一種拉彎扭材料加載試驗的製造方法
2023-05-06 07:50:56
一種拉彎扭材料加載試驗的製造方法
【專利摘要】一種拉彎扭材料加載試驗機，該試驗機由加載並聯機構、模擬主軸接口模塊及控制系統組成，加載並聯機構的靜平臺放置並用螺栓固定於地面，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，控制系統位於加載並聯機構旁邊，便於操作者觀察實驗情況，並有效控制機構的運動。本發明一次裝夾工件即可完成對工件的拉彎扭實驗，避免拆卸，可提高實驗的可信度；且可對工件同時進行拉彎扭實驗，整體綜合評價工件的材料性能，與只單獨進行拉/彎/扭實驗的加載試驗機具有明顯的優勢。同時實驗全過程均為微機控制，由計算機輸入原始數據，保證了實驗數據的準確性；設有安全保障系統，保證了實驗的安全進行。
【專利說明】一種拉彎扭材料加載試驗機
【技術領域】
:
[0001]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,用於測試材料的性能，屬於測試設備【技術領域】。
【背景技術】
:
[0002]當前，並聯機構在數控工具機、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。並聯機構的研究已越來越深入。並聯機構具有剛度大，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。並聯機構已成功用於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，說明並聯機構應用於材料加載試驗是可行的。
[0003]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於現代工業各個領域，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，國內外著手對於多軸加載試驗機的研製。但目前以並聯機構為依託對工件進行多維力加載的試驗機構尚不多見。
【發明內容】
:
[0004]1、目的:本發明的目的是提供一種拉彎扭材料加載試驗機，它是一種以並聯機構為依託的材料性能測試的試驗裝置，不同於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。
[0005]2、技術方案:本發明一種拉彎扭材料加載試驗機，該試驗機由加載並聯機構，模擬主軸接口模塊及控制系統組成，其之間的位置連接關係為加載並聯機構的靜平臺放置並用螺栓固定於地面，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，控制系統位於加載並聯機構旁邊，便於操作者觀察實驗情況，並有效控制機構的運動。
[0006]所述加載並聯機構，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係為: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，用於夾持工件一端。通過四組支鏈組件的配合運動，此加載並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(I件)，聯軸器(I件)，滾珠絲槓(I件)，圓錐滾子軸承(2件)，軸承固定端蓋(I件)，伸縮套筒(I件)，上連接杆(I件)，三維力傳感器(I件)，球鉸(2件)，上套筒(I件)，下套筒(I件)，轉接板(I件)，球鉸蓋(2件)，電機外套(I件)，下連接杆(I件)，鍵(I件)，鍵用定位端蓋(I件)，旋轉編碼器(I件)組成。其之間的位置連接關係為:該伸縮套筒，圓柱形，有通孔，孔徑比滾珠絲槓外徑略大，以保證滾珠絲槓可穿入。一端為與螺母法蘭形狀相同的法蘭，用於連接滾珠絲槓的螺母。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杆。該上連接杆為三段階梯軸，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，使滾珠絲槓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，內徑等於絲槓直徑，外徑等於上套筒中孔直徑，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，鍵槽長度小於小孔長度且上套筒的小軸外表面攻有螺紋。該鍵的長度等於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，以便於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，內部開有方形孔用於容納電機。該下連接杆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，大於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於球鉸球的直徑，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，孔徑大小等於上連接杆的小軸直徑，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，孔徑等於滾珠絲槓的直徑。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槓，組成絲槓組件。絲槓組件裝入下套筒，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。