CN106226011B - 一种测试并联机构扭转刚度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试并联机构扭转刚度的装置，包括扭矩装置框体、发条弹簧加载组件、减速机、扭矩输出轴杆、扭矩传感器、扭杆组件和光学杠杆组件；其中，扭杆组件一端与待测的并联机构的动平台顶部连接件固连，扭杆组件的另一端与扭矩传感器固连，扭矩传感器通过扭矩输出轴杆与减速机的输出轴连接，减速机设置在扭矩装置框体内，减速机的输入轴与发条弹簧加载组件连接，扭矩装置框体固定在设置于地面的支架上，通过光学杠杆组件测量并联机构动平台的扭转角度。本发明解决了现有技术中输出复合的力/力矩，无法施加某向线性无关的独立载荷，及无法实现加载载荷的连续变化、分级变化等问题。

Description

一种测试并联机构扭转刚度的装置

技术领域

本发明涉及刚度测试领域，具体涉及一种测试并联机构扭转刚度的装置。

背景技术

并联机构与串联机构相比具有刚度大、结构稳定、承载能力强、精度高、运动惯量小、实时控制性强等特点。并联机构在各种工业生产、实践活动均有广泛的运用，例如航空航天、精密制造、汽车加工装配、卫生医疗等等许多方面。要掌握并联机构的性能，必须先对该机构的力学特性加以深入分析，而并联机构的刚度是机构力学特性的重要指标。

专利号为200510050822.1公开了一种并联六维力传感器标定装置、专利号为200510050834.4公开了一种无级升降式六维力传感器标定装置，二者均使用龙门式框架，通过滑轮无级升降机构可以连续得到绳索与水平面之间的夹角，并采用大减速比减速机对六维力传感器施加载荷。两者的缺点均在于：采用绳索滑轮式机构在施加载荷时易存在方向误差、绳索只可单向输出拉力，不可反向输出压力；输出复合的力/力矩，无法实现各 方向独立载荷加载。

中国专利CN101936797A公开了一种六维力传感器标定装置及其标定方法，采用更换不同重量砝码加载的方式对六维力传感器进行加载，砝码加载无法实现加载载荷连续变化，此装置同样只可施加复合的力/力矩。

中国专利CN103604561A公开了一种六维力/力矩传感器标定装置及其标定方法，采用滑轮、钢丝绳、砝码加载，设计回转台以标定传感器多方向，其缺点砝码加载无法实现加载载荷连续变化。

以上专利共同缺点为均需要设计相应的工作台，若针对大尺寸的六维力传感器标定则成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试并联机构扭转刚度的装置，解决了输出复合的力/力矩，无法施加某向线性无关的独立载荷；采用砝码加载，无法实现加载载荷的连续变化、分级变化等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种测试并联机构扭转刚度的装置，包括扭矩装置框体、发条弹簧加载组件、减速机、扭矩输出轴杆、扭矩传感器、扭杆组件和光学杠杆组件；其中，扭杆组件一端与待测的并联机构的动平台顶部连接件固连，扭杆组件的另一端与扭矩传感器固连，扭矩传感器通过扭矩输出轴杆与减速机的输出轴连接，减速机设置在扭矩装置框体内，减速机的输入轴与发条弹簧加载组件连接，扭矩装置框体固定在设置于地面的支架上，通过光学杠杆组件测量并联机构动平台的扭转角度。

