[發明專利]一種拉彎扭材料加載試驗機

有效

• 申請號: 201410546705.3
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104344987A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發明（設計）人: 王丹;李茜;樊銳;陳五一
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種拉彎扭材料加載試驗機，其特征在于：該試驗機由加載并聯機構、模擬主軸接口模塊及控制系統組成，加載并聯機構的靜平臺放置并用螺栓固定于地面，靜平臺周向均布三個凹槽，模擬主軸接口模塊通過接口模塊立柱上的凸臺定位與凹槽配合，控制系統位于加載并聯機構旁邊，便于操作者觀察實驗情況，并有效控制機構的運動；

所述加載并聯機構，由三組外圍支鏈組件、一組中間支鏈組件、動平臺和靜平臺組成；動平臺的周向均布三個球窩，中心分布一個球窩，靜平臺的周向均布三個球窩，外圍支鏈組件兩端各一個球鉸，兩端球鉸通過球鉸蓋與靜平臺的周向球窩、動平臺周向球窩相連；中間支鏈一端為球鉸，通過球鉸蓋與動平臺中心球窩相連，另一端通過螺栓與靜平臺相連；三組外圍支鏈組件與靜平臺動平臺均為球鉸連接，中間支鏈與動平臺同樣為球鉸連接，提高了運動的精確度；初始位置為靜平臺與動平臺平行，對心，動平臺中心固定動平臺三爪夾盤，用于夾持工件一端，通過四組支鏈組件的配合運動，此加載并聯機構能實現三方向的轉動，一個方向的平動；該外圍支鏈組件，由伺服電機、聯軸器、滾珠絲杠、圓錐滾子軸承、軸承固定端蓋、伸縮套筒、上連接桿、三維力傳感器、球鉸、上套筒、下套筒、轉接板、球鉸蓋、電機外套、下連接桿、鍵、鍵用定位端蓋和旋轉編碼器組成；該伸縮套筒呈圓柱形，有通孔，孔徑比滾珠絲杠外徑稍大，以保證滾珠絲杠穿入，一端為與螺母法蘭形狀相同的法蘭，用于連接滾珠絲杠的螺母；另一端為與法蘭同心空心圓柱，圓柱外表面開有鍵槽，內表面攻有預定長度的螺紋用以連接上連接桿；該上連接桿為三段階梯軸，兩端軸直徑與伸縮套筒內徑相同，兩端軸外表面攻有螺紋，中間軸直徑與伸縮套筒空心圓柱外徑相同；該下套筒為筒形結構，兩端為方形法蘭，中心為階梯通孔，大孔直徑與螺母法蘭的直徑相同，使滾珠絲杠能在下套筒內部運動，中孔直徑與圓錐滾子軸承外徑相同，用以固定圓錐滾子軸承，小孔直徑與聯軸器直徑相同，小孔長度與聯軸器長度相同；該軸承固定端蓋呈圓環形，心部為通孔，內徑等于絲杠直徑，外徑等于上套筒中孔直徑，外表面攻有螺紋；該上套筒為兩端階梯軸，內部為階梯孔，大軸一端為方形法蘭，其法蘭端的孔為大孔，孔徑與下套筒孔徑相同，另一端小孔直徑與伸縮套筒外徑相同，小孔內側有鍵槽，鍵槽長度小于小孔長度且上套筒的小軸外表面攻有螺紋；該鍵的長度等于上套筒小孔內側鍵槽的長度；該鍵用定位端蓋呈圓環形，外徑與上套筒大軸軸徑相同，內部為階梯通孔，大孔表面攻有螺紋用以連接上套筒小孔處螺紋，大孔孔徑與上套筒小軸軸頸相同，長度與上套筒小軸長度相同，小孔直徑為伸縮套筒外徑，以便于伸縮套筒能順利穿入；該電機外套為方形結構，兩端為方形法蘭，內部開有方形孔用于容納電機；該下連接桿一端為方形法蘭另一端為空心柱形，柱形內徑表面攻有螺紋；該球鉸，大于二分之一的球連接一段圓柱，圓柱外表面攻有螺紋；該球鉸蓋，空心柱形，內部孔徑的最大值等于球鉸球的直徑，孔表面為球面，球鉸蓋周向均布四個通孔用以連接靜、動平臺；該三維力傳感器，柱形，兩端有孔，孔徑大小等于上連接桿的小軸直徑，孔表面攻有螺紋；該轉接板是方形件，其長寬與伺服電機長寬相同，設有通孔，孔徑等于滾珠絲杠的直徑；裝配之前，先將球鉸蓋裝入球鉸球處，組成球鉸組件；將軸承固定端蓋與圓錐滾子軸承依次裝入滾珠絲杠，組成絲杠組件，絲杠組件裝入下套筒，圓錐滾子軸承裝入下套筒中孔，以中孔和小孔軸肩定位，擰緊軸承固定端蓋，由此將圓錐滾子軸承固定；該旋轉編碼器用以測量外圍支鏈的伸縮量，與伺服電機整合為一體；該伺服電機為運動執行器，通過聯軸器與滾珠絲杠連接；滾珠絲杠上的螺母通過螺栓連接伸縮套筒的法蘭，當伺服電機帶動滾珠絲杠運動時，螺母帶動伸縮套筒伸縮，伸縮套筒螺紋連接上連接桿；該上連接桿與三維力傳感器螺紋相連，三維力傳感器螺紋連接球鉸組件；該伺服電機與聯軸器之間安放轉接板，用以定位下套筒的小孔端法蘭；該下套筒與上套筒通過方形法蘭螺栓連接，上下套筒內部大孔長度需保證不干涉絲杠的運動；等上套筒裝配完成后，需保證伸縮套筒上的鍵槽和上套筒小孔表面的鍵槽對齊，將鍵裝入鍵槽，上套筒與鍵用定位端蓋螺紋連接，壓緊鍵的一端，由此鍵得到定位，從而起到導向作用，同時上套筒和下套筒不會發生旋轉；下套筒的另一端法蘭與電機外套的一端方形法蘭螺栓連接，將伺服電機包圍起來，電機外套另一端方形法蘭與下連接桿的方形法蘭螺栓連接，下連接桿螺紋連接球鉸組件；該中間支鏈組件，與外圍支鏈組件結構基本相同，由伺服電機、聯軸器、滾珠絲杠、圓錐滾子軸承、軸承固定端蓋、伸縮套筒、上連接桿、三維力傳感器、球鉸、上套筒、下套筒、轉接板、球鉸蓋、電機外套、下連接平板、鍵、鍵用定位端蓋、旋轉編碼器組成；電機外套及以上敘述件均相同，不同之處在于電機外套的方形法蘭與下連接平板螺釘連接，下連接平板為方形，其長寬大于下套筒方形法蘭的尺寸，與下套筒法蘭的螺紋孔對應開有階梯孔，小孔直徑為小套筒法蘭的螺紋孔的大徑，大孔為所用螺釘的頭部直徑，長度大于螺釘頭部直徑以保證裝配后下連接平板能平穩的放置在靜平臺上，下連接平板有通孔，與靜平臺中心對應分布的螺紋孔螺栓連接，從而實現與靜平臺的固定；

