一种六自由度并联机构加载系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机构加载系统，特别是一种六自由度并联机构的加载系统及其方法。
【背景技术】
[0002]并联机构具有刚度大、承载能力强、结构比较简单、精度高，没有误差累积，易于控制等优点，在现代国防和工业领域中具有重要的应用环境。而六自由度并联机构加载系统是并联机构的一个典型应用，可在实验室环境下复现被试件在使用过程中所承受的各种载荷，能够再现大型负载结构的真实受力性能，考核被试件在加载力作用下保持原有性能的能力，为新技术的推广提供可靠的试验数据，进而对被试件进行设计开发和试验研宄，解决大型工程中关键构件和材料的试验测试问题，对提高工程结构抵御灾害荷载能力将起到重要意义。
[0003]鉴于六自由度并联机构加载系统在国防和民用领域所起到的重要作用，国内外广泛开展了对六自由度并联机构加载系统的研宄。然而，加载系统在进行高精度加载试验时，需要跟随承载对象快速运动，承载对象的运动将引起加载系统的多余力，多余力的存在将严重影响加载系统的动态加载精度和系统响应频宽。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是要提供一种六自由度并联机构加载系统及其加载方法，是一种能够保证系统的稳定性，以更精确的加载精度复现真实受力情况，为更好的检验被试件性能提供试验环境的六自由度并联机构加载系统和方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种六自由度并联机构加载系统，包括龙门架、伺服作动器(3)、六自由度加载机构和伺服作动器控制系统，所述的伺服作动器控制系统包括力传感器和位移传感器；龙门架所组成的空间中安装六自由度加载机构；六自由度加载机构包括活动平台、上铰组件、下铰组件、六个并联的平台伺服作动器(6)及其固定平台，六自由度加载机构的固定平台固定安装在地基上，在各平台伺服作动器(6)上安装力传感器，以测量加载系统中各平台伺服作动器(6)输出力；伺服作动器(3)安装在竖直方向上，伺服作动器的一端通过连接头与固定在龙门架的底座铰接，另一端与被加载对象连接；伺服作动器(3)内置有位移传感器，用来实时测量伺服作动器的液压缸的位移，进而确定被加载对象的位姿并实现闭环控制。
[0007]所述的六自由度并联机构加载系统，包括两个龙门架、四只伺服作动器(3)，其中，两个龙门架相互垂直的通过地脚螺栓固定在地基上，每个龙门架上对称竖直安装两只伺服作动器⑶。
[0008]所述的六自由度并联机构加载系统，所述的伺服作动器控制系统除力传感器和位移传感器外还包括AD板卡PCI1716、DA板卡PCL6126和伺服控制器；AD板卡PCI1716与DA板卡PCL6126进行数据通讯；所述力传感器、位移传感器进行信号采集；位移传感器、力传感器分别将采集到的力信号和位移信号传输给调理板卡，AD板卡PCI1716的输入端与调理板卡相连，AD板卡PCI1716的输出端与伺服控制器连接，伺服控制器的输出端与DA板卡PCL6126的输入端连接，DA板卡PCL6126的输出端与电液伺服阀连接；安装在平台伺服作动器(6)上的力传感器和内置于伺服作动器(3)的位移传感器将采集到的平台伺服作动器的力信号和伺服作动器的位移信号经调理板卡传输给AD板卡PCI1716，AD板卡PCI1716将传输来的信号经A/D转换处理后反馈给伺服控制器，伺服控制器将信号进行处理后传输给DA板卡PCL6126，通过DA转换信号，进而传递给电液伺服阀，实现对平台伺服作动器和伺服作动器的伺服液压缸的闭环控制。
[0009]所述的六自由度并联机构加载系统，所述对平台伺服作动器和伺服作动器的伺服液压缸的闭环控制，具体为:伺服控制器通过对输入的力信号和反馈回来的力信号进行比较判断，再通过DA板卡PCL6126将信号传递给伺服阀，进而实现对平台伺服作动器的伺服液压缸的伺服控制，确保输出的力为所需要的力；伺服控制器通过对输入的位移信号和反馈回来的位移信号进行比较判断，再通过DA板卡PCL6126将信号传递给伺服阀，进而实现对伺服作动器的伺服液压缸的伺服控制，确保被加载对象的位姿为所需要的位姿状态。
