六维力高频疲劳试验机及使用方法

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。

主权项

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l₁、l₂、l₃、l₄、l₅、l₆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；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六维力相平衡，因此列出螺旋方程；f₁$₁+f₂$₂+…+f_i$_i+…＝F+∈M    (1)其中，i＝1、2、3、4、5或6；式中，f_i为第i个杆受到的轴力；$_i为第i杆轴线对固定坐标系的单位线矢，$_i＝S_i+∈S_0i，S_i·S_i＝1，S_i·S_0i＝0；F及M分别为平台上作用力的主矢和对坐标原点主矩；上述螺旋方程写为矩阵形式的平衡方程：$F=\left[G_f^F\right]f$其中F＝{F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z}^T；F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z分别为沿着轴x，y，z三个方向的力和扭矩；f＝{f₁，f₂…f₆}^T；为静力影响系数矩阵；$\left[G_f^F\right]=\left[\begin{array}{cccc}{S}_1& S_2& ...& S_6\\ S_{01}& S_{02}& ...& S_{06}\end{array}\right]---\left(2\right)$若动平台6个球铰链分别记为b₁，b₂…b₆，它们对O-XYZ坐标系的空间位置以矢量b₁，b₂…b₆表示，静平台的6个虎克铰链以B₁，B₂……B₆表示，而对O-XYZ坐标系的位置，以矢量B₁，B₂，…，B₆表示，则：$S_i=\frac{b_i-B_i}{|b_i-B_i|};$$S_{0i}=B_i\times S_i=\frac{B_i\times b_i}{|b_i-B_i|}$其中，i＝1、2、3、4、5或6；则影响系数矩阵为$\left[G_f^F\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{b_1-B_1}{|b_1-B_1|}& \frac{b_2-B_2}{|b_2-B_2|}& ...& \frac{b_6-B_6}{|b_6-B_6|}\\ \frac{B_1\times b_1}{|b_1-B_1|}& \frac{B_2\times b_2}{|b_2-B_2|}& ...& \frac{B_6\times b_6}{|b_6-B_6|}\end{array}\right]---\left(3\right)$根据6-UPS并联机构影响系数矩阵可知，力雅克比矩阵是满秩矩阵，所以当动平台上产生合力及合力矩已知，在各加载支链的位置、速度及加速度即已经确定并且唯一；由牛顿-欧拉法得到加载支链的动力学方程为${\tau }_{\mathrm{ri}}=m_{\mathrm{ru}}{\stackrel{··}{l}}_{\mathrm{ri}}+\frac{3}{4}{m}_{\mathrm{ru}}{l}_{\mathrm{ri}}{\stackrel{·}{\alpha }}_i^2+m_{\mathrm{ru}}g\sin {\alpha }_i+F·l_{\mathrm{ri}}---\left(4\right)$其中，i＝1、2、3、4、5或6；式中，τ_ri为加载支链要求驱动力；m_rui为加载支链前段质量；为加载支链上端构件沿自身矢量方向上的移动加速度；l_ri为第i个加载支链的长度；α_i为第i个加载支链与动平台平面的夹角，由几何关系可知，g为单位重力矢；F_i为第i个球铰链所受外载荷力；l_ri为第i个加载支链矢量；根据拉格朗日法将上式写成如下形式：${\tau }_{\mathrm{ri}}=H_{\mathrm{ri}}\left(q_i\right){\stackrel{··}{q}}_i+C_{\mathrm{ri}}(q_i,{\stackrel{·}{q}}_i){\stackrel{·}{q}}_i+G_{\mathrm{ri}}\left(q_i\right)---\left(5\right)$其中，i＝1、2、3、4、5或6；式中，H_r1(q_i)为第i个加载支链的惯性矩阵；为第i个加载支链阻尼项系数矩阵；G_ri(q_i)为第i个加载支链重力和动平台外载荷力相关的矩阵；为第i个的末端加速度向量；为速度向量；q_i为机构的末端位姿；以上建立了6-UPS并联机构各个加载支链的控制模型，但该6-UPS并联机构在高频加载过程中，其控制模型参数随时间变化，因此需采用模糊PID控制器对6-UPS并联机构进行控制；以误差e和误差变化作为输入，满足不同时刻对e和对控制参数自整定的要求；根据模糊控制理论对控制参数实行在线修改，使得被控对象品质指标始终保持在最佳范围之内；设模糊PID控制器的输入输出集合为$R=\left\{(e,\stackrel{·}{e},u)\right|(e,\stackrel{·}{e},u)\in \{\mathrm{NB},\mathrm{NM},\mathrm{NS},\mathrm{ZO},\mathrm{PS},\mathrm{PM},\mathrm{PB}\}\}---\left(6\right)$式中，NB表示数值为负大，NM为负中，NS为负小，ZO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大，u(u∈R)为模糊PID控制器输出；设i∈I为误差e的个数，将式中各数值分别量化，则对于e∈[e_i，e_i+1]，有$\left\{\begin{array}{c}{A}_i\left(e\right)=\frac{e_{i+1}-e}{e_{i+1}-e_i}\\ A_{i+1}\left(e\right)=\frac{e-e_i}{e_{i+1}-e_i}\\ A_k\left(e\right)=0(k\ne (i,i+1)\in I)\end{array}\right.