一种实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，能够实现任意方向的纯弯矩加载、拉压力加载以及纯弯矩和拉压力的复合加载；该模拟器包括运动平台、固定基座和运动支链；运动平台与受载试件相固结；运动支链分为中心运动支链和均布运动支链，其中均布运动支链包括六种不同的构型；类型不同的均布运动支链和中心支链、固定基座、运动平台可以组成六种不同的“弯矩-拉压力”复合负载模拟器构型。本发明的优点为：能够实现多维纯弯矩的载荷输出，能够输出弯矩和拉压力的复合负载，由于存在多条支链，结构具备很高的承载刚度，拉压力和弯矩的输出能够实现解耦，利于控制，且制造简单，安装方便。
【专利说明】一种实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，属于机器人和机械制造领域。
【背景技术】
[0002]负载模拟器是一种用于地面半物理(实验)仿真的实验设备，可以在实验室条件下模拟被测对象在特殊环境载荷下的影响。
[0003]传统的实验测试方法往往需要将被测对象放置在实际的工作环境中进行测试并采集相关的数据，但是成本极高，且采集实时数据相对较困难。而使用负载模拟器能够将经典的全实物实验转化为在实验室条件下的半实物预测性实验，从而获得被测对象的各项性能参数，为后期的进一步性能优化提供依据。负载模拟器具有成本低、效率高、采集数据方便等优势。
[0004]目前国内外的负载模拟器主要集中在能够输出单维以及单个载荷类型的负载模拟器的研究上，比如扭矩负载模拟器、弯矩负载模拟器和拉压力负载模拟器等；而实际工况下，被测试件往往是承受的是多载荷类型的复合状态，且对于每一种载荷类型，其幅值和方向都可能随时间发生变化，这为负载模拟器的设计带来了困难。并联机构由于本身刚度大，响应速度快，运动精度高，被广泛应用于飞行器重载模拟设备、机器人、数控机床、传感器及微操作等领域，同时也为负载模拟器提供了新思路。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是提出一种实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，可以实现二维的纯弯矩负载或者一维的拉压力负载，并且能够实现二维纯弯矩和一维拉压力的复合负载。该负载模拟器在施加纯弯矩时，能够实现针对固定点的弯矩负载，这样不会由于弯矩中心点的变动而给被测试件带来额外的负载。
[0006]本发明一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，包括运动平台、固定基座、中心运动支链以及三条外围运动支链。其中，运动平台与固定基座分别位于上下方位，中心位置间通过一条运动支链相连；外围周向上通过均布的三条外围运动支链相连。
[0007]上述中心运动支链具有上运动副A与下运动副A ;上运动副A为虎克铰，下运动副A为移动副；虎克铰与与运动平台相连，形成转动副；下运动副与固定基座相连，且下运动副A的轴线与固定基座的轴线相重合。
[0008]三条外围运动支链结构相同，均包括上运动副B、中运动副B与下运动副B ;其中，上运动副B与下运动副B分别与运动平台和固定基座相连。
[0009]上述结构的复合负载模拟器，在初始状态下，需满足:
[0010]A、运动平台与固定基座互相平行；
[0011]B、二条外围运动支链中上运动副B中心所确定的平面与固定基座平面平行；
[0012]C、中心运动支链中虎克铰的中平面与运动平台的中平面相重合。[0013]且在任意状态下，需满足:
[0014]a、三条外围运动支链中下运动副B中心所确定的平面与固定基座平面平行；
[0015]b、中心运动支链中虎克铰的中心点，始终位于运动平台的中平面中心处；
[0016]且与运动平台中心重合；
[0017]C、运动平台的中心位于固定基座轴线上。
[0018]通过本发明实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，当中心运动支链3a的移动副锁定后，此时，复合负载模拟器可作为一个能输出纯二维转动的并联机构，能够输出平面内任意方向的二维纯弯矩；
[0019]当三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，且位移在任意时刻相等时，中心运动支链3a的移动副随着三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，此时，复合负载模拟器可作为一个能输出一维移动的并联机构，此时能够输出沿着固定基座轴线方向的一维拉压力。
