一种多功能高精度重载机械臂关节样机测试平台

1.本实用新型涉及机械关节性能测试技术领域，具体涉及一种多功能高精度重载机械臂关节样机测试平台。


背景技术：

2.受控核聚变的物理研究和技术发展已经持续超过60年，聚变能被认为是最具潜力永久、稳定的清洁能源。托卡马克装置是实现受控核聚变的重要途径。装置运行时，真空室内部存在高温、高真空、强磁场和强辐射等恶劣、极端条件，人员不宜进入，需要使用多功能重载机械臂遥操作系统。
3.托卡马克装置多功能重载机械臂遥操作系统具有6个自由度，长度为11 米，末端负载2吨，重复定位精度
±
10mm。机械臂复杂而且庞大，造价高昂。为了验证多功能重载机械臂设计方案的工程可行性，需要制造机械臂的关键关节，并进行测试和验证，为完整机械臂的研发提供技术参考。
4.根据对完整机械臂的工况分析，关键关节样机为关节，承受的负载及精度要求如下表。关键关节样机需要测量的技术参数主要有：输出扭矩、可承受弯矩及剪力、结构变形量和旋转精度等。
[0005][0006]
目前，常见的关节测试平台包括以下几种：国内开展的典型研究如用于大型空间机械臂关节性能测试平台的研究、用于模拟和测试大型混凝土泵车结构件的6自由度加载平台研究、模拟舵机在飞行器飞行时舵面所受到气动载荷的舵机测试平台、建筑行业模拟地震对建筑物破坏机理的地震加载平台研究等。
[0007]
大型空间机械臂关节性能测试平台可实现载荷较小，无法用于托卡马克装置遥操作多功能重载机械臂关键关节样机测试。用于模拟和测试大型混凝土泵车结构件的6自由度加载平台为6自由度液压驱动并联机构，成本极高，设备体积大。模拟地震对建筑物破坏机理的地震加载平台用于模拟地震波对建筑的冲击作用，不具备扭矩、弯矩和剪力的加载功能。
[0008]
因此，需要设计一种适用于托卡马克装置的多功能高精度重载机械臂关节样机测试平台。


