专利名称：六维力高频疲劳试验机及使用方法
技术领域：
本发明提供一种六维力高频疲劳试验机及使用方法，它特指一类具有三维移动和三维转动的六自由度疲劳加载并联机构，属于试验机技术领域。
背景技术：
在实际的生产生活中，很多装备及设备都受到疲劳破坏的影响，以飞机为例。飞机是一种大型、复杂的先进装备。飞机机体结构特别是机翼等关键部件的寿命决定了飞机的总寿命，因此，飞机结构的使用寿命是决定飞机使用寿命的基础，飞机结构使用寿命的评定对飞机使用寿命评定起着决定性作用。现代飞机的结构设计要满足多种要求，而其中飞机结构强度要求和疲劳寿命是飞机结构设计的关键参数。据不完全统计，自2001年以来，世界上因机械故障造成机毁人亡的恶性事故超过15起，人员死亡超过1600人。从结构强度和寿命设计技术的角度看，更新传统试验设备、探索新试验方法的研究亟需加强。在进行动载荷机械零件设计时，一般都是根据试件的标准力学性能测试结果、 在理论计算的基础上而展开的。迄今为止，标准力学性能测试的基本载荷形式是单纯拉伸、 压缩、弯曲以及扭转等。而试样的实际受力情况远非如此简单，往往是多种载荷的组合，也就是说，试样工作环境与设计依据之间存在较大差别。其结果将直接影响设备的使用寿命及安全系数，这也是目前制约结构合理化设计的一个方面。目前，虽然可以通过实体三维造型，采用有限元仿真分析软件进行试样的受力状况进行分析，由于仿真软件自身的局限性(各种仿真软件均有其对某领域的专长)以及约束条件建立困难等原因，一般只用来对所设计试样进行校核或为改进提供参考，不可能完全替代实验。同时，由于各种动载荷机械零件需要进行大量严格的实物测试试验，因此急需一种能够模拟实际受力情况的测试装置，建立尽量接近实际工作条件并测评试样的工作状态，为动载荷机械零件的结构优化、安全可靠性设计提供依据。
发明内容
本发明提出一种以动载荷机械零件的疲劳试样为测试对象的六维力高频疲劳试验机及使用方法，可用于模拟动载荷机械零件的实际受力情况，测定其在静载荷、动载荷及交变疲劳试验中的变形情况，以解决现有疲劳试验机不能施加高频多维力的不足，以接近于实际工作状态下的受力状况，准确的测定试件的疲劳承载能力。本发明一种六维力高频疲劳试验机，它包括6-UPS并联机构和控制系统两个部分 (如
图1)，其特征在于1. 6-UPS 并联机构该六维力高频疲劳试验机使用6-UPS并联机构，其是6-SPS并联机构的变形。 6-SPS并联机构由6个运动链连接动平台和静平台组成，并以移动副作为输入，通常称为 Stewart平台。六维力高频疲劳试验机使用6-SPS的变形机构6-UPS机构，其与6-SPS机构相同，由动平台，静平台及加载支链三部分组成，不同是6-SPS并联机构的加载支链两端由
8球铰链分别与动平台和静平台连接。而6-UPS并联机构的加载支链两端分别由球铰链和虎克铰链与动平台和静平台连接。6-SPS并联机构的每一根杆要有六自由度，因为与动平台相连的关节轴承提供了三个转动自由度，移动副提供了一个移动自由度，故静平台一侧的关节轴承只需提供两个转动自由度即可。因此静平台采用了两个转动自由度的虎克铰链。这样即形成了 6-UPS并联机构。该6-UPS并联机构由加载平台1、拉压力传感器2、筒式直线电机3、虎克铰链4、静平台5及球铰链6组成，如图2;其中，所述加载平台1，即6-UPS并联机构的动平台，其由六个球铰链6支撑。高刚度的加载平台在安装夹具后可以对动载荷机械零件件进行加载。由球铰链6、拉压力传感器2及筒式直线电机3和虎克铰链4组成加载支链，通过筒式直线电机3的伸缩运动来完成加载支链的长度变化，通过筒式直线电机3与球铰链6 和虎克铰链4共同作用下改变加载平台1的位姿和加载力的大小。所述筒式直线电机3作为试验机的驱动部件，也是移动副。筒式直线电机3具有高频，高加速度，低惯量的优点，是疲劳加载试验优秀性能的前提。所述静平台5作为所述6-UPS并联机构的基座，通过虎克铰链4与加载支链连接， 具有高强度，高刚度的性能。所述静平台5和加载平台1以6个加载支链相联，每个加载支链两端分别是球铰链6和虎克铰链4，中间是移动副(筒式直线电机3)。筒式直线电机3在驱动器作用下作相对移动，改变加载支链的长度，使加载平台1的位置和姿态发生变化。该六维力高频疲劳试验机使用高性能筒式直线电机3作为移动副，使6-UPS并联机构实现位置变化及加载运动。通过六根加载支链的运动组合使得加载平台(动平台)产生六自由度的加载运动，可以对被测试样施加六维载荷(三维力和三维力矩)。