專利名稱：六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種材料力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，特別涉及一種適于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)材料 力學(xué)試件進(jìn)行多維加載力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)定設(shè)備。屬于力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
目前,力學(xué)試件的測(cè)試形式基本是單純的拉伸、壓縮、彎曲、扭曲等形式。但實(shí)際 構(gòu)件的實(shí)際受力情況與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試力(單純拉伸、壓縮、彎曲、扭曲等)相差很大，往 往是多種單純測(cè)試力的組合，即目前材料使用環(huán)境與設(shè)計(jì)依據(jù)間存在非常大的差距。 這種差距造成強(qiáng)度設(shè)計(jì)出現(xiàn)誤差，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)早期破壞。在一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)中總是采用 加大安全系數(shù)的方法使得零件的工作應(yīng)力遠(yuǎn)離極限條件，以應(yīng)對(duì)上述設(shè)計(jì)誤差，但這 樣又造成結(jié)構(gòu)的笨大和材料浪費(fèi)。目前非常需要一種能夠模擬實(shí)際受力情況的測(cè)試裝 置，在模擬實(shí)際受力環(huán)境下，測(cè)試材料承載能力數(shù)據(jù)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化、安全可 靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
本發(fā)明基于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，發(fā)明一種以標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件為測(cè)試對(duì)象的多自 由度并聯(lián)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。模擬材料在使用過程中的實(shí)際受力情況，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)材料力學(xué)試 件的動(dòng)、靜態(tài)承載能力。本發(fā)明的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)三維力和三維力矩的動(dòng)、靜態(tài) 材料力學(xué)性能測(cè)試。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)曾于60年代用于飛行模擬器，70年代用于機(jī)器人手臂。在1993年至1994 年間，美國(guó)、瑞士、俄羅斯先后推出了最初的并聯(lián)機(jī)床產(chǎn)品。在1996年至1998年間 又先后有十幾家公司和大學(xué)展出了各自研制的并聯(lián)機(jī)床，并呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)。除 六桿六自由度結(jié)構(gòu)外，出現(xiàn)了多種少自由度結(jié)構(gòu)、串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)等。當(dāng)前，并聯(lián)機(jī) 構(gòu)在數(shù)控機(jī)床、裝配機(jī)器人等領(lǐng)域中得到一定程度的應(yīng)用。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在切削機(jī)床 上的成功應(yīng)用證明該機(jī)構(gòu)有足夠的承載能力、運(yùn)動(dòng)自由度和定位精度，完全可以滿足 試件力學(xué)性能測(cè)試的要求。當(dāng)前的新型材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)已廣泛以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)代替液 壓驅(qū)動(dòng)，以獲得更高的位置伺服精度，所以將并聯(lián)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于試件力學(xué)性能測(cè)試 的構(gòu)想具有充分的依據(jù)和可行性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容是提出一種針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)材料力學(xué)試件進(jìn)行六維力加載的力學(xué)性能測(cè)量 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)，以及試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法。將并聯(lián)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試， 以解決目前單向力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的不足。
本發(fā)明一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，采用并聯(lián)加載機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)力學(xué)試件施加單 獨(dú)或組合的六維載荷(沿X、 Y、 Z三方向的力和繞三方向的力矩)，可以真實(shí)地模擬 試件在工作狀態(tài)下的受力狀況，更準(zhǔn)確的測(cè)定試件的承載能力，為實(shí)現(xiàn)精確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提供依據(jù)。由以下幾部分組成。
1. 并聯(lián)加載機(jī)構(gòu)
六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的并聯(lián)加載機(jī)構(gòu)共由這樣幾部分組成基礎(chǔ)平臺(tái)、虎克
鉸(共6件)、伸縮桿(共6件)、六維力傳感器、夾具(共2件)、試件、球鉸(共6 件)、活動(dòng)平臺(tái)?；⒖算q、伸縮桿、夾具、球鉸，均為組件，分別由多個(gè)零件或子部件 組成。虎克鉸和球鉸采用通常結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)組件，伸縮桿分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和油缸驅(qū)動(dòng)兩種形 式。夾具分為上夾具和下夾具，兩者結(jié)構(gòu)相同，采用虎鉗式絲杠結(jié)構(gòu)夾緊。基礎(chǔ)平臺(tái) 和活動(dòng)平臺(tái)均為三角形，各有六個(gè)關(guān)節(jié)軸承一虎克鉸和球鉸。試件被裝夾在上下兩個(gè) 夾具上。上夾具與活動(dòng)平臺(tái)固定連接，隨活動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)。下夾具固定在六維力傳感器 上，而六維力學(xué)傳感器和基礎(chǔ)平臺(tái)固定連接。試件通過上下兩個(gè)夾具接受載荷，可以 實(shí)現(xiàn)三維力和三維力矩的動(dòng)、靜態(tài)材料力學(xué)性能測(cè)試?；顒?dòng)平臺(tái)的移動(dòng)由六個(gè)伸縮桿 帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。伸縮桿部件在自身伺服主機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)精確的神向伸縮。六個(gè)伸縮桿 的伸縮組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)上夾具的各種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)試件施加各種單個(gè)或組合載荷。