技术实现要素：

[0009]
本实用新型的目的在于提供一种多功能高精度重载机械臂关节样机测试平台，该测试平台适用于托克马克装置，其采用液压系统作为载荷加载的方式，具有载荷大、精度高的特点，相较于电动加载方式有效降低了成本，简化了结构、易于制造。
[0010]
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
[0011]
一种多功能高精度重载机械臂关节样机测试平台，包括载荷模拟系统、支撑结构和传感器单元；所述载荷模拟系统包括依次相连的加载轴一与加载轴二、用于剪力及弯矩加载的液压缸和用于扭矩加载的液压缸；所述支撑结构包括底座和分别设置在底座左右两端上方的支座一与支座二；所述加载轴一的左端与加载轴二的右端相连，右端与关节样机的左端相连，关节样机的右端与支座二相连，加载轴二的左端与用于扭矩加载的液压缸的活塞杆相连，用于扭矩加载的液压缸的缸筒与支座一相连；所述传感器单元包括连接在加载轴一与加载轴二之间的扭矩传感器和设置在用于剪力及弯矩加载的液压缸底部的测力传感器。
[0012]
进一步的，所述用于剪力及弯矩加载的液压缸的数量为两个，分别为用于剪力及弯矩加载的液压缸一与用于剪力及弯矩加载的液压缸二；所述载荷模拟系统还包括支臂一和支臂二；所述用于剪力及弯矩加载的液压缸设置在加载轴一的下方，其通过支臂一与加载轴一相连；所述支臂一的上端套设在加载轴一上，下端与用于剪力及弯矩加载的液压缸的活塞杆相连；所述支臂一的上端通过关节轴承与加载轴一转动相连。
[0013]
进一步的，所述用于扭矩加载的液压缸的数量为两个，分别为用于扭矩加载的液压缸一和用于扭矩加载的液压缸二；所述用于扭矩加载的液压缸一和用于扭矩加载的液压缸二均通过支臂二与加载轴二相连；所述支臂二的一端与用于扭矩加载的液压缸一的活塞杆相连，另一端与用于扭矩加载的液压缸二的活塞杆相连，中间开设有安装孔，支臂二安装在安装孔中且与安装孔转动配合。
[0014]
进一步的，所述加载轴二包括通过联轴器相连的加载轴a和加载轴b；加载轴a的一端与加载轴一相连，另一端与加载轴b的一端相连，加载轴b的另一端与支臂二的中段相连；所述联轴器为十字滑块联轴器。
[0015]
进一步的，所述支座一包括依次设置在底座左端上方的支架一、支架二与支架三；所述用于剪力及弯矩加载的液压缸的缸体固定连接在底座的中段上方；所述用于扭矩加载的液压缸一的缸体固定连接在支架一上，用于扭矩加载的液压缸二的缸体固定连接在支架三上，加载轴二的另一端与支架二转动相连。
[0016]
进一步的，所述扭矩传感器的一端与加载轴二相连，另一端与加载轴一相连。
[0017]
进一步的，所述测力传感器的一端与用于剪力及弯矩加载的液压缸的缸筒底部相连，另一端与底座相连。
[0018]
进一步的，所述传感器单元还包括设置在加载轴b外端部的光电编码器。
[0019]
由以上技术方案可知，本实用新型使用液压系统作为载荷加载的方式，具有载荷大、精度高的特点，相较于电动加载方式有效降低了成本，简化了结构、易于制造。
附图说明
[0020]
图1是本实用新型的俯视图；
[0021]
图2是本实用新型的a-a向剖视图。
[0022]
其中：
[0023]
1、支臂二，2、柱销，3、加载轴b，4、半联轴器一，5、十字滑块，6、半联轴器二，7、加载轴a，8、扭矩传感器，9和12、支臂一，10和13、关节轴承，11、加载轴一，14、关节样机的输出法兰，15、关节样机，16、连接柱销，17和20、支架二，18、底座，19、连接框，21、柱销，22、用于剪力及弯矩加载的液压缸一，23、测力传感器，24、支座二，25、螺栓，26、支架一，27、支架三，28、用于剪力及弯矩加载的液压缸二，29、用于扭矩加载的液压缸一，30、用于扭矩加载的液压缸二。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
[0025]
如图1-图2所示的一种多功能高精度重载机械臂关节样机测试平台，包括载荷模拟系统、支撑结构和传感器单元。
[0026]
所述载荷模拟系统包括加载轴一11、加载轴二、用于剪力及弯矩加载的液压缸(22和28)、用于扭矩加载的液压缸一29、用于扭矩加载的液压缸二30、支臂一(9和12)和支臂二1。所述加载轴一11的一端用于连接关节样机15，另一端与加载轴二的一端相连。所述支臂一(9和12)套设在加载轴一11上，支臂一(9和12)的下端与用于剪力及弯矩加载的液压缸(22和28)的活塞杆相连。所述加载轴二的另一端通过柱销2与支臂二1的中段相连，支臂二1 的两端分别与用于扭矩加载的液压缸一29的活塞杆、用于扭矩加载的液压缸二30的活塞杆相连。载荷模拟系统的关键作用是实现扭矩以及弯矩、剪力的加载。