[0020]当三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，中心运动支链3a的移动副随着三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，此时，复合负载模拟器的运动平台I能够输出任意方向的二维转动和沿着固定基座轴2线方向的一维移动，此时能够输出二维纯弯矩和一维拉压力的复合负载。
[0021]本发明的优点在于:
[0022]1、本发明复合负载模拟器，可以实现一维的拉压力负载、任意时刻的弯矩负载和拉压力负载的切换、任意方向的二维弯矩负载，以及任意方向的二维弯矩负载和拉压力负载的复合负载；
[0023]2、本发明复合负载模拟器,运动平台的工作空间大,能够适应较大刚度变化范围的被测试件；
[0024]3、本发明复合负载模拟器，结构简单，易于控制以及生产加工，且易于连接线缆或附加的传感器等。
【专利附图】

【附图说明】
[0025]图1为本发明复合负载模拟器整体结构示意图；
[0026]图2为本发明复合负载模拟器中运动平台结构示意图；
[0027]图3为本发明复合负载模拟器中固定基座结构示意图；
[0028]图4为本发明复合负载模拟器中心运动支链结构示意图；
[0029]图5为本发明复合负载模拟器中外围运动支链结构I示意图；
[0030]图6为本发明复合负载模拟器中外围运动支链结构2示意图；
[0031]图7为本发明复合负载模拟器中外围运动支链结构3示意图；
[0032]图8为本发明复合负载模拟器中外围运动支链结构4示意图；
[0033]图9为本发明复合负载模拟器中外围运动支链结构5不意图；
[0034]图10为本发明复合负载模拟器中外围运动支链结构6不意图；
[0035]图11为采用结构2的外围运动支链构成的复合负载模拟器结构示意图；
[0035]图12为采用结构3的外围运动支链构成的复合负载模拟器结构示意图；
[0036]图13为采用结构4的外围运动支链构成的复合负载模拟器结构示意图；[0037]图14为采用结构5的外围运动支链构成的复合负载模拟器结构示意图；
[0038]图15为米用结构6的外围运动支链构成的复合负载模拟器结构不意图；
[0039]图16为本发明复合负载模拟器与伸缩架连接方式示意图。
[0040]
[0041]`
[0042]图中:
[0043]1-运动平台2-固定基座3-运动支链
[0044]4-伸缩架101-中心通孔 102-中心支链顶部安装孔
[0045]103-外围支链顶部安装孔 201-底座202-外围支链底部安装孔
[0046]3a_中心运动支链3b_外围运动支链3a_l_上运动副A
[0047]3a~2~下运动副A3b~l-上运动副B 3h~2~中运动副B
[0048]3a-3_下运动副C301-外圈302-内圈
[0049]401-底板 402-导向柱 403-伸缩支链
【具体实施方式】
[0050]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0051]本发明实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，包括运动平台1、固定基座
2、以及四条运动支链3，如图1所示；
[0052]所述运动平台I为具有圆角的等边三角形板状结构，如图2所示，中心位置开有同心的圆形中心通孔101，中心通孔101的孔壁上对称位置开有圆形中心支链顶部安装孔102。运动平台I的三个角部均开有圆形外围支链顶部安装孔103，三个外围支链顶部安装孔103以圆周对称的方式等径均布在靠近运动平台I的三个角部位置，每个外围支链顶部安装孔103的圆心与运动平台I的中心间连线为对应外围支链顶部安装孔103的轴线；且三个外围支链顶部安装孔103的轴线均互相平行。
[0053]所述固定基座2为类等边三角形板状结构，如图3所示，具有方形底座201与三个圆形外围支链底部安装孔202。三个外围支链底部安装孔202以圆周对称的方式等径均布在靠近固定基座2的三个角部位置，每个外围支链底部安装孔202的圆心与固定基座2中心的连线为对应外围支链底部安装孔202的轴线，三个外围支链底部安装孔202的轴线均互相平行。底座201固定安装在固定基座2中心位置，其竖直轴线与固定基座2轴线重合。上述结构的运动平台I和固定基座2分别位于上下位置，通过四条运动支链3相联接。
