一种驱动支链刚度及其保持性测试装置和方法

本发明属于装备测试技术，特别是涉及一种驱动支链刚度及其保持性测试装置及方法。

背景技术：

1、随着航空航天、轨道交通及能源装备等领域向大型化、轻量化发展，针对飞机蒙皮、风电叶片模具等大型复杂结构件的原位加工需求日益迫切。并/混联加工机器人凭借其闭环结构带来的高刚度质量比、高动态响应能力以及灵活的可重构性，已成为解决此类制造难题的关键装备。

2、驱动支链作为并联和混联机器人的核心传动部件，其刚度特性直接决定了机器人的末端定位精度、切削抗振性能和加工表面质量。因此，制造高性能机器人的首要目标是制造出满足设计指标要求的驱动支链，这不仅需要系统的理论研究，也需要较为完善的试验测试技术。

3、目前的刚度测试技术主要集中在整机层面。例如，通过激光跟踪仪、球杆仪配合外部加载装置，对组装完成的机器人进行末端刚度测量。然而，这种整机测试难以剥离出单个驱动支链的具体刚度贡献，导致无法精确定位刚度薄弱环节。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种驱动支链刚度及其保持性测试装置及方法。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种驱动支链刚度及其保持性测试装置，包括：

4、支撑模块，用于固定待测驱动支链和多个滑移导向模块；

5、输出模块，用于输出加载力；

6、第一滑移导向模块，用于将输出模块输出的旋转加载力转变为第二导向模块沿平行于待测驱动支链轴线的直线运动；

7、弹性加载装置，用于连接第一滑移导向模块和第二滑移导向模块，并吸收加载过程的冲击力；

8、第二滑移导向模块，通过力测量模块将加载力水平传动给待测驱动支链；

9、第三滑移导向模块，用于调整变形测量模块的位置并固定；

10、力测量模块，用于进行驱动支链受力测量；

11、变形测量模块，用于进行驱动支链变形测量；

12、控制模块，用于力测量模块和变形测量模块的数据采集并控制力加载模块和待测驱动支链的运动。

13、一种驱动支链刚度测试方法，包括：

14、（1）将待测驱动支链的全行程均匀划分为等份，从待测驱动支链位置零点开始，均匀设置个测试点，记第个测试点为，对应的待测驱动支链行程位置为；

15、（2）将待测驱动支链切换至第个测试点的位置，对待测驱动支链以预设的加载速率单向增加载荷，直至达到规定的最大载荷；同步采集组载荷数据与变形数据，形成加载过程数据序列；其中，为第个采样点的载荷读数值，为第个采样点的变形数值；

16、（3）计算第个测试点加载过程中的总应变能，并计算第个行程位置的等效刚度值；式中，时表示拉伸刚度，时表示压缩刚度；

17、（4）对待测驱动支链卸载，以相反方向重复步骤(2)和(3)，分别计算得到第个测试点的拉伸刚度和压缩刚度；并在每个方向上各重复独立加载次，取次结果的平均值作为该测试点的最终的拉伸刚度和压缩刚度；

18、（5）将待测驱动支链切换至下一个测试点位，重复步骤(2)至(4)，直至遍历所有个测试点，得到刚度随行程分布的离散数据集合；

19、（6）记拉伸刚度集合为，压缩刚度集合为，对应的行程位置为；以刚度集合为拟合的因变量，行程位置集合为拟合的自变量，采用三阶多项式回归模型分别对拉伸刚度和压缩刚度进行全局拟合，得到待测驱动支链在全行程范围内的拉伸刚度函数或压缩刚度函数。

20、一种驱动支链刚度保持性测试方法，包括：

21、（7）获得待测驱动支链初始刚度值，下标表示拉伸或压缩刚度，p表示施加的不同负载力，上标（0）表示第0个运行周期；

22、（8）设置输出模块为力主动输入且其位置被动跟随待测驱动支链的控制方式；设定待测驱动支链一个运行周期内的运行里程或运行时间，测试速度以及需要施加的负载力；

23、（9）按照设定的运行里程或运行时间以及测试速度启动运行待测驱动支链；

24、（10）当待测驱动支链按照设定的运行里程或运行时间运行结束后，采用链刚度测试方法，测试在第个运行周期后，待测驱动支链的刚度值；

25、（11）重复步骤（8）-（10）开展下一个运行周期的刚度保持性测试，直至待测驱动支链刚度失效或达到设定的截止里程/时间，此次测试周期为；

26、（12）当待测驱动支链刚度失效或达到设定的截止里程/时间后，换用新的待测驱动支链并改变运行施加的第个负载力；

27、（13）重复（8）-（12），得到不同负载力下，待测驱动支链的不同周期下刚度值的离散数据集合。

28、一种驱动支链刚度保持性分析方法，包括：

29、计算刚度衰减指标，包括待测驱动支链在全行程范围内的最大刚度衰减率；平均刚度衰减率；

30、构建关于时间的刚度退化趋势模型：在同一负载力下，记运行周期集合为拟合的自变量，以计算得到的刚度衰减指标集合为拟合的因变量，采用多项式模型拟合刚度退化曲线的前期平缓部分，采用指数型疲劳模型拟合退化曲线的后期下降部分，综合关于和的两种刚度退化曲线模型来表征刚度随运行周期的退化规律；均为拟合系数；

31、构建关于负载的刚度退化趋势模型：在同一运行周期下，记负载力集合为自变量，以计算得到的刚度衰减指标集合为因变量，构建二次映射函数，其中，为拟合得到的刚度关于负载力的衰减函数；均为拟合系数；计算刚度衰减加速函数，用于表征负载增加对刚度恶化的加速效应；

32、设定健康等级和刚度失效阈值；

33、当前的刚度衰减指标与设定的多个健康等级进行对比，确定当前驱动支链的刚度健康等级；令计算出对应的最大运行周期，进而评估驱动支链的剩余疲劳寿命或安全服役周期。

34、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

35、1、本发明的测试装置在刚度测量模块中设有内含碟簧的弹性加载装置，可保护测试装置在加载和运行过程中不受较大的冲击和振动；同时，通过弹性加载装置将碟簧变形量转换成相应加载力，可实现力的精准加载；

36、2、本发明的测试装置在刚度测试时，可通过能量等效法计算得到驱动支链不同行程下的刚度数据，并利用多项式拟合得出驱动支链刚度与行程的关联函数，降低噪声影响，得出的刚度函数更稳定。

37、3、本发明的测试装置在刚度保持性测试时，由于齿轮齿条加载优异的动态性能，力加载模块可以模拟实际工况中驱动支链受到的交变载荷，使试验具有较高的拟真度。

38、4、本发明的驱动支链刚度及其保持性测试装置结构简单；相较于传统电动缸加载，本发明的加载模块布局更加紧凑，缩短了轴向长度的同时也简化了力加载模块和导向模块的连接，且力加载范围较大，数据实时监测；不仅可满足不同型号不同形式驱动支链的刚度及其保持性测试，还可实现对驱动支链最大承载能力的有效检测。

39、5、本发明提出了一种新的驱动支链刚度保持性评价方法，通过计算待测驱动支链在全行程范围内的最大刚度衰减率和平均刚度衰减率，构建关于时间和负载的二维刚度退化趋势模型；通过设定健康等级和失效阈值，对驱动支链当前的刚度保持性进行精确评价和寿命预测。

40、6、本发明可测试驱动支链不局限于单p副支链，还可以为rp支链、up支链、rpr支链、rpu支链、rps支链和ups支链等。