[0027]
进一步的，所述加载轴二包括通过联轴器相连的加载轴a 7和加载轴b 3；加载轴a 7的一端与加载轴一11相连，另一端与加载轴b 3的一端相连，加载轴b 3的另一端与支臂一(9和12)的中段相连。所述联轴器为十字滑块联轴器，包括依次相连的半联轴器一4、十字滑块5和半联轴器二6。
[0028]
进一步的，所述支臂一的数量为2个，分别为图2中的9和12，两个支臂一依次套设在加载轴一11上。
[0029]
进一步的，所述支臂一(9和12)通过关节轴承(10和13)与加载轴一 11转动配合。
[0030]
进一步的，所述用于剪力及弯矩加载的液压缸的数量为2个，分别为用于剪力及弯矩加载的液压缸一22和用于剪力及弯矩加载的液压缸二28。两个用于剪力及弯矩加载的液压缸与两个支臂一一一对应设置。为缩短加载轴长度，降低测试平台尺寸，并保证被测关节的壳体和内部变形的分布接近真实，本实用新型采用两个用于剪力及弯矩加载的液压缸，在短力臂基础上增加了反方向补偿力，达到增加作用剪力、减小作用力臂的目的，同时改善被测关节受到的剪力和弯矩，保证其受力情况与真实情况相符。
[0031]
所述支撑结构包括底座18，依次设置在底座18左端上方的支架一26、支架二(17和20)与支架三27，以及设置在底座18右端上方的支座二24。所述用于剪力及弯矩加载的液压缸的缸体固定连接在底座18的中段上方；所述用于扭矩加载的液压缸一29的缸体固定连接在支架一26上，用于扭矩加载的液压缸二30的缸体固定连接在支架三27上，加载轴二的另一端与支架二转动相连。所述关节样机15的一端通过连接柱销与支座二24相连，关节样机15 的另一端通过关节样机的输出法兰14与加载轴一11相连。所述底座通过螺栓 25固定到
混凝土上。所述底座分为左半部分、中间部分和右半部分三大部分，三部分之间通过连接框19连接到一起。左半部分用于固定支架一、支架二、支架三。右半部分用于作为支座二的底部，固定支座二。中间部分用于作为固定两个用于剪力及弯矩加载的液压缸的固定座。
[0032]
所述传感器单元包括扭矩传感器、测力传感器和光电编码器。所述扭矩传感器设置在加载轴二与加载轴一11之间，扭矩传感器8的一端与加载轴二(加载轴二中的加载轴a)相连，另一端与加载轴一11相连。每个用于剪力及弯矩加载的液压缸的缸筒底部与底座18之间均设有一测力传感器23，测力传感器23的一端与用于剪力及弯矩加载的液压缸的缸筒底部相连，另一端与底座 18相连。光电编码器设置在加载轴b的外端部。改变液压缸工作压力可调节其推力，进而控制扭矩的变化；改变液压缸的流量可以调节活塞运动速度，进而控制加载轴转速。测力传感器，分别测量液压缸推力/拉力，根据结构参数换算为被测关节的作用扭矩与关节样机承受的弯矩。通过光电编码器测量关节样机转速。
[0033]
本实用新型的工作原理为：
[0034]
本实用新型采用液压缸作为载荷模拟系统的原动机，具有推力大、构造简单且易于控制等优点。弯矩加载时，用于剪力及弯矩加载的液压缸一22、用于剪力及弯矩加载的液压缸二28在液压系统控制下产生推拉力，推拉力之和模拟关节样机所受剪力，二者力矩之和模拟关节样机所受弯矩，剪力及弯矩通过加载轴一11作用至关节样机15输出端。扭矩加载时，用于扭矩加载的液压缸一29、用于扭矩加载的液压缸二30在液压系统控制下产生推拉力，形成的扭矩通过加载轴b 3、加载轴a 7和加载轴一11作用至关节样机15输出端，模拟关节样机15所受扭矩。两个用于扭矩加载的液压缸和支臂二构成曲柄滑块机构，将液压缸活塞的直线运动转换为加载轴一与加载轴二的圆周运动，加载轴一与加载轴二将运动和扭矩传递至被测关节样机。进行测试时，关节样机15 的前端(与第三关节连接端)通过连接柱销16安装在支座二24，后端通过加载轴一11连接至载荷模拟系统。所述扭矩传感器8，用于采集加载轴b处的扭矩数值，以调节液压系统扭矩加载部分的压力及流量，实现扭矩加载的闭环控制。测力传感器23采集用于剪力及弯矩加载的液压缸一22、用于剪力及弯矩加载的液压缸二28的推拉力数值，以调节液压系统剪力及弯矩加载部分的压力，实现剪力及弯矩加载的闭环控制。光电编码器用于采集加载轴b 3的转动速度，补偿动态扭矩加载时加载轴系扭转变形。本实用新型以液压缸作为原动机，设计加载轴和支臂进行运动转换，实现对关节样机的剪力、弯矩和扭矩加载。
[0035]
以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。