一种拉弯扭材料加载试验的制造方法
【专利摘要】一种拉弯扭材料加载试验机，该试验机由加载并联机构、模拟主轴接口模块及控制系统组成，加载并联机构的静平台放置并用螺栓固定于地面，静平台周向均布三个凹槽，模拟主轴接口模块通过接口模块立柱上的凸台定位与凹槽配合，控制系统位于加载并联机构旁边，便于操作者观察实验情况，并有效控制机构的运动。本发明一次装夹工件即可完成对工件的拉弯扭实验，避免拆卸，可提高实验的可信度；且可对工件同时进行拉弯扭实验，整体综合评价工件的材料性能，与只单独进行拉/弯/扭实验的加载试验机具有明显的优势。同时实验全过程均为微机控制，由计算机输入原始数据，保证了实验数据的准确性；设有安全保障系统，保证了实验的安全进行。
【专利说明】一种拉弯扭材料加载试验机
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种拉弯扭材料加载试验机，它是一种工件拉弯扭加载试验装置,用于测试材料的性能，属于测试设备【技术领域】。
【背景技术】
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[0002]当前，并联机构在数控机床、装配机器人、飞船对接、微型机器人等领域中得到一定程度的应用。并联机构的研究已越来越深入。并联机构具有刚度大，结构稳定紧凑，承载能力强，动态响应好，精度高，容易实现多维运动和施加多向载荷等优点。并联机构已成功用于各种多自由度实验台，可以实现精确的运动，承受多向力载荷，说明并联机构应用于材料加载试验是可行的。
[0003]材料试验机作为一种单独的产品，可在各种条件环境下对各种材料，零部件和工程结构等进行拉伸、压缩、弯曲等试验，测定材料的强度、塑性、弹性、断裂韧性、硬度等指标。作为测试材料、构件乃至整机疲劳寿命的设备广泛应用于现代工业各个领域，也是众多学者的研究对象。现有的材料试验机的加载方式都是单向拉压、扭转、弯曲，与材料的实际受力状况不一致，即现有的测量技术不能覆盖材料实际的受力状态。因此要得到与材料实际状态相符合的材料强度数据，需要有能够同时对材料施加多维力或力矩的试验机对材料强度进行评估和验证。针对工业生产对试验机的需求和试验机行业有待创新发展的必然要求，国内外着手对于多轴加载试验机的研制。但目前以并联机构为依托对工件进行多维力加载的试验机构尚不多见。
【发明内容】
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[0004]1、目的:本发明的目的是提供一种拉弯扭材料加载试验机，它是一种以并联机构为依托的材料性能测试的试验装置，不同于单向力或力矩材料加载试验机，本装置可以同时对测量工件做拉弯扭实验。
[0005]2、技术方案:本发明一种拉弯扭材料加载试验机，该试验机由加载并联机构，模拟主轴接口模块及控制系统组成，其之间的位置连接关系为加载并联机构的静平台放置并用螺栓固定于地面，静平台周向均布三个凹槽，模拟主轴接口模块通过接口模块立柱上的凸台定位与凹槽配合，控制系统位于加载并联机构旁边，便于操作者观察实验情况，并有效控制机构的运动。
[0006]所述加载并联机构，见图2，由三组外围支链组件，一组中间支链组件，动平台和静平台组成。其之间的位置连接关系为:动平台的周向均布三个球窝，中心分布一个球窝。静平台的周向均布三个球窝。外围支链组件两端各一个球铰，两端球铰通过球铰盖与静平台的周向球窝，动平台周向球窝相连。中间支链一端为球铰，通过球铰盖与动平台中心球窝相连，另一端通过螺栓与静平台相连。三组外围支链组件与静平台动平台均为球铰连接，中间支链与动平台同样为球铰连接，提高了运动的精确度。初始位置为静平台与动平台平行，对心。动平台中心固定动平台三爪夹盘，用于夹持工件一端。通过四组支链组件的配合运动，此加载并联机构可以实现三方向的转动，一个方向的平动。