一种复杂结构刚度参数自动化测试平台制造技术

本发明专利技术公开一种复杂结构刚度参数自动化测试平台，将被测关节件固支端与底部工装平台相连，加载端通过转接法兰盘与加载梁相连；加载梁两端装力传感器，钢丝绳一端与力传感器相连，另一端绕过定滑轮连接加载机构；通过加载机构在被测对象两侧施加相应方向和大小的拉力实现加载；且两侧同向等大时施加拉压载荷，两端反向等大时施加弯扭载荷。在测试过程中，力传感器的反馈信号输入计算机中的PID反馈控制器，确定对加载机构的控制信号，实现加载机构的自动化加载；加载结束后，待被测对象变形稳定即可通过数据采集仪自动采集所有测点的实验数据；全部实验完成后即可利用数据处理软件对实验数据进行处理，结合线性拟合方法得到被测关节件刚度参数。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂结构刚度参数自动化测试平台
本专利技术涉及复杂结构刚度参数试验测量领域，具体来说是一种针对复杂结构刚度测试的自动化测试平台，可以实现对多种结构、多个工况、多个方向的拉压、弯曲和扭转刚度参数的自动化加载和数据采集。
技术介绍
空间机械臂具备精确操作能力和视觉识别能力，主要用途是通过捕捉运输飞船进行自动化精密对接，而且相比传统对接方式更加安全、快速、高效。空间机械臂是集机械、视觉、动力学、电子和控制等学科为一体的高端航天装备。其内部结构复杂，含有多个驱动构件，因此仅通过理论分析或有限元仿真计算均难以得到精确、可靠的拉压、扭转、弯曲、剪切刚度。但是机械臂关节件刚度又直接影响机械臂各项性能指标和控制精度，因此必须设计专门的实验测试系统，即复杂结构刚度测试系统。原有的复杂结构刚度测试系统通过手动卷扬机进行加载，并且依靠人工读取和记录实验数据，随着实验的进行，发现这种处理存在诸多的弊端，原因有如下几点：(1)人工手摇加载的方案在加载时对人手动操作提出了很高的要求，即在保持很大的载荷的同时还要做到精细的调整使其达到预定值，钢丝绳刚度具有很强的非线性特征因此在测试过程中载荷不可避免的会出现一定程度的波动(约为±5N)，难以稳定测量，影响测量精度；(2)人工读取和记录数据的方式在效率低下，另一方面人工读数和手动键入的过程不仅拖沓缓慢还必须协调配合，容易引入偶然误差，影响测试结果精度；(3)测试任务要求在一次刚度测试实验中，同一被测元件一个方向的刚度测试结果至少有三组，每组至少采集约60个测试点，因此完整的实验流程至少包括几百次的加载卸载，实验员在多次重复测试之后容易产生疲劳，引入偶然误差的可能性大大提高。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的不足，基于复杂结构刚度测试系统设计了一种复杂结构刚度自动化测量平台，为机械臂关节件各方向的拉压、弯曲、扭转刚度测试和精确控制提供可靠的测试数据，并可以应用于其它类型的复杂结构的多轴向刚度测试中。本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，一种复杂结构刚度参数自动化测试平台，其特征在于：包括被测关节件工装平台与加载机构；所述被测关节件工装平台包括固定钢架结构、底部工装平台、加载梁、定滑轮、定滑轮支架与钢丝绳；被测关节件底端固定安装于底部工装平台上；加载梁沿y轴设置，中部通过转接法兰与被测关节件顶端相连；加载梁沿y轴设置，两端周向均设有传感器安装位置，同时两端端面中心也设计有传感器安装位置；传感器安装位置处安装力传感器；钢丝绳为两根，一端分别用来与加载梁两端的力传感器固定，另一端分别用来接入被测关节件两侧的加载机构，由加载机构对两根钢丝绳施加拉力，实现对被测关节件的加载；固定钢架结构套于被测关节件外部，具有高于加载梁的顶梁，以及位于被测关节件两侧的定滑轮支架，顶梁两端以及两侧定滑轮支架上均安装有定滑轮；同时在底部工装平台上，位于被测关节件两侧；通过定滑轮改变钢丝绳对被测关节件的拉力方向。由此根据不同工况，将钢丝绳的一端选择性的分别与加载梁两端相对的一组力传感器相连；钢丝绳另一端分别连接至加载机构。同时根据不同工况钢丝绳还选择性的绕过定滑轮后连接加载机构，或者将钢丝绳直接连接加载机构，通过加载机构对钢丝绳施加拉力，实现对被测关节件施加的拉压、弯曲、扭转、剪切等载荷。本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，还具有数据采集与控制部分，包括多通道数据采集仪、信号采集仪与控制计算机。