所述扭矩装置框体为立方体，其中任意两个平行的侧面无侧板，所述无侧板的侧面的四个角上焊接三角连接板，增加扭矩装置框体的整体刚度，扭矩装置框体上设有若干个安装孔位。

所述发条弹簧加载组件包括铜垫片、发条弹簧后侧安装壳、铜制发条弹簧隔盘、发条弹簧前侧安装壳、铜套法兰、手轮驱动杆、手轮固定键、手轮、两个发条弹簧和四个铜制压板；两个发条弹簧分别设置在发条弹簧后侧安装壳和发条弹簧前侧安装壳内，发条弹簧后侧安装壳和发条弹簧前侧安装壳通过法兰连接，铜制发条弹簧隔盘设置在两个发条弹簧之间；手轮驱动杆一端自发条弹簧前侧安装壳前端面中心伸入至发条弹簧后侧安装壳底部，手轮通过手轮固定键设置在手轮驱动杆另一端，且位于发条弹簧前侧安装壳的前侧；发条弹簧后侧安装壳通过四个铜制压板与扭矩装置框体的侧壁固连，发条弹簧后侧安装壳和扭矩装置框体之间设有铜垫片；减速机的输入轴伸入发条弹簧后侧安装壳后端面的内部，且减速机的输入轴与手轮驱动杆不接触；铜套法兰通过螺纹孔固定于发条弹簧前侧安装壳前端面，保证手轮驱动杆的自由转动。

所述两个发条弹簧均选择内钩外钩类型，安装时两个发条弹簧均预旋一定圈数，且使两个发条弹簧旋转方向相反，当手轮驱动杆以某方向转动时，发条弹簧一个逐渐上紧另一个逐渐放松，以使手轮正反转均能够输出扭矩。

所述扭杆组件包括扭矩传感器插杆、扭矩传感器连杆、并联机构连杆和两根平行设置的长连杆；扭矩传感器连杆与并联机构连杆平行设置，扭矩传感器连杆、并联机构连杆和两根长连杆构成平行四边形，扭矩传感器插杆嵌入扭矩传感器的通槽内，并固连，扭矩传感器插杆与扭矩传感器连杆底部连接，并联机构连杆与并联机构的顶部固连；所述扭矩传感器插杆、扭矩传感器连杆、并联机构连杆和两根长连杆上均设有若干个销孔，用于设置销轴，当并联机构动平台转动一定角度，通过销轴处的转动实现平行四边形机构形状的改变，以适应并联机构动平台的转动，保证扭矩的传递。

所述光学杠杆组件包括位置灵敏度探测器PSD组件、屏幕、半透镜、激光发射器和反射镜；反射镜固定在并联机构的动平台上，依次设置位置灵敏度探测器 PSD组件、屏幕、半透镜和反射镜，屏幕与反射镜平行，位置灵敏度探测器PSD 组件位于屏幕后侧用于获取反射激光的光斑；激光发射器位于屏幕与反射镜之间，保证激光发射器发射出的激光与半透镜所在的平面成45°夹角，经半透镜反射到反射镜上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)结构简单紧凑、制作成本低。

(2)扭矩装置框体四周上设有若干个安装孔位，便于调节整个装置的安装高度与加载方向，以适应各类尺寸与形状并联机构，通用性强。

(3)手轮转动带动发条弹簧张紧，输出扭矩与发条弹簧张紧状态有关，因此输出扭矩与手轮转动量相关，以某一方向转动手轮输出扭矩，结合扭矩传感器，可以控制扭矩连续变化、分级变化，保证施加扭矩的精度。

(4)手轮正转反转均可输出扭矩，即可以输出绕某轴的正扭矩或负扭矩。通过手轮的正转反转可以方便地完成加载与卸载的过程，操作简单，性能可靠。

(5)可以输出某一方向线性无关的独立扭矩。

附图说明

图1为本发明测量并联机构扭转刚度的装置的立体结构图。

图2为本发明测量并联机构扭转刚度的装置的主视图。

图3为本发明测量并联机构扭转刚度的局部剖视图。

图4为本发明测量并联机构扭转刚度的局部结构示意图。

图5为本发明测量并联机构扭转刚度的扭杆组件结构示意图。

图6为本发明测量并联机构扭转刚度的光学杠杆组件测量原理图。

图7为本发明测量并联机构扭转刚度的发条弹簧安装固定方式图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图7，一种测试并联机构扭转刚度的装置，包括扭矩装置框体1、发条弹簧加载组件2、减速机3、扭矩输出轴杆4、扭矩传感器5、扭杆组件6 和光学杠杆组件8。其中，扭杆组件6一端与待测的并联机构7的动平台顶部连接件固连，扭杆组件6的另一端底部与扭矩传感器5固连，扭矩传感器5通过扭矩输出轴杆4与减速机3的输出轴连接，减速机3设置在扭矩装置框体1内，减速机3的输入轴与发条弹簧加载组件2连接，扭矩装置框体1通过与地面固定的支架固连；通过光学杠杆组件8测量并联机构7动平台的扭转角度。