[0010]所述的六自由度并联机构加载系统的加载方法，将被加载对象固定在四只伺服作动器(3)的底部，平台伺服作动器(6)驱动加载机构的活动平台运动到与被加载对象的承载作用面相适应的位姿，将被加载对象的承载作用面与加载机构的活动平台通过附加锁装置连接，六套并联的平台伺服作动器(6)并联驱动加载机构的活动平台，输出多维力；安装在平台伺服作动器(6)上的力传感器检测六自由度加载机构施加在被加载对象上的多维力，进行力伺服控制；伺服作动器(3)的内置位移传感器实时测量出各伺服作动器(3)的位移，进而实时确定被加载对象的位姿，以构成位姿大闭环，实现对被加载对象的同步协调加载。
[0011]所述的六自由度并联机构加载系统的加载方法，静态加载时，根据实际使用中被测件的需要指定六自由度加载机构活动平台运动到确定的位姿状态，然后输出给定的多维力对被加载对象进行加载试验，此时被测件为静止状态，伺服作动器(3)起固定被加载对象的作用；动态同步加载时，被加载对象通过四只固定在龙门架上的伺服作动器(3)来模拟实际工况中的运动状态，六自由度加载机构活动平台精确跟随被加载对象运动，同时输出多维力，进行协调加载。
[0012]本发明利用并联六自由度电液伺服机构输出作用力对被加载对象进行多自由度力和力矩的加载，而且在输出给定的作用力的同时，对加载并联六自由度机构的位姿进行高精度的伺服控制，可实现精确的同步加载。
[0013]在六自由度加载机构的垂直方向对称分布的四只液压伺服作动器，可以通过伺服液压系统调节液压伺服作动器的伸缩量来调整被加载对象所需的位姿并进行固定，并通过六自由度加载机构的活动平台的运动来实现对被加载对象协调加载控制；通过控制四只固定在龙门架上的伺服作动器来模拟被加载对象实际工况中的运动状态，六自由度加载机构活动平台精确跟随被加载对象运动，同时输出多维力，进行协调加载。
[0014]使用本发明的有益效果:本发明加载机构采用并联六自由度机构，可实现多维力和力矩的加载，由于龙门架上的四只伺服作动器的作用，在动态加载时可以更好的解决多余力问题。本发明通过安装在平台伺服作动器6上的力传感器检测六自由度加载机构施加在被加载对象上的多维力，进行力的伺服控制。并且通过与龙门架相连的伺服作动器3的内置位移传感器实时测量出各作动器的位移，进而可以实时确定被加载对象的位姿，以构成位姿大闭环，实现对被加载对象的同步协调加载。
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构原理图；
[0016]图2为本发明的伺服作动器控制系统原理图；
[0017]1-龙门架；2_力传感器；3_伺服作动器；4_活动平台；5_上铰组件；6_平台伺服作动器下铰组件；8_固定平台；9-地基；10_伺服控制器。
【具体实施方式】
[0018]以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0019]如图1所示，本发明的六自由度并联机构加载系统包括龙门架1、四只伺服作动器3、六自由度加载机构和伺服作动器控制系统。其中两套龙门架I相互垂直的通过地脚螺栓固定在地基9上，在两套龙门架I所组成的空间的正中安装六自由度加载机构；六自由度加载机构包括活动平台4、上铰组件5、下铰组件7、六个并联的平台伺服作动器6和固定平台8，六自由度加载机构的固定平台8通过地脚螺栓安装在地基9上，在各平台伺服作动器6上关节处安装力传感器2，以测量加载系统中各作动器输出力。在活动平台4的上部，沿竖直方向对称安装四只伺服作动器3 (图1中还有两只未示出)，一套龙门架上安装两只伺服作动器3，四只伺服作动器3从被加载对象的上部连接被加载对象以确定被加载对象的位姿。伺服作动器3的一端通过连接头与固定在龙门架的底座铰接，另一端与被加载对象通过法兰连接。四只伺服作动器3内置有位移传感器，用来实时测量四只伺服作动器的液压缸的位移，用来确定被加载对象的位姿。
[0020]如图2所示，伺服作动器控制系统包括力传感器、位移传感器、AD板卡PCI1716、DA板卡PCL6126