---\left(7\right)$设j∈J为误差变化的个数，则对于有$\left\{\begin{array}{c}{B}_j\left(\stackrel{·}{e}\right)=\frac{{\stackrel{·}{e}}_{j+1}-\stackrel{·}{e}}{{\stackrel{·}{e}}_{j+1}-{\stackrel{·}{e}}_j}\\ B_{j+1}\left(\stackrel{·}{e}\right)=\frac{\stackrel{·}{e}-{\stackrel{·}{e}}_j}{{\stackrel{·}{e}}_{j+1}-{\stackrel{·}{e}}_j}\\ B_t\left(\stackrel{·}{e}\right)=0(t\ne (j,j+1)\in J)\end{array}\right.---\left(8\right)$模糊推理函数为$f_{\mathrm{ij}}=A_i\left(e\right)B_j\left(\stackrel{·}{e}\right)$(i∈I，j∈J)(9)式中A_i(e)和(i∈I，j∈J)分别表示e和的相应输入量模糊集合；采用重心法对输出量模糊集进行去模糊化，则得到模糊推理机的实际输出为：$u=\frac{\underset{i,j}{\Sigma }{f}_{\mathrm{ij}}{u}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i,j}{\Sigma }{f}_{\mathrm{ij}}}=\frac{\underset{\underset{t=(j,j+1)}{k=(i,i+1)}}{\Sigma }\left(A_k\left(e\right)B_t\left(\stackrel{·}{e}\right)\right)u_{\mathrm{kt}}}{\underset{\underset{t=(j,j+1)}{k=(i,i+1)}}{\Sigma }\left(A_k\left(e\right)B_t\left(\stackrel{·}{e}\right)\right)}---\left(10\right)$式中，u_kt∈{-3，-2，-1，0，1，2，3}为推理机模糊输出值的数值化表示，u∈R为模糊PID控制器输出，其他参数定义见公式(9)；定义模糊PID控制器参数k_P、k_I和k_D的调整算式如下：$\left\{\begin{array}{c}{k}_P=k_{P0}+f\{e,\stackrel{·}{e}\}{k}_P=k_{P0}+\Delta k_P\\ k_I=k_{I0}+f\{e,\stackrel{·}{e}\}{k}_I=k_{I0}+\Delta k_I\\ k_D=k_{D0}+f\{e,\stackrel{·}{e}\}{k}_D=k_{D0}+\Delta k_D\end{array}\right.---\left(11\right)$其中，k_P为模糊PID控制器的输出参数中的比例系数；k_I为模糊PID控制器的输出参数中的积分系数；k_D为模糊PID控制器的输出参数中的微分系数；比例系数k_P增加，则系统的响应速度快，但超调量增加；积分系数k_I增加，则系统的稳态误差消除快，但过渡过程超调大；微分系数k_D增加，则系统动态特性好，但抗干扰能力变差；k_P0、k_I0和k_D0为相应参数的初始值；Δk_P、Δk_I和Δk_D为在线控制过程中，由模糊PID控制器输出的参数调整量；在机构运动过程中，在线检测加载支链实际的驱动力和指令值之间的差值e和由上式完成模糊PID控制器的参数调整；整个控制的流程图如图7；b.反馈系统控制该六维力高频疲劳试验机的反馈系统也应用力伺服控制；该力伺服控制将压力传感器安装在6-UPS并联机构加载支链上，通过6个加载支链上的压力传感器得到力反馈信号，通过对6个加载的反馈信号的处理，进而对6-UPS并联机构的动平台进行力伺服控制，该力伺服控制的优点在于单个力输出不存在相互干扰的问题，通过6-UPS并联机构力的反解很容易得到加载平台合力的结果，再通过模糊PID控制器就对当前信号进行对比、分析、控制；并且应用力伺服控制时，各个加载支链的互换性较好；c.系统软件该六维力高频疲劳试验机软件部分采用分层结构，按照功能分成4个部分，分别完成人机界面层、数据/参数管理层、通讯层及控制层；人机界面层主要完成运动模式选择、运动参数输入、运动启动/停止控制的操作任务，同时需要与数据库连接，将系统控制设置参数以及运动过程中的状态参数显示，以便对运动过程进行人工干预，因此它的关联部分为数据库；数据/参数管理层实际上就是一个数据库，需要管理的数据主要包括：各类系统控制参数、默认参数及运动状态；通讯层主要任务就是根据具体的硬件进行时序协调管理；在该软件系统中，控制层即对运动控制卡及筒式直线电机驱动器的编程及调试；为了使软件系统达到良好的控制效果，要保证运动的稳定性、准确性及快速性，控制层的主要工作包括筒式直线电机驱动器与运动控制卡连接，系统反馈控制与运动控制卡连接以及6-UPS并联机构本身位置与运动控制卡的连接；为了增强系统软件的实时性和系统软件适应高频加载试验的需要，利用多线程技术对软件进行编写；利用多线程来优化系统软件，就是把程序的循环模块单独放在一个线程中来执行，把它与主线程隔离开，让主线程来完成循环模块以外的所有其他功能；循环模块所在的线程是一个高速运行的线程，依靠循环完成不停采集数据和控制等功能；而窗体的主线程除了负责循环模块以外的其他功能外，还负责响应用户输入；这样可以很好的提高系统软件的实时性；