见图3a_c，该外围支链组件，由伺服电机(I件)，联轴器(I件)，滚珠丝杠(I件)，圆锥滚子轴承(2件)，轴承固定端盖(I件)，伸缩套筒(I件)，上连接杆(I件)，三维力传感器(I件)，球铰(2件)，上套筒(I件)，下套筒(I件)，转接板(I件)，球铰盖(2件)，电机外套(I件)，下连接杆(I件)，键(I件)，键用定位端盖(I件)，旋转编码器(I件)组成。其之间的位置连接关系为:该伸缩套筒，圆柱形，有通孔，孔径比滚珠丝杠外径略大，以保证滚珠丝杠可穿入。一端为与螺母法兰形状相同的法兰，用于连接滚珠丝杠的螺母。另一端为与法兰同心空心圆柱，圆柱外表面开有键槽，内表面攻有预定长度的螺纹用以连接上连接杆。该上连接杆为三段阶梯轴，两端轴直径与伸缩套筒内径相同，两端轴外表面攻有螺纹，中间轴直径与伸缩套筒空心圆柱外径相同。该下套筒，筒形结构，两端为方形法兰，中心为阶梯通孔，大孔直径与螺母法兰的直径相同，使滚珠丝杠可以在下套筒内部运动。中孔直径与圆锥滚子轴承外径相同，用以固定圆锥滚子轴承，小孔直径与联轴器直径相同，小孔长度与联轴器长度相同。该轴承固定端盖，圆环形，心部为通孔，内径等于丝杠直径，外径等于上套筒中孔直径，外表面攻有螺纹。该上套筒为两端阶梯轴，内部为阶梯孔，大轴一端为方形法兰，其法兰端的孔为大孔，孔径与下套筒孔径相同，另一端小孔直径与伸缩套筒外径相同，小孔内侧有键槽，键槽长度小于小孔长度且上套筒的小轴外表面攻有螺纹。该键的长度等于上套筒小孔内侧键槽的长度。该键用定位端盖，圆环形，外径与上套筒大轴轴径相同，内部为阶梯通孔，大孔表面攻有螺纹用以连接上套筒小孔处螺纹，大孔孔径与上套筒小轴轴颈相同，长度与上套筒小轴长度相同。小孔直径为伸缩套筒外径，以便于伸缩套筒能顺利穿入。该电机外套为方形结构，两端为方形法兰，内部开有方形孔用于容纳电机。该下连接杆一端为方形法兰另一端为空心柱形，柱形内径表面攻有螺纹。该球铰，大于二分之一的球连接一段圆柱，圆柱外表面攻有螺纹。该球铰盖，空心柱形，内部孔径的最大值等于球铰球的直径，孔表面为球面，球铰盖周向均布四个通孔用以连接静(动)平台。该三维力传感器，柱形，两端有孔，孔径大小等于上连接杆的小轴直径，孔表面攻有螺纹。该转接板，方形件，其长宽与伺服电机长宽相同，设有通孔，孔径等于滚珠丝杠的直径。装配之前，先将球铰盖装入球铰球处，组成球铰组件。将轴承固定端盖与圆锥滚子轴承依次装入滚珠丝杠，组成丝杠组件。丝杠组件装入下套筒，圆锥滚子轴承装入下套筒中孔，以中孔和小孔轴肩定位，拧紧轴承固定端盖。由此将圆锥滚子轴承固定。该旋转编码器用以测量外围支链的伸缩量，与伺服电机整合为一体。其之间的位置关系是:伺服电机为运动执行器，通过联轴器与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠上的螺母通过螺栓连接伸缩套筒的法兰，当伺服电机带动滚珠丝杠运动时，螺母带动伸缩套筒伸缩。伸缩套筒螺纹连接上连接杆。该上连接杆与三维力传感器螺纹相连，三维力传感器螺纹连接球铰组件。该伺服电机与联轴器之间安放转接板，用以定位下套筒的小孔端法兰。该下套筒与上套筒通过方形法兰螺栓连接，上下套筒内部大孔长度需保证不干涉丝杠的运动。等上套筒装配完成后，需保证伸缩套筒上的键槽和上套筒小孔表面的键槽对齐，将键装入键槽。上套筒与键用定位端盖螺纹连接，压紧键的一端，由此键得到定位，从而起到导向作用，同时上套筒和下套筒不会发生旋转。键的安装示意图如图3c所示。下套筒的另一端法兰与电机外套的一端方形法兰螺栓连接，将伺服电机包围起来，电机外套另一端方形法兰与下连接杆的方形法兰螺栓连接，下连接杆螺纹连接球铰组件。见图4，该中间支链组件，与外围支链组件结构基本相同，由伺服电机(I件)，联轴器(I件)，滚珠丝杠(I件)，圆锥滚子轴承(2件)，轴承固定端盖(I件)，伸缩套筒(I件)，上连接杆(I件)，三维力传感器(I件)，球铰(I件)，上套筒(I件)，下套筒(I件)，转接板(I件)，球铰盖(I件)，电机外套(I件)，下连接平板(I件)，键(I件)，键用定位端盖(I件)，旋转编码器(I件)组成。电机外套及以上叙述件均相同。不同之处在于电机外套的方形法兰与下连接平板螺钉连接，下连接平板为方形，其长宽大于下套筒方形法兰的尺寸，与下套筒法兰的螺纹孔对应开有阶梯孔，小孔直径为小套筒法兰的螺纹孔的大径，大孔为所用螺钉的头部直径，长度大于螺钉头部直径以保证装配后下连接平板可以平稳的放置在静平台上。下连接平板有通孔，与静平台中心对应分布的螺纹孔螺栓连接，从而实现与静平台的固定。