伸縮桿可采用以電機(jī)為伺服主機(jī)的伸縮桿或以液壓油缸為伺服主機(jī)的伸縮桿。 基礎(chǔ)平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)由六根并聯(lián)連桿(即伸縮桿)連接，每根并聯(lián)連桿球鉸一端 與活動(dòng)平臺(tái)通過球鉸座連接，虎克鉸一端與基礎(chǔ)平臺(tái)通過虎克鉸座連接，形成6—UPS 機(jī)構(gòu)(即6個(gè)虎克鉸一移動(dòng)副一球鉸組成的運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)構(gòu))。
其工作原理是每根并聯(lián)連桿通過電機(jī)一絲杠驅(qū)動(dòng)或者液壓缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)， 六根連桿的運(yùn)動(dòng)組合使得活動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生六自由度的加載運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)被測(cè)試件施加六 維載荷(三維力和三維力矩)。六根連桿的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制，可以根據(jù)所需的載荷譜 產(chǎn)生給定的運(yùn)動(dòng)組合及其變化規(guī)律。
2. 控制系統(tǒng)如圖4所示，控制系統(tǒng)組成包括
1) 加載運(yùn)動(dòng)控制器包括控制計(jì)算機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，多軸運(yùn)動(dòng)控制卡插在控制 計(jì)算機(jī)的I/0擴(kuò)展槽中，在計(jì)算機(jī)控制下向各運(yùn)動(dòng)軸發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令。多軸運(yùn)動(dòng) 控制卡通過驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)相連，通過伺服閥與伺服油缸相連。
其中，控制計(jì)算機(jī)可選用486以上工控機(jī)，
其中，多軸運(yùn)動(dòng)控制控制卡可選用6軸以上控制卡。
2) 加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)和控制系統(tǒng)軟件加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)軟件即安裝在所述控制計(jì) 算機(jī)上的軟件系統(tǒng)，其包括載荷一位移轉(zhuǎn)換模塊，笛卡爾坐標(biāo)一實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模 塊和編程界面。所述載荷一位移轉(zhuǎn)換模塊是根據(jù)載荷要求確定位移方式，或根據(jù) 位移要求確定加載方式的軟件模塊。笛卡爾坐標(biāo)一實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊用于將笛卡 兒坐標(biāo)系中的變形位移轉(zhuǎn)換為各連桿的位移(機(jī)構(gòu)反解)；編程界面中將輸入載荷 的種類、數(shù)量，載荷的空間、時(shí)間分布，極限位移等信息。加載運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟 件是根據(jù)加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，具體執(zhí)行對(duì)六伸縮桿伸縮控制和力、位 移反饋控制的軟件。
根據(jù)載荷的種類、數(shù)量、空間和時(shí)間分布等，確定活動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)要求。由加載運(yùn) 動(dòng)編程系統(tǒng)軟件的笛卡爾坐標(biāo)一實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)反解，控制各伸縮桿 伺服系統(tǒng)產(chǎn)生給定加載運(yùn)動(dòng)，即將活動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)要求分解為六個(gè)伸縮桿的各個(gè)伸縮 運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)反解的具體計(jì)算過程如下
為求運(yùn)動(dòng)反解，在活動(dòng)平臺(tái)建立坐標(biāo)系(Op-Xp,Yp,Zp)，在基礎(chǔ)平臺(tái)建立坐標(biāo)系
(Ob-Xb,Yb,Zb)，每一根伸縮桿用一個(gè)矢量Li表示(i-l,2，...6.)，如圖5所示。
圖5中，H是活動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系中的位置矢量，Pi是活動(dòng)平臺(tái)
鉸鏈點(diǎn)位置矢量，Bi是基礎(chǔ)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢。由圖示的矢量關(guān)系可得
Li = H + PiRT-Bi (1)
式中，R是活動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系相對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣
R= c(92s613 sSis6^s^3"i"C(9ic^3 c6is6^s6^ — s(9ic(93 (2) L -s6>2 s歸2c歸2 J
矩陣中sin和cos簡(jiǎn)記為s和c， A、 &、島分別表示活動(dòng)平臺(tái)繞X、 Y、 Z軸的轉(zhuǎn)角。
9根據(jù)活動(dòng)平臺(tái)加載時(shí)所需的位置H和姿態(tài)^、 ft、島，由式(1)和(2)，即可算出桿 長(zhǎng)Li，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制。
3) 加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)包括伺服電源、伺服主機(jī)及其向控制系統(tǒng)的反饋電路。所述 的伺服主機(jī)可采用伺服電機(jī)或伺服油缸；對(duì)于小載荷、高精度加載機(jī)構(gòu)，伺服主 機(jī)優(yōu)先采用伺服電機(jī)，其中又以交流伺服電機(jī)為佳；對(duì)于大載荷、低精度加載機(jī) 構(gòu)，伺服主機(jī)優(yōu)先采用伺服油缸，位移傳感器分辨率不大于最大加載位移的5%。。
4) 力傳感器如前所述的六維力傳感器，測(cè)量三向力和三向力矩，并向加載運(yùn)動(dòng)控 制器和采樣系統(tǒng)反饋力傳感器信號(hào)。六維力傳感器可選用壓電式或者應(yīng)變式，當(dāng) 載荷是頻率較高的動(dòng)載荷時(shí)優(yōu)先選用壓電式傳感器；當(dāng)載荷是靜載荷或變化較慢 的載荷時(shí)，優(yōu)先選用應(yīng)變式傳感器。
5) 位移傳感器以電機(jī)為伺服主機(jī)的伸縮桿，可以直接利用伺服電機(jī)尾部自帶的旋 轉(zhuǎn)編碼器作為伸縮桿位移傳感器；以液壓油缸為伺服主機(jī)的伸縮桿，每個(gè)伸縮桿 上設(shè)置一個(gè)直線位移傳感器。用于向加載運(yùn)動(dòng)控制器和采樣系統(tǒng)反饋伸縮桿的軸 向位移信息。位移傳感器分辨率不大于最大加載位移的5%。。
加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)是安裝在控制計(jì)算機(jī)上的軟件系統(tǒng)，其功能是根據(jù)加載所需的載 荷計(jì)算加載位移，所得位移是笛卡爾坐標(biāo)系中的位移，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，變成實(shí)軸坐標(biāo) 位移量；加載運(yùn)動(dòng)控制器與加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)相連，實(shí)軸位移量經(jīng)控制計(jì)算機(jī)及多軸 運(yùn)動(dòng)控制卡向加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)發(fā)出指令，使伺服主機(jī)產(chǎn)生給定運(yùn)動(dòng)；力傳感器安裝 在基礎(chǔ)平臺(tái)上檢測(cè)實(shí)際加載效果，并向控制計(jì)算機(jī)反饋，進(jìn)行調(diào)節(jié)。