六根加载支链的运动由计算机控制，可以根据所需要载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律。动载荷机械零件的疲劳试样通过夹具接受载荷，可以实现三维力和三维力矩的高频力学性能测试。动平台的移动由六个加载支链带动实现。加载支链部件在自身伺服主机的驱动下，实现精确的轴向伸缩。六根加载支链的伸缩组合，实现对上夹具的各种运动驱动，进而对动载荷机械零件的疲劳试样施加各种单个或组合载荷。该六维力高频疲劳试验机的工作原理是每根加载支链通过筒式直线电机3产生伸缩运动，六根加载支链的运动组合使得加载平台1产生六自由度的加载运动，可以对被测试件施加六维载荷(三维力和三维力矩)。六根加载支链的运动由计算机控制，可以根据所需的载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律。2.控制系统该控制系统由系统硬件、系统控制方法及软件两部分组成；(1).系统硬件该系统硬件包括工控机(PC)、运动控制卡、筒式直线电机3及拉压力传感器2，如图3。工控机和运动控制卡组成六维力高频疲劳试验机控制部分，筒式直线电机3和拉压力传感器2安装在6-UPS并联机构上，如图2。该工控机采用全钢机箱、无源底板，工业电源及全长主板O. OG Pentium IVCPU， 2G内存)。
该运动控制卡采用6轴以上可编程多轴运动卡。其单轴最快的采样周期为 60 μ s (微秒)。该运动控制卡提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。该运动控制卡可以同步控制多个驱动轴，实现复杂的多轴协调运动。该筒式直线电机3采用大推力高加速度筒式直线电机。该筒式直线电机3安装在 6-UPS并联机构的加载支链上，一端连接拉压力传感器2，另外一端连接虎克铰链4，为六维力高频疲劳试验机提供动力。该筒式直线电机3是三相无轴承水冷同步伺服直线电机，其最大推力不小于850Ν (牛)，持续推力不小于550Ν (牛)，最大功率不小于1400W (瓦)，电机空载最大加速度不小于350m/S2 (米/秒2)。该拉压力传感器2采用柱式高精度拉压力传感器。该拉压力传感器2 —端与球铰链6连接，另外一端与筒式直线电机3连接。该拉压力传感器2的弹性体为柱式结构， 用于拉伸力和压缩力测量。全密封结构，其输出灵敏度为1. 5mV/V(毫伏/伏)，直线度为士 0.05% F. S (满量程)，重复性为士 0.05% F. S (满量程)，最大量程为士 5000N(牛)。控制系统的核心为运动控制卡，工业控制计算机负责信息流和数据流的管理，以及从传感器、编码器读取力和位置数据，并经过计算后发送控制指令。驱动器负责直线电机的功率驱动，实现位置、速度和力的控制。(2).系统控制方法及软件系统控制方法及软件由系统控制、反馈系统控制及系统软件三部分组成。6-UPS并联机构的控制包括运动学和动力学控制。运动学控制指的是位置控制，动力学控制是指力控制或力和位置的混合控制。对于运动学方法，我们需要知道机构的运动学正解和运动学逆解。当控制机构运动时，首先根据末端执行器的位置通过运动学逆解计算出各关节的位置，然后控制关节到达指定位置。动力学控制是指综合考虑机构的运动学和动力学模型生成控制指令。由于通过简单的运动学逆解运算即可生成运动指令，运动学控制简单、可靠易实现，因此应用广泛。并联机床的运动呈现高度的非线性和强耦合，使得并联机床的运动尤其在高速运动时会对运动控制精度产生较大影响，因此需要建立动力学控制系统来对并联机床进行控制。a.系统控制该六维力高频疲劳试验机的控制使用力伺服控制。该力伺服控制通过模糊PID控制器来实现。目前机器人的力伺服控制主要有以下几类阻抗控制，力/位混合控制，自适应控制和智能控制。模糊控制是智能控制中的一种，模糊控制的优点在于对非线性系统有良好的控制作用。图4即为模糊逻辑控制器流程图，其是模糊控制的核心，它是根据各种边界条件和一些重要的专家规则确定的。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。而PID控制的不足是当系统存在非线性，噪声及强耦合时无法解决稳定性及准确性之间的矛盾，并且PID控制较难取得令人满意的动态响应。