[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

技術領域：

本發明涉及一種拉彎扭材料加載試驗機，它是一種工件拉彎扭加載試驗裝置，用于測試材料的性能，屬于測試設備技術領域。

背景技術：

當前，并聯機構在數控機床、裝配機器人、飛船對接、微型機器人等領域中得到一定程度的應用。并聯機構的研究已越來越深入。并聯機構具有剛度大，結構穩定緊湊，承載能力強，動態響應好，精度高，容易實現多維運動和施加多向載荷等優點。并聯機構已成功用于各種多自由度實驗臺，可以實現精確的運動，承受多向力載荷，說明并聯機構應用于材料加載試驗是可行的。

材料試驗機作為一種單獨的產品，可在各種條件環境下對各種材料，零部件和工程結構等進行拉伸、壓縮、彎曲等試驗，測定材料的強度、塑性、彈性、斷裂韌性、硬度等指標。作為測試材料、構件乃至整機疲勞壽命的設備廣泛應用于現代工業各個領域，也是眾多學者的研究對象。現有的材料試驗機的加載方式都是單向拉壓、扭轉、彎曲，與材料的實際受力狀況不一致，即現有的測量技術不能覆蓋材料實際的受力狀態。因此要得到與材料實際狀態相符合的材料強度數據，需要有能夠同時對材料施加多維力或力矩的試驗機對材料強度進行評估和驗證。針對工業生產對試驗機的需求和試驗機行業有待創新發展的必然要求，國內外著手對于多軸加載試驗機的研制。但目前以并聯機構為依托對工件進行多維力加載的試驗機構尚不多見。

發明內容：

1、目的：本發明的目的是提供一種拉彎扭材料加載試驗機，它是一種以并聯機構為依托的材料性能測試的試驗裝置，不同于單向力或力矩材料加載試驗機，本裝置可以同時對測量工件做拉彎扭實驗。

2、技術方案：本發明一種拉彎扭材料加載試驗機，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，其之間的位置連接關系為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，見圖2，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。其之間的位置連接關系為：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，此加載并聯機構可以實現三方向的轉動，一個方向的平動。見圖3a-c,該外圍支鏈組件，由伺服電機(1件)，聯軸器(1件)，滾珠絲杠(1件)，圓錐滾子軸承(2件)，軸承固定端蓋(1件)，伸縮套筒(1件)，上連接桿(1件)，三維力傳感器(1件)，球鉸(2件)，上套筒(1件)，下套筒(1件)，轉接板(1件)，球鉸蓋(2件)，電機外套(1件)，下連接桿(1件)，鍵(1件),鍵用定位端蓋(1件)，旋轉編碼器(1件)組成。其之間的位置連接關系為：該伸縮套筒，圓柱形，有通孔，孔徑比滾珠絲杠外徑略大，以保證滾珠絲杠可穿入。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，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，使滾珠絲杠可以在下套筒內部運動。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，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，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，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。其之間的位置關系是：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。鍵的安裝示意圖如圖3c所示。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。見圖4，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(1件)，聯軸器(1件)，滾珠絲杠(1件)，圓錐滾子軸承(2件)，軸承固定端蓋(1件)，伸縮套筒(1件)，上連接桿(1件)，三維力傳感器(1件)，球鉸(1件)，上套筒(1件)，下套筒(1件)，轉接板(1件)，球鉸蓋(1件)，電機外套(1件)，下連接平板(1件)，鍵(1件),鍵用定位端蓋(1件)，旋轉編碼器(1件)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可以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。