[發明專利]基于零剛度撓性支承的扭矩校準測量裝置

有效

• 申請號: 201610238495.0
• 申請日: 2016-04-18
• 公開（公告）號: CN105784224B
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 李濤;齊紅麗;商維綠;倪昔東;江舒;曾志龍
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七0四研究所
• 主分類號: G01L3/00
• 分類號: G01L3/00;G01L25/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根;王晶

本發明涉及一種基于零剛度撓性支承的扭矩校準測量裝置，撓性支承的下端與基座固定連接，上端與標準扭矩梁固定連接，撓性支承的旋轉中心“O”與標準扭矩梁的中心軸線“Y”重合，且與標準扭矩梁的質心重合；激光位移傳感器連接到信號控制測量電路；信號控制測量電路驅動電磁力矩器動作把標準扭矩梁拉平；電磁力矩器輸出的電信號通過信號控制測量電路采集，并根據采集到的電信號計算出實時扭矩載荷。本發明采用“X”型撓性支承作為標準扭矩梁的旋轉、支撐部件來承受變化的扭矩值，通過負剛度調整組件與標準扭矩梁、撓性支承進行組合，實現對外呈現撓性支承旋轉零剛度特性的扭矩校準測量，從而提高扭矩校準測量的靈敏度，特別是微小量程的扭矩校準測量。

技術領域

本發明涉及一種扭矩校準測量裝置，特別涉及一種基于零剛度撓性支承來實現扭矩校準測量裝置。

背景技術

撓性支承利用材料本身的彈性變形傳遞運動、力或能量，具有無摩擦、無間隙、靈敏度高、分辨率高、動態性能好和一體化加工等優點，被廣泛應用于精密定位、MEMS加工、航天航空導航系統等領域。

與傳統剛性結構相比，撓性支承動作過程中的彈性變形產生功能方向正剛度，一定程度上阻礙了系統的運動、降低了能量傳遞效率，成為其應用范圍擴展的桎梏所在。為了克服撓性支承功能方向正剛度帶來的不利影響，有些學者將零剛度理念引入到柔性機構中，利用負剛度抵消正剛度的原理，得到剛度為零的機構，此種系統可在運動范圍內任何一點獲得靜平衡狀態，因此又被稱作柔性靜平衡機構。其突出優點是：靈敏度高、力傳遞性能好，驅動力小，能量傳遞效率高等。

撓性支承應用于扭矩標準裝置作為裝置的旋轉支撐部件，設計的主要目標是盡可能的提高其靈敏度，即盡量降低撓性支承運動方向的扭轉角剛度，同時其它方向則要求剛度足夠大，以提高抗交叉干擾的能力。然而，由于撓性支承是利用彈性體的彈性變形來實現運動的，當撓性支承受到外力矩作用彎曲變形時，勢必會產生一個反方向的恢復力矩，從而阻礙撓性支承的進一步運動，這就需要系統的驅動單元提供一個較大的輸出力矩以驅動并保持撓性支承的運動。雖然通過減小撓性支承細頸的厚度可以降低撓性支承運動方向的扭轉角剛度，但這種方法只能有限程度的降低扭轉角剛度，達不到理想的零剛度特性，無法最大程度提高系統或裝置的靈敏度，而且會同時影響其它方向功能剛度。因此，如何大幅降低撓性支承運動方向的扭轉角剛度或者直接構造一種零剛度撓性支承系統，以大幅提高裝置的靈敏度，同時不降低其它方向剛度，是撓性支承應用于扭矩校準測量裝置的關鍵難點。

經對現有技術的文獻檢索發現，目前有關零剛度或準零剛度的概念多應用于隔振器、隔振系統的研究。有關準零剛度的研究，國內以湖南大學徐道臨教授的研究成果最具代表性，如湖南大學碩士學位論文“一種準零剛度隔振系統及其在車載精密儀器隔振中的應用”、“準零剛度的非線性磁力隔振器的設計和特性分析”、“準零剛度隔振器的特性分析及實驗研究”提出了準零剛度隔振系統使用正剛度和負剛度的組合來實現準零剛度特性的方法。有關零剛度概念的研究，以北京航空航天大學最具代表性，如畢樹生等人申請的發明專利“一種零剛度柔性軸承”通過在廣義三交叉簧片柔性軸承上串聯一個負剛度組件而構成的零剛度柔性軸承，可以大幅縮小柔性軸承的旋轉變形剛度，從而降低對電機等驅動單元的輸出扭矩要求。如張雷、畢樹生等發表的論文《零剛度交叉簧片柔性鉸鏈的設計與仿真》，基于正負剛度并聯思想，提出一種基于交叉簧片的零剛度概念模型，對轉動副形成了負剛度以抵消物體的轉動或旋轉趨勢。

上述提到的零剛度或準零剛度概念的研究及應用均是以使系統穩定、減弱系統的運動為目的?；诹銊偠葥闲灾С械呐ぞ匦蕼y量方法是上述方法的逆向應用，目的是通過零剛度撓性支承系統的研究加速系統的運動，在保證裝置其它方向剛度的同時最大程度提高裝置的靈敏度和分辨力。

發明內容

本發明提出了一種基于零剛度撓性支承的扭矩校準測量裝置，通過“X”型撓性支承作為裝置的旋轉支撐部件傳遞扭轉變形，通過負剛度組件與扭矩標準扭矩梁、撓性支承進行組合，實現對外呈現零剛度特性的扭矩校準測量。