扭矩装置框体1共六个平面，其中两个平行的面无侧板，其余四个面焊接为一个立方体，所述无侧板的两个面的四个角上均焊接三角连接板，增加扭矩装置框体1的整体刚度，扭矩装置框体1四周均设有若干个安装孔位，便于调节整个测量装置的安装高度与加载方向，以适应各类尺寸与形状并联机构。

所述发条弹簧加载组件2包括铜垫片2-1、发条弹簧后侧安装壳2-3、铜制发条弹簧隔盘2-5、发条弹簧前侧安装壳2-6、铜套法兰2-7、手轮驱动杆2-8、手轮固定键2-9、手轮2-10、两个发条弹簧2-4和四个铜制压板2-2。两个发条弹簧 2-4分别设置在发条弹簧后侧安装壳2-3和发条弹簧前侧安装壳2-6内，发条弹簧后侧安装壳2-3和发条弹簧前侧安装壳2-6通过法兰连接，铜制发条弹簧隔盘 2-5设置在两个发条弹簧2-4之间，保证两个发条弹簧2-4不发生相互干扰，同时对手轮驱动杆2-8中部起支承作用，以保证手轮驱动杆2-8的转动稳定性。手轮驱动杆2-8一端自发条弹簧前侧安装壳2-6前端面中心伸入至发条弹簧后侧安装壳2-3底部，手轮2-10通过手轮固定键2-9设置在手轮驱动杆2-8另一端端部。发条弹簧后侧安装壳2-3通过四个铜制压板2-2与扭矩装置框体1的侧壁固连，发条弹簧后侧安装壳2-3和扭矩装置框体1之间设有铜垫片2-1。减速机3的输入轴伸入发条弹簧后侧安装壳2-3后端面的内部，且减速机3的输入轴与手轮驱动杆2-8不接触。铜套法兰2-7通过螺纹孔固定于发条弹簧前侧安装壳2-6前端面，保证手轮驱动杆2-8可自由转动。

所述两个发条弹簧2-4均选择内钩外钩类型，安装时两个发条弹簧2-4均预旋一定圈数，且使两个发条弹簧2-4旋转方向相反，因此当手轮驱动杆2-8以某方向转动时，发条弹簧2-4一个逐渐上紧另一个逐渐放松，以使手轮2-10正反转均可输出扭矩。

四个铜制压板2-2与扭矩装置框体1通过螺纹连接，弹簧后侧安装壳2-3后端面设有凸台，铜制压板2-2压住发条弹簧后侧安装壳2-3后侧端面凸台，以限制发条弹簧加载组件2整体的移动，而不限制发条弹簧加载组件2整体的转动，保证扭矩的传递。

铜垫片2-1减小扭矩装置框体1与发条弹簧后侧安装壳2-3端面的转动摩擦，以使手轮2-10可带动发条弹簧加载组件2自由转动。

发条弹簧后侧安装壳2-3的后端面加工键槽与减速机3的输入轴相配合，通过键连接止转，以保证扭矩的传递。

减速机3的减速比为100～200，使得手轮2-10力减小，输出扭矩增大，减速机3侧壁配有安装孔，通过螺纹与扭矩装置框体1内壁固连。

扭矩输出轴杆4顶部通过法兰盘与扭矩传感器5相连接，扭矩输出轴杆4中心开设通槽，用于与减速机3的输出轴相连接，并配有紧定螺钉止动。

手轮2-10转动带动发条弹簧2-4上紧，输出扭矩与发条弹簧2-4的张紧状态有关，因此输出扭矩与手轮2-10的转动量相关，以某一方向转动手轮2-10输出扭矩，结合扭矩传感器5，可以控制扭矩连续变化、分级变化，保证施加扭矩的精度，手轮2-10以反方向转动即可完成卸载，同时获取输出扭矩M。

