一种用于绳牵引并联机器人的模态试验装置及试验方法与流程

本发明涉及绳牵引并联机器人的振动特性试验，具体来说是一种采用锤击激励法测量绳牵引并联机器人的全六阶刚体模态对应的固有频率的试验装置及试验方法，用以研究绳牵引并联机器人的振动特性，并可为上述机构的数值仿真分析提供指导和验证。

背景技术：

绳牵引并联机器人(wdpr，wiredrivenparallelrobot)是一种将驱动器的运动和力以绳为介质并行地转换为动平台运动和力的并联装置，具有结构简单、工作空间大、运动速度快、较高的负载/质量比、易拆装、可重组等优点。早在1984年，landsberger提出绳牵引并联机器人的设计问题，此后，绳牵引并联机构逐渐成为国内外研究的一大热点，目前已应用于大型射电望远镜、运动训练、医疗康复、风洞试验支撑等领域。基于工程应用的需要，要求绳牵引并联机器人具有足够高的刚度和共振频率，因此需要对绳牵引并联机器人的振动特性进行分析。在仿真分析中，由于绳索属于柔性体，动平台一般为刚性体，刚柔耦合建模具有较高的难度，且仿真分析的准确度难以保证，因此采用试验方法对绳牵引并联机器人的振动特性进行研究具有重要意义。

中国专利cn105424797a公开一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置及测试方法，其使用柔性尼龙绳将充气柔性薄膜结构悬挂起来，采用两个单向加速度传感器，该方法需要利用数据采集仪对力信号和加速度信号同时采集，得到频响函数矩阵，最终通过参数识别，得到各阶模态振型和有关模态参数；该方法获得的是充气柔性薄膜结构本身的模态振型。文献[2]提出一种基于敲击试验的方法测量索并联机构的振动特性，其通过绳张力的频谱分析来获得固有频率，只得到前两阶固有频率。本发明提出的一种用于绳牵引并联机器人的模态试验装置及试验方法，只需要采用一个单向加速度传感器，再利用数据采集卡采集加速度信号，输入个人计算机，对加速度信号进行快速傅里叶变换(fft)，就可以得到绳牵引并联机器人的全六阶刚体模态对应的固有频率。与上述两个文献相比，本发明获得的是绳支撑和动平台整体的全六阶刚体模态对应的固有频率，且结构装置简单、操作简易、通用性强、试验周期短、试验成本低。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种可用于绳牵引并联机器人的模态试验装置及试验方法，且结构简单、安装方便、通用性强、对机构质量分布的影响小。

本发明设有牵引绳、动平台、力锤、加速度传感器、数据采集卡和个人计算机。动平台由8根牵引绳牵引，从而悬挂在空中；加速度传感器通过数据线与数据采集卡连接，加速度传感器安装在动平台上；使用力锤敲击动平台的表面，对其施加振动激励，使绳牵引并联机器人在某一单自由度方向上振动；通过安装在动平台上的加速度传感器接收加速度信号；加速度信号通过数据采集卡采集；输入个人计算机进行数据处理，采用快速傅里叶变换(fft)，得到绳牵引并联机器人的全六阶刚体模态对应的固有频率。

加速度的测量采用单向加速度传感器，其本身质量不超过所测对象总质量的2％，传感器底部钻有螺纹孔，可通过螺纹连接或粘贴的方式安装在动平台上，或将加速度传感器通过螺纹连接在磁铁上，然后吸附在动平台上。