所述模擬主軸接口模塊，由三組相同接口模塊立柱，和一個帶有圓盤三爪夾盤的圓盤組成，接口模塊立柱高度以外圍支鏈組件螺母在滾珠絲杠中間位置是整體并聯機構的高度為基準確定；接口模塊立柱上端有凸塊，圓盤上有凹槽從而確定二者定位關系，加以螺栓固定；圓盤中心安裝有圓盤三爪夾盤，用以裝夾工件的另一端；

所述控制系統，是由電機伺服驅動器、運動控制卡、傳感器接收器和放大器、控制系統軟件、微計算機、液晶顯示器和監控攝像頭、安全保障系統組成，微計算機與運動控制卡、液晶顯示器和監控攝像頭實現電氣連接，同時，運動控制卡與電機伺服驅動器、傳感器接收器和放大器實現電氣連接；控制系統軟件以及安全保障系統安裝于微計算機的操作系統內；該電機伺服驅動器采用交流伺服驅動器，數量為4件，實現對伺服電機自身性能的整定，測試伺服控制系統反饋設置情況，設定伺服電機的具體工作模式以及實現對伺服的電機的開環和閉環控制；該運動控制卡采用多軸運動控制卡，數量為1件，能實現同時對四套伺服電機進行協調控制，從而實現控制并聯機構動平臺位姿、移動速度和加載載荷；同時，通過控制卡的編程與自定義伺服算法，對伺服電機進行位置、速度以及力的精確控制，從而控制支鏈組件的位置、移動速度以及加載載荷；通過控制卡的信號采集接口，實現對三維力傳感器采集信號的處理，實現對加載裝置的精確控制；三維力傳感器放大器，數量為1件，實現對三維力傳感器高精度的數據的讀取和數模轉換處理；該控制系統軟件包括虛擬坐標系和實坐標系的轉換模塊、軟件編程界面、實時顯示界面，數量為1套；實現輸入指定載荷、觀察傳感器數值、計算和顯示載荷分布；該微計算機采用工業控制計算機，數量為1件，實現對傳感器接受數據的處理，對操作人員所發出指令的處理和執行，以及對測量數據的計算和繪圖；該液晶顯示器和監控攝像頭數量均為1件，實現操作人員對加載試驗裝置各個環節的實時監控、顯示控制系統的操作界面和顯示試驗中所需的輸入輸出數據；該安全保障系統通過對并聯機構裝置各傳感器的監控和觀測，在試驗過程中，如果傳感器反饋數據出現異常，該系統則會發出警示信號，數據收集及后處理，測量記錄工件的長度，直徑；在工件關鍵點或關鍵位置布置應變片，以實時監測該點或該位置的實際應變和應力值；工件裝夾完成后，接通電源；工件斷裂后實驗完成，由控制系統記錄下三維力傳感器載荷的變化，進一步整合得到動平臺的受力情況，得到工件所能承受的最大載荷情況，由控制系統記錄伺服電機的旋轉編碼器的數值變化，得到四組支鏈的位移情況，進一步整合得到動平臺的位姿；將一系列數值存入計算機內，由計算機預存入的編程算法計算出工件的材料性能參數，自動繪制出應力應變圖及載荷位移圖。