其之間的位置關係是:伺服電機為運動執行器，通過聯軸器與滾珠絲槓連接。滾珠絲槓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槓運動時，螺母帶動伸縮套筒伸縮。伸縮套筒螺紋連接上連接杆。該上連接杆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幹涉絲槓的運動。等上套筒裝配完成後，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杆的方形法蘭螺栓連接，下連接杆螺紋連接球鉸組件。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(I件)，聯軸器(I件)，滾珠絲槓(I件)，圓錐滾子軸承(2件)，軸承固定端蓋(I件)，伸縮套筒(I件)，上連接杆(I件)，三維力傳感器(I件)，球鉸(I件)，上套筒(I件)，下套筒(I件)，轉接板(I件)，球鉸蓋(I件)，電機外套(I件)，下連接平板(I件)，鍵(I件)，鍵用定位端蓋(I件)，旋轉編碼器(I件)組成。電機外套及以上敘述件均相同。不同之處在於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，其長寬大於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，長度大於螺釘頭部直徑以保證裝配後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。
[0007]所述模擬主軸接口模塊，見圖5，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槓中間位置是整體並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係，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。
[0008]所述控制系統，見圖6，是由電機伺服驅動器、運動控制卡、傳感器接收器和放大器、控制系統軟體、微計算機、液晶顯示器和監控攝像頭、安全保障系統組成。其之間的電氣連接關係是: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。控制系統軟體以及安全保障系統安裝於微計算機的作業系統內。該電機伺服驅動器採用交流伺服驅動器，數量為4件，可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。該運動控制卡採用多軸運動控制卡，數量為I件，可以實現同時對四套伺服電機進行協調控制，從而實現控制並聯機構動平臺位姿、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，可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。通過控制卡的信號採集接口，可實現對三維力傳感器採集信號的處理，實現對加載裝置的精確控制。三維力傳感器放大器，數量為I件，可以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。該控制系統軟體包括虛擬坐標系和實坐標系的轉換模塊、軟體編程界面、實時顯示界面，數量為I套。可實現輸入指定載荷、觀察傳感器數值、計算和顯示載荷分布等功能。該微計算機採用工業控制計算機，數量為I件。可以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I件，可以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並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。數據收集及後處理，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。工件裝夾完成後，接通電源。工件斷裂後實驗完成，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，自動繪製出應力應變圖及載荷位移圖。
[0009]綜上所述，該拉彎扭材料加載試驗機的工作原理為:伺服電機在電機伺服驅動器的作用下通過滾珠絲槓帶動伸縮套筒伸縮從而實現動平臺的位姿變化，實驗工件由動平臺和圓盤上的三爪夾具夾緊，通過動平臺的旋轉移動對工件施加拉力彎矩及扭矩。由每組支鏈上的三維力傳感器通過控制系統整合為動平臺中心的拉力彎矩及扭矩作用於工件。實驗完成後測量工件的變形情況並將有關數值輸入計算機，計算得到工件的材料性能參數。
[0010]3、優點及功效:本發明一種拉彎扭材料加載試驗機的優點是:一次裝夾工件即可完成對工件的拉彎扭實驗，避免拆卸，可提高實驗的可信度。且可對工件同時進行拉彎扭實驗，整體綜合評價工件的材料性能，與只單獨進行拉/彎/扭實驗的加載試驗機具有明顯的優勢。同時實驗全過程均為微機控制，可由計算機輸入原始數據，保證了實驗數據的準確性；設有安全保障系統，保證了實驗的安全進行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是一種拉彎扭材料加載試驗機整體裝配示意圖
[0012]圖2是加載並聯機構示意圖
[0013]圖3a是外圍支鏈組件示意圖
[0014]圖3b是外圍支鏈組件剖視圖
[0015]圖3c是外圍支鏈組件局部示意圖
[0016]圖4是中間支鏈組件示意圖
[0017]圖5是模擬主軸接口模塊示意圖
[0018]圖6是控制系統流程示意圖
[0019]圖7是數據收集及後處理示意圖
[0020]圖中具體標號說明如下:
