一种复杂结构刚度参数自动化测试平台的制作方法

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明的优点在于：

1、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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为本发明复杂结构刚度参数自动化测试平台整体结构示意图；

图2为本发明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为本本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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b

104c-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

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明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。加载梁103为矩形截面，其两端相距1m的位置处的周向四个壁面上，以及两端端面中心设置有力传感器安装位置，用来安装力传感器5。

固定钢架结构101套于被测关节件4外部顶部具有沿y轴设置的顶梁，顶梁位于加载梁103正上方，与加载梁103位于同一竖直平面内；顶梁左部与右部安装有转动轴平行于x轴的定滑轮a104a；固定钢架结构101两侧安装有两个沿x轴方向布置的定滑轮支架105，定滑轮支架105中部安装有定滑轮b104b；底部工装平台102两侧还安装有定滑轮c104c；且定滑轮a104a、定滑轮b104b与定滑轮c104c位于同一竖直平面内，且转动轴均平行于y轴。

所述钢丝绳107为两条，两条钢丝绳107的一端为固定端，根据不同工况选择性的分别通过卡扣与加载梁103两端相对的一组力传感器5相连；两条钢丝绳107的另一端为牵拉端，分别连接至固定钢架结构101左侧和右侧设置的加载机构2。通过两侧的加载机构2分别对两根钢丝绳107施加拉力，实现对被测关节件4的加载。同时根据不同工况钢丝绳107还选择性的绕过定滑轮a104a、定滑轮b104b与定滑轮c104c中的两个后连接加载机构2，或者将钢丝绳107的牵拉端直接连接加载梁103。

测试过程中，被测关节件4所需施加的拉压、弯曲、扭转、剪切等载荷即可通过在加载梁103两端施加相应方向和大小的拉力来实现，该拉力大小可通过力传感器5测得。对被测关节件4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4施加拉压载荷。

1)、对被测关节件4施加垂直于水平面的z轴方向向上的拉力时：

如图2所示，在加载梁103两端上壁面安装力传感器5后，将力传感器5分别与两根钢丝绳107的固定端相连，两根钢丝绳107的牵拉端分别绕过顶梁左部与右部的定滑轮a104a，以及两个定滑轮支架105上的定滑轮b104b后，连接至加载机构2；同时两个加载机构2对钢丝绳105施加同相等大小拉力；通过两侧的加载机构2分别对两根钢丝绳107的牵拉端施加等大小水平方向拉力，通过两侧的定滑轮a104a转换为对加载梁103两端施加等大小竖直向上拉力。

2)、对被测关节件4施加z轴方向向下的拉力时：

如图3所示，在加载梁103两端下壁面安装力传感器5后，将力传感器5分别与两根钢丝绳107的固定端相连，两根钢丝绳107的牵拉端分别绕过底部工装平台102左侧与右侧的定滑轮c104c，以及两个定滑轮支架105上的定滑轮b104b后，连接至加载机构2；同时两个加载机构2对钢丝绳105施加同相等大小拉力；通过两侧的加载机构2分别对两根钢丝绳107的牵拉端施加等大小拉力，通过两侧的定滑轮c104c转换为对加载梁103两端施加等大小竖直向下的拉力。

b、对被测关节件4施加弯曲载荷；

(1)、对被测关节件4施加x轴方向的弯曲载荷时：

如图4所示，在加载梁103左端上壁面以及右端下壁面安装力传感器5后，将力传感器5分别与两根钢丝绳107的固定端相连；其中，左侧钢丝绳107的牵拉端分别绕过顶梁左部定滑轮a，以及左侧定滑轮支架105上的定滑轮b104b后，连接左侧加载机构2。右侧钢丝绳107的牵拉端绕过底部工装平台102右侧的定滑轮c104c，以及右侧定滑轮支架105上的定滑轮b104b后，连接至右侧加载机构2；同时两个加载机构2对两根钢丝绳105施加同相等大小拉力；通过左侧的加载机构2对左侧钢丝绳107的牵拉端施加拉力，通过左侧的定滑轮a104a转换为对加载梁103左端施加竖直向上的拉力；通过右侧的加载机构2对右侧钢丝绳107的牵拉端施加拉力，通过右侧的定滑轮c104c转换为对加载梁103右端施加竖直向下的拉力；

(2)对被测关节件4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4，并将被测关节件4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4施加y轴方向弯曲载荷。

c、对被测关节件4施加z轴方向的扭转载荷；

如图5所示，将加载梁103调整至沿x轴方向设置，并在加载梁左端左侧面与右端右侧面上安装力传感器5，将力传感器5分别与左侧与右侧钢丝绳107的固定端相连；钢丝绳107不绕过任何定滑轮，牵引端直接连接至左侧与右侧的加载机构；由两侧的加载机构2通过钢丝绳107对加载梁103两端施加等大小水平方向拉力。

d、对被测关节件4施加剪切载荷；

ⅰ、对被测关节件4施加z方向剪切载荷时：

如图6所示，在加载梁103一端上壁面上安装力传感器5后，将力传感器5分别与同侧钢丝绳107的固定端相连，钢丝绳107的牵拉端绕过顶梁同侧的定滑轮a104a，以及同侧定滑轮支架105上的定滑轮b104b后，连接至同侧加载机构2；通过加载机构2对钢丝绳107的牵拉端施加水平方向拉力，通过定滑轮c104c转换为对加载梁103一端施加竖直方向拉力。

