CN105486451A - 用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，包括加载点32、加载部件33、动平台1、定平台4，以及六个自校回位部件，其中，动平台1和定平台4之间通过六个自校回位部件连接，连接关系按照6自由度的并联Stewart平台结构设置；自校回位部件包括第一球铰链41、万向挠性件42、力传感器43、伸缩杆44、驱动机构45和第二球铰链46，其中，万向挠性件42为只传递轴向力的弹性元件,通过第一球铰链41与动平台1连接，万向挠性件42另一端通过力传感器43与伸缩杆驱动机构连接，伸缩杆驱动机构包括伸缩杆44和驱动机构45,驱动机构45另一端通过第二球铰链46与定平台1连接。

Description

用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置

技术领域:

本发明属于空间矢量力测试领域，具体涉及一种用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置。

背景技术：

在航空发动机、火箭发动机和空气动力测试领域，空间矢量力(即三个方向力和三个方向力矩)测量是很重要的一项试验内容，极大影响着试验件性能。用于空间矢量力测量的试验设备很多，各种形式的风洞天平、航空发动机矢量推力试车台、火箭发动机矢量推力试车台。

为了准确获取试验件受到的气动矢量力，试验前需要采用校准装置对测力系统进行校准标定。校准装置性能优劣，直接影响到测力系统的校准精度，最重要的性能标准是校准装置能否正确模拟试验件工作时的真实受力情况，即是否实现空间矢量力的原位加载。

目前，风洞天平加载装置较多，大多可模拟飞行器真实受力情况，主要分为地轴系和体轴系两类，校准方法有单元校准法和多元校准法，但存在校准时间长、结构复杂等缺点，且施加的空间矢量力并不能保证在校准原点。对于航空发动机和火箭发动机矢量力测量系统的加载，采取的是一种近似方法，即在测力传感器轴线上分别施加力和力矩，并没有在空间矢量力产生的位置进行校准，故其测力系统精度均不高。

发明内容：

发明目的：

设计结构简单、实施方便的力加载装置，用于空间矢量力测量系统的校准和加载，主要包括航空发动机、火箭发动机和风洞天平空间矢量力测试领域及其他空间矢量力加载校准的场合，实现空间矢量力原位加载和机构自动校准回位，缩短空间矢量力测量设备的校准时间，提高校准精度和测量精度。

本发明实现上述目的的方案：

一种用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，包括加载点(32)、加载部件(33)、动平台(1)、定平台(4)、第一自校回位部件(34)、第二自校回位部件(35)、第三自校回位部件(36)、第四自校回位部件(37)、第五自校回位部件(38)、第六自校回位部件(39)，其中，动平台(1)和定平台(4)分别为平面结构，定平台(4)平面面积大于动平台(1)，动平台(1)和定平台(4)之间通过六个自校回位部件连接，连接关系按照6自由度的并联Stewart平台结构设置，加载部件(33)固定连接在动平台(1)与定平台(1)背离的一面，连接位置为动平台与六个自校回位部件连接点的几何中心，加载部件(33)用来将动平台的力通过加载点(32)传递给被校准设备(31)。

自校回位部件包括第一球铰链(41)、万向挠性件(42)、力传感器(43)、伸缩杆(44)、驱动机构(45)和第二球铰链(46)，其中，万向挠性件(42)为只传递轴向力的弹性元件,通过第一球铰链(41)与动平台(1)连接，万向挠性件(42)另一端通过力传感器(43)与伸缩杆驱动机构连接，伸缩杆驱动机构包括伸缩杆(44)和驱动机构(45),驱动机构(45)另一端通过第二球铰链(46)与定平台(1)连接。

关于技术效果的描写：

本发明设计的一种用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，通过自校回位部件的不同空间布局，实现加载力与伸缩杆位移的闭环控制，达到空间矢量力精确加载的目的，适用于航空发动机、火箭发动机和风洞天平空间矢量力测试领域，能够达到以下技术效果：