其中，多通道数据采集仪、信号采集仪与控制计算机通过数据线相连；同时，多通道数据采集仪与位移传感器间以数据线相连；信号采集仪与力传感器间以数据线相连；测试过程中，控制计算机通过力传感器实时监测所施加在被测关节件的拉力大小并反馈给PID反馈控制器，进而确定对步进电机的控制信号，来调节被测关节件所受拉压载荷到达指定值。本专利技术的优点在于：1、本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，加载方式由实验员手摇式加载改为基于PID反馈控制器的自动加载，提高了加载精度和加载效率，在多次重复的刚度测试任务中，这一改进将大大减少了实验员的工作量；2、本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，可以同时测量被测关节件不同端面的相关位移，如不同端面的弯曲角位移、弯曲中性面角位移、扭转角位移、拉压位移和剪切位移，即提出一套完整而准确的刚度位移测量方法；3、本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，将人工读取数据方式改为利用多通道数据采集仪采集实验数据，提高了实验效率，大大减少了实验员工作量，提高了数据采集精度；4、本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，由于加载系统可以在三个自由度上自由调节，同时本自动化测量平台最大加载力矩可超过10000N.m，因此可以适应不同被测关节件的刚度测试要求，适用范围广泛；5、本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，利用丝杆与轴向轴承相结合的方式加载，巧妙的将载荷的施加与保持分离开，使得载荷施加更加准确，测量过程中载荷保持更加平稳，从而提高了试验精度；6、本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台，本自动化测试平台设计精简，使用方便，自动化程度高，完成一次实验所需的实验员数目由原先的7～10人降至1～3人。附图说明图1为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台整体结构示意图；图2为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台对被测关节件施加向上拉力时，钢丝绳连接方式示意图；图3为本本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台对被测关节件施加X轴方向的弯曲载荷时，钢丝绳连接方式示意图；图4为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台对被测关节件施加向下拉力时，钢丝绳连接方式示意图；图5为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台对被测关节件施加Z轴方向的扭转载荷时，钢丝绳连接方式示意图；图6为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台中对被测关节件施加Z方向剪切载荷时，钢丝绳连接方式示意图；图7为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台对被测关节件施加X或Y方向剪切载荷时，钢丝绳连接方式示意图；图8为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台中被测关节件的测量端面上测点布置示意图；图9为本专利技术复杂结构刚度参数自动化测试平台中被测关节件加载机构结构示意图。图中：1-被测关节件工装平台2-加载机构3-数据采集与控制部分4-被测关节件5-力传感器6-L型测片7-I型测片101-固定钢架结构102-底部工装平台103-加载梁104a-定滑轮104b-定滑轮B104c-定滑轮c105-定滑轮支架106-转接法兰盘107-钢丝绳108-位移传感器支架201-加载支架202-丝杆203-丝杆工装204-主动齿轮205-从动齿轮206-步进电机具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术基于复杂结构刚度的自动化测量平台，包括被测关节件工装平台1、加载机构2、数据采集与控制部分3，如图1所示。所述被测关节件工装平台1包括固定钢架结构101、底部工装平台102、加载梁103、定滑轮A104a、定滑轮B104b、定滑轮C104c、定滑轮支架105、转接法兰盘106与钢丝绳107，如图2所示。其中，底部工装平台102设置于水平面上。