高線性力輸出的多維復合加載裝置設計

李金寶 王進 樊銳 郭江真 王丹 陳五一

摘 要：針對航空關鍵部件多維復合加載中高線性力加載的工況，提出6-SPS+P并聯機構構型，實現對線性力、扭矩和彎矩的獨立測量，可以滿足線性力大量程和總體測量精度要求。分析機構工作空間，得出球鉸鏈最大轉角和支鏈長度的變化規律，確定機構幾何參數。分析機構受力，確定各支鏈所受最大推力和拉力。

關鍵詞：多維復合加載；并聯機構；高線性力

中圖分類號：TH112 文獻標志碼：A 文章編號：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

針對航空關鍵部件的多維復合加載測試中，存在高線性力加載的工況，即加載的線性力幅值遠大于扭矩和彎矩的幅值[1-3]。采用6-SPS并聯機構可以實現對關鍵部件的多維復合加載，其輸出的復合載荷可以通過安裝在6條直鏈的力傳感器測量和計算得出[4-5]。但是，當加載的線性力幅值遠大于扭矩和彎矩時，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，造成測量彎矩和扭矩時分辨率不足。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量要求。所以，需針對高線性力加載的工況，對6-SPS并聯機構進行改進設計[6-7]。

2 6-SPS+P的構型簡介

6-SPS+P機構的構型如圖1所示，該機構由6條SPS支鏈以及中間僅含有P副的支鏈組成，中間支鏈與動平臺下端由待測關鍵部件連接，動平臺上端與固定框架之間由另一個相同待測部件連接。實驗時同時對兩個待測部件進行復合加載，中間支鏈對待測件施加高線性力載荷，6-SPS機構對試件施加彎矩和扭矩載荷。該構型可實現對線性力載荷與彎矩、扭矩載荷的獨立加載和測量，可滿足高線性力測量的量程要求和彎矩、扭矩測量的精度要求。

3 工作空間分析

加載機構的工作空間分析的主要內容是在滿足項目工作空間要求的情況下確定球鉸的最大轉角和移動副的最大行程均不超過許用值。與6-SPS構型不同，增加了中間支鏈的構型中6條SPS支鏈承受扭轉和彎曲載荷，受力較小。對于該構型的計算和參數選擇主要集中于工作空間的分析，以期減小球鉸轉角和液壓缸行程。主要計算流程為：首先根據待測部件的尺寸和設計要求，給定一組機構的主要結構參數。將該結構參數帶入到計算模型中求解滿足工作空間要求的球鉸最大轉角和移動副最大行程。球鉸最大轉角初步設置為±30°，移動副最大行程確定后選定液壓缸標準行程，根據液壓缸樣本確定結構參數后與設計桿長進行比較，確定是否滿足要求。如果不滿足要求，則重新選定結構參數，代入后計算，直到得到符和要求的結果。

以靜坐標系Ob-XbYbZb為參考坐標系，加載方式為繞靜系加載，設置動平臺翻轉的軸向量為[0，1，0]T，給定動平臺的翻轉角度θ和扭轉角度γ，Zb向保持工作中心高不動，可根據運動學反解求得到該位姿下的12個球鉸轉角的最大值，即為對應于該位姿的球鉸最大轉角。令動平臺翻轉角度在-10°～10°之間變化，扭轉角度在-25°～25°之間變化，得到球鉸最大轉角與姿態的關系如圖2所示。

取機構的極限姿態，以工作中心高OpOb為自變量，最大支鏈長度lmax和最小支鏈長度lmin為目標變量，發現隨工作中心高的增大，最大支鏈長度lmax和最小支鏈長度lmin以線性關系不斷增大。

4 支鏈受力分析

將機構每條SPS支鏈可視為一個二力桿，在加載過程中會對動平臺施加推力或拉力。圖3為支鏈最大載荷與扭轉角度和翻轉角度的關系曲線，由圖線可知，隨著扭轉角度和翻轉角度的增大，6條支鏈的最大推力值和最大拉力值呈增大的趨勢。因此可通過研究最大轉角處的支鏈受力得到加載實驗所需的支鏈最大載荷。

在選擇驅動裝置時需要得到6條支鏈的最大驅動力，因此需考慮在壓彎扭復合加載的情況下6條SPS支鏈的最大推力和最大拉力。考察動平臺的4個極限位姿，得到在復合加載時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的計算情況。在實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心，進而在加載過程中會對6-SPS機構的動平臺產生附加彎矩。由于中間支鏈的載荷很大，即使很小的偏心也會產生較大的附加彎矩，因此在計算過程中應將由于偏心產生的附加彎矩考慮在內。

結合加工與裝配的相關經驗，將中間支鏈軸線與彈性軸承軸線的同軸度誤差δ設為1mm，則動平臺上會產生的附加彎矩T=400Nm。分析可知當附加彎矩與加載彎矩軸線重合時，SPS支鏈上的受力達到最大。以Yb軸作為彎矩加載時的翻轉軸線，取單軸加載轉角最大時的4個位姿，加入附加彎矩進行計算。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。綜合理想狀態以及引入誤差后的支鏈最大載荷，確定在工作空間內支鏈最大推力為5730.35N，最大拉力為5540.01N。

5 結束語

針對航空關鍵部件多維復合加載中高線性力加載的工況，提出6-SPS+P并聯機構構型，實現對線性力、扭矩和彎矩的獨立測量，以滿足線性力大量程和保障總體測量精度。對機構工作空間進行分析，得出球鉸鏈最大轉角和支鏈長度的變化規律，并由此得出機構的幾何參數。對機構支鏈的受力進行分析，確定在工作空間內支鏈最大推力為5730.35N，最大拉力為5540.01N，滿足機構強度和加載要求。

參考文獻：

[1]陳高升，楊巖.層狀球面彈性軸承剛度設計、仿真與試驗[J].航空動力學報，2015（6）：1512-1519.

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

[3]黃曉東，王衛衛，蔣瑋光.直升機旋翼系統彈性軸承剛度特性試驗方法研究[J].機械強度，2012，34（2）：270-273.

[4]黃真，孔令富，方躍法.并聯機器人機構學理論及控制[M].北京：機械工業出版社，1997：79-104.

[5]郭祖華，陳五一，陳鼎昌.6桿并聯機構運動學及桿受力的仿真[J].北京航空航天大學學報，2001，27（1）：101-104.

[6]張濟，林光春，楊志剛，等.基于并行計算的可調節型6-SPS并聯機器人運動學和動力學分析[J].現代制造工程，2006（9）：5-8.

[7]張潔.關節球鉸減摩設計及其對6-PUS并聯機構精度影響研究[D].北京：北京航空航天大學，2016.