专利名称：一种仪器化压入试验的夹具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种仪器化压入试验的夹具。
背景技术：
现有的仪器化压入技术当中，都采用普通的平面定位平台装置来放置样品。常规平面定位平台在垂直方向不可避免的存在间隙，造成该方向上的柔度较大。同时，在大载荷 试验时，间隙的存在，以及间隙在加、卸载过程中的变化，特别是失稳，会造成位移测量上的 突变，造成加、卸载曲线不光滑，影响压入深度测量的稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结构紧凑、能够确保位移测量稳定 的仪器化压入试验的夹具。为实现上述目的，本发明的仪器化压入试验的夹具包括底座、螺栓锁紧机构和样 品台，样品台设置在底座上，样品台和底座上分别设置有供所述螺栓锁紧机构穿过的导向 槽和滑槽，所述螺栓锁紧机构用于将样品台和底座之间锁紧或松开；在螺栓锁紧机构、导向 槽和滑槽的共同导向作用下，样品台能够相对于底座做横、纵向移动。进一步，所述样品台和底座之间设置有移动支撑机构，该移动支撑机构设置在底 座上，样品台设置在移动支撑机构上，在连接移动支撑机构和底座的第一驱动机构的作用 下，移动支撑机构可沿底座横向移动，进而带动其上的样品台横向移动；在连接样品台和移 动支撑机构的第二驱动机构的作用下，样品台可沿移动支撑机构纵向移动。进一步，所述移动支撑机构包括中间板、托板和拉动板，所述托板和拉动板底部分 别设置有两个凹槽，托板和拉动板分别通过其底部的凹槽架设在所述底座上横向设置的两 导轨上，所述中间板底部卡配固定在托板和拉动板上，所述中间板顶部设置有放置所述样 品台的凹槽，所述中间板沿导轨方向上设置有通孔，所述第一驱动机构包括第一拉动轴和 第一拉动螺母，第一拉动轴的一端固定在所述中间板的通孔处，第一拉动轴另一端穿过底 座与第一拉动螺母螺纹配合，旋转第一拉动螺母，第一拉动轴沿底座横向移动，带动中间板 横向移动，进而带动中间板上的样品台一起横向移动。进一步，所述托板和拉动板底部对称设置的两个凹槽和顶部中间设置的用于固定 所述中间板的凹槽轴线垂直于整体对称平面。进一步，所述底座上供所述第一拉动轴穿过的通孔为台阶通孔，通过轴承紧配合 装配所述第一拉动螺母。进一步，所述拉动板和样品台沿所述导轨纵向上设置有通孔，所述第二驱动机构 包括第二拉动轴和第二拉动螺母，第二拉动轴一端固定在所述样品台上的通孔处，第二拉 动轴另一端穿过拉动板上的通孔与第二拉动螺母螺纹配合，旋转第二拉动螺母，第二拉动 轴沿底座纵向移动，进而带动样品台纵向移动。进一步，所述拉动板上的通孔为台阶通孔，通过轴承紧配合装配所述第二拉动螺母。进一步，所述螺栓锁紧机构包括螺栓和螺母，螺栓上下贯穿所述样品台和底座上 的导向槽和滑槽与螺母螺纹配合，在压入试验前，松开螺栓，令样品台能够相对于底座横、 纵向移动，调整样品台的位置；样品台移动到合适的位置后，拧紧螺栓，将样品台和底座锁 紧成为临时的一体化结构，即可开始试验。进一步，所述中间板和样品台之间还设置有一垫板，该垫板通过其底部设置的凹 槽卡配设置在中间板上，垫板顶部垂直于底部凹槽方向向外伸出两对臂，四臂末端底面和 顶面均设置凸台，凸台上设置有通孔，该通孔位置与所述底座和样品台上的滑槽和导向槽 配合，尺寸与所述螺栓锁紧机构中的螺栓配合，所述样品台设置在垫板顶面的凸台上，垫板 底面凸台设置在所述底座的导轨上，所述螺栓上下贯穿所述样品台上的导向槽、所述凸台 上的通孔和所述底座上的滑槽。进一步，所述垫板为铝板。进一步，所述中间板、托板和拉动板一体成形或者分体设置。