模糊PID控制器结合传统PID控制和模糊控制的优点，稳定性强，在线控制方便且能适应模型参数的变化，因此该六维力高频疲劳试验机的控制——力伺服控制采用模糊PID控制器来实现。模糊PID控制器对各个加载支链的驱动力进行实时跟踪，从而实现对 6-UPS并联机构的力伺服控制。具体地说，首先基于6-UPS并联机构各加载支链的动力学方程建立其控制模型， 然后采用模糊PID控制器对加载支链驱动力进行跟踪，从而保证6-UPS并联机构在整个运动过程中具有稳定而准确的驱动力输出。要进行力伺服控制，所以先介绍一下6-UPS并联机构的受力分析。在静力分析时， 可以应用螺旋理论建立起6-UPS并联机构的静力平衡方程，并转化为用影响系数表示的矩阵方程。对于该试验机，机构的位形是一定的，六根杆长Ip 12、13、14、15、I6是确定的，它的动平台经由6个加载支链与静平台相连，每杆两端分别为球铰链和虎克铰链，此6-UPS并联机构为稳定结构，结构示意图如图5。在理想状况下，六根加载支链上沿着加载支链的方向产生6个力，在动平台上合成为一个六维力矢。当以力旋量表示6个力时，考虑动平台的平衡，6个杆的力螺旋之和应与平台的6 维力相平衡，因此可列出螺旋方程。^$!+^$2+···+^$^···= F+ e M (1)其中，i= 1、2、3、4、5 或 6 ；式中，&为第i个杆受到的轴力^为第i杆轴线对固定坐标系的单位线矢，Si = Si+ e S0i, Si · Si = 1，Si · Sm = 0 ；F及M分别为平台上作用力的主矢和对坐标原点主矩。 上述螺旋方程可以写为矩阵形式的平衡方程F = [GFf]f其中F = {Fx，Fy, Fz, Mx, My, MjT ;FX，Fy, Fz, Mx, My, Mz 分别为沿着轴 x，y，ζ 三个方
向的力和扭矩；
权利要求
1. 一种六维力高频疲劳试验机，它包括6-UPS并联机构和控制系统两个部分，其特征在于6-UPS并联机构该6-UPS并联机构由加载平台、拉压力传感器、筒式直线电机、虎克铰链、静平台及球铰链组成；所述加载平台，即6-UPS并联机构的动平台，由六个球铰链支撑；加载平台在安装夹具后对动载荷机械零件件进行加载；所述球铰链、拉压力传感器、筒式直线电机及虎克铰链组成加载支链；通过筒式直线电机的伸缩运动来完成加载支链的长度变化，通过筒式直线电机与球铰链和虎克铰链共同作用下改变加载平台的位姿和加载力的大小；所述筒式直线电机作为该六维力高频疲劳试验机的驱动部件，也是移动副；所述静平台作为所述6-UPS并联机构的基座，通过虎克铰链与加载支链； 所述静平台和加载平台以6个加载支链相联，每个加载支链两端分别是球铰链和虎克铰链，中间是该筒式直线电机；该筒式直线电机在驱动器作用下作相对移动，改变加载支链的长度，使加载平台的位置和姿态发生变化；所述六维力高频疲劳试验机使用高性能筒式直线电机作为移动副，使6-UPS并联机构实现位置变化及加载运动；通过6个加载支链的运动组合使得加载平台产生六自由度的加载运动，对被测试样施加六维载荷；6个加载支链的运动由计算机控制，根据所需要载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律； 控制系统该控制系统由系统硬件、系统控制方法及软件两部分组成；(1).系统硬件该系统硬件包括工控机、运动控制卡、筒式直线电机及拉压力传感器；该工控机和运动控制卡组成该六维力高频疲劳试验机控制部分，筒式直线电机和拉压力传感器安装在 6-UPS并联机构上；控制系统的核心为运动控制卡，工业控制计算机负责信息流和数据流的管理，以及从传感器、编码器读取力和位置数据，并经过计算后发送控制指令；驱动器负责直线电机的功率驱动，实现位置、速度和力的控制；(2).系统控制方法及软件系统控制方法及软件由系统控制、反馈系统控制及系统软件三部分组成； a.系统控制该六维力高频疲劳试验机的控制使用力伺服控制；该力伺服控制通过模糊PID控制器来实现；模糊PID控制器对各个加载支链的驱动力进行实时跟踪，从而实现对6-UPS并联机构的力伺服控制；具体地说，首先基于6-UPS并联机构各加载支链的动力学方程建立其控制模型，然后采用模糊PID控制器对加载支链驱动力进行跟踪，从而保证6-UPS并联机构在整个运动过程中具有稳定而准确的驱动力输出；要进行力伺服控制，先要进行6-UPS并联机构的受力分析；在静力分析时，应用螺旋理论建立起6-UPS并联机构的静力平衡方程，并转化为用影响系数表示的矩阵方程；对于该试验机，机构的位形是一定的，六根杆长Ip 12、13、14、15、I6是确定的，它的动平台经由6个加载支链与静平台相连，每杆两端分别为球铰链和虎克铰链，此6-UPS并联机构为稳定结构，6个加载支链上沿着加载支链的方向产生6个力，在动平台上合成为一个六维力矢；