扭矩传感器5采用上海高灵传感系统工程有限公司生产的GNL—Ⅰ静态扭矩传感器，其上侧配有通槽，下侧端面配有法兰盘。

扭杆组件6包括扭矩传感器插杆6-3、扭矩传感器连杆6-2、并联机构连杆 6-4和两根平行设置的长连杆6-1。扭矩传感器连杆6-2与并联机构连杆6-4平行设置，扭矩传感器连杆6-2、并联机构连杆6-4和两根长连杆6-1构成平行四边形，扭矩传感器插杆6-3嵌入扭矩传感器5的通槽内，并用螺纹连接固定，扭矩传感器插杆6-3通过螺纹与扭矩传感器连杆6-2底部连接，并联机构连杆6-4通过螺栓与并联机构7的顶部固连。所述扭矩传感器插杆6-3、扭矩传感器连杆6-2、并联机构连杆6-4和两根长连杆6-1上均设有若干个销孔，用于安装销轴，当并联机构7动平台转动一定角度，通过销轴处的转动实现平行四边形机构形状的改变，以适应并联机构7动平台的转动，以保证扭矩的传递；同时两根长连杆6-1 上的销孔，可以结合并联机构7尺寸与形状，选择适合的销孔位置，以调节扭杆组件6的伸长长度，以增强装置的通用性。

光学杠杆组件8包括位置灵敏度探测器PSD组件8-1、屏幕8-2、半透镜8-3、激光发射器8-4和反射镜8-5。反射镜8-5固定在并联机构7的动平台上，依次设置位置灵敏度探测器PSD组件8-1、屏幕8-2、半透镜8-3和反射镜8-5，屏幕 8-2与反射镜8-5平行，并保证二者之间相距足够的距离，位置灵敏度探测器PSD 组件8-1位于屏幕8-2后侧用于获取反射激光的光斑。激光发射器8-3位于屏幕 8-2与反射镜8-5之间，保证激光发射器8-4发射出的激光与半透镜8-3所在的平面成45°夹角，经半透镜8-3反射到反射镜8-5上。

当反射镜8-5随并联机构7的动平台转动角度为α时，则此时激光发射器8-4 发射的激光与反射镜8-5反射的激光所成角度为2α。假定初始状态下屏幕8-2与反射镜8-5二者距离为L₁。假定动平台发生转动后，反射激光的光斑与光斑的初始位置之间距离为L₂，则可计算得转动角度α：

则扭转刚度为K_M：

将并联机构7的定平台与地面固定，测试装置按照所需测试方向进行设置，转动手轮2-10进行加载，结合扭矩传感器5控制扭矩逐级变化，即输出扭矩从零到满量程分为10～12次加载。在完成加载后手轮2-10反转以完成卸载，同样地控制输出扭矩从满量程到零分成10～12次加载。为保证测量精度，重复多次加载卸载过程。加载过程中通过光学杠杆组件8实时获取并联机构7在扭矩作用下的角度变化量，结合数据分析并联机构7该方向的向扭转刚度K_M。

Claims (6)

1.一种测试并联机构扭转刚度的装置，其特征在于：包括扭矩装置框体（1）、发条弹簧加载组件（2）、减速机（3）、扭矩输出轴杆（4）、扭矩传感器（5）、扭杆组件（6）和光学杠杆组件（8）；其中，扭杆组件（6）一端与待测的并联机构（7）的动平台顶部连接件固连，扭杆组件（6）的另一端与扭矩传感器（5）固连，扭矩传感器（5）通过扭矩输出轴杆（4）与减速机（3）的输出轴连接，减速机（3）设置在扭矩装置框体（1）内，减速机（3）的输入轴与发条弹簧加载组件（2）连接，扭矩装置框体（1）固定在设置于地面的支架上，通过光学杠杆组件（8）测量并联机构（7）动平台的扭转角度。

2.根据权利要求1所述的测试并联机构扭转刚度的装置，其特征在于：所述扭矩装置框体（1）为立方体，其中任意两个平行的侧面无侧板，无侧板的侧面的四个角上焊接三角连接板，增加扭矩装置框体（1）的整体刚度，扭矩装置框体（1）上设有若干个安装孔位。