[0054]所述四条运动支链3中，一条作为中心运动支链3a，设置于运动平台I和固定基座2中心位置，如图1所示。中心运动支链3a具有上运动副A3a-1与下运动副A3a_2，如图4所示；上运动副A3a-1为虎克铰，下运动副A3a-2为移动副。其中，虎克铰由外圈301与内圈302组成；其中，外圈301周向对称位置具有外轴；内圈302周向对称位置具有内轴；内圈302上的内轴分别与外圈301周向上对称位置开设的通孔配合，形成转动副；且使外圈301上的外轴轴线与内圈302上的内轴轴线垂直；上述虎克铰的外圈301周向上的外轴分别与运动平台I上的圆形外围支链顶部安装孔103配合，形成转动副；上述虎克铰的内圈302与下运动副A3a-2相连；下运动副A3a-2与固定基座2上的底座201相连，且下运动副A3a_2的轴线与固定基座2的轴线相重合。[0055]四条运动支链3中，另外三条作为外围运动支链3b，结构相同，均匀设置在运动平台I与固定基座2外围周向上，如图1所示。三条外围运动支链3b均包括上运动副B、中运动副B与下运动副B。其中，上运动副B与下运动副B分别与运动平台I上的外围运动支链顶端安装孔103和对应的固定基座2上的运动支链底端安装孔202相联接。上述外围运动支链3b可通过下述6种结构实现:
[0056]结构1:如图5所示，外围运动支链3中上运动副B3b_l与下运动副B3b_3均为球铰；中运动副B3b-2为移动副；采用结构I的外围运动支链3b结合上述中心运动支链3a以及运动平台和固定基座所形成的本发明复合负载模拟器整体结构如图1所示。
[0057]结构2:如图6所示，外围运动支链3中上运动副B3b_l与下运动副B3b_3均为球铰；中运动副B3b-2为转动副；采用结构2的外围运动支链3b结合上述中心运动支链3a以及运动平台和固定基座所形成的本发明复合负载模拟器整体结构如图11所示。
[0058]结构3:如图7所示，外围运动支链3中上运动副B3b_l为虎克铰；中运动副B3b_2为移动副；下运动副B3b-3为球铰；采用结构3的外围运动支链3b结合上述中心运动支链3a以及运动平台和固定基座所形成的本发明复合负载模拟器整体结构如图12所示。
[0059]结构4:如图8所示，外围运动支链中上运动副B3b_l与中运动副B3b_2均为球铰；下运动副B3b-3为移动副；采用结构4的外围运动支链3b结合上述中心运动支链3a以及运动平台和固定基座所形成的本发明复合负载模拟器整体结构如图13所示。
[0060]结构5:如图9所示，外围运动支链中上运动副B3b_l与中运动副B3b_2均为球铰；下运动副B3b-3为转动副；采用结构5的外围运动支链3b结合上述中心运动支链3a以及运动平台和固定基座所形成的本发明复合负载模拟器整体结构如图14所示。
[0061]结构6:如图10所示，外围运动支链中上运动副B3b_l为虎克铰；中运动副B3b_2为球铰；下运动副B3b-3为移动副；采用结构6的外围运动支链3b结合上述中心运动支链3a以及运动平台和固定基座所形成的本发明复合负载模拟器整体结构如图15所示。
[0062]上述采用各种结构外围运动支链3b所形成的整体复合负载模拟器，在初始状态(不输出载荷)下，需满足:
[0063]A、运动平台I与固定基座2互相平行；
[0064]B、三条外围运动支链3中上运动副B3b_l中心所确定的平面与固定基座2平面平行；
[0065]C、中心运动支链2中虎克铰的中平面(即:外轴和内轴组成的平面)与运动平台I的中平面相重合。
[0066]且采用各种结构外围运动支链3b所形成的整体复合负载模拟器，在任意状态下，需满足:
[0067]a、三条外围运动支链3中下运动副B3b_3中心所确定的平面与固定基座2平面平行；
[0068]b、中心运动支链中虎克铰的中心点(即:外轴和内轴轴线的交点),始终位于运动平台的中平面中心处；
[0069]且与运动平台中心重合；
[0070]C、运动平台的中心位于固定基座轴线上。
[0071]通过本发明实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，当中心运动支链3a的移动副锁定后，此时，复合负载模拟器可作为一个能输出纯二维转动的并联机构，能够输出平面内任意方向的二维纯弯矩；
[0072]当三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，且位移在任意时刻相等时，中心运动支链3a的移动副随着三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，此时，复合负载模拟器可作为一个能输出一维移动的并联机构，此时能够输出沿着固定基座轴线方向的一维拉压力。
[0073]当三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，中心运动支链3a的移动副随着三条外围运动支链3b中的移动副同时运动，此时，复合负载模拟器的运动平台I能够输出任意方向的二维转动和沿着固定基座轴2线方向的一维移动，此时能够输出二维纯弯矩和一维拉压力的复合负载。
[0074]本发明复合负载模拟器，还可外接伸缩架4，实现运动过程中弯矩与拉压力的分开控制，进而实现弯矩与拉压力的复合运动。所述伸缩架4包括底板401、导向柱402与伸缩支链403 ;其中，导向柱402垂直固定安装在底板401周向上；导向柱402穿过固定基座2 ;固定基座2底面与底板401间安装有伸缩支链403，伸缩支链403为移动副，移动副的两端分别与固定基座2底面中心位置和底板401顶面中心位置固连。