被测关节件4底端为固支端与底部工装平台102通过周向上的法兰结构固定；被测关节件4顶端为加载端，通过转接法兰盘106与加载梁103中部相连，加载梁103沿y轴设置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂结构刚度参数自动化测试平台，其特征在于：包括被测关节件工装平台与加载机构；所述被测关节件工装平台包括固定钢架结构、底部工装平台、加载梁、定滑轮、定滑轮支架与钢丝绳；被测关节件底端固定安装于底部工装平台上；加载梁沿y轴设置，中部通过转接法兰与被测关节件顶端相连；加载梁沿y轴设置，两端周向均设有传感器安装位置，同时两端端面中心也设计有传感器安装位置；传感器安装位置处安装力传感器；钢丝绳为两根，一端分别用来与加载梁两端的力传感器固定，另一端分别用来接入被测关节件两侧的加载机构，由加载机构对两根钢丝绳施加拉力，实现对被测关节件的加载；固定钢架结构套于被测关节件外部，具有高于加载梁的顶梁，以及位于被测关节件两侧的定滑轮支架，顶梁两端以及两侧定滑轮支架上均安装有定滑轮；同时在底部工装平台上，位于被测关节件两侧；通过定滑轮改变钢丝绳对被测关节件的拉力方向。

【技术特征摘要】
1.一种复杂结构刚度参数自动化测试平台，其特征在于：包括被测关节件工装平台与加载机构；所述被测关节件工装平台包括固定钢架结构、底部工装平台、加载梁、定滑轮、定滑轮支架与钢丝绳；被测关节件底端固定安装于底部工装平台上；加载梁沿y轴设置，中部通过转接法兰与被测关节件顶端相连；加载梁沿y轴设置，两端周向均设有传感器安装位置，同时两端端面中心也设计有传感器安装位置；传感器安装位置处安装力传感器；钢丝绳为两根，一端分别用来与加载梁两端的力传感器固定，另一端分别用来接入被测关节件两侧的加载机构，由加载机构对两根钢丝绳施加拉力，实现对被测关节件的加载；固定钢架结构套于被测关节件外部，具有高于加载梁的顶梁，以及位于被测关节件两侧的定滑轮支架，顶梁两端以及两侧定滑轮支架上均安装有定滑轮；同时在底部工装平台上，位于被测关节件两侧；通过定滑轮改变钢丝绳对被测关节件的拉力方向。2.如权利要求1所述一种复杂结构刚度参数自动化测试平台，其特征在于：对被测关节件所需施加的拉压、弯曲、扭转、剪切载荷时，力传感器的安装位置以及钢丝绳的连接方式如下：A、对被测关节件施加拉压载荷；1)、对被测关节件施加垂直于水平面的Z轴方向向上的拉力时：在加载梁两端上壁面安装力传感器后，将力传感器分别与两根钢丝绳的固定端相连，两根钢丝绳的牵拉端分别绕过顶梁左部与右部的定滑轮，以及两个定滑轮支架上的定滑轮后，连接至加载机构；同时两个加载机构对钢丝绳施加同相等大小拉力；通过两侧的加载机构分别对两根钢丝绳的牵拉端施加等大小水平方向拉力，通过顶梁左部与右部的定滑轮转换为对加载梁两端施加等大小竖直向上拉力；2)、对被测关节件施加Z轴方向向下的拉力时：在加载梁两端下壁面安装力传感器后，将力传感器分别与两根钢丝绳的固定端相连，两根钢丝绳的牵拉端分别绕过底部工装平台左侧与右侧的定滑轮，以及两个定滑轮支架上的定滑轮后，连接至加载机构；同时两个加载机构对钢丝绳施加同相等大小拉力；通过两侧的加载机构分别对两根钢丝绳的牵拉端施加等大小拉力，通过底部工装平台两侧的定滑轮转换为对加载梁两端施加等大小竖直向下的拉力；B、对被测关节件施加弯曲载荷；(1)、对被测关节件施加X轴方向的弯曲载荷时：在加载梁左端上壁面以及右端下壁面安装力传感器后，将力传感器分别与两根钢丝绳的固定端相连；其中，左侧钢丝绳的牵拉端分别绕过顶梁左部定滑轮，以及左侧定滑轮支架上的定滑轮后，连接左侧加载机构；右侧钢丝绳的牵拉端绕过底部工装平台右侧的定滑轮，以及右侧定滑轮支架上的定滑轮后，连接至右侧加载机构；同时两个加载机构对两根钢丝绳施加同相等大小拉力；通过左侧的加载机构对左侧钢丝绳的牵拉端施加拉力，通过顶梁左部的定滑轮转换为对加载梁左端施加竖直向上的拉力；通过右侧的加载机构对右侧钢丝绳的牵拉端施加拉力，通过底部工装平台右侧的定滑轮转换为对加载梁右端施加竖直向下的拉力；(2)对被测关节件施加Y轴方向的弯曲载荷时：在(1)的基础上，拆去被测关节件，并将被测关节件绕z轴旋转90度后重新安装，再按照(1)中方式对被测关节件施加Y轴方向弯曲载荷。C、对被测关节件施加Z轴方向的扭转载荷；将加载梁调整至沿X轴方向设置，并在加载梁两端左端左侧面与右端右侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵寿根，李涛，齐飞，白利强，何玉金，李东海，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11