高線性力輸出的多維復(fù)合加載裝置設(shè)計(jì)

李金寶 王進(jìn) 樊銳 郭江真 王丹 陳五一

摘 要：針對(duì)航空關(guān)鍵部件多維復(fù)合加載中高線性力加載的工況，提出6-SPS+P并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)對(duì)線性力、扭矩和彎矩的獨(dú)立測(cè)量，可以滿足線性力大量程和總體測(cè)量精度要求。分析機(jī)構(gòu)工作空間，得出球鉸鏈最大轉(zhuǎn)角和支鏈長(zhǎng)度的變化規(guī)律，確定機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)。分析機(jī)構(gòu)受力，確定各支鏈所受最大推力和拉力。

關(guān)鍵詞：多維復(fù)合加載；并聯(lián)機(jī)構(gòu)；高線性力

中圖分類號(hào)：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0097-02

Abstract： In view of the condition of high linear force loading in multi-dimensional composite loading of key components of aviation， the configuration of 6-SPS+P parallel mechanism is proposed to realize the independent measurement of linear force， torque and bending moment， which can meet the requirements of large range of linear force and overall measurement precision. By analyzing the workspace of the mechanism， the variation law of the maximum rotation angle of the spherical hinge and the length of the branched chain is obtained， and the geometric parameters of the mechanism are determined， thus this paper analyzes the force of the mechanism to determine the maximum thrust and tension of each branch chain.

Keywords： multidimensional composite loading； parallel mechanism； high linear force

1 概述

針對(duì)航空關(guān)鍵部件的多維復(fù)合加載測(cè)試中，存在高線性力加載的工況，即加載的線性力幅值遠(yuǎn)大于扭矩和彎矩的幅值[1-3]。采用6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部件的多維復(fù)合加載，其輸出的復(fù)合載荷可以通過安裝在6條直鏈的力傳感器測(cè)量和計(jì)算得出[4-5]。但是，當(dāng)加載的線性力幅值遠(yuǎn)大于扭矩和彎矩時(shí)，若以線性力幅值選擇傳感器，傳感器量程較大，其分辨率通常與量程成正比，造成測(cè)量彎矩和扭矩時(shí)分辨率不足。反之，以彎矩和扭矩幅值選擇傳感器，其量程不能滿足線性力測(cè)量要求。所以，需針對(duì)高線性力加載的工況，對(duì)6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)[6-7]。

2 6-SPS+P的構(gòu)型簡(jiǎn)介

6-SPS+P機(jī)構(gòu)的構(gòu)型如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由6條SPS支鏈以及中間僅含有P副的支鏈組成，中間支鏈與動(dòng)平臺(tái)下端由待測(cè)關(guān)鍵部件連接，動(dòng)平臺(tái)上端與固定框架之間由另一個(gè)相同待測(cè)部件連接。實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)對(duì)兩個(gè)待測(cè)部件進(jìn)行復(fù)合加載，中間支鏈對(duì)待測(cè)件施加高線性力載荷，6-SPS機(jī)構(gòu)對(duì)試件施加彎矩和扭矩載荷。該構(gòu)型可實(shí)現(xiàn)對(duì)線性力載荷與彎矩、扭矩載荷的獨(dú)立加載和測(cè)量，可滿足高線性力測(cè)量的量程要求和彎矩、扭矩測(cè)量的精度要求。

3 工作空間分析

加載機(jī)構(gòu)的工作空間分析的主要內(nèi)容是在滿足項(xiàng)目工作空間要求的情況下確定球鉸的最大轉(zhuǎn)角和移動(dòng)副的最大行程均不超過許用值。與6-SPS構(gòu)型不同，增加了中間支鏈的構(gòu)型中6條SPS支鏈承受扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，受力較小。對(duì)于該構(gòu)型的計(jì)算和參數(shù)選擇主要集中于工作空間的分析，以期減小球鉸轉(zhuǎn)角和液壓缸行程。主要計(jì)算流程為：首先根據(jù)待測(cè)部件的尺寸和設(shè)計(jì)要求，給定一組機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。將該結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入到計(jì)算模型中求解滿足工作空間要求的球鉸最大轉(zhuǎn)角和移動(dòng)副最大行程。球鉸最大轉(zhuǎn)角初步設(shè)置為±30°，移動(dòng)副最大行程確定后選定液壓缸標(biāo)準(zhǔn)行程，根據(jù)液壓缸樣本確定結(jié)構(gòu)參數(shù)后與設(shè)計(jì)桿長(zhǎng)進(jìn)行比較，確定是否滿足要求。如果不滿足要求，則重新選定結(jié)構(gòu)參數(shù)，代入后計(jì)算，直到得到符和要求的結(jié)果。