控制系統(tǒng)運(yùn)行框圖如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)采用力信號(hào)和位移信號(hào)的雙重反饋對(duì)加載 機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)根據(jù)程序分別給六個(gè)伺服主機(jī)發(fā)指令，同步控制六個(gè)主機(jī)，進(jìn) 而控制活動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)作。在計(jì)算機(jī)和伺服主機(jī)之間，連接有驅(qū)動(dòng)器，用來接收計(jì)算機(jī) 指令和給伺服主機(jī)提供足夠功率。計(jì)算機(jī)同時(shí)采集力傳感器的力、力矩信號(hào)，進(jìn)行記 錄、分析、處理。每一根伸縮桿，依據(jù)位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)位置反饋控制。計(jì)算機(jī)根 據(jù)力傳感器的力和力矩信號(hào)，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)平臺(tái)的整體位置反饋控制和力反饋控制。
加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)與控制系統(tǒng)軟件間的關(guān)系如圖7所示。加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)軟件是 運(yùn)動(dòng)控制的前處理和工作基礎(chǔ)，而控制系統(tǒng)軟件根據(jù)前者的計(jì)算結(jié)果具體執(zhí)行對(duì)六伸 縮桿伸縮控制和力、位移反饋控制。3.采樣系統(tǒng)
.采樣系統(tǒng)用以采集力信號(hào)和位移信號(hào)，進(jìn)行變換、存儲(chǔ)、處理，生成曲線、數(shù)表
等表達(dá)方式，顯示加載過程中力和位移的關(guān)系。如圖8所示，采樣系統(tǒng)包括
1) 計(jì)算機(jī)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、顯示等功能。
2) 力傳感器六維力傳感器，實(shí)時(shí)傳感被測(cè)試件在實(shí)驗(yàn)過程中所承受的三向力和三 向力矩。采樣系統(tǒng)所用的力傳感器信號(hào)與加載運(yùn)動(dòng)控制器所用的反饋力信號(hào)為同 一信號(hào)，均由六維力傳感器產(chǎn)生。
3) 釆樣板卡包括多通道力信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換等功能?？蛇x用12位以上的信號(hào)采 集卡，通道數(shù)要滿足采集通道要求。
4) 位移傳感器以電機(jī)為伺服主機(jī)的伸縮桿，可以直接利用伺服電機(jī)尾部自帶的旋 轉(zhuǎn)編碼器作為伸縮桿位移傳感器；以液壓油缸為伺服主機(jī)的伸縮桿，每個(gè)伸縮桿 上設(shè)置一個(gè)直線位移傳感器。用于向采樣系統(tǒng)反饋伸縮桿的軸向位移信息。
5) 位移計(jì)算模塊根據(jù)連桿的實(shí)際位移，通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解計(jì)算，獲得實(shí)際加載位 移。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解計(jì)算與前面的反解計(jì)算過程相反。這里已知每根伸縮桿的實(shí)際位移 矢量Li(i = 1, 2, ... 6.),求解活動(dòng)平臺(tái)的坐標(biāo)原點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系中的位置矢量H。
如圖5所示。Pi是活動(dòng)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢量，Bi是基礎(chǔ)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢。由圖示的
矢量關(guān)系可得
H = Li - PiRT + Bi (3)
式中，R是活動(dòng)平臺(tái)座標(biāo)系相對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣
R= C歸3 S歸2S^ + C歸3 C歸2S^H歸3
、一S仏 S^lC^2 C^lC夕2 y
矩陣中sin和cos簡(jiǎn)記為s和c, A、 A、島分別表示活動(dòng)平臺(tái)繞X、 Y、 Z軸的轉(zhuǎn)角。
采樣系統(tǒng)軟件^l程如圖9所示。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，軟件要初始化；然后對(duì)力傳感器
的力信號(hào)和六個(gè)伸縮桿的位移信息分別進(jìn)行采集。采集到六個(gè)伸縮桿的位移信息要通 過位移計(jì)算模塊進(jìn)行位移正解計(jì)算，得到活動(dòng)平臺(tái)上試件夾持處的位移。綜合力信號(hào) 和位移信息，畫出載荷一一位移關(guān)系圖，并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。6)應(yīng)變傳感器在被測(cè)試件關(guān)鍵點(diǎn)或關(guān)鍵位置，布置應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)，將應(yīng)變信號(hào) 傳輸給采樣板卡，實(shí)時(shí)檢測(cè)該點(diǎn)或位置的實(shí)際應(yīng)變和應(yīng)力變化。
本發(fā)明一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的操作方法如下
1. 明確試件形狀、尺寸和測(cè)試要求。根據(jù)材料力學(xué)試件測(cè)試要求，確定測(cè)試方案
(1) 靜載荷測(cè)試或動(dòng)載荷疲勞測(cè)試；
(2) 加載方式、載荷大小、載荷持續(xù)時(shí)間、加載速度、動(dòng)載荷頻率、動(dòng)載荷循環(huán)次數(shù) 等；
(3) 力伺服控制測(cè)試或位置控制測(cè)試。
2. 根據(jù)活動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)要求，由計(jì)算機(jī)求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)反解，得出每根伸縮桿的運(yùn)動(dòng)形 式。編制驅(qū)動(dòng)程序，用于控制伺服系統(tǒng)產(chǎn)生加載運(yùn)動(dòng)。
3. 裝夾試件，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。活動(dòng)平臺(tái)向試件加載，通過六維力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載荷， 通過六個(gè)伸縮桿的位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移情況，并向控制系統(tǒng)反饋。
4. 與此同時(shí)，六維力傳感器的載荷信號(hào)、六個(gè)伸縮桿的位移信號(hào)、試件關(guān)鍵位置應(yīng) 變信號(hào)被采樣系統(tǒng)采集。六個(gè)伸縮桿的位移信號(hào)經(jīng)位移計(jì)算模塊，正解計(jì)算出試件被 夾持處位移。綜合力信號(hào)和位移信息，.輸出載荷.~一位移關(guān)系圖；綜合力信號(hào)和應(yīng)變 信息，輸出應(yīng)力一一應(yīng)變關(guān)系圖；并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。
本發(fā)明涉及一種材料力學(xué)試件六維力學(xué)性能測(cè)試方法及其裝置，采用并聯(lián)加載機(jī) 構(gòu)對(duì)被測(cè)試件施加三維力和三維力矩，其優(yōu)點(diǎn)在于在盡可能符合實(shí)際受力環(huán)境下對(duì) 試件施加多維力測(cè)試，得到更加準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變分布數(shù)據(jù)、更加準(zhǔn)確的危險(xiǎn)部位位置 和更加真實(shí)的破壞形式，從而更真實(shí)的模擬材料在工作狀態(tài)下的受力狀況，更準(zhǔn)確的 測(cè)定材料的承載能力。對(duì)于各種承載結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、輕量化、安全可靠性的精確設(shè)計(jì)具 有重要意義。


圖l六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖2以電機(jī)為伺服主機(jī)的單個(gè)伸縮桿示意圖 圖3以液壓油缸為伺服主機(jī)的單個(gè)伸縮桿示意圖 圖4控制系統(tǒng)組成圖5并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)圖
圖6控制系統(tǒng)運(yùn)行框圖
圖7編程系統(tǒng)與控制系統(tǒng)軟件間關(guān)系
圖8采樣系統(tǒng)框圖.