3.根据权利要求1所述的测试并联机构扭转刚度的装置，其特征在于：所述发条弹簧加载组件（2）包括铜垫片（2-1）、发条弹簧后侧安装壳（2-3）、铜制发条弹簧隔盘（2-5）、发条弹簧前侧安装壳（2-6）、铜套法兰（2-7）、手轮驱动杆（2-8）、手轮固定键（2-9）、手轮（2-10）、两个发条弹簧（2-4）和四个铜制压板（2-2）；两个发条弹簧（2-4）分别设置在发条弹簧后侧安装壳（2-3）和发条弹簧前侧安装壳（2-6）内，发条弹簧后侧安装壳（2-3）和发条弹簧前侧安装壳（2-6）通过法兰连接，铜制发条弹簧隔盘（2-5）设置在两个发条弹簧（2-4）之间；手轮驱动杆（2-8）一端自发条弹簧前侧安装壳（2-6）前端面中心伸入至发条弹簧后侧安装壳（2-3）底部，手轮（2-10）通过手轮固定键（2-9）设置在手轮驱动杆（2-8）另一端，且位于发条弹簧前侧安装壳（2-6）的前侧；发条弹簧后侧安装壳（2-3）通过四个铜制压板（2-2）与扭矩装置框体（1）的侧壁固连，发条弹簧后侧安装壳（2-3）和扭矩装置框体（1）之间设有铜垫片（2-1）；减速机（3）的输入轴伸入发条弹簧后侧安装壳（2-3）后端面的内部，且减速机（3）的输入轴与手轮驱动杆（2-8）不接触；铜套法兰（2-7）通过螺纹孔固定于发条弹簧前侧安装壳（2-6）前端面，保证手轮驱动杆（2-8）的自由转动。

4.根据权利要求3所述的测试并联机构扭转刚度的装置，其特征在于：所述两个发条弹簧（2-4）均选择内钩外钩类型，安装时两个发条弹簧（2-4）均预旋一定圈数，且使两个发条弹簧（2-4）旋转方向相反，当手轮驱动杆（2-8）以某方向转动时，发条弹簧（2-4）一个逐渐上紧另一个逐渐放松，以使手轮（2-10）正反转均能够输出扭矩。

5.根据权利要求1所述的测试并联机构扭转刚度的装置，其特征在于：所述扭杆组件（6）包括扭矩传感器插杆（6-3）、扭矩传感器连杆（6-2）、并联机构连杆（6-4）和两根平行设置的长连杆（6-1）；扭矩传感器连杆（6-2）与并联机构连杆（6-4）平行设置，扭矩传感器连杆（6-2）、并联机构连杆（6-4）和两根长连杆（6-1）构成平行四边形，扭矩传感器插杆（6-3）嵌入扭矩传感器（5）的通槽内，并固连，扭矩传感器插杆（6-3）与扭矩传感器连杆（6-2）底部连接，并联机构连杆（6-4）与并联机构（7）的顶部固连；所述扭矩传感器插杆（6-3）、扭矩传感器连杆（6-2）、并联机构连杆（6-4）和两根长连杆（6-1）上均设有若干个销孔，用于设置销轴，当并联机构（7）动平台转动一定角度，通过销轴处的转动实现平行四边形机构形状的改变，以适应并联机构（7）动平台的转动，保证扭矩的传递。

6.根据权利要求1所述的测试并联机构扭转刚度的装置，其特征在于：所述光学杠杆组件（8）包括位置灵敏度探测器PSD组件（8-1）、屏幕（8-2）、半透镜（8-3）、激光发射器（8-4）和反射镜（8-5）；反射镜（8-5）固定在并联机构（7）的动平台上，依次设置位置灵敏度探测器PSD组件（8-1）、屏幕（8-2）、半透镜（8-3）和反射镜（8-5），屏幕（8-2）与反射镜（8-5）平行，位置灵敏度探测器PSD组件（8-1）位于屏幕（8-2）后侧用于获取反射激光的光斑；激光发射器（8-3）位于屏幕（8-2）与反射镜（8-5）之间，保证激光发射器（8-4）发射出的激光与半透镜（8-3）所在的平面成45°夹角，经半透镜（8-3）反射到反射镜（8-5）上。