针对航空关键部件多维复合加载中高线性力加载的工况， 提出6-SPS+P并联机构构型， 实现对线性力、扭矩和弯矩的独立测量， 以满足线性力大量程和保障总体测量精度。
以下为本篇论文正文：
摘 要：针对航空关键部件多维复合加载中高线性力加载的工况， 提出6-SPS+P并联机构构型， 实现对线性力、扭矩和弯矩的独立测量， 可以满足线性力大量程和总体测量精度要求。分析机构工作空间， 得出球铰链最大转角和支链长度的变化规律， 确定机构几何参数。分析机构受力， 确定各支链所受最大推力和拉力。
关键词：多维复合加载； 并联机构； 高线性力；
Abstract: In view of the condition of high linear force loading in multi-dimensional composite loading of key components of aviation, the configuration of 6-SPS+P parallel mechanism is proposed to realize the independent measurement of linear force, torque and bending moment, which can meet the requirements of large range of linear force and overall measurement precision. By analyzing the workspace of the mechanism, the variation law of the maximum rotation angle of the spherical hinge and the length of the branched chain is obtained, and the geometric parameters of the mechanism are determined, thus this paper analyzes the force of the mechanism to determine the maximum thrust and tension of each branch chain.
Keyword: multidimensional composite loading; parallel mechanism; high linear force;
1、 概述
针对航空关键部件的多维复合加载测试中， 存在高线性力加载的工况， 即加载的线性力幅值远大于扭矩和弯矩的幅值[1-3].采用6-SPS并联机构可以实现对关键部件的多维复合加载， 其输出的复合载荷可以通过安装在6条直链的力传感器测量和计算得出[4-5].但是， 当加载的线性力幅值远大于扭矩和弯矩时， 若以线性力幅值选择传感器， 传感器量程较大， 其分辨率通常与量程成正比， 造成测量弯矩和扭矩时分辨率不足。反之， 以弯矩和扭矩幅值选择传感器， 其量程不能满足线性力测量要求。所以， 需针对高线性力加载的工况， 对6-SPS并联机构进行改进设计[6-7].
2、 6-SPS+P的构型简介
6-SPS+P机构的构型如图1所示， 该机构由6条SPS支链以及中间仅含有P副的支链组成， 中间支链与动平台下端由待测关键部件连接， 动平台上端与固定框架之间由另一个相同待测部件连接。实验时同时对两个待测部件进行复合加载， 中间支链对待测件施加高线性力载荷， 6-SPS机构对试件施加弯矩和扭矩载荷。该构型可实现对线性力载荷与弯矩、扭矩载荷的独立加载和测量， 可满足高线性力测量的量程要求和弯矩、扭矩测量的精度要求。
3、 工作空间分析
加载机构的工作空间分析的主要内容是在满足项目工作空间要求的情况下确定球铰的最大转角和移动副的最大行程均不超过许用值。与6-SPS构型不同， 增加了中间支链的构型中6条SPS支链承受扭转和弯曲载荷， 受力较小。对于该构型的计算和参数选择主要集中于工作空间的分析， 以期减小球铰转角和液压缸行程。主要计算流程为：首先根据待测部件的尺寸和设计要求， 给定一组机构的主要结构参数。将该结构参数带入到计算模型中求解满足工作空间要求的球铰最大转角和移动副最大行程。球铰最大转角初步设置为±30°， 移动副最大行程确定后选定液压缸标准行程， 根据液压缸样本确定结构参数后与设计杆长进行比较， 确定是否满足要求。如果不满足要求， 则重新选定结构参数， 代入后计算， 直到得到符和要求的结果。