圖9采樣系統(tǒng)軟件流程圖
圖10 —個(gè)試件受拉伸一彎曲組合載荷作用
圖中具體標(biāo)號(hào)說明如下
1、基礎(chǔ)平臺(tái) 2、虎克鉸
4、六維力傳感器5、夾具
7、球鉸 8、活動(dòng)平臺(tái)
10、電機(jī)支撐 11、伺服電機(jī)
13、向心推力球軸承
15、套筒 16、螺母
18、球鉸支撐19、活塞桿 20-
21、位移傳感器滑尺
5b、上夾具
3、伸縮桿 6、試件
9、虎克鉸支撐 12、聯(lián)軸節(jié) 14、滾珠絲杠
17、支桿 位移傳感器定尺 22、伺服油缸 5a、下夾具
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。此處整體技術(shù)方案針對(duì)的是小載 荷、高精度的加載機(jī)構(gòu)。
1.并聯(lián)加載機(jī)構(gòu)
如圖1所示，六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)加載機(jī)構(gòu)共由這樣幾部分組成基礎(chǔ)平臺(tái)
1、虎克鉸2 (共6件)、伸縮桿3 (共6件)、六維力傳感器4、夾具5 (共2件)、試 件6、球鉸7 (共6件)、活動(dòng)平臺(tái)8。
虎克鉸2、伸縮桿3、夾具5、球鉸7，均為組件，分別由多個(gè)零件或子部件組成。 虎克鉸2和球鉸7采用通常結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)組件，伸縮桿3為電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。夾具5分為上 夾具5b和下夾具5a，兩者結(jié)構(gòu)相同，采用虎鉗式絲杠結(jié)構(gòu)夾緊。
基礎(chǔ)平臺(tái)1和活動(dòng)平臺(tái)8均為三角形，各有六個(gè)關(guān)節(jié)軸承一虎克鉸2和球鉸7。 試件6被裝夾在上下兩個(gè)夾具5上。上夾具5b與活動(dòng)平臺(tái)8固定連接，隨活動(dòng)平臺(tái)8 移動(dòng)。下夾具5a固定在六維力傳感器4上。試件6通過上下兩個(gè)夾具5接受載荷，可以實(shí)現(xiàn)三維力和三維力矩的動(dòng)、靜態(tài)材料力學(xué)性能測(cè)試?；顒?dòng)平臺(tái)8的移動(dòng)由六個(gè)伸 縮桿3帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。伸縮桿3部件在自身伺服主機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)精確的軸向伸縮。六 個(gè)伸縮桿3的伸縮組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)上夾具5b的各種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)試件6施加各種單 個(gè)或組合載荷。
伸縮桿3采用以伺服電機(jī)11為伺服主機(jī)的伸縮桿3，如圖2所示，其組成有虎 克鉸支撐9、電機(jī)支撐IO、伺服電機(jī)ll、聯(lián)軸節(jié)12、向心推力球軸承B (2件)、滾 珠絲杠14、套筒15、螺母16、支桿17、球鉸支撐18。伺服電機(jī)11通過聯(lián)軸節(jié)12帶 動(dòng)滾珠絲杠14旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而推動(dòng)螺母16沿套筒15內(nèi)部上下移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)支桿17和 球鉸支撐18上下移動(dòng)。伺服電機(jī)11的轉(zhuǎn)動(dòng)量是由編制好的程序控制。 ' 基礎(chǔ)平臺(tái)1和活動(dòng)平臺(tái)8由六根并聯(lián)連桿連接，每根并聯(lián)連桿球鉸7 —端與活動(dòng) 平臺(tái)8通過球鉸座連接，虎克鉸2 —端與基礎(chǔ)平臺(tái)1通過虎克鉸座連接，形成6—UPS 機(jī)構(gòu)(即6個(gè)虎克鉸一移動(dòng)副一球鉸組成的運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)構(gòu))。
2.控制系統(tǒng)
如圖4所示，控制系統(tǒng)組成包括
1) 加載運(yùn)動(dòng)控制器包括控制計(jì)算機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，多軸運(yùn)動(dòng)控制卡插在控制 計(jì)算機(jī)的I/0擴(kuò)展槽中，在計(jì)算機(jī)控制下向各運(yùn)動(dòng)軸發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令。多軸運(yùn)動(dòng) 控制卡通過驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)ll相連，驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)ll按生產(chǎn)廠家說明配套 選用。
控制計(jì)算機(jī)選用DELL (戴爾)Optiplex755型計(jì)算機(jī)。 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡選用COMIZOA (科敉)CompactPCI6軸運(yùn)動(dòng)控制卡。
2) 加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)和控制系統(tǒng)軟件加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)即安裝在控制計(jì)算機(jī)上的 軟件系統(tǒng)，包括載荷一位移轉(zhuǎn)換模塊，笛卡爾坐標(biāo)一實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊和編程界 面。所述載荷一位移轉(zhuǎn)換模塊是是根據(jù)載荷要求確定位移方式，或根據(jù)位移要求 確定加載方式的軟件模塊。笛卡爾坐標(biāo)一實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊用于將笛卡兒坐標(biāo)系 中的變形位移轉(zhuǎn)換為各連桿的位移(機(jī)構(gòu)反解)；編程界面中將輸入載荷的種類、
數(shù)量，載荷的空間、時(shí)間分布，極限位移等信息。加載運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件是根據(jù)
.加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，具體執(zhí)行對(duì)六伸縮桿3伸縮控制和力、位移反饋控 制的軟件。
根據(jù)載荷的種類、數(shù)量、空間和時(shí)間分布等，確定活動(dòng)平臺(tái)8運(yùn)動(dòng)要求。由控制系統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)一實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)反解，控制各伸縮桿3伺服系統(tǒng) 產(chǎn)生給定加載運(yùn)動(dòng)，即將活動(dòng)平臺(tái)8的運(yùn)動(dòng)要求分解為六個(gè)伸縮桿3的各個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)。 機(jī)構(gòu)反解的具體計(jì)算過程如下
為求運(yùn)動(dòng)反解，在活動(dòng)平臺(tái)8建立坐標(biāo)系(Op-Xp,Yp,Zp)，在基礎(chǔ)平臺(tái)l建立坐
標(biāo)系(Ob - Xb, Yb, Zb)，每一根伸縮桿2i用一個(gè)矢量Li表示(i = 1, 2,... 6.)，如圖5所示。
圖5中，H是活動(dòng)平臺(tái)8坐標(biāo)原點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)l坐標(biāo)系中的位置矢量，Pi是活動(dòng)
平臺(tái)8鉸鏈點(diǎn)位置矢量，Bi是基礎(chǔ)平臺(tái)l鉸鏈點(diǎn)位置矢。由圖示的矢量關(guān)系可得