1)力加载范围：0～50000daN；

2)力矩加载范围：0～10000daNm；

3)加载方向角：±60°；

4)力加载精度：0.1％；

5)力矩加载精度：0.2％；

6)角度加载精度：±0.2°；

7)分辨率：0.02％；

关于说明书附图

图1为6自由度的并联Stewart平台模型示意图；

图2为力学模型示意图；

图3为本发明中自校回位部件的结构示意图；

图4a和图4b为本发明结构中加载部件的两种实施例示意图；

图5和图6为本发明加载原理示意图；

图7为本发明结构示意图；

其中，1、动平台；2、第一伸缩杆；3、第二伸缩杆；4、定平台；5、第三伸缩杆；6、第四伸缩杆；7、第五伸缩杆；8、第六伸缩杆；11、第一动铰链点M₁；12、第二动铰链点M₂；13、第六动铰链点M₆；14、第三动铰链点M₃；15、第四动铰链点M₄；16、第五动铰链点M₅；17、第三定铰链点B₃；18、第一定铰链点B₁；19、第二定铰链点B₂；20、第四定铰链点B₄；21、第五定铰链点B₅；22、第六定铰链点B₆；31、被校准设备；32、加载点；33、加载部件；34、第一自校回位部件；35、第二自校回位部件；36、第三自校回位部件；37、第四自校回位部件；38、第五自校回位部件；39、第六自校回位部件；41、第一球铰链；42、万向挠性件；43、力传感器；44、伸缩杆；45、驱动机构；46、第二球铰链；51、加载球铰链；52、六分力加载杆；53、三分力加载杆；

具体实施方式：

本发明设计用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，主要包括运动部件、测力部件和加载部件。实施方式整体为：

1)根据被校准设备的结构，初步设计运动部件的空间尺寸和布局；

2)根据被校准设备的测力范围，设计测力部件和加载部件；

3)运动部件的结构设计与优化；

4)测力部件与加载部件的结构设计与优化；

5)系统组装与调试；

6)系统的校准与修正；

具体原理及实施方式如下：

本发明介绍的用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，通过对六个运动组件和六个测力组件的空间并联布局，实现空间矢量力的任意精确加载，并实现加载装置的自动控制、自动校准和回位，缩短空间矢量力测量设备的校准时间。

本发明设计用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，主要包括运动部件、测力部件和加载部件，适用于航空发动机、火箭发动机和风洞天平空间矢量力测试领域。运动部件控制装置空间位置和方向角，并实现装置的自动回位功能和加载点位移补偿功能；测力部件实现校准力矢量/力矩矢量的测量，将校准计算结果反馈给运动部件，实现力加载与运动部件位移的闭环控制；加载部件是保证将测力部件和运动部件产生的校准力精确的施加给被校准试验设备。

1运动模型

本发明的运动模型为6自由度的并联Stewart平台模型，具体如图1所示，由动平台(1)、定平台(4)和六个与其相连接的伸缩杆组成，通过伸缩杆长度变化来控制动平台的空间位置和方向角。在定平台中心O建立与定平台固结的定坐标系O-XYZ，在动平台中心O₁建立与动平台固结的动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁。动平台相对于定平台的空间位置用动坐标系原点O₁在定坐标系中的位置(x，y，z)表示，动平台相对于定平台的方向角用动坐标系相对于静坐标系转动的三个欧拉角(α，β，γ)表示，可用变量P＝[x，y，z,α，β，γ]^T来表示，六个伸缩杆的变量为Q＝[L₁，L₂，L₃，L₄，L₅，L₆]^T

为了实现空间矢量力加载，动平台可实现任意位置和方向角的变换，先进行方向角变换，再进行空间位置变换。方向角变换是通过三次连续的绕坐标轴旋转实现，空间位置变换是通过改变六个伸缩杆的长度来实现。如采用Z-Y-X轴旋转角度的变换方式来实现方向角变换，先将动平台绕自身动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁的Z₁轴旋转α角，再绕当前动坐标系的Y₁轴旋转β角，最后绕当前动坐标系的X₁轴旋转γ角。

2测力模型

本发明的测力模型随着加载点空间位置和方向角变化而变化，是一个动态的力学模型。在此，以某个加载点的运动模型为例，进行测力模型说明，如图2所示。六个伸缩杆通过铰链分别与动平台、定平台连接；与动平台连接的铰链点记为Mi＝(i＝1，…，6)，其在定坐标系的位置矢量用Mi(i＝1，…，6)表示；与定平台连接的铰链点记为Bi＝(i＝1，…，6)，其在定坐标系的位置矢量用Bi(i＝1，…，6)表示。当加载力作用在动平台上时，六个伸缩杆有反作用力，假设这些反作用力沿着杆方向。采用螺旋理论方法建立数学模型，当以力旋量表示六个轴力时，考虑到动平台的平衡，六个伸缩杆力旋量之和应与动平台所受外力平衡，即