[0021]1、靜平臺2、外圍支鏈組件3、中間支鏈組件
[0022]4、動平臺5、動平臺三爪夾盤 6、球鉸
[0023]7、球鉸蓋8、三維力傳感器9、上連接杆
[0024]10、伸縮套筒11、鍵用定位端蓋12、上套筒
[0025]13、下套筒14、電機外套15、伺服電機
[0026]16、下連接杆17、螺母18、滾珠絲槓
[0027]19、軸承固定端蓋 20、圓錐滾子軸承21、聯軸器
[0028]22、轉接板23、旋轉編碼器24、鍵
[0029]25、下連接平板 26、圓盤三爪夾盤27、接口模塊立柱
[0030]28、圓盤
【具體實施方式】
[0031]見圖1一圖7，本發明一種拉彎扭材料加載試驗機，該試驗機由加載並聯機構，模擬主軸接口模塊及控制系統組成，其之間的位置連接關係為加載並聯機構的靜平臺放置並用螺栓固定於地面，靜平臺周向均布三個凹槽，摸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，控制系統位於加載並聯機構旁邊，以便於操作者觀察實驗情況，有效控制機構的運動。
[0032]所述加載並聯機構，見圖2，由三組外圍支鏈組件2，一組中間支鏈組件3，動平臺4和靜平臺I組成。其之間的位置連接關係為:動平臺4的周向均布三個球窩，中心分布一個球窩。靜平臺I的周向均布三個球窩。外圍支鏈組件2兩端各一個球鉸6，兩端球鉸6通過球鉸蓋7與靜平臺I的周向球窩，動平臺4周向球窩相連。中間支鏈組件3 —端為球鉸6，通過球鉸蓋7與動平臺4中心球窩相連，另一端通過螺栓與靜平臺I相連。三組外圍支鏈組件2與靜平臺I動平臺4均為球鉸連接，中間支鏈組件3與動平臺4同樣為球鉸連接，提高了運動的精確度。初始位置為靜平臺I與動平臺4平行，對心。動平臺4中心固定動平臺三爪夾盤5，用於夾持工件一端。通過四組支鏈組件的配合運動，此加載並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2由伺服電機15 (I件)，聯軸器21 (I件)，滾珠絲槓18 (I件)，圓錐滾子軸承20 (2件)，軸承固定端蓋19 (I件)，伸縮套筒10 (I件)，上連接杆9 (I件)，三維力傳感器8 (I件)，球鉸6 (2件)，上套筒12 (I件)，下套筒13 (I件)，轉接板22 (I件)，球鉸蓋7 (2件)，電機外套14 (I件)，下連接杆16 (I件)，鍵24(1件)，鍵用定位端蓋11(1件)，旋轉編碼器23(1件)組成。其之間的位置連接關係為:該伸縮套筒10，圓柱形，有通孔，孔徑比滾珠絲槓18外徑略大，以保證滾珠絲槓18可穿入。一端為與螺母法蘭形狀相同的法蘭，用於連接滾珠絲槓18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，內表面攻有一定長度的螺紋用以連接上連接杆9。該上連接杆9為三段階梯軸，兩端軸直徑與伸縮套筒10內徑相同，兩端軸外表面攻有螺紋，中間軸直徑與伸縮套筒10空心圓柱外徑相同。該下套筒13，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，使滾珠絲槓18可以在下套筒13內部運動。中孔直徑與圓錐滾子軸承20外徑相同，用以固定圓錐滾子軸承20，小孔直徑與聯軸器21直徑相同，小孔長度與聯軸器21長度相同。該軸承固定端蓋19，圓環形，心部為通孔，內徑等於滾珠絲槓18直徑，外徑等於上套筒12中孔直徑，外表面攻有螺紋。該上套筒12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13孔徑相同，另一端小孔直徑與伸縮套筒10外徑相同，小孔內側有鍵槽，鍵槽長度小於小孔長度且上套筒12的小軸外表面攻有螺紋。該鍵24的長度等於上套筒12小孔內側鍵槽的長度。該鍵用定位端蓋11，圓環形，外徑與上套筒12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12小孔處螺紋，大孔孔徑與上套筒12小軸軸頸相同，長度與上套筒12小軸長度相同。小孔直徑為伸縮套筒10外徑，以便於伸縮套筒10能順利穿入。該電機外套14為方形結構，兩端為方形法蘭，內部開有方形孔用於容納伺服電機15。該下連接杆16 —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6,大於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7，空心柱形，內部孔徑的最大值等於球鉸6球的直徑，孔表面為球面，球鉸蓋7周向均布四個通孔用以連接靜(動)平臺1(4)。該三維力傳感器8，柱形，兩端有孔，孔徑大小等於上連接杆9的小軸直徑，孔表面攻有螺紋。該轉接板22，方形件，其長寬與伺服電機15長寬相同，通孔，孔徑等於滾珠絲槓18的直徑。裝配之前，先將球鉸蓋7裝入球鉸6球處，組成球鉸組件。將軸承固定端蓋19與圓錐滾子軸承20依次裝入滾珠絲槓18，組成絲槓組件。絲槓組件裝入下套筒13，圓錐滾子軸承20裝入下套筒13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20固定。該旋轉編碼器23用以測量外圍支鏈的伸縮量，與伺服電機15整合為一體。其之間的位置關係是:伺服電機15為運動執行器，通過聯軸器21與滾珠絲槓18連接。滾珠絲槓18上的螺母通過螺栓連接伸縮套筒10的法蘭，當伺服電機15帶動滾珠絲槓18運動時，螺母帶動伸縮套筒10伸縮。伸縮套筒10螺紋連接上連接杆9。該上連接杆9與三維力傳感器8螺紋相連，三維力傳感器8螺紋連接球鉸組件。該伺服電機15與聯軸器21之間安放轉接板22，用以定位下套筒13的小孔端法蘭。