Li = H + PiRT - Bi
式中，R是活動(dòng)平臺(tái)8坐標(biāo)系相對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)1坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣
'c^2C^3 s^s^2C^-c6^s^3 cAs^2C^3 + sas^3、
R= C^2S6>3 S歸2S^ + C婦3 C歸2S0H婦3 L S歸2 C^C^2 ,
矩陣中sin和cos簡(jiǎn)記為s和c， A、 &、島分別表示活動(dòng)平臺(tái)8繞X 轉(zhuǎn)角。
根據(jù)活動(dòng)平臺(tái)8加載時(shí)所需的位置H和姿態(tài)^、 3，由式(1)和(2)，即可算出 桿長(zhǎng)Li，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制。
3) 加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)包括伺服電源、伺服電機(jī)ll及其向控制系統(tǒng)的反饋電路。
4) 力傳感器即六維力傳感器4，測(cè)量三向力和三向力矩，并向加載運(yùn)動(dòng)控制器和采 樣系統(tǒng)反饋力傳感器信號(hào)。該六維力傳感器4選用美國(guó)AMTI公司的MC12型六維力 傳感器。
5) 位移傳感器直接利用伺服電機(jī)11尾部自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器作為伸縮桿3位移傳感 器；用于向加載運(yùn)動(dòng)控制器和采樣系統(tǒng)反饋伸縮桿3的軸向位移信息。位移傳感器 分辨率為lnm。
加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)是安裝在控制計(jì)算機(jī)上的軟件系統(tǒng)，其功能是根據(jù)加載所需的載 荷計(jì)算加載位移，所得位移是笛卡爾坐標(biāo)系中的位移，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，變成實(shí)軸坐標(biāo) 位移量；加載運(yùn)動(dòng)控制器與加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)相連，實(shí)軸位移量經(jīng)控制計(jì)算機(jī)及多軸 運(yùn)動(dòng)控制卡向加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)發(fā)出指令，使伺服主機(jī)產(chǎn)生給定運(yùn)動(dòng)；六維傳感器4 安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)1上檢測(cè)實(shí)際加載效果，并向控制計(jì)算機(jī)反饋，進(jìn)行調(diào)節(jié)。
(1)
(2)
、Y、 Z軸的
15控制系統(tǒng)運(yùn)行框圖如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)采用力信號(hào)和位移信號(hào)的雙重反饋對(duì)加載 機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)根據(jù)程序分別給六個(gè)伺服電機(jī)ll發(fā)指令，同步控制六個(gè)電機(jī)， 進(jìn)而控制活動(dòng)平臺(tái)8的動(dòng)作。在計(jì)算機(jī)和伺服電機(jī)ll之間，連接有驅(qū)動(dòng)器，用來接收 計(jì)算機(jī)指令和給伺服主機(jī)提供足夠功率。計(jì)算機(jī)同時(shí)采集力傳感器的力、力矩信號(hào)， 進(jìn)行記錄、分析、處理。每一根伸縮桿3，依據(jù)位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)位置反饋控制。 計(jì)算機(jī)根據(jù)力傳感器的力和力矩信號(hào)，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)平臺(tái)8的整體位置反饋控制和力反饋
J.丄丄.,投制。
加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)與控制系統(tǒng)軟件間的關(guān)系如圖7所示。加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)軟件是 運(yùn)動(dòng)控制的前處理和工作基礎(chǔ)，而控制系統(tǒng)軟件根據(jù)前者的計(jì)算結(jié)果具體執(zhí)行對(duì)六伸 縮桿3伸縮控制和力、位移反饋控制。
3.采樣系統(tǒng)
采樣系統(tǒng)用以采集力信號(hào)和位移信號(hào)，進(jìn)行變換、存儲(chǔ)、處理，生成曲線、數(shù)表
等表達(dá)方式，顯示加載過程中力和位移的關(guān)系。如圖8所示，釆樣系統(tǒng)包括
1) 計(jì)算機(jī)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、顯示等功能。
2) 力傳感器六維力傳感器4，實(shí)時(shí)傳感被測(cè)試件在實(shí)驗(yàn)過程中所承受的三向力和三 向力矩。采樣系統(tǒng)所用的力傳感器信號(hào)與加載運(yùn)動(dòng)控制器所用的反饋力信號(hào)為同 一信號(hào)，均由六維力傳感器4產(chǎn)生。
3) 采樣板卡包括多通道力信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換等功能，這里選用美國(guó)虛擬儀器公
司的NI6040E卡。
4) 位移傳感器直接利用伺服電機(jī)11尾部自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器作為伸縮桿3位移傳感 器，用于向采樣系統(tǒng)反饋伸縮桿3的軸向位移信息。
5) 位移計(jì)算模塊根據(jù)連桿的實(shí)際位移，通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解計(jì)算，獲得實(shí)際加載位移。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解計(jì)算與前面的反解計(jì)算過程相反。這里已知每根伸縮桿3的實(shí)際位 移矢量Li(i: 1, 2,... 6.)，求解活動(dòng)平臺(tái)8的坐標(biāo)原點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)1坐標(biāo)系中的位置矢
量H。如圖5所示。Pi是活動(dòng)平臺(tái)8鉸鏈點(diǎn)位置矢量，Bi是基礎(chǔ)平臺(tái)1鉸鏈點(diǎn)位置矢。 由圖示的矢量關(guān)系可得
H = Li 二 PiRT + Bi (3)式中，R是活動(dòng)平臺(tái)8座標(biāo)系相對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)1坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣:
矩陣中sin和cos簡(jiǎn)記為s和c， A、 6!z、 &分別表示活動(dòng)平臺(tái)8繞X、 Y、 Z軸的 轉(zhuǎn)角。
采用系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，軟件要初始化；然后對(duì)力傳感器 的力信號(hào)和六個(gè)伸縮桿3的位移信息分別進(jìn)行采集。采集到六個(gè)伸縮桿3的位移信息 要通過位移計(jì)算模塊進(jìn)行位移正解計(jì)算，得到活動(dòng)平臺(tái)8上試件夾持處的位移。綜合 力信號(hào)和位移信息，畫出載荷一一位移關(guān)系圖，并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。
6)應(yīng)變傳感器在被測(cè)試件關(guān)鍵點(diǎn)或關(guān)鍵位置，布置應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)，將應(yīng)變信號(hào) 傳輸給采樣板卡，實(shí)時(shí)檢測(cè)該點(diǎn)或位置的實(shí)際應(yīng)變和應(yīng)力變化。這里應(yīng)變傳感器 選用DI-10型小應(yīng)變計(jì)。