进一步，所述样品台上还设置有安装光导轴和微调轴的耳板，所述样品台上分两 层设置四个耳板，每层设置两个，并且上下两层的耳板上下对正，上下两层耳板上设置有供 光导轴或微调轴穿过的通孔，所述光导轴和微调轴贯穿上下两层耳板固定在样品台上，所 述样品台上还设置有探头板，光导轴和微调轴上的光轴部和螺纹部与探头板上两侧的通孔 配合，将所述探头板装配在两层耳板之间，探头板中部的通孔内固定有探头，所述光导轴和 微调轴保证，旋转微调轴时，所述探头板在垂直方向自由移动的同时，设置在其上的探头的 回转轴保持垂直状态。进一步，所述探头为电涡流位移传感器、平板电容位移传感器或光纤位移传感器 的探头。本发明的仪器化压入试验的夹具的优点1. 一体化结构设计确保位移测量的稳定常规平面定位平台在垂直方向不可避免的存在间隙，造成该方向上的柔度较大。 同时，在大载荷试验时，间隙的存在，以及间隙在加、卸载过程中的变化，特别是失稳，会造 成位移测量上的突变，影响压入深度测量的稳定性。在压入试验的加卸载压入过程中，本夹 具的样品承载系统为一体化的准刚性结构，在载荷方向上将间隙的影响尽可能地降低，以 确保位移测量的稳定。2.模块化结构剔除大部分整体机架柔度本夹具在机架中，选取靠近试验样品的地方，接入外接位移传感器(探头和目标 板)，直接测量外接传感器的移动部件与固定部件的相对位移，有效地剔除了大部分机架柔 度，从而尽可能地减小位移测量数据中所包含的机架柔度。3.结构紧凑、能大幅度降低系统成本本夹具采用直接测量相对位移的位移测量模式，将非接触式位移传感器和夹具集 成进行一体化设计，从而使试验系统结构紧凑。所选非接触式位移传感器，如电涡流位移传 感器、平板电容位移传感器、光纤位移传感器等，成本低，使试验系统的成本得到大幅度降 低，是一种经济型夹具。
图1为本发明夹具的俯视图；图2为本发明夹具的主视图；图3为本发明夹具的后视图；图4为图1中A-A剖视图；图5为图1中D-D剖视图；图6为本发明夹具中拉动板、托板、中间板和垫板的装配俯视图；图7为图1中螺栓处E-E剖视图；
图8为图1中螺栓处B-B剖视图；图9为本发明夹具中底座的右视图；图10为本发明夹具中底座的俯视图；图11为本发明夹具中拉动板的主视图；图12为本发明夹具中拉动板的仰视图；图13为本发明夹具中托板的主视图；图14为本发明夹具中托板的仰视图；图15本发明夹具中中间板的主视图；图16为本发明夹具中中间板的仰视图；图17为本发明夹具中垫板的俯视图；图18为本发明夹具中垫板的主视图；图19为本发明夹具中样品台的主视图；图20为本发明夹具中样品台的俯视图；图21为本发明夹具中样品台和底座的装配俯视图；图22为图1中耳板处的C-C剖视图；图23为本发明的夹具放置在压入试验机机架上的结构示意图。
具体实施例方式如图1-6所示，本发明的仪器化压入试验的夹具，包括样品台1和底座2，样品台1 通过移动支撑机构架设在底座2上，移动支撑机构包括拉动板3、中间板4和托板6，拉动板 3、中间板4和托板6可以一体成形或者分体设置，拉动板3和托板6架设在底座2上，中间 板4设置在拉动板3和托板6上，垫板5卡固在中间板4上，样品台1放置在垫板5上，样 品台1可随着移动支撑机构一起横向移动，也可相对于移动支撑机构纵向移动。如图9-18 所示，底座2上设置有两个导轨22、23，拉动板3和托板6底部分别设置有与导轨22、23滑 动配合的凹槽31、33、61、63，通过凹槽31、33、61、63拉动板3和托板6跨越导轨22、23架设 在底座2上，拉动板3和托板6顶部还分别设置有凹槽32、62，中间板4底部设置有凹槽45、 46，凹槽45和拉动板3上的凹槽32相配，凹槽46和托板6上的凹槽62相配，通过凹槽45、 32、46、62中间板4卡固在拉动板3和托板6上，中间板4顶部设置有放置样品台1的凹槽 44，样品台1和中间板4之间还设置有垫板5，垫板5底部设置有凹槽52，该凹槽52的大小 与中间板4的宽度相配，垫板5顶部垂直于凹槽52方向向外伸出两对臂，与底部凹槽52 — 起呈双轴对称分布，样品台1底面如果和垫板5顶面完全接触，由于加工精度的限制，样品台1底面和垫板5顶面不可能是理想平面，因此样品台1放置在垫板5上，接触面之间势必 会存在大量的间隙，在大载荷进行过程中，这些间隙的变化或变形，特别是失稳，会造成位 移测量上的突变，影响到位移测量的稳定性，为了解决以上问题，本发明的夹具在垫板5上 四臂末端底面和顶面处设置有凸台，样品台1底面与顶面的四个凸台53相接触，底座2与 底面的四个凸台相接触，降低了接触面积，在很大程度上减少了样品台1和垫板5之间，垫 板5和底座2之间的间隙，并且垫板5采用铝质板材，进一步保证，在螺栓锁紧机构起锁紧 作用时，样品台1、垫板5和底座2能紧密贴合，从而保证底座1、样品台2和移动支撑机构 3之间形成一体化刚性结构，在载荷方向上将间隙的影响尽可能地降低，以确保位移测量的 稳定。
如图4、5和19所示，样品台1在移动支撑机构的带动下，可以沿底座2的导轨22、 23横向移动，移动支撑机构的驱动在第一驱动机构的作用下完成，第一驱动机构的拉动轴 41 一端通过锁紧螺母43和自身结构固定在中间板4的通孔47处，另一端穿过底座2上的 通孔24与拉动螺母42螺纹配合，底座2的通孔24为一台阶通孔，其中放置有轴承421，通 过轴承421紧配合装配拉动螺母42，旋转拉动螺母42，拉动轴41相对底座2横向移动，带 动中间板4沿导轨22、23方向移动，进而带动其上的样品台1随着中间板4 一起移动。样 品台1的单独驱动在第二驱动机构的作用下完成，第二驱动机构的拉动轴11 一端通过锁紧 螺母13和自身结构固定在样品台1的通孔17处，拉动轴11另一端穿过拉动板3上的通孔 34和样品台1的通孔17，拉动板3上的通孔34为一台阶通孔，其中放置有轴承121，通过轴 承121紧配合装配拉动螺母12，旋转拉动螺母12，拉动轴11相对底座2纵向移动，带动样 品台沿导轨22、23纵向方向移动。如图1、7、8、9、10、17、19和20所示，样品台1顶端设置有放置样品的圆柱形小凸 台18，与小凸台回转轴呈双轴对称分布设置有四个导向槽19，底座2上沿导轨22、23方向 设置有滑槽21，样品台1架设在底座2上后，样品台1和底座2的导向槽19和滑槽21处 设置螺栓锁紧机构，该螺栓锁紧机构由四个螺栓25和两个双螺母26构成，四个螺栓25分 别设置在样品台1的四个导向槽19里面，分别穿过垫板5上的通孔51，两个一组分别设置 在底座2上的两个滑槽21里面，双螺母26与底座2上同一侧滑槽21里面的两个螺栓25 配合，用于将样品台1、垫板5和底座2三大部件锁紧，形成一个临时的一体化结构。进行 压入试验之前松开螺母将样品台1横、纵向移动到合适位置后，拧紧螺栓25，然后进行压入 试验。本发明的夹具中可以省略移动支撑机构，直接将样品台1装配在底座2上，在导向槽 19、滑槽21和螺栓锁紧机构的导向作用下推动样品台，以调整样品台1的位置。如图21和22所示，样品台1上还设置有上下两层四个耳板14、15、16，上层耳板上 表面与滑槽21部分上表面平齐，下层耳板下表面离滑槽21部分底面有一定距离，耳板14、 15上分别对应设置有通孔141和151，上下两耳板16上分别对应设置通孔161，通过通孔 141、151和161，在样品台1上安装光导轴8和微调轴系统，光导轴8通过耳板15上的光 孔151和耳板14上的螺纹孔141装配在样品台1上，其回转轴和样品台1底面垂直。微调 轴系统由一个微调轴9、两个轴承91、92和一个内螺母93组成，一个轴承92内圈与内螺母 93紧配合后，外圈与下耳板16上的通孔紧配合，另一轴承91外圈与上耳板16上的通孔紧 配合，微调轴9通过其下端的小螺柱与内螺母93螺纹配合、上端轴颈部分与轴承91内圈较 松的可拆配合，组成微调轴系统，设置在样品台1上，微调轴9的回转轴与样品台1底面垂直。