【权利要求】
1.一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:包括运动平台、固定基座、中心运动支链以及三条外围运动支链；其中，运动平台与固定基座分别位于上下方位，中心位置间通过一条运动支链相连；外围周向上通过均布的三条外围运动支链相连； 上述中心运动支链具有上运动副A与下运动副A ;上运动副A为虎克铰，下运动副A为移动副；虎克铰与与运动平台相连，形成转动副；下运动副与固定基座相连，且下运动副A的轴线与固定基座的轴线相重合。 三条外围运动支链结构相同，均包括上运动副B、中运动副B与下运动副B ;其中，上运动副B与下运动副B分别与运动平台和固定基座相连； 上述结构的复合负载模拟器，在初始状态下，需满足: A、运动平台与固定基座互相平行； B、三条外围运动支链中上运动副B中心所确定的平面与固定基座平面平行； C、中心运动支链中虎克铰的中平面与运动平台的中平面相重合； 且在任意状态下，需满足: a、三条外围运动支链中下运动副B中心所确定的平面与固定基座平面平行； b、中心运动支链中虎克铰的中心点，始终位于运动平台的中平面中心处；且与运动平台中心重合； C、运动平台的中心位于固定基座轴线上。`
2.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述运动平台为具有圆角的等边三角形板状结构，中心位置开有同心的中心通孔，中心通孔的孔壁上对称位置开有中心支链顶部安装孔；运动平台的三个角部均开有外围支链顶部安装孔，三个外围支链顶部安装孔以圆周对称的方式等径均布在靠近运动平台的三个角部位置，每个外围支链顶部安装孔的圆心与运动平台的中心间连线为对应外围支链顶部安装孔的轴线；且三个外围支链顶部安装孔的轴线均互相平行；所述固定基座为类等边三角形板状结构，具有方形底座与三个圆形外围支链底部安装孔；三个外围支链底部安装孔以圆周对称的方式等径均布在靠近固定基座的三个角部位置，每个外围支链底部安装孔的圆心与固定基座中心的连线为对应外围支链底部安装孔的轴线，三个外围支链底部安装孔的轴线均互相平行；底座固定安装在固定基座中心位置，其竖直轴线与固定基座轴线重合，用来连接中心运动支链。
3.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述虎克铰由外圈与内圈组成；其中，外圈周向对称位置具有外轴；内圈周向对称位置具有内轴；内圈上的内轴分别与外圈周向上对称位置开设的通孔配合，形成转动副；且使外圈上的外轴轴线与内圈上的内轴轴线垂直；上述虎克铰外圈周向上的外轴与运动平台相连形成转动副；内圈与下运动副相连。
4.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述外围运动支链中上运动副B与下运动副B均为球铰；中运动副B为移动副。
5.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述外围运动支链中上运动副B与下运动副B均为球铰；中运动副B为转动副。
6.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述外围运动支链中上运动副B为虎克铰；中运动副B为移动副；下运动副B为球铰。
7.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述外围运动支链中上运动副B与中运动副B均为球铰；下运动副B为移动副。
8.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述外围运动支链中上运动副B与中运动副B均为球铰；下运动副B为转动副。
9.如权利要求1所述一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:所述外围运动支链中上运动副B为虎克铰；中运动副B为球铰；下运动副B为移动副。
10.如权利要求1所述的一种能够实现多维纯弯矩和拉压力的复合负载模拟器，其特征在于:还包括伸缩架；伸缩架包括底板、导向柱与伸缩支链；其中，导向柱垂直固定安装在底板周向上；导向柱穿过固定基座；固定基座底面与底板间安装有伸缩支链，伸缩支链为移动副，移动副的两端`分别与固定基座底面中心位置和底板顶面中心位置固连。
【文档编号】G01D21/00GK103884373SQ201410067449
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】屈玉丰, 于靖军, 宗光华, 吴钪 申请人:北京航空航天大学