[0007]所述模拟主轴接口模块，见图5，由三组相同接口模块立柱，和一个带有圆盘三爪夹盘的圆盘组成，接口模块立柱高度以外围支链组件螺母在滚珠丝杠中间位置是整体并联机构的高度为基准确定。接口模块立柱上端有凸块，圆盘上有凹槽从而确定二者定位关系，加以螺栓固定。圆盘中心安装有圆盘三爪夹盘，用以装夹工件的另一端。
[0008]所述控制系统，见图6，是由电机伺服驱动器、运动控制卡、传感器接收器和放大器、控制系统软件、微计算机、液晶显示器和监控摄像头、安全保障系统组成。其之间的电气连接关系是:微计算机与运动控制卡、液晶显示器和监控摄像头实现电气连接，同时，运动控制卡与电机伺服驱动器、传感器接收器和放大器实现电气连接。控制系统软件以及安全保障系统安装于微计算机的操作系统内。该电机伺服驱动器采用交流伺服驱动器，数量为4件，可实现对伺服电机自身性能的整定，测试伺服控制系统反馈设置情况，设定伺服电机的具体工作模式以及实现对伺服的电机的开环和闭环控制。该运动控制卡采用多轴运动控制卡，数量为I件，可以实现同时对四套伺服电机进行协调控制，从而实现控制并联机构动平台位姿、移动速度和加载载荷。同时，通过控制卡的编程与自定义伺服算法，可对伺服电机进行位置、速度以及力的精确控制，从而控制支链组件的位置、移动速度以及加载载荷。通过控制卡的信号采集接口，可实现对三维力传感器采集信号的处理，实现对加载装置的精确控制。三维力传感器放大器，数量为I件，可以实现对三维力传感器高精度的数据的读取和数模转换处理。该控制系统软件包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面，数量为I套。可实现输入指定载荷、观察传感器数值、计算和显示载荷分布等功能。该微计算机采用工业控制计算机，数量为I件。可以实现对传感器接受数据的处理，对操作人员所发出指令的处理和执行，以及对测量数据的计算和绘图。该液晶显示器和监控摄像头数量均为I件，可以实现操作人员对加载试验装置各个环节的实时监控、显示控制系统的操作界面和显示试验中所需的输入输出数据。该安全保障系统通过对并联机构装置各传感器的监控和观测，在试验过程中，如果传感器反馈数据出现异常，该系统则会发出警示信号。数据收集及后处理，测量记录工件的长度，直径。在工件关键点或关键位置布置应变片，以实时监测该点或该位置的实际应变和应力值。工件装夹完成后，接通电源。工件断裂后实验完成，由控制系统记录下三维力传感器载荷的变化，进一步整合得到动平台的受力情况。得到工件所能承受的最大载荷情况。由控制系统记录伺服电机的旋转编码器的数值变化，得到四组支链的位移情况，进一步整合得到动平台的位姿。将一系列数值存入计算机内，由计算机预存入的编程算法计算出工件的材料性能参数，自动绘制出应力应变图及载荷位移图。
[0009]综上所述，该拉弯扭材料加载试验机的工作原理为:伺服电机在电机伺服驱动器的作用下通过滚珠丝杠带动伸缩套筒伸缩从而实现动平台的位姿变化，实验工件由动平台和圆盘上的三爪夹具夹紧，通过动平台的旋转移动对工件施加拉力弯矩及扭矩。由每组支链上的三维力传感器通过控制系统整合为动平台中心的拉力弯矩及扭矩作用于工件。实验完成后测量工件的变形情况并将有关数值输入计算机，计算得到工件的材料性能参数。