同时，样品台1上设置光导轴8和微调轴9的地方设置探头板7。探头板7上外轮廓 中心处设置一个螺纹孔，用以装配外接位移传感器的探头71。探头板长度方向两端对称设 置有两个凸耳，凸耳上与中心螺纹孔对称分别设置一个螺纹孔和一个光孔，分别与光导轴8 和微调轴9配合，以保证转动微调轴9时，探头板7和装配在其上的探头71能够只在垂直 方向上自由移动。探头71为非接触式位移传感器的探头，非接触式位移传感器包括电涡流 位移传感器、平板电容位移传感器、光纤位移传感器等。 如图23所示，本发明的夹具放置在压入试验机的机架台524上，压入试验机的压 头523悬吊于压入试验机机架的横梁525上，连接有外接传感器移动部件——目标板522 的支架上固定压头523，目标板522的位置可以调整，以保证目标板522与外接传感器的探 头71对中，且传感器的探头71的轴线与目标板522平面相垂直。直接测量外接传感器的 固定部件探头71与移动部件目标板522的相对位移，能够有效地剔除压入试验机中大部分 机架柔度，从而尽可能地减小位移测量数据中所包含的机架柔度。本夹具的功能有样品定位功能、外接独立位移传感器的夹持和移动功能。第一部分功能，实现样品在平面内平移，同时，实现夹具样品承载部分在平面定位 平台和一体化准刚性平台之间的简便转换。在移动样品时，松开锁紧螺栓，夹具处于平面定 位平台状态，把样品移动到试验位置，再锁紧螺栓，使夹具成为临时的一体化结构。第二部分在整体机架中，选取离试验样品很近的部分机架，接入外接位移传感器， 同时保证外接传感器在试验时能调整到最佳工作位置。本夹具中，位移测量值为外接传感器的移动部件相对于固定部件的位移。其中，局 部机架柔度为外接传感器移动部件(如电涡流位移传感器的目标板)夹持点和固定部件 (如电涡流位移传感器的探头)夹持点之间的机架变形。这种紧凑型的模块化结构设计， 显著地降低了位移测量值中机架柔度的含量，再通过数据处理的算法，能够有效地剔除机 架柔度的影响。压头在逼近样品试验表面的过程中，理论上载荷为零，这部分行程(即逼近 行程)，在数据处理中，通过确定压入零点，也能够很好的剔除。 如此，首先在夹具设计结构上将整体机架柔度的大部分从位移测量中剔除，再通 过数据处理剔除剩余的局部机架柔度和逼近行程，最终得到压入深度。需要指出的是根据本发明的具体实施方式
所做出的任何变形，均不脱离本发明的 精神以及权利要求记载的范围。
权利要求
一种仪器化压入试验的夹具，其特征在于，包括底座、螺栓锁紧机构和样品台，样品台设置在底座上，样品台和底座上设置有供所述螺栓锁紧机构穿过的导向槽和滑槽，所述螺栓锁紧机构用于将样品台和底座之间锁紧或松开；在螺栓锁紧机构、导向槽和滑槽的共同导向作用下，样品台能够相对于底座做横、纵向移动。
2.如权利要求1所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述螺栓锁紧机构包括 螺栓和螺母，螺栓上下贯穿所述样品台和底座上的导向槽和滑槽与螺母螺纹配合，在压入 试验前，松开螺栓，令样品台能够相对于底座横、纵向移动，调整样品台的位置；样品台移动 到合适的位置后，拧紧螺栓，将样品台和底座锁紧成为临时的一体化结构，即可开始试验。
3.如权利要求2所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述样品台和底座之间 设置有移动支撑机构，该移动支撑机构设置在底座上，样品台设置在移动支撑机构上，在连 接移动支撑机构和底座的第一驱动机构的作用下，移动支撑机构可沿底座横向移动，进而 带动其上的样品台横向移动；在连接样品台和移动支撑机构的第二驱动机构的作用下，样 品台可沿移动支撑机构纵向移动。
