题目：基于少自由度并/混联复合负载模拟器的设计与研究

    复合负载模拟器是一类半物理（实验）的仿真设备，它可以在实验室条件下模拟被测对象在实际工作状态下的载荷环境，从而测试其在真实环境的工作性能。使用负载模拟器能够有效降低成本、提高测试效率和增加测试安全性，为构件的结构改进和优化提供了便利。目前，负载模拟器的结构研究主要还停留在实现单维负载和单一加载方向的设备构型上。而在实际工况中，零部件承受的载荷大多数却都是复合形式的载荷。复合负载并不是多个单维载荷的简单叠加，而要充分的考虑各个负载之间的相互协调性。目前，能够实现上述复合负载的设备构型仍然较少，同时也缺乏相应的设计准则来指导设计。并联机构在多轴数控机床和运动模拟器领域的成功应用，为负载模拟器的设计带来了灵感。如何将并联机构有效应用到负载模拟器领域中去，是目前亟待解决的问题。本文从这一问题出发，展开了如下研究：
1) 分析并总结了在常见材料测试中所出现的常规载荷类型。以并联机构为研究对象，验证了单一动平台实现各类常规载荷的可行性，并给出了与各类常规载荷等价的外部载荷。进一步，根据理论力学中力与运动的关系，提出了并联机构自由度与常规载荷类型之间的映射关系。
2) 在负载模拟器的构型中，使用混联机构可以将一个多自由度并联机构转化为若干个少自由度并联机构或串联机构的组合形式，各个机构之间可以实现独立控制，从而降低了设计和控制难度。本研究以载荷功能模块为基本单元，根据混联构型中各个模块之间的联接特点对混联机构进行了分类。在每一类型中，针对不同位置的功能模块，提出相应的载荷与自由度的映射关系。
3) 自由度特征是进行负载模拟器构型设计的必要条件而非充分条件，机构本身的运动模式对实际的加载特性会有很大的影响。本文以此入手，分析了动平台在输出常规载荷时所对应的运动模式。进一步，根据复合运动旋量获得了各类复合负载所对应的动平台运动模式。此外，根据轨迹约束进行判断，复合运动模式存在着伴随运动的现象。本文在此基础上提出了动平台产生伴随运动的原因，并给出了运动模式层面的解决方案。
4) 在针对二维“弯矩”和“剪力”负载的研究中，以两种经典的并联机构：3-PRS机构和3-UU机构为研究对象，分析了它们在加载过程中所对应的机构运动模式。通过分析，发现两种机构在实现特定载荷时均存在着伴随运动。这种伴随运动会对承载构件产生新的附加载荷。因此，在进一步分析分支旋量系的基础上，研究了机构产生伴随运动的原因，并提出了实现目标负载所需要具备的支链特征。
5) 在自由度映射关系、负载运动模式以及无伴随运动结构特征的基础上，利用基于约束图谱综合方法以及模块组合的方法，对常规负载以及复合负载所对应的构型进行了综合，提出了适用于复合负载模拟器的新构型。其中，常规负载构型作为一种基本的负载单元模块，参与到复合负载构型的构建中去。所综合出的构型包括并联和混联，并适用于不同的加载情形。
6) 根据已综合出的构型，遴选出较为常见的支链均布形式，进行了针对各类复合负载的载荷分解研究。通过载荷分解，获得了各个支链末端所需要对动平台提供的主动力。在获得主动力的基础上，计算出各个驱动支链所需要提供的驱动力，并根据不同构件承载刚度以及加载方式进行了分类讨论。
7) 本文以舵机性能测试为应用背景，以实现“扭矩—弯矩—轴向力”复合负载输出为设计目标，研制了一套混联式复合负载模拟器实验样机。实验样机的设计包括了机械结构和控制系统的设计。借助此设备，对舵机进行了加载测试。通过测试结果，验证了并/混联式负载模拟器实现复合负载输出的可行性，以及该设备具有良好的加载性能。