以靜坐標(biāo)系Ob-XbYbZb為參考坐標(biāo)系，加載方式為繞靜系加載，設(shè)置動(dòng)平臺(tái)翻轉(zhuǎn)的軸向量為[0，1，0]T，給定動(dòng)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)角度θ和扭轉(zhuǎn)角度γ，Zb向保持工作中心高不動(dòng)，可根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解求得到該位姿下的12個(gè)球鉸轉(zhuǎn)角的最大值，即為對(duì)應(yīng)于該位姿的球鉸最大轉(zhuǎn)角。令動(dòng)平臺(tái)翻轉(zhuǎn)角度在-10°～10°之間變化，扭轉(zhuǎn)角度在-25°～25°之間變化，得到球鉸最大轉(zhuǎn)角與姿態(tài)的關(guān)系如圖2所示。

取機(jī)構(gòu)的極限姿態(tài)，以工作中心高OpOb為自變量，最大支鏈長(zhǎng)度lmax和最小支鏈長(zhǎng)度lmin為目標(biāo)變量，發(fā)現(xiàn)隨工作中心高的增大，最大支鏈長(zhǎng)度lmax和最小支鏈長(zhǎng)度lmin以線性關(guān)系不斷增大。

4 支鏈?zhǔn)芰Ψ治?/p>

將機(jī)構(gòu)每條SPS支鏈可視為一個(gè)二力桿，在加載過程中會(huì)對(duì)動(dòng)平臺(tái)施加推力或拉力。圖3為支鏈最大載荷與扭轉(zhuǎn)角度和翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線，由圖線可知，隨著扭轉(zhuǎn)角度和翻轉(zhuǎn)角度的增大，6條支鏈的最大推力值和最大拉力值呈增大的趨勢(shì)。因此可通過研究最大轉(zhuǎn)角處的支鏈?zhǔn)芰Φ玫郊虞d實(shí)驗(yàn)所需的支鏈最大載荷。

在選擇驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)需要得到6條支鏈的最大驅(qū)動(dòng)力，因此需考慮在壓彎扭復(fù)合加載的情況下6條SPS支鏈的最大推力和最大拉力?？疾靹?dòng)平臺(tái)的4個(gè)極限位姿，得到在復(fù)合加載時(shí)支鏈最大推力值及最大拉力值，如表1上面一組支鏈力所示。

以上是基于理想狀態(tài)的計(jì)算情況。在實(shí)際的加工裝配過程中，中間支鏈很難做到與彈性軸承試件完全對(duì)心，進(jìn)而在加載過程中會(huì)對(duì)6-SPS機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生附加彎矩。由于中間支鏈的載荷很大，即使很小的偏心也會(huì)產(chǎn)生較大的附加彎矩，因此在計(jì)算過程中應(yīng)將由于偏心產(chǎn)生的附加彎矩考慮在內(nèi)。

結(jié)合加工與裝配的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將中間支鏈軸線與彈性軸承軸線的同軸度誤差δ設(shè)為1mm，則動(dòng)平臺(tái)上會(huì)產(chǎn)生的附加彎矩T=400Nm。分析可知當(dāng)附加彎矩與加載彎矩軸線重合時(shí)，SPS支鏈上的受力達(dá)到最大。以Yb軸作為彎矩加載時(shí)的翻轉(zhuǎn)軸線，取單軸加載轉(zhuǎn)角最大時(shí)的4個(gè)位姿，加入附加彎矩進(jìn)行計(jì)算。附加彎矩方向同樣以Yb軸為軸線，得到支鏈最大載荷如表1下面一組支鏈力所示。綜合理想狀態(tài)以及引入誤差后的支鏈最大載荷，確定在工作空間內(nèi)支鏈最大推力為5730.35N，最大拉力為5540.01N。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空關(guān)鍵部件多維復(fù)合加載中高線性力加載的工況，提出6-SPS+P并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)對(duì)線性力、扭矩和彎矩的獨(dú)立測(cè)量，以滿足線性力大量程和保障總體測(cè)量精度。對(duì)機(jī)構(gòu)工作空間進(jìn)行分析，得出球鉸鏈最大轉(zhuǎn)角和支鏈長(zhǎng)度的變化規(guī)律，并由此得出機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)。對(duì)機(jī)構(gòu)支鏈的受力進(jìn)行分析，確定在工作空間內(nèi)支鏈最大推力為5730.35N，最大拉力為5540.01N，滿足機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和加載要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳高升，楊巖.層狀球面彈性軸承剛度設(shè)計(jì)、仿真與試驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015（6）：1512-1519.

[2]頡連元.旋翼彈性軸承應(yīng)用研究[J].直升機(jī)技術(shù)，2002（3）：6-11.

[3]黃曉東，王衛(wèi)衛(wèi)，蔣瑋光.直升機(jī)旋翼系統(tǒng)彈性軸承剛度特性試驗(yàn)方法研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2012，34（2）：270-273.

[4]黃真，孔令富，方躍法.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：79-104.

[5]郭祖華，陳五一，陳鼎昌.6桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及桿受力的仿真[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，27（1）：101-104.

[6]張濟(jì)，林光春，楊志剛，等.基于并行計(jì)算的可調(diào)節(jié)型6-SPS并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[J].現(xiàn)代制造工程，2006（9）：5-8.

[7]張潔.關(guān)節(jié)球鉸減摩設(shè)計(jì)及其對(duì)6-PUS并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度影響研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2016.