[發明專利]一種接觸式兩圓柱體軸線交叉角度自動測量裝置

有效

• 申請號: 201810314944.4
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108571943B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 郭鐵能;王一杰;閆志杰;白春生;曹進選;楊濤
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01B21/22
• 分類號: G01B21/22
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種接觸式兩圓柱體軸線交叉角度自動測量裝置，其特征在于：該測量裝置包括裝置平臺(1)、驅動裝置和檢測裝置；

裝置平臺(1)上設有角圓光柵(2)，下試件卡緊裝置(11)和支撐結構(12)；支撐結構(12)固定在裝置平臺(1)的表面，下試件卡緊裝置(11)安裝在支撐結構(12)之間，角圓光柵(2)布設在支撐結構(12)之間的裝置平臺(1)上，且支撐結構(12)能夠根據試件的尺寸精確地上下調整高度；下試件(10)通過下試件卡緊裝置(11)安裝在支撐結構(12)上；

檢測裝置包括力檢測探頭(9)、實時檢測裝置(13)、連接結構(14)、施力平臺(15)和砝碼(16)；實時檢測裝置(13)安裝在支撐結構(12)的頂部中間位置，施力平臺(15)通過連接結構(14)與實時檢測裝置(13)連接；力檢測探頭(9)安裝在實時檢測裝置(13)的底部；

驅動裝置包括帶齒輪齒圈驅動滑座的圓周軌道(3)、滑座(4)、刻度指針(5)、上試件卡緊裝置(7)和減速電機(6)；帶齒輪齒圈驅動滑座的圓周軌道(3)由圓周齒條、齒圈(17)和圓周導軌組成，減速電機(6)通過法蘭盤固定在帶滾輪的滑座(4)上；刻度指針(5)設置在滑座(4)的側部；圓柱體上試件(8)通過上試件卡緊裝置(7)固定在滑座(4)上；

圓柱體上試件(8)設置在下試件上方，且與下試件為空間垂直布設，力檢測探頭(9)正對圓柱體上試件(8)與下試件的交叉中心；

角圓光柵(2)為徑向圓光柵；從角圓光柵(2)中能取得近似正弦的莫爾條紋光電信號，因而通過電子學方法把位移量轉換成數字信息量、模擬信息量、數字和模擬相結合的信息量，以便于自動測量和控制角位移；下試件卡緊裝置(11)能夠卡緊下試件，并且適用于多個尺寸大小的下試件；

通過在施力平臺(15)上增加不同質量和數量砝碼(16)，然后將力傳遞到連接結構(14)，并通過力檢測探頭(9)傳遞到上試件，使圓柱體上試件(8)和下試件相互接觸并形成接觸區域，產生力學特性；檢測裝置能夠實時監測施加力的大小，便于對結合面力學特性進行研究；下試件卡緊裝置(11)能夠使下試件在上試件運動過程中保持靜止狀態。

2.根據權利要求1所述的一種接觸式兩圓柱體軸線交叉角度自動測量裝置，其特征在于：滑座(4)是由鋁合金板為主要原材料制作，滑座(4)下方安裝有四個滾輪，其中兩個是同心滾輪，另外兩個是偏心滾輪，使減速電機(6)實時驅動滑座(4)運動，進而轉動下試件，自動改變兩圓柱接觸的軸線角度，并通過刻度指針(5)與角圓光柵(2)的作用實時監測角度值的大小。

3.根據權利要求1所述的一種接觸式兩圓柱體軸線交叉角度自動測量裝置，其特征在于：接觸式兩圓柱體軸線交叉角度自動測量裝置在使用時首先要將圓柱體上試件(8)、下試件(10)裝夾到上試件卡緊裝置(7)、下試件卡緊裝置(11)內，兩試件尺寸可以不同，控制在卡具的裝夾范圍之內即可；然后打開實時檢測裝置(13)、減速電機(6)，根據經驗參考值選擇合適大小的砝碼放置到施力平臺，然后控制電機帶動滑座、上試件沿圓周導軌逐點運動，刻度指針(5)與角圓光柵(2)實時記錄走過的角度值，同時實時檢測裝置(13)實時監測記錄外界壓力的大小及力檢測探頭(9)下降的位移；為滿足實驗要求，在試件彈性范圍內不斷改變力的大小，記錄角度變化情況及探頭下降位移；最后為公式求解提供實驗依據。

4.根據權利要求1所述的一種接觸式兩圓柱體軸線交叉角度自動測量裝置，其特征在于：根據赫茲接觸理論，假定兩圓柱體接觸面的周界是一個橢圓，并且接觸面上的壓強分布是和這個橢圓為基礎的半橢球面的縱坐標成正比，垂直過接觸點的切面方向，亦即假定

P＝p₀{1-(x/a)²-(y/b)²}^1/2

式中p₀是中心點的壓強強度Mpa；

a、b是接觸橢圓的長軸和短軸長度mm；

P是兩物體接觸所受的總壓力N；

其中

假如式p＝p₀{1-(x/a)²-(y/b)²}^1/2壓強分布合理，那么能夠求解出

(k₁+k₂)πap₀K(e)＝h

式中μ為材料的泊松比，E為材料的彈性模量；K(e)、E(e)為以n/m為模數的完全橢圓積分，e是橢圓的離心率

上述K(e)、E(e)、e滿足以下條件

接觸區為橢圓，接觸區壓力分布為半個橢球，當e決定后，求得橢圓接觸面積的短長半軸a，b由下式決定

在橢圓接觸區內，橢圓中心處壓應力p₀最大

在橢圓接觸區內，接觸壓力分布為

所以，位于接觸點O的公共法線上距O點相當遠的任意兩點因壓縮而互相接近的距離為，即接觸間隙

綜上，該裝置能夠方便快捷的控制并測量接觸式兩圓柱體軸線交叉角度，并對后續圓柱接觸的接觸位移求解提供依據。