本技術(shù)方案中所述的伸縮桿3在具體實(shí)施時(shí)亦可采用以液壓伺服油缸22為伺服主 機(jī)的伸縮桿3，如圖3所示，包括活塞桿19、位移傳感器定尺20、位移傳感器滑尺21、 伺服油缸22。位移傳感器滑尺21用夾頭固定在活塞桿19上?；钊麠U19與球鉸7相連， 伺服油缸22與虎克鉸2相連。此種伸縮桿3的實(shí)施方式一般是對(duì)于大載荷、低精度加載 機(jī)構(gòu)。相應(yīng)的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡通過伺服閥與伺服油缸22相連。以液壓油缸為伺服主機(jī) 的伸縮桿3，每個(gè)伸縮桿3上設(shè)置一個(gè)直線位移傳感器(位移傳感器定尺20、位移傳感 器滑尺21)，用于向采樣系統(tǒng)反饋伸縮桿3的軸向位移信息。
實(shí)施例為對(duì)一標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件進(jìn)行拉_彎組合靜態(tài)測(cè)試。 1.試件6為金屬材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，測(cè)試方案為
(1) 靜載荷測(cè)試，載荷形式為拉伸一彎曲組合載荷(如圖10所示)。
(2) 加載方式拉伸載荷和彎曲力矩載荷同時(shí)施加，拉伸最大載荷為20kN，彎曲力矩 最大載荷為500 Nm;兩種載荷由O開始逐漸增大到各自最大載荷；加載速度在10 分鐘內(nèi)，兩種載荷由O逐漸增大到各自的最大值。
(3) 力伺服控制測(cè)試。
(4) 試驗(yàn)測(cè)試的目的得到該試件6在兩種組合載荷作用下，載荷一一位移間關(guān)系，以及應(yīng)力一一應(yīng)變間的關(guān)系。2.
兩載荷是由試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)平臺(tái)8運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，試件上端被上夾具5b夾緊，并隨活動(dòng) 平臺(tái)8移動(dòng)?；顒?dòng)平臺(tái)8沿Z軸正方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉伸加載；活動(dòng)平臺(tái)8繞X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)彎曲加載。根據(jù)這一加載運(yùn)動(dòng)要求，確定上夾具5b夾緊點(diǎn)的位移軌 跡，即確定活動(dòng)于臺(tái)8坐標(biāo)原點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)1坐標(biāo)系中的位置矢量H。由計(jì)算機(jī) 求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)反解，得出每根伸縮桿3的運(yùn)動(dòng)形式。每根伸縮桿3的運(yùn)動(dòng)位移為
丄；=i/ + S
1 0 0 0 cos《 _sin《 0 sin Acos《y
及
其中，14表示(1=1,2,...6.)每一根伸縮桿3移動(dòng)矢量，H是活動(dòng)平臺(tái)8坐標(biāo)原點(diǎn) 在基礎(chǔ)平臺(tái)1坐標(biāo)系中的位置矢量，Pi(i = 1, 2, ... 6.)是活動(dòng)平臺(tái)8鉸鏈點(diǎn)位置矢量，
Bi(i= 1,2,... 6.)是基礎(chǔ)平臺(tái)1鉸鏈點(diǎn)位置矢。
. 編制驅(qū)動(dòng)程序，用于控制伺服系統(tǒng)和伺服主機(jī)產(chǎn)生加載運(yùn)動(dòng)。
3. 裝夾試件6，根據(jù)需要，在試件關(guān)鍵部位(中間部位)固定應(yīng)變計(jì)。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。 在驅(qū)動(dòng)程序的控制下，活動(dòng)平臺(tái)8向試件6加載，通過六維力傳感器4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 載荷，通過六個(gè)伸縮桿3的位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移情況，并向控制系統(tǒng)反饋。
4. 與此同時(shí)，六維力傳感器4的載荷信號(hào)、六個(gè)伸縮桿3的位移信號(hào)、試件關(guān)鍵位 置應(yīng)變計(jì)信號(hào)被采樣系統(tǒng)采集。六個(gè)伸縮桿3的位移信號(hào)經(jīng)位移計(jì)算模塊，正解 計(jì)算出試件被夾持處位移。綜合力信號(hào)和位移信息，輸出載荷一一位移關(guān)系圖； 綜合力、力矩信號(hào)和應(yīng)變計(jì)信息，輸出應(yīng)力一一應(yīng)變關(guān)系圖。儲(chǔ)存關(guān)系圖數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于由以下幾部分組成并聯(lián)加載機(jī)構(gòu)，包括基礎(chǔ)平臺(tái)、虎克鉸、伸縮桿、六維力傳感器、夾具、試件、球鉸、活動(dòng)平臺(tái)；夾具分為上夾具和下夾具，兩者結(jié)構(gòu)相同；基礎(chǔ)平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)均為三角形，各有六個(gè)關(guān)節(jié)軸承—虎克鉸和球鉸；試件被裝夾在上下兩個(gè)夾具上；上夾具與活動(dòng)平臺(tái)固定連接，隨活動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)；下夾具固定在六維力傳感器上；試件通過上下兩個(gè)夾具接受載荷；活動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)由六個(gè)伸縮桿帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)；伸縮桿部件在自身伺服主機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)精確的軸向伸縮；伸縮桿分為以電機(jī)為伺服主機(jī)的伸縮桿和以液壓油缸為伺服主機(jī)的伸縮桿；基礎(chǔ)平臺(tái)和活動(dòng)平臺(tái)由六根伸縮桿連接，每根并聯(lián)連桿球鉸一端與活動(dòng)平臺(tái)通過球鉸座連接，虎克鉸一端與基礎(chǔ)平臺(tái)通過虎克鉸座連接，形成6—UPS機(jī)構(gòu)；六根伸縮桿的運(yùn)動(dòng)組合使得活動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生六自由度的加載運(yùn)動(dòng)，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件施加六維載荷；六根伸縮桿的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)所需的載荷譜產(chǎn)生給定的運(yùn)動(dòng)組合及其變化規(guī)律；控制系統(tǒng)，其組成包括1)加載運(yùn)動(dòng)控制器包括控制計(jì)算機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，多軸運(yùn)動(dòng)控制卡插在控制計(jì)算機(jī)的I/O擴(kuò)展槽中，在計(jì)算機(jī)控制下向各運(yùn)動(dòng)軸發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令；2)加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)和控制系統(tǒng)軟件加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)是安裝在控制計(jì)算機(jī)上的軟件系統(tǒng)，包括笛卡爾坐標(biāo)—實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊和編程界面；笛卡爾坐標(biāo)—實