ⅱ、对被测关节件4施加x或y方向剪切载荷时：

如图7所示，将加载梁103调整至沿相应的x轴或y轴方向设置，并在加载梁一端端面上安装力传感器5，将力传感器5与同侧钢丝绳107的固定端相连；钢丝绳107不绕过任何定滑轮，牵引端直接连接至同侧的加载机构；通过加载机构2对钢丝绳107的牵拉端施加水平方向拉力。

上述被测关节件4设计有由上至下共四个测量端面，分别为：转接法兰盘端面、被测关节件加载端端面、被测关节件中部截面、被测关节件固支端。各个端面的位移通过安装于筒状位移传感器支架108上的位移传感器进行测量。位移传感器支架108安装于底部工装平台102上，且套于被测关节件4外部，如图2所示。由于被测关节件4在弯扭载荷作用下的角位移非常微小，因此通过在各个测量端面外缘周向上均设4个测点，两个测点a沿空间x轴布置，另两个测点b沿空间y轴布置。两个测点a与两个测点b处可根据具体需要来安装两个l型测片6或i型测片7，如图3所示；由此可将测点处微小的角位移转化为微小的线位移h，利用高精度位移传感器测得，同时可以测得测点距离关节件中心的距离l，由下式得计算得到：

当被测角位移非常小时，由于弧度角度简化测量引入的最大相对误差不超过0.05‰，完全在试验误差允许范围内。各个高精度位移传感器安装在位移传感器支架108上的相应位置，一方面可方便在不同载荷条件下与相应的测量点相连，另一方面也为数据采集提供了稳定的监测平台。

如图8所示，上述l型测片6一条侧边为安装边，水平固定于测量端面上，且相对的l型测片6的安装边同轴；l型测片6的另一条侧边端部左右两侧对称位置布置有测点；i型测片7水平设置，一端固定于测量端面上，且相对的i型测片7轴线同轴；i型测片7外端左右两侧对称位置布置有测点，且在上下两侧同时布置测点。在不同的载荷条件下对应的测量点也是不同的，分别为：在绕z轴正反向扭转的载荷条件下，为测量端面扭转角位移，选用两个i型测片7固定粘贴于两个测点a处，将高精度位移传感器分别与i型测片7左右两侧的测点相连。在绕x轴正反向弯曲的载荷条件下，为测量端面弯曲角位移，选用两个i型测片7固定粘贴于两个测点a处，将高精度位移传感器分别与i型测片7上下侧面两测点相连；为测量弯曲中性面角位移，选用两个l型测片6固定粘贴于两个测点b处，将高精度位移传感器分别与l型测片6左右两侧的测点相连。在测量绕y轴正反向弯曲角位移时，需将被测关节件4整体绕z轴旋转90°后重新安装，再按上述方式布置测量即可；同理，在测量z向拉压与x、y方向剪切位移时，只需将高精度位移传感器与相应方向的测点相连即可。

上述固定钢架结构101两侧的加载机构2，结构相同，包括加载支架201、丝杆202、丝杆工装203、主动齿轮204、从动齿轮205与步进电机206，如图9所示。其中，加载支架201为竖直框架结构，其上套装有丝杆工装203。丝杆202沿y轴设置，通过轴承安装于丝杆工装203上。主动齿轮204固定于转轴上，转轴一端通过轴承安装于加载支架201上，另一端安装步进电机206，由步进电机206驱动转动。从动齿轮205固定安装于丝杆202上，且与主动齿轮204啮合；由此通过步进电机206驱动主动齿轮204转动，带动从动齿轮205转动，最终实现丝杆202的转动。上述丝杆工装203在加载支架201上可沿z轴上下移动，进而实现丝杆202高度的调节。

位于固定钢架结构2两侧的加载机构2中，丝杆202的一端分别与两根钢丝绳105牵拉端通过卡扣相连，且丝杆202、钢丝绳105与加载梁103轴线位于同一竖直平面内；由此通过步进电机206的正反转动来调节丝杆202在水平面内的进退，进而调节钢丝绳105上的拉力大小，实现对被测关节件4的加载，加载范围大，且调节方便。

数据采集与控制部分3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。各个高精度位移传感器与多通道数据采集仪间以数据线相连，由多通道数据采集仪采集各个高精度位移传感器的测量数据，并发送至控制计算机；两个力传感器通过数据线与信号采集仪间以数据线相连，由信号采集仪采集各个高精度位移传感器的测量数据，并发送至控制计算机。由此测试过程中，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控制计算机中的pid反馈控制器，由pid反馈控制器通过反馈控制算法，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，实现加载机构的自动化加载，提高了加载精度。当拉压载荷调节到位后要保持3～5秒，待被测关节件结构变形稳定后通过多通道数据采集仪采集各位移传感器数据。为避免偶然误差提高刚度测试结果的准确性需对同一工况进行重复测量，一般不少于三次，最后结果为多次测量的平均值。三次测量后，更改实验工况重复上述过程直至试验结束。随后即可对试验数据进行处理，结合线性拟合方法得到被测关节件4刚度参数。