4.如权利要求3所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述移动支撑机构包括 中间板、托板和拉动板，所述托板和拉动板底部分别设置有两个凹槽，托板和拉动板分别通 过其底部的凹槽架设在所述底座上横向设置的两导轨上，所述中间板底部卡配固定在托板 和拉动板上，所述中间板顶部设置有放置所述样品台的凹槽，所述中间板沿导轨方向上设 置有通孔，所述第一驱动机构包括第一拉动轴和第一拉动螺母，第一拉动轴的一端固定在 所述中间板的通孔处，第一拉动轴另一端穿过底座与第一拉动螺母螺纹配合，旋转第一拉 动螺母，第一拉动轴沿底座横向移动，带动中间板横向移动，进而带动中间板上的样品台一 起横向移动。
5.如权利要求4所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述拉动板和样品台沿 所述导轨纵向上设置有通孔，所述第二驱动机构包括第二拉动轴和第二拉动螺母，第二拉 动轴一端固定在所述样品台上的通孔处，第二拉动轴另一端穿过拉动板上的通孔与第二拉 动螺母螺纹配合，旋转第二拉动螺母，第二拉动轴沿底座纵向移动，进而带动样品台纵向移 动。
6.如权利要求5所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述中间板和样品台之 间还设置有一垫板，该垫板通过其底部设置的凹槽卡配设置在中间板上，垫板顶部垂直于 底部凹槽方向向外伸出两对臂，四臂末端底面和顶面均设置凸台，凸台上设置有通孔，该通 孔位置与所述底座和样品台上的滑槽和导向槽配合，尺寸与所述螺栓锁紧机构中的螺栓配 合，所述样品台设置在垫板顶面的凸台上，垫板底面凸台设置在所述底座的导轨上，所述螺 栓上下贯穿所述样品台上的导向槽、所述凸台上的通孔和所述底座上的滑槽。
7.如权利要求6所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述垫板为铝板。
8.如权利要求4所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述中间板、托板和拉动 板一体成形或者分体设置。
9.如权利要求1所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述样品台上还设置有 安装光导轴和微调轴的耳板，所述样品台上分两层设置四个耳板，上下两层的耳板上下对 正，并且每层设置两个，上下两层耳板上设置有供光导轴或微调轴穿过的通孔，所述光导轴 和微调轴贯穿上下两层耳板固定在样品台上，所述样品台上还设置有探头板，光导轴和微调轴上的光轴部和螺纹部与探头板上两侧的通孔配合，将所述探头板装配在两层耳板之 间，探头板中部的通孔内固定有探头，所述光导轴和微调轴保证，旋转微调轴时，所述探头 板在垂直方向自由移动的同时，设置在其上的探头的回转轴保持垂直状态。
10.如权利要求9所述的仪器化压入试验的夹具，其特征在于，所述探头为电涡流位移 传感器、平板电容位移传感器或光纤位移传感器的探头。
全文摘要
本发明公开了一种仪器化压入试验的夹具，包括底座、螺栓锁紧机构和样品台，样品台设置在底座上，样品台和底座上设置有供所述螺栓锁紧机构穿过的导向槽和滑槽，所述螺栓锁紧机构用于将样品台和底座之间锁紧或松开；在螺栓锁紧机构、导向槽和滑槽的共同导向作用下，样品台能够相对于底座做横、纵向移动。本发明的夹具结构紧凑、能大幅度降低系统成本，一体化结构设计确保位移测量的稳定，模块化结构可以剔除大部分整体机架柔度。
文档编号G01N3/04GK101806687SQ201010146460
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者冯义辉, 宋金龙, 张泰华 申请人:中国科学院力学研究所