[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

(一)技術領域

本發明專利涉及一種材料力學性能試驗檢測設備，特別涉及一種適于對標準材料力學試件進行多維加載力學性能試驗測定設備。屬于力學實驗技術領域。

(二)背景技術

目前，力學試件的測試形式基本是單純的拉伸、壓縮、彎曲、扭曲等形式。但實際構件的實際受力情況與標準測試力(單純拉伸、壓縮、彎曲、扭曲等)相差很大，往往是多種單純測試力的組合，即目前材料使用環境與設計依據間存在非常大的差距。這種差距造成強度設計出現誤差，使結構出現早期破壞。在一般產品設計中總是采用加大安全系數的方法使得零件的工作應力遠離極限條件，以應對上述設計誤差，但這樣又造成結構的笨大和材料浪費。目前非常需要一種能夠模擬實際受力情況的測試裝置，在模擬實際受力環境下，測試材料承載能力數據，為結構優化、輕量化、安全可靠性設計提供依據。

本發明基于并聯運動機構運動原理，發明一種以標準力學試件為測試對象的多自由度并聯力學試驗機。模擬材料在使用過程中的實際受力情況，測定標準材料力學試件的動、靜態承載能力。本發明的力學試驗機可以實現三維力和三維力矩的動、靜態材料力學性能測試。

并聯機構曾于60年代用于飛行模擬器，70年代用于機器人手臂。在1993年至1994年間，美國、瑞士、俄羅斯先后推出了最初的并聯機床產品。在1996年至1998年間又先后有十幾家公司和大學展出了各自研制的并聯機床，并呈現出多樣化的趨勢。除六桿六自由度結構外，出現了多種少自由度結構、串并聯混合結構等。當前，并聯機構在數控機床、裝配機器人等領域中得到一定程度的應用。并聯運動機構在切削機床上的成功應用證明該機構有足夠的承載能力、運動自由度和定位精度，完全可以滿足試件力學性能測試的要求。當前的新型材料力學試驗機已廣泛以伺服電機驅動代替液壓驅動，以獲得更高的位置伺服精度，所以將并聯運動結構應用于試件力學性能測試的構想具有充分的依據和可行性。

(三)發明內容

本發明的內容是提出一種針對標準材料力學試件進行六維力加載的力學性能測量試驗機結構，以及試驗機運動實現方法。將并聯運動結構應用于結構件力學性能測試，以解決目前單向力學試驗機的不足。

本發明一種六維加載材料力學試驗機，采用并聯加載機構對被測力學試件施加單獨或組合的六維載荷(沿X、Y、Z三方向的力和繞三方向的力矩)，可以真實地模擬試件在工作狀態下的受力狀況，更準確的測定試件的承載能力，為實現精確結構設計提供依據。由以下幾部分組成。

1.并聯加載機構

六維加載材料力學試驗機的并聯加載機構共由這樣幾部分組成：基礎平臺、虎克鉸(共6件)、伸縮桿(共6件)、六維力傳感器、夾具(共2件)、試件、球鉸(共6件)、活動平臺。虎克鉸、伸縮桿、夾具、球鉸，均為組件，分別由多個零件或子部件組成。虎克鉸和球鉸采用通常結構標準組件，伸縮桿分為電機驅動和油缸驅動兩種形式。夾具分為上夾具和下夾具，兩者結構相同，采用虎鉗式絲杠結構夾緊。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，而六維力學傳感器和基礎平臺固定連接。試件通過上下兩個夾具接受載荷，可以實現三維力和三維力矩的動、靜態材料力學性能測試。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。六個伸縮桿的伸縮組合，實現對上夾具的各種運動驅動，進而對試件施加各種單個或組合載荷。

伸縮桿可采用以電機為伺服主機的伸縮桿或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并聯連桿(即伸縮桿)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(即6個虎克鉸-移動副-球鉸組成的運動鏈機構)。

其工作原理是：每根并聯連桿通過電機-絲杠驅動或者液壓缸驅動產生伸縮運動，六根連桿的運動組合使得活動平臺產生六自由度的加載運動，可以對被測試件施加六維載荷(三維力和三維力矩)。六根連桿的運動由計算機控制，可以根據所需的載荷譜產生給定的運動組合及其變化規律。

2.控制系統

如圖4所示，控制系統組成包括：

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。多軸運動制卡通過驅動器與伺服電機相連，通過伺服閥與伺服油缸相連。

其中，控制計算機可選用486以上工控機，