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊用于將笛卡兒坐標(biāo)系中的變形位移轉(zhuǎn)換為各連桿的位移；編程界面中將輸入載荷的種類、數(shù)量，載荷的空間、時(shí)間分布，極限位移等信息；控制系統(tǒng)軟件是根據(jù)加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，具體執(zhí)行對(duì)六伸縮桿伸縮控制和力、位移反饋控制的軟件；根據(jù)載荷的種類、數(shù)量、空間和時(shí)間分布等，確定活動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)要求；由控制系統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)—實(shí)軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)反解，控制各伸縮桿伺服系統(tǒng)產(chǎn)生給定加載運(yùn)動(dòng)，即將活動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)要求分解為六個(gè)伸縮桿的各個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)；機(jī)構(gòu)反解的具體計(jì)算過程如下為求運(yùn)動(dòng)反解，在活動(dòng)平臺(tái)建立坐標(biāo)系(Op-Xp，Yp，Zp)，在基礎(chǔ)平臺(tái)建立坐標(biāo)系(Ob-Xb，Yb，Zb)，每一根伸縮桿用一個(gè)矢量Li表示(i＝1，2，...6.)；H是活動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系中的位置矢量，Pi是活動(dòng)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢量，Bi是基礎(chǔ)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢；由圖示的矢量關(guān)系可得Li＝H+PiRT-Bi (1)式中，R是活動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系相對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣矩陣中sin和cos簡(jiǎn)記為s和c，θ1、θ2、θ3分別表示活動(dòng)平臺(tái)繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)角；根據(jù)活動(dòng)平臺(tái)加載時(shí)所需的位置H和姿態(tài)θ1、θ2、θ3，由式(1)和(2)，即可算出桿長(zhǎng)Li，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制；3)加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)包括伺服電源、伺服主機(jī)及其向控制系統(tǒng)的反饋電路4)力傳感器六維力傳感器，測(cè)量三向力和三向力矩，并向加載運(yùn)動(dòng)控制器和采樣系統(tǒng)反饋力傳感器信號(hào)；5)位移傳感器向加載運(yùn)動(dòng)控制器和采樣系統(tǒng)反饋伸縮桿的軸向位移信息；加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)是安裝在控制計(jì)算機(jī)上的軟件系統(tǒng)，其功能是根據(jù)加載所需的載荷計(jì)算加載位移，所得位移是笛卡爾坐標(biāo)系中的位移，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，變成實(shí)軸坐標(biāo)位移量；加載運(yùn)動(dòng)控制器與加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)相連，實(shí)軸位移量經(jīng)控制計(jì)算機(jī)及多軸運(yùn)動(dòng)控制卡向加載運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)發(fā)出指令，使伺服主機(jī)產(chǎn)生給定運(yùn)動(dòng)；力傳感器安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)上檢測(cè)實(shí)際加載效果，并向控制計(jì)算機(jī)反饋，進(jìn)行調(diào)節(jié)；控制系統(tǒng)采用力信號(hào)和位移信號(hào)的雙重反饋對(duì)加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制；計(jì)算機(jī)根據(jù)程序分別給六個(gè)伺服主機(jī)發(fā)指令，同步控制六個(gè)主機(jī)，進(jìn)而控制活動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)作；在計(jì)算機(jī)和伺服主機(jī)之間，連接有驅(qū)動(dòng)器，用來接收計(jì)算機(jī)指令和給伺服主機(jī)提供足夠功率；計(jì)算機(jī)同時(shí)采集力傳感器的力、力矩信號(hào)，進(jìn)行記錄、分析、處理；每一根伸縮桿，依據(jù)位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)位置反饋控制；計(jì)算機(jī)根據(jù)力傳感器的力和力矩信號(hào)，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)平臺(tái)的整體位置反饋控制和力反饋控制；加載運(yùn)動(dòng)編程系統(tǒng)軟件是運(yùn)動(dòng)控制的前處理和工作基礎(chǔ)，而控制系統(tǒng)軟件根據(jù)前者的計(jì)算結(jié)果具體執(zhí)行對(duì)六伸縮桿伸縮控制和力、位移反饋控制；采樣系統(tǒng)用以采集力信號(hào)和位移信號(hào)，進(jìn)行變換、存儲(chǔ)、處理，生成曲線、數(shù)表等表達(dá)方式，顯示加載過程中力和位移的關(guān)系；采樣系統(tǒng)包括1)計(jì)算機(jī)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、顯示等功能；2)力傳感器六維力傳感器，實(shí)時(shí)傳感被測(cè)試件在實(shí)驗(yàn)過程中所承受的三向力和三向力矩；采樣系統(tǒng)所用的力傳感器信號(hào)與加載運(yùn)動(dòng)控制器所用的反饋力信號(hào)為同一信號(hào)，均由六維力傳感器產(chǎn)生；3)采樣板卡包括多通道力信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換等功能；可選用12位以上的信號(hào)采集卡，通道數(shù)要滿足采集通道要求；4)位移傳感器以電機(jī)為伺服主機(jī)的伸縮桿，可以直接利用伺服電機(jī)尾部自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器作為伸縮桿位移傳感器；以液壓油缸為伺服主機(jī)的伸縮桿，每個(gè)伸縮桿上設(shè)置一個(gè)直線位移傳感器；用于向采樣系統(tǒng)反饋伸縮桿的軸向位移信息；5)位移計(jì)算模塊根據(jù)連桿的實(shí)際位移，通過并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解計(jì)算，獲得實(shí)際加載位移；并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解計(jì)算與前面的反解計(jì)算過程相反；這里已知每根伸縮桿的實(shí)際位移矢量Li(i＝1，2，...6.)