該下套筒13與上套筒12通過方形法蘭螺栓連接，上、下套筒內部大孔長度需保證不幹涉滾珠絲槓18的運動。等上套筒12裝配完成後，需保證伸縮套筒10上的鍵槽和上套筒12小孔表面的鍵槽對齊，將鍵24裝入鍵槽。上套筒12與鍵24用定位端蓋螺紋連接，壓緊鍵24的一端，由此鍵24得到定位，從而起到導向作用，同時上套筒12和下套筒13不會發生旋轉。鍵24的安裝示意圖如圖3c所示。下套筒13的另一端法蘭與電機外套14的一端方形法蘭螺栓連接，將伺服電機15包圍起來，電機外套14另一端方形法蘭與下連接杆16的方形法蘭螺栓連接，下連接杆16螺紋連接球鉸組件。見圖4，該中間支鏈組件3與外圍支鏈組件2基本相同，由伺服電機15(1件)，聯軸器21 (I件)，滾珠絲槓18 (I件)，圓錐滾子軸承20 (2件)，軸承固定端蓋19 (I件)，伸縮套筒10 (I件)，上連接杆9 (I件)，三維力傳感器8 (I件)，球鉸6 (I件)，上套筒12 (I件)，下套筒13 (I件)，轉接板22 (I件)，球鉸蓋7 (I件)，電機外套14 (I件)，下連接平板25 (I件)，鍵24(1件)，鍵用定位端蓋11(1件)，旋轉編碼器23(1件)組成。電機外套14及以上敘述件均相同。不同之處在於電機外套14的方形法蘭與下連接平板25螺釘連接，下連接平板為方形，其長寬大於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，長度大於螺釘頭部直徑以保證裝配後下連接平板25可以平穩的放置在靜平臺I上。下連接平板I有通孔，與靜平臺I中心對應分布的螺紋孔螺栓連接，從而實現與靜平臺I的固定。
[0033]所述模擬主軸接口模塊，見圖5，由三組相同接口模塊立柱27和一個帶有圓盤三爪夾盤26的圓盤28組成，接口模塊立柱27高度以外圍支鏈組件螺母在滾珠絲槓18中間位置是整體並聯機構的高度為基準確定。接口模塊立柱27上端有凸塊，圓盤28上有凹槽從而確定二者定位關係，加以螺栓固定。圓盤28中心安裝有圓盤三爪夾盤26，用以裝夾工件的另一端。
[0034]所述控制系統，見圖6，是由電機伺服驅動器、運動控制卡、傳感器接收器和放大器、控制系統軟體、微計算機、液晶顯示器和監控攝像頭、安全保障系統組成。其之間的電氣連接關係是: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。控制系統軟體以及安全保障系統安裝於微計算機的作業系統內。該電機伺服驅動器採用交流伺服驅動器，數量為4件，可實現對伺服電機15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15的具體工作模式以及實現對伺服電機15的開環和閉環控制。該運動控制卡採用多軸運動控制卡，數量為I件，可以實現同時對四套伺服電機15進行協調控制，從而實現控制並聯機構動平臺位姿、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，可對伺服電機15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。通過控制卡的信號採集接口，可實現對三維力傳感器8採集信號的處理，實現對加載裝置的精確控制。三維力傳感器放大器，數量為I件，可以實現對三維力傳感器8高精度的數據的讀取和數模轉換處理。該控制系統軟體包括虛擬坐標系和實坐標系的轉換模塊、軟體編程界面、實時顯示界面，數量為I套。可實現輸入指定載荷、觀察傳感器數值、計算和顯示載荷分布等功能。該微計算機採用工業控制計算機，數量為I件。可以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I件，可以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並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。數據收集及後處理，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。工件裝夾完成後，接通電源。工件斷裂後實驗完成，由控制系統記錄下三維力傳感器8載荷的變化，進一步整合得到動平臺4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15的旋轉編碼器23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4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，自動繪製出應力應變圖及載荷位移圖。
【權利要求】
1.一種拉彎扭材料加載試驗機,其特徵在於:該試驗機由加載並聯機構、模擬主軸接口模塊及控制系統組成，加載並聯機構的靜平臺放置並用螺栓固定於地面，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，控制系統位於加載並聯機構旁邊，便於操作者觀察實驗情況，並有效控制機構的運動； 