压交替时刚度的连续、平滑线性过渡。此外,由于弹簧系统本身的动力学特性,该装置还起到缓冲和减振的作用。
在进行航天航空材料或机构的动态力加载疲劳试验中,被加载对象固定在承载机构上,加载的目标六维广义力F=[FxFyFzMxMyMz]可以根据被加载对象的工作环境,按照某一复合函数规律变化,从而模拟复杂的太空受力环境。根据所设计的从动式并联六自由度顺应机构的静力学模型可知,当该机构主动平台和被动平台之间的相互位置和姿态确定时,从动平台可唯一确定的输出一组六维广义力F=[FxFyFzMxMyMz];因此通过主动调整并联六自由度加载机构上平台的位置和位姿,即可改变并联六自由度顺应机构主、从动平台的相对位姿,从而实现按某一函数曲线进行六维广义力加载。
空间交会对接模拟实验中,被加载机构模拟航天器做空间六自由度运动,主动式并联六自由度加载机构模拟安装在空间站上的对接装置,通过确定并联六自由度顺应机构主、从动平台相对位姿实现六维广义力的加载;当航天器与空间站相对速度不为零并因而产生广义加载偏差时,加载机构通过六维力/力矩传感器的在线检测,将广义力信息反馈回来,并重新调整加载机构运动平台的位姿,从而实时改变并联六自由度顺应机构主、从动平台的相对位姿,使得广义力偏差控制在精度范围内,实现动态同步广义力高精度加载。
Claims (2)
1、一种主从式双并联十二自由度广义力顺应加载机构,包括由基座(1)和主动式并联六自由度机构运动平台(4)间用六路液压缸(3)通过虎克铰(2)组成的基于并联六自由度机构的加载系统;其特征在于:在并联六自由度加载机构的运动平台(4)和从动式并联六自由度顺应机构主动平台(7)之间,用球铰(5)将六路轴向力传感器(6)按照SPS型并联六自由度机构排列,构成六维力/力矩检测装置;从动式并联六自由度顺应机构由从动式并联六自由度顺应机构主动平台(7)、从动式并联六自由度顺应机构从动平台(10)以及六路单出杆拉压双向同性弹簧装置(9)两端分别通过连接球铰(8)安装组成,其中六路单出杆拉压双向同性弹簧装置(9)按SPS型并联六自由度机构排列。
2、根据权利要求1所述的一种主从式双并联十二自由度广义力顺应加载机构,其特征在于所述的单出杆拉压双向同性弹簧装置(9):缸壁(15)穿过压缩挡板(19)与固定挡板(20)焊接;缸壁(15)靠近压缩挡板(19)的一端两侧对称开槽,并与压缩挡板(19)滑动连接;缸壁靠近压缩挡板(19)端向外依次内置拉伸活塞(18),弹簧(17)、压缩活塞(16)和压缩导杆(13);两根对称布置的拉伸导杆(12)一端与压缩挡板(19)焊接,两根对称布置的拉伸导杆另一端与拉伸挡板(11)滑动连接,并用螺栓限定行程;压缩导杆(13)与挡板(11)焊接;并联式双导轨套(14)装在两根对称布置的拉伸导杆(12)和压缩导杆(13)外滑动连接,并联式双导轨套一端与缸壁固定连接;固定挡板(20)通过球铰(8)与并联六自由度顺应机构主动平台(7)连接,压缩导杆(13)通过另一球铰(8)与并联六自由度顺应机构从动平台(10)连接。
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