[0010]3、优点及功效:本发明一种拉弯扭材料加载试验机的优点是:一次装夹工件即可完成对工件的拉弯扭实验，避免拆卸，可提高实验的可信度。且可对工件同时进行拉弯扭实验，整体综合评价工件的材料性能，与只单独进行拉/弯/扭实验的加载试验机具有明显的优势。同时实验全过程均为微机控制，可由计算机输入原始数据，保证了实验数据的准确性；设有安全保障系统，保证了实验的安全进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是一种拉弯扭材料加载试验机整体装配示意图
[0012]图2是加载并联机构示意图
[0013]图3a是外围支链组件示意图
[0014]图3b是外围支链组件剖视图
[0015]图3c是外围支链组件局部示意图
[0016]图4是中间支链组件示意图
[0017]图5是模拟主轴接口模块示意图
[0018]图6是控制系统流程示意图
[0019]图7是数据收集及后处理示意图
[0020]图中具体标号说明如下:
[0021]1、静平台2、外围支链组件3、中间支链组件
[0022]4、动平台5、动平台三爪夹盘 6、球铰
[0023]7、球铰盖8、三维力传感器9、上连接杆
[0024]10、伸缩套筒11、键用定位端盖12、上套筒
[0025]13、下套筒14、电机外套15、伺服电机
[0026]16、下连接杆17、螺母18、滚珠丝杠
[0027]19、轴承固定端盖 20、圆锥滚子轴承21、联轴器
[0028]22、转接板23、旋转编码器24、键
[0029]25、下连接平板 26、圆盘三爪夹盘27、接口模块立柱
[0030]28、圆盘
【具体实施方式】
[0031]见图1一图7，本发明一种拉弯扭材料加载试验机，该试验机由加载并联机构，模拟主轴接口模块及控制系统组成，其之间的位置连接关系为加载并联机构的静平台放置并用螺栓固定于地面，静平台周向均布三个凹槽，摸拟主轴接口模块通过接口模块立柱上的凸台定位与凹槽配合，控制系统位于加载并联机构旁边，以便于操作者观察实验情况，有效控制机构的运动。
[0032]所述加载并联机构，见图2，由三组外围支链组件2，一组中间支链组件3，动平台4和静平台I组成。其之间的位置连接关系为:动平台4的周向均布三个球窝，中心分布一个球窝。静平台I的周向均布三个球窝。外围支链组件2两端各一个球铰6，两端球铰6通过球铰盖7与静平台I的周向球窝，动平台4周向球窝相连。中间支链组件3 —端为球铰6，通过球铰盖7与动平台4中心球窝相连，另一端通过螺栓与静平台I相连。三组外围支链组件2与静平台I动平台4均为球铰连接，中间支链组件3与动平台4同样为球铰连接，提高了运动的精确度。初始位置为静平台I与动平台4平行，对心。动平台4中心固定动平台三爪夹盘5，用于夹持工件一端。通过四组支链组件的配合运动，此加载并联机构可以实现三方向的转动，一个方向的平动。见图3a-c,该外围支链组件2由伺服电机15 (I件)，联轴器21 (I件)，滚珠丝杠18 (I件)，圆锥滚子轴承20 (2件)，轴承固定端盖19 (I件)，伸缩套筒10 (I件)，上连接杆9 (I件)，三维力传感器8 (I件)，球铰6 (2件)，上套筒12 (I件)，下套筒13 (I件)，转接板22 (I件)，球铰盖7 (2件)，电机外套14 (I件)，下连接杆16 (I件)，键24(1件)，键用定位端盖11(1件)，旋转编码器23(1件)组成。其之间的位置连接关系为:该伸缩套筒10，圆柱形，有通孔，孔径比滚珠丝杠18外径略大，以保证滚珠丝杠18可穿入。一端为与螺母法兰形状相同的法兰，用于连接滚珠丝杠18的螺母。另一端为与法兰同心空心圆柱，圆柱外表面开有键槽，内表面攻有一定长度的螺纹用以连接上连接杆9。该上连接杆9为三段阶梯轴，两端轴直径与伸缩套筒10内径相同，两端轴外表面攻有螺纹，中间轴直径与伸缩套筒10空心圆柱外径相同。该下套筒13，筒形结构，两端为方形法兰，中心为阶梯通孔，大孔直径与螺母法兰的直径相同，使滚珠丝杠18可以在下套筒13内部运动。中孔直径与圆锥滚子轴承20外径相同，用以固定圆锥滚子轴承20，小孔直径与联轴器21直径相同，小孔长度与联轴器21长度相同。该轴承固定端盖19，圆环形，心部为通孔，内径等于滚珠丝杠18直径，外径等于上套筒12中孔直径，外表面攻有螺纹。