При решении ряда технических задач может возникнуть необходимость измерения силовых факторов – сил и моментов относительно заданных осей координат. Такая проблема возникает, например, при анализе взаимодействия режущего инструмента и заготовки в процессе фрезерования. Для определения сил (сил резания) в этом случае используются многокомпонентные динамометры – измерительные приборы, способные регистрировать силы, направленные вдоль некоторых заданных осей, и пересчитывать их в требуемые силовые факторы – силы и моменты сил.
В Южно-Уральском государственном университете ведутся работы по созданию стенда для наземной отработки летательных аппаратов с переменными массо-геометрическими характеристиками. Концепция стенда предполагает размещение летательного аппарата на кронштейне, устанавливаемой, например, на легковой автомобиль. При движении автомобиля скорость набегающего потока будет соответствовать наиболее ответственным режимам функционирования летательного аппарата – режимам взлета и посадки.
В рамках наземной отработки летательного аппарата необходимо осуществлять контроль действующих на него силовых факторов. С этой целью предполагается использовать многокомпонентный датчик сил – многокомпонентный динамометр, размещаемый между летательным аппаратом и кронштейном. При этом динамометр должен обладать необходимым диапазоном и точностью измерений, малой массой (не более 1,5 кг), относительно невысокой стоимостью, возможностью эксплуатации в полевых условиях.
Анализ возможности использования для указанных целей многокомпонентных динамометра, имеющихся на рынке, показал, что они не в полной мере отвечают перечисленным требованиям.
На кафедре автоматизации механосборочного производства имеется положительный опыт создания силоизмерительных систем на основе механизмов с параллельной кинематикой, имеющих шесть степеней свободы – гексаподов. Назначение такого механизма – осуществлять перемещение его выходного звена (платформы) по шести координатам за счет изменения длин шести штанг. Пространственные механизмы с параллельной кинематикой отличаются высокой удельной жесткостью; тот факт, что в штангах гексапода возникают только усилия растяжения-сжатия, позволяет упростить конструкцию многокомпонентного динамометра.
Так как при использовании гексапода в качестве динамометра не возникает необходимость в изменении пространственного положения его платформы, то целесообразно исключить из конструкции элементы, обеспечивающие изменения длин штанг, т. е. использовать штанги постоянной длины. Роль штанг в динамометре выполняют силоизмерительные элементы, способные регистрировать растягивающие и сжимающие усилия – тензометрические датчики; соединение этих штанг-датчиков с основанием и с платформой осуществляется с использованием шарниров.
Упрощенная модель такого динамометра, выполненного на основе механизма-гексапода, описывается системой из шести линейных уравнений, связывающих компоненты силового воздействия на платформу с усилиями, возникающими в штангах. Важным условием работы динамометра как измерительного прибора является адекватность параметров модели его реальным характеристикам. Определение параметров модели решается в рамках задачи тарировки динамометра.
Для осуществления тарировки динамометра разработаны специальные приспособление и методика. В соответствие с методикой приспособление обеспечивает изменение пространственной ориентации динамометра и формирование известного силового воздействия на его платформу. Измерения усилий в штангах осуществляется для шести различных положений динамометра, что позволяет с использованием известных процедур идентификации определить все неизвестные составляющие модели динамометра.
Использование приспособления и методики тарировки позволило определять параметры модели динамометра с точностью, достаточной для его качественного использования в составе стенда для наземной отработки летательных аппаратов.