2.根据权利要求1所述的六维力高频疲劳试验机，其特征在于该工控机采用全钢机箱、全长主板、无源底板及工业电源；
3.根据权利要求1所述的六维力高频疲劳试验机，其特征在于该运动控制卡采用6 轴以上可编程多轴运动卡，其单轴最快的采样周期为60μ s ；
4.根据权利要求1所述的六维力高频疲劳试验机，其特征在于该筒式直线电机采用筒式直线电机；该筒式直线电机安装在6-UPS并联机构的加载支链上，一端连接拉压力传感器，另外一端连接虎克铰链，为该六维力高频疲劳试验机提供动力；
5.根据权利要求1所述的六维力高频疲劳试验机，其特征在于该筒式直线电机是三相无轴承水冷同步伺服直线电机，其最大推力不小于850Ν，持续推力不小于550Ν，最大功率不小于1400W，电机空载最大加速度不小于350m/s2 ；
6.根据权利要求1所述的六维力高频疲劳试验机，其特征在于该拉压力传感器采用柱式高精度拉压力传感器；该拉压力传感器一端与球铰链连接，另外一端与筒式直线电机连接；
7.根据权利要求1所述的六维力高频疲劳试验机，其特征在于该拉压力传感器的弹性体为柱式结构，用于拉伸力和压缩力测量；
8.根据权利要求1所述的六维力高频疲劳试验机，其特征在于该拉压力传感器采用全密封结构，其要求输出灵敏度为1.5mV/V，直线度为士0. 05% F. S，重复性为士0. 05% F. S，最大量程为士5000N ；
9.一种六维力高频疲劳试验机的使用方法，其特征在于，包括下述步骤 步骤一分析试样在实际工作中的受力状况和建立试样的时变载荷谱；分析确定试样在工作中的受力状况，包括集中载荷作用点及方向，分布载荷的分布规律，试样的约束情况，以及上述两类载荷状况随时间的变化规律，根据载荷的空间、时间分布规律，建立试样的载荷谱F = F (χ, y，z，t)，即载荷F与载荷作用点X，y，ζ和时间t之间的函数关系；步骤二 求出试样应力应变分布及其时间函数；依据载荷谱采用有限元方法计算出结构件的应力、应变在试样中的分布，求得这种分布状况随时间的变化规律σ = σ (X，y，Z，t)，ε = ε (χ, y，ζ, t)，即应力σ和应变ε 的空间位置x，y, ζ分布与时间t之间的函数关系；步骤三采用有限元仿真技术确定这种应力状态下的加载点位移及其时间函数； 根据步骤二求出的应力应变分布及其时间函数，在有限元仿真环境下，采用单点集中力给试样加载，产生与工作状态尽量相似的应力应变分布及其随时间的变化，确定加载点位置、载荷大小及方向、产生的位移大小及方向，以及位移的时间函数；步骤四按照加载位移的时间函数进行多维力加载，根据加载位移的时间函数和模糊 PID控制，确定加载平台运动要求，由工控机根据加载平台的运动求解6-UPS并联机构反解，得出每根并联加载支链的运动形式，筒式直线电机系统产生加载运动；为求运动反解，在加载平台建立坐标系(0' -X' Y' Z')，在静平台建立坐标系 (O-XYZ)，每一根杆用一个矢量Li表示，其中，i = 1、2、3、4、5或6 ；H是加载平台坐标原点在静平台坐标系中的位置矢量，h是加载平台铰链点位置矢量， Bi是静平台铰链点位置矢；由矢量关系得到 Bi = H+bj^-Li (12)式中，R是加载平台座标系相对于静平台坐标系的姿态矩阵
全文摘要
本发明一种六维力高频疲劳试验机，它包括6-UPS并联机构和控制系统两个部分，所述6-UPS并联机构由加载平台、拉压力传感器、筒式直线电机、虎克铰链、静平台及球铰链组成；该控制系统由系统硬件、系统控制方法及软件两部分组成。该六维力高频疲劳试验机以动载荷机械零件的疲劳试样为测试对象的六维力高频疲劳试验机及使用方法，可用于模拟动载荷机械零件的实际受力情况，测定其在静载荷、动载荷及交变疲劳试验中的变形情况，以解决现有疲劳试验机不能施加高频多维力的不足，以接近于实际工作状态下的受力状况，准确的测定试件的疲劳承载能力。
文档编号G01M13/00GK102279101SQ20111019552
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者孙永生, 樊锐, 陈五一 申请人:北京航空航天大学