，求解活動(dòng)平臺(tái)的坐標(biāo)原點(diǎn)在基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系中的位置矢量H；如錯(cuò)誤，未找到引用源，所示；Pi是活動(dòng)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢量，Bi是基礎(chǔ)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)位置矢；由圖示的矢量關(guān)系可得H＝Li-PiRT+Bi (3)式中，R是活動(dòng)平臺(tái)座標(biāo)系相對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣矩陣中sin和cos簡(jiǎn)記為s和c，θ1、θ2、θ3分別表示活動(dòng)平臺(tái)繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)角；在系統(tǒng)啟動(dòng)后，軟件要初始化；然后對(duì)力傳感器的力信號(hào)和六個(gè)伸縮桿的位移信息分別進(jìn)行采集；采集到六個(gè)伸縮桿的位移信息要通過位移計(jì)算模塊進(jìn)行位移正解計(jì)算，得到活動(dòng)平臺(tái)上試件夾持處的位移；綜合力信號(hào)和位移信息，畫出載荷——位移關(guān)系圖，并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)；6)應(yīng)變傳感器在被測(cè)試件的關(guān)鍵位置布置應(yīng)變傳感器，將應(yīng)變信號(hào)傳輸給采樣板卡，實(shí)時(shí)檢測(cè)該位置的實(shí)際應(yīng)變和應(yīng)力變化，應(yīng)變傳感器包括應(yīng)變片和應(yīng)變計(jì)。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于對(duì)于小載荷、高 精度加載機(jī)構(gòu)，采用以電機(jī)為伺服主機(jī)的單個(gè)伸縮桿，由以下單元構(gòu)成虎克鉸支撐、 電機(jī)支撐、伺服電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、向心推力球軸承、滾珠絲杠、套筒、螺母、支桿、球 鉸支撐；伺服電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而推動(dòng)螺母沿套筒內(nèi)部上下移動(dòng)， 同時(shí)帶動(dòng)支桿和球鉸支撐上下移動(dòng)；伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量是由編制好的程序控制；多軸 運(yùn)動(dòng)控制卡通過驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)相連；利用伺服電機(jī)尾部自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器作為伸 縮桿位移傳感器?！?br> 3、 如權(quán)利要求1所示的一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于對(duì)于大載荷、低 精度加載機(jī)構(gòu)，采用以液壓油缸為伺服主機(jī)的單個(gè)伸縮桿，包括球鉸、活塞桿、伺服 油缸、虎克鉸、位移傳感器滑尺、定尺和液壓伺服回路；位移傳感器滑尺用夾頭固定 在活塞桿上；多軸運(yùn)動(dòng)控制卡通過伺服閥與伺服油缸相連。
4、 如權(quán)利要求l所述的一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于控制計(jì)算機(jī)可選 用486以上工控機(jī)。
5、 如權(quán)利要求l所述的一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于多軸運(yùn)動(dòng)控制控 制卡可選用6軸以上控制卡。
6、 如權(quán)利要求1所述的一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于位移傳感器分辨 率不大于最大加載位移的5%。。
7、 如權(quán)利要求l所述的一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于當(dāng)載荷是頻率較 高的動(dòng)載荷時(shí),六維力學(xué)傳感器優(yōu)先選用壓電式傳感器。
8、 如權(quán)利要求l所述的一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于當(dāng)載荷是靜載荷 或變化較慢的載荷時(shí)，六維力學(xué)傳感器優(yōu)先選用應(yīng)變式傳感器。
9、 一種六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的操作方法，其特征在于由以下步驟組成-第一步，明確試件形狀、尺寸和測(cè)試要求；根據(jù)材料力學(xué)試件測(cè)試要求，確定測(cè)試方 案(1) 靜載荷測(cè)試或動(dòng)載荷疲勞測(cè)試；(2) 加載方式、載荷大小、載荷持續(xù)時(shí)間、加載速度、動(dòng)載荷頻率、動(dòng)載荷循環(huán)次數(shù) 等；(3) 力伺服控制測(cè)試或位置控制測(cè)試；第二步，根據(jù)活動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)要求，由計(jì)算機(jī)求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)反解，得出每根伸縮桿的運(yùn) 動(dòng)形式；編制驅(qū)動(dòng)程序，用于控制伺服系統(tǒng)產(chǎn)生加載運(yùn)動(dòng)；第三步，裝夾試件，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)；活動(dòng)平臺(tái)向試件加載，通過六維力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 載荷，通過六個(gè)伸縮桿的位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移情況，并向控制系統(tǒng)反饋； 第三步，與此同時(shí)，六維力傳感器的載荷信號(hào)、六個(gè)伸縮桿的位移信號(hào)、試件關(guān)鍵位 置應(yīng)變信號(hào)被采樣系統(tǒng)采集；六個(gè)伸縮桿的位移信號(hào)經(jīng)位移計(jì)算模塊，正解計(jì)算出試 件被夾持處位移；綜合力信號(hào)和位移信息，輸出載荷_一位移關(guān)系圖；綜合力信號(hào)和 應(yīng)變信息，輸出應(yīng)力一一應(yīng)變關(guān)系圖；并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明的六維加載材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)三維力和三維力矩的動(dòng)、靜態(tài)材料力學(xué)性能測(cè)試?；A(chǔ)平臺(tái)上固定有六個(gè)虎克鉸，活動(dòng)平臺(tái)上固定有六個(gè)球鉸。試件被裝夾在上下兩個(gè)夾具上。上夾具與活動(dòng)平臺(tái)固定連接，隨活動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)。下夾具固定在六維力傳感器上。試件通過上下兩個(gè)夾具接受載荷?；顒?dòng)平臺(tái)的移動(dòng)由六個(gè)伸縮桿帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。伸縮桿部件在自身伺服主機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)精確的軸向伸縮。六個(gè)伸縮桿的伸縮組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)上夾具的各種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)試件施加各種單個(gè)或組合載荷。即可以實(shí)現(xiàn)三維力和三維力矩動(dòng)、靜態(tài)的力學(xué)試件材料力學(xué)性能測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101451933SQ20081024016
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者張厚江, 銳 樊, 陳五一 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué);張厚江;陳五一;樊 銳