[發明專利]六維加載材料力學試驗機

無效

• 申請號: 200810240161.2
• 申請日: 2008-12-18
• 公開（公告）號: CN101451933A
• 公開（公告）日: 2009-06-10
• 發明（設計）人: 張厚江;陳五一;樊銳
• 申請（專利權）人: 北京林業大學;張厚江;陳五一;樊銳
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種六維加載材料力學試驗機，其特征在于由以下幾部分組成：

并聯加載機構，包括：基礎平臺、虎克鉸、伸縮桿、六維力傳感器、夾具、試件、球鉸、活動平臺；夾具分為上夾具和下夾具，兩者結構相同；基礎平臺和活動平臺均為三角形，各有六個關節軸承-虎克鉸和球鉸；試件被裝夾在上下兩個夾具上；上夾具與活動平臺固定連接，隨活動平臺移動；下夾具固定在六維力傳感器上；試件通過上下兩個夾具接受載荷；活動平臺的移動由六個伸縮桿帶動實現；伸縮桿部件在自身伺服主機的驅動下，實現精確的軸向伸縮；

伸縮桿分為以電機為伺服主機的伸縮桿和以液壓油缸為伺服主機的伸縮桿；基礎平臺和活動平臺由六根伸縮桿連接，每根并聯連桿球鉸一端與活動平臺通過球鉸座連接，虎克鉸一端與基礎平臺通過虎克鉸座連接，形成6-UPS機構；

六根伸縮桿的運動組合使得活動平臺產生六自由度的加載運動，對被測結構件施加六維載荷；六根伸縮桿的運動由計算機控制，根據所需的載荷譜產生給定的運動組合及其變化規律；

控制系統，其組成包括：

1)加載運動控制器：包括控制計算機和多軸運動控制卡，多軸運動控制卡插在控制計算機的I/O擴展槽中，在計算機控制下向各運動軸發出運動控制指令；

2)加載運動編程系統和控制系統軟件：加載運動編程系統是安裝在控制計算機上的軟件系統，包括笛卡爾坐標-實軸坐標轉換模塊和編程界面；笛卡爾坐標-實軸坐標轉換模塊用于將笛卡兒坐標系中的變形位移轉換為各連桿的位移；編程界面中將輸入載荷的種類、數量，載荷的空間、時間分布，極限位移；控制系統軟件是根據加載運動編程系統的計算結果，具體執行對六伸縮桿伸縮控制和力、位移反饋控制的軟件；

根據載荷的種類、數量、空間和時間分布，確定活動平臺運動要求；由控制系統的笛卡爾坐標-實軸坐標轉換模塊求解并聯機構反解，控制各伸縮桿伺服系統產生給定加載運動，即將活動平臺的運動要求分解為六個伸縮桿的各個伸縮運動；機構反解的具體計算過程如下：

為求運動反解，在活動平臺建立坐標系(O_p-X_p，Y_p，Z_p)，在基礎平臺建立坐標系(O_b-X_b，Y_b，Z_b)，每一根伸縮桿用一個矢量L_i表示(i＝1，2，...6.)；

H是活動平臺坐標原點在基礎平臺坐標系中的位置矢量，P_i是活動平臺鉸鏈點位置矢量，B_i是基礎平臺鉸鏈點位置矢；由它們之間的矢量關系得到：

L_i＝H+P_iR^T-B_i????????????????????????(1)

式中，R是活動平臺坐標系相對于基礎平臺坐標系的姿態矩陣：

矩陣中sin和cos簡記為s和c，θ₁、θ₂、θ₃分別表示活動平臺繞X、Y、Z軸的轉角；

根據活動平臺加載時所需的位置H和姿態θ₁、θ₂、θ₃，由式(1)和(2)，即可算出桿長L_i，實現對并聯機構的控制；

3)加載運動伺服系統：包括伺服電源、伺服主機及其向控制系統的反饋電路

4)力傳感器：六維力傳感器，測量三向力和三向力矩，并向加載運動控制器和采樣系統反饋力傳感器信號；

5)位移傳感器：向加載運動控制器和采樣系統反饋伸縮桿的軸向位移信息；

加載運動編程系統是安裝在控制計算機上的軟件系統，其功能是根據加載所需的載荷計算加載位移，所得位移是笛卡爾坐標系中的位移，經過坐標轉換，變成實軸坐標位移量；加載運動控制器與加載運動伺服系統相連，實軸位移量經控制計算機及多軸運動控制卡向加載運動伺服系統發出指令，使伺服主機產生給定運動；力傳感器安裝在基礎平臺上檢測實際加載效果，并向控制計算機反饋，進行調節；

控制系統采用力信號和位移信號的雙重反饋對加載機構進行控制；計算機根據程序分別給六個伺服主機發指令，同步控制六個主機，進而控制活動平臺的動作；在計算機和伺服主機之間，連接有驅動器，用來接收計算機指令和給伺服主機提供足夠功率；計算機同時采集力傳感器的力、力矩信號，進行記錄、分析、處理；每一根伸縮桿，依據位移傳感器可以實現位置反饋控制；計算機根據力傳感器的力和力矩信號，實現活動平臺的整體位置反饋控制和力反饋控制；

加載運動編程系統軟件是運動控制的前處理和工作基礎，而控制系統軟件根據前者的計算結果具體執行對六伸縮桿伸縮控制和力、位移反饋控制；

采樣系統用以采集力信號和位移信號，進行變換、存儲、處理，生成曲線、數表的表達方式，顯示加載過程中力和位移的關系；

采樣系統包括：

1)計算機：包括數據存儲、處理、顯示功能；

2)力傳感器：六維力傳感器，實時傳感被測試件在實驗過程中所承受的三向力和三向力矩；采樣系統所用的力傳感器信號與加載運動控制器所用的反饋力信號為同一信號，均由六維力傳感器產生；

3)采樣板卡：包括多通道力信號的采集、A/D轉換功能；選用12位以上的信號采集卡，通道數要滿足采集通道要求；

4)位移傳感器：以電機為伺服主機的伸縮桿，可以直接利用伺服電機尾部自帶的旋轉編碼器作為伸縮桿位移傳感器；以液壓油缸為伺服主機的伸縮桿，每個伸縮桿上設置一個直線位移傳感器；用于向采樣系統反饋伸縮桿的軸向位移信息；

5)位移計算模塊：根據連桿的實際位移，通過并聯機構正解計算，獲得實際加載位移；

并聯機構正解計算與前面的反解計算過程相反；這里已知每根伸縮桿的實際位移矢量L_i(i＝1，2，...6.)，求解活動平臺的坐標原點在基礎平臺坐標系中的位置矢量H；P_i是活動平臺鉸鏈點位置矢量，B_i是基礎平臺鉸鏈點位置矢；由它們之間的矢量關系得到：

H＝L_i-P_iR^T+B_i????????????????????????????????(3)

式中，R是活動平臺座標系相對于基礎平臺坐標系的姿態矩陣：

矩陣中sin和cos簡記為s和c，θ₁、θ₂、θ₃分別表示活動平臺繞X、Y、Z軸的轉角；

在系統啟動后，軟件要初始化；然后對力傳感器的力信號和六個伸縮桿的位移信息分別進行采集；采集到六個伸縮桿的位移信息要通過位移計算模塊進行位移正解計算，得到活動平臺上試件夾持處的位移；綜合力信號和位移信息，畫出載荷——位移關系圖，并儲存數據；

6)應變傳感器：在被測試件的關鍵位置布置應變傳感器，將應變信號傳輸給采樣板卡，實時檢測該位置的實際應變和應力變化，應變傳感器包括應變片和應變計。