所述加載並聯機構，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，用於夾持工件一端，通過四組支鏈組件的配合運動，此加載並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、滾珠絲槓、圓錐滾子軸承、軸承固定端蓋、伸縮套筒、上連接杆、三維力傳感器、球鉸、上套筒、下套筒、轉接板、球鉸蓋、電機外套、下連接杆、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，孔徑比滾珠絲槓外徑稍大，以保證滾珠絲槓穿入，一端為與螺母法蘭形狀相同的法蘭，用於連接滾珠絲槓的螺母；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杆；該上連接杆為三段階梯軸，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，使滾珠絲槓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，內徑等於絲槓直徑，外徑等於上套筒中孔直徑，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，鍵槽長度小於小孔長度且上套筒的小軸外表面攻有螺紋；該鍵的長度等於上套筒小孔內側鍵槽的長度；該鍵用定位端蓋呈圓環形，夕卜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，以便於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，內部開有方形孔用於容納電機；該下連接杆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，大於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於球鉸球的直徑，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，孔徑大小等於上連接杆的小軸直徑，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，孔徑等於滾珠絲槓的直徑；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槓，組成絲槓組件，絲槓組件裝入下套筒，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槓連接；滾珠絲槓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槓運動時，螺母帶動伸縮套筒伸縮，伸縮套筒螺紋連接上連接杆；該上連接杆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幹涉絲槓的運動；等上套筒裝配完成後，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杆的方形法蘭螺栓連接，下連接杆螺紋連接球鉸組件；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、滾珠絲槓、圓錐滾子軸承、軸承固定端蓋、伸縮套筒、上連接杆、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，不同之處在於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，其長寬大於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，長度大於螺釘頭部直徑以保證裝配後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槓中間位置是整體並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係，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、控制系統軟體、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；控制系統軟體以及安全保障系統安裝於微計算機的作業系統內；該電機伺服驅動器採用交流伺服驅動器，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；該運動控制卡採用多軸運動控制卡，數量為I件，能實現同時對四套伺服電機進行協調控制，從而實現控制並聯機構動平臺位姿、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；通過控制卡的信號採集接口，實現對三維力傳感器採集信號的處理，實現對加載裝置的精確控制；三維力傳感器放大器，數量為I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；該控制系統軟體包括虛擬坐標系和實坐標系的轉換模塊、軟體編程界面、實時顯示界面，數量為I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；該微計算機採用工業控制計算機，數量為I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I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並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，數據收集及後處理，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；工件裝夾完成後，接通電源；工件斷裂後實驗完成，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，自動繪製出應力應變圖及載荷位移圖。
【文檔編號】G01N3/02GK104344987SQ201410546705
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】王丹, 李茜, 樊銳, 陳五一 申請人:北京航空航天大學