动平台可以是任意形状的实际物体。

根据每一阶刚体模态的方向，在动平台的适当位置安装加速度传感器。

力锤的锤头材质可以是橡胶、金属或是塑料，等。

使用力锤朝每一阶模态的方向，敲击绳牵引并联机器人支撑的动平台，使绳牵引并联机器人在某一单自由度方向上振动。

本发明具有如下优点：

(1)结构装置简单、操作简易、试验成本低。本发明采用通用的力锤、单向加速度传感器、数据采集卡和个人计算机，结构装置简单，接线简单，操作简易，试验成本低。

(2)采用力锤激励，不给试验对象附加任何质量，不影响试验对象的动特性，且测试周期短。

(3)动平台可以是任意形状的实际物体，通用性强。

(4)可以测量绳牵引并联机器人的全六阶刚体模态对应的固有频率。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明实施例的整体结构示意图。

图3为本发明实施例的飞行器模型上的尾杆放大图。

图4为本发明实施例的锤击点分布示意图。

具体实施方式

本发明是一种用于绳牵引并联机器人的模态试验装置及试验方法，如图1所示，设有牵引绳1、动平台2、力锤3、数据采集卡4、个人计算机5、加速度传感器6。

本发明实施例选择用于风洞试验作为飞行器模型支撑的绳牵引并联机器人系统，如图2所示，动平台为飞行器模型7。

如图3所示，飞行器模型7上的尾杆支座8的末端设计成长方体，其上表面、下表面和后端面为平面，其材质为碳钢或其他具有磁性的金属材料，可以吸附磁铁，便于安装加速度传感器6。

如图4所示，在飞行器模型上建立坐标系oxyz。根据每一阶刚体模态的方向，安装加速度传感器6；对于ox、oy、oz三个平动方向的模态，加速度传感器6沿ox、oy、oz三个方向安装在尾杆支座8上；对于俯仰、滚转、偏航三个转动方向的模态，加速度传感器6安装在飞行器模型7的头部或尾杆支座8上。

使用力锤3分别依次敲击绳牵引并联机器人支撑的飞行器模型7，使绳牵引并联机器人在某一单自由度方向上振动；对于ox、oy、oz三个平动方向的模态，锤击点选择在飞行器模型7的尾杆支座8或机身上，并沿ox、oy、oz三个平动方向敲击；对于俯仰、滚转、偏航三个转动方向的模态，锤击点选择在飞行器模型7的头部或机翼。如图4所示，为锤击点分布示意图，图中飞行器模型7表面的六个字母a、b、c、d、e、f序号所示位置为锤击点，字母a～f分别代表ox、oy、oz、俯仰、滚转、偏航六个模态对应的敲击点。

使用力锤3敲击绳牵引并联机器人支撑的飞行器模型7上的锤击点，对其施加振动激励，使绳牵引并联机器人在某一单自由度方向上振动；同时，安装在绳牵引并联机器人上的加速度传感器6接收加速度信号，经数据采集卡4进行记录和存储，输入个人计算机5；通过快速傅里叶变换(fft)，得到绳牵引并联机器人全六阶刚体模态对应的固有频率。

本发明提供了一种用于绳牵引并联机器人的模态试验方法。以实施例说明具体的实验步骤如下：

步骤一：绳牵引并联机器人的位姿调整

调节绳牵引并联机器人，保证飞行器模型7处于期望位姿；调节牵引绳张力，保证每根绳的张力处于张紧状态；

步骤二：设备的连接

将加速度传感器6安装在飞行器模型7上，并使加速度传感器6与数据采集卡4连接，数据采集卡4事先通过网线连接到个人计算机5上；

步骤三：设备参数设置

选择锤头材质合适的力锤3进行试敲，对加速度信号进行时域和频域分析，设置加速度传感器6的量程；

步骤四：模态试验及数据处理

完成前述准备工作后，开始模态试验；根据每一阶刚体模态的方向，在飞行器模型7上安装加速度传感器6；每个锤击点至少敲击3次，每次敲击之后，保存加速度信号的原始数据；完成全六阶刚体模态的敲击后，将所有数据导入个人计算机5，通过快速傅里叶变换(fft)，得到全六阶刚体模态对应的固有频率。

由此可得到绳牵引并联机器人的全六阶刚体模态对应的固有频率。