图1 6-SPS+P构型机构示意图
以静坐标系Ob-XbYbZb为参考坐标系， 加载方式为绕静系加载， 设置动平台翻转的轴向量为[0, 1, 0]T, 给定动平台的翻转角度θ和扭转角度γ， Zb向保持工作中心高不动， 可根据运动学反解求得到该位姿下的12个球铰转角的最大值， 即为对应于该位姿的球铰最大转角。令动平台翻转角度在-10°~10°之间变化， 扭转角度在-25°~25°之间变化， 得到球铰最大转角与姿态的关系如图2所示。
图2 球铰最大转角与姿态的关系曲面图
取机构的极限姿态， 以工作中心高OpOb为自变量， 最大支链长度lmax和最小支链长度lmin为目标变量， 发现随工作中心高的增大， 最大支链长度lmax和最小支链长度lmin以线性关系不断增大。
4、 支链受力分析
将机构每条SPS支链可视为一个二力杆， 在加载过程中会对动平台施加推力或拉力。图3为支链最大载荷与扭转角度和翻转角度的关系曲线， 由图线可知， 随着扭转角度和翻转角度的增大， 6条支链的最大推力值和最大拉力值呈增大的趋势。因此可通过研究最大转角处的支链受力得到加载实验所需的支链最大载荷。
图3 支链最大载荷与姿态角的关系
在选择驱动装置时需要得到6条支链的最大驱动力， 因此需考虑在压弯扭复合加载的情况下6条SPS支链的最大推力和最大拉力。考察动平台的4个极限位姿， 得到在复合加载时支链最大推力值及最大拉力值， 如表1上面一组支链力所示。
以上是基于理想状态的计算情况。在实际的加工装配过程中， 中间支链很难做到与弹性轴承试件完全对心， 进而在加载过程中会对6-SPS机构的动平台产生附加弯矩。由于中间支链的载荷很大， 即使很小的偏心也会产生较大的附加弯矩， 因此在计算过程中应将由于偏心产生的附加弯矩考虑在内。
结合加工与装配的相关经验， 将中间支链轴线与弹性轴承轴线的同轴度误差δ设为1mm, 则动平台上会产生的附加弯矩T=400Nm.分析可知当附加弯矩与加载弯矩轴线重合时， SPS支链上的受力达到最大。以Yb轴作为弯矩加载时的翻转轴线， 取单轴加载转角最大时的4个位姿， 加入附加弯矩进行计算。附加弯矩方向同样以Yb轴为轴线， 得到支链最大载荷如表1下面一组支链力所示。综合理想状态以及引入误差后的支链最大载荷， 确定在工作空间内支链最大推力为5730.35N, 最大拉力为5540.01N.
表1 复合加载时的支链最大载荷
5、 结束语
针对航空关键部件多维复合加载中高线性力加载的工况， 提出6-SPS+P并联机构构型， 实现对线性力、扭矩和弯矩的独立测量， 以满足线性力大量程和保障总体测量精度。对机构工作空间进行分析， 得出球铰链最大转角和支链长度的变化规律， 并由此得出机构的几何参数。对机构支链的受力进行分析， 确定在工作空间内支链最大推力为5730.35N, 最大拉力为5540.01N, 满足机构强度和加载要求。
参考文献：
[1]陈高升， 杨岩。层状球面弹性轴承刚度设计、仿真与试验[J].航空动力学报， 2015 （6） :1512-1519.
[2]颉连元。旋翼弹性轴承应用研究[J].直升机技术， 2002 （3） :6-11.
[3]黄晓东， 王卫卫， 蒋玮光。直升机旋翼系统弹性轴承刚度特性试验方法研究[J].机械强度， 2012, 34 （2） :270-273.
[4]黄真， 孔令富， 方跃法。并联机器人机构学理论及控制[M].北京：机械工业出版社， 1997:79-104.
[5]郭祖华， 陈五一， 陈鼎昌。6杆并联机构运动学及杆受力的仿真[J].北京航空航天大学学报， 2001, 27 （1） :101-104.
[6]张济， 林光春， 杨志刚， 等。基于并行计算的可调节型6-SPS并联机器人运动学和动力学分析[J].现代制造工程， 2006 （9） :5-8.
[7]张洁。关节球铰减摩设计及其对6-PUS并联机构精度影响研究[D].北京：北京航空航天大学， 2016.