$f_1{e}_1+f_2{e}_2+...+f_i{e}_i+...=\stackrel{\→}{F}+\∈\stackrel{\→}{M}$

式中：f_i为第i个杆受到的轴力；

e_i为第i个杆轴线对固定坐标系的单位线矢；

和分别为动平台上作用力和力矩；

上式可用矩阵形式的平衡方程来表示

$\stackrel{\→}{F}=Gf$

式中： $\stackrel{\→}{F}={\left\{\begin{array}{cccccc}{F}_x,& F_y,& F_z,& M_x,& M_y,& M_z\end{array}\right\}}^T$

f＝{f₁,f₂,…,f₆}^T

3部件设计

本发明设计的用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，通过六个自校回位部件的空间布局，实现空间矢量力/力矩的加载和测量，并由加载部件将空间矢量力/力矩传递给被校准测力试验设备。

自校回位部件见图3，伸缩杆(44)在驱动机构(45)的作用下运动，实现空间位置和方向角的控制；动平台(1)受到被校准测力试验设备(31)的约束，使得与动平台(1)连接的第一球铰链(41)受到运动约束，由驱动机构产生作用力(45)；力传感器(43)与伸缩杆(44)连接，只能测量器其沿杆方向的轴向力，故在第一球铰链(41)与力传感器(43)之间安装万向柔性件(42)，使得第一球铰链(41)的约束力只能将沿伸缩杆(44)轴向的外力传递给力传感器(43)，减小了测力部件之间的耦合作用。

由驱动机构(45)产生的加载力，经动平台(1)传递给被校准设备(31)，按需要设计相应的加载部件(33)，以保证将需要加载的力/力矩传递给被校准设备(31)，提高校准精度。图4(a)中，加载部件(33)设计为六分力加载杆(52)，通过加载球铰链(51)与加载点(32)连接，将动平台(1)产生的三个力分量和三个力矩分量传递给被校准设备(31)。图4(b)与图4(a)类似，区别在于将六分力加载杆变成了三分力加载杆(53)。

4加载原理

本发明的加载原理如图5和图6，可实现空间三个方向力和三个方向力矩的加载。校准过程中，六个自校回位部件(34，35，36，37，38，39)进行大位移运动(约占运动位移的99.5％)，使得动平台(1)和加载部件(33)到达要求的校准位置和校准方向角；然后通过驱动装置使得伸缩杆产生微应变和校准力/力矩，加载部件(53)将校准力/力矩传递给被校准设备(31)；通过测力组件的对加载力/力矩的测量并计算，闭环控制驱动装置施加给六个伸缩杆的作用力。

由于本发明所设计的并联装置属于中心对称结构，能够实现类似圆锥角范围内的任意空间位置和方向角的加载和校准，如图6所示。其中，图6(a)为俯仰力/力矩加载示意图，图6(b)为偏航力/力矩加载示意图。

Claims (1)

1.一种用于空间矢量力加载的六自由度并联控制自校回位装置，其特征在于，包括加载点(32)、加载部件(33)、动平台(1)、定平台(4)、第一自校回位部件(34)、第二自校回位部件(35)、第三自校回位部件(36)、第四自校回位部件(37)、第五自校回位部件(38)、第六自校回位部件(39)，其中，动平台(1)和定平台(4)分别为平面结构，定平台(4)平面面积大于动平台(1)，动平台(1)和定平台(4)之间通过六个自校回位部件连接，连接关系按照6自由度的并联Stewart平台结构设置，加载部件(33)固定连接在动平台(1)与定平台(4)背离的一面，连接位置为动平台与六个自校回位部件连接点的几何中心，加载部件(33)用来将动平台的力通过加载点(32)传递给被校准设备(31)；

自校回位部件包括第一球铰链(41)、万向挠性件(42)、力传感器(43)、伸缩杆(44)、驱动机构(45)和第二球铰链(46)，其中，万向挠性件(42)为只传递轴向力的弹性元件,通过第一球铰链(41)与动平台(1)连接，万向挠性件(42)另一端通过力传感器(43)与伸缩杆驱动机构连接，伸缩杆驱动机构包括伸缩杆(44)和驱动机构(45),驱动机构(45)另一端通过第二球铰链(46)与定平台(1)连接。