该上套筒12为两端阶梯轴，内部为阶梯孔，大轴一端为方形法兰，其法兰端的孔为大孔，孔径与下套筒13孔径相同，另一端小孔直径与伸缩套筒10外径相同，小孔内侧有键槽，键槽长度小于小孔长度且上套筒12的小轴外表面攻有螺纹。该键24的长度等于上套筒12小孔内侧键槽的长度。该键用定位端盖11，圆环形，外径与上套筒12大轴轴径相同，内部为阶梯通孔，大孔表面攻有螺纹用以连接上套筒12小孔处螺纹，大孔孔径与上套筒12小轴轴颈相同，长度与上套筒12小轴长度相同。小孔直径为伸缩套筒10外径，以便于伸缩套筒10能顺利穿入。该电机外套14为方形结构，两端为方形法兰，内部开有方形孔用于容纳伺服电机15。该下连接杆16 —端为方形法兰另一端为空心柱形,柱形内径表面攻有螺纹。该球铰6,大于二分之一的球连接一段圆柱，圆柱外表面攻有螺纹。该球铰盖7，空心柱形，内部孔径的最大值等于球铰6球的直径，孔表面为球面，球铰盖7周向均布四个通孔用以连接静(动)平台1(4)。该三维力传感器8，柱形，两端有孔，孔径大小等于上连接杆9的小轴直径，孔表面攻有螺纹。该转接板22，方形件，其长宽与伺服电机15长宽相同，通孔，孔径等于滚珠丝杠18的直径。装配之前，先将球铰盖7装入球铰6球处，组成球铰组件。将轴承固定端盖19与圆锥滚子轴承20依次装入滚珠丝杠18，组成丝杠组件。丝杠组件装入下套筒13，圆锥滚子轴承20装入下套筒13中孔，以中孔和小孔轴肩定位，拧紧轴承固定端盖。由此将圆锥滚子轴承20固定。该旋转编码器23用以测量外围支链的伸缩量，与伺服电机15整合为一体。其之间的位置关系是:伺服电机15为运动执行器，通过联轴器21与滚珠丝杠18连接。滚珠丝杠18上的螺母通过螺栓连接伸缩套筒10的法兰，当伺服电机15带动滚珠丝杠18运动时，螺母带动伸缩套筒10伸缩。伸缩套筒10螺纹连接上连接杆9。该上连接杆9与三维力传感器8螺纹相连，三维力传感器8螺纹连接球铰组件。该伺服电机15与联轴器21之间安放转接板22，用以定位下套筒13的小孔端法兰。该下套筒13与上套筒12通过方形法兰螺栓连接，上、下套筒内部大孔长度需保证不干涉滚珠丝杠18的运动。等上套筒12装配完成后，需保证伸缩套筒10上的键槽和上套筒12小孔表面的键槽对齐，将键24装入键槽。上套筒12与键24用定位端盖螺纹连接，压紧键24的一端，由此键24得到定位，从而起到导向作用，同时上套筒12和下套筒13不会发生旋转。键24的安装示意图如图3c所示。下套筒13的另一端法兰与电机外套14的一端方形法兰螺栓连接，将伺服电机15包围起来，电机外套14另一端方形法兰与下连接杆16的方形法兰螺栓连接，下连接杆16螺纹连接球铰组件。见图4，该中间支链组件3与外围支链组件2基本相同，由伺服电机15(1件)，联轴器21 (I件)，滚珠丝杠18 (I件)，圆锥滚子轴承20 (2件)，轴承固定端盖19 (I件)，伸缩套筒10 (I件)，上连接杆9 (I件)，三维力传感器8 (I件)，球铰6 (I件)，上套筒12 (I件)，下套筒13 (I件)，转接板22 (I件)，球铰盖7 (I件)，电机外套14 (I件)，下连接平板25 (I件)，键24(1件)，键用定位端盖11(1件)，旋转编码器23(1件)组成。电机外套14及以上叙述件均相同。不同之处在于电机外套14的方形法兰与下连接平板25螺钉连接，下连接平板为方形，其长宽大于下套筒方形法兰的尺寸，与下套筒法兰的螺纹孔对应开有阶梯孔，小孔直径为小套筒法兰的螺纹孔的大径，大孔为所用螺钉的头部直径，长度大于螺钉头部直径以保证装配后下连接平板25可以平稳的放置在静平台I上。下连接平板I有通孔，与静平台I中心对应分布的螺纹孔螺栓连接，从而实现与静平台I的固定。
[0033]所述模拟主轴接口模块，见图5，由三组相同接口模块立柱27和一个带有圆盘三爪夹盘26的圆盘28组成，接口模块立柱27高度以外围支链组件螺母在滚珠丝杠18中间位置是整体并联机构的高度为基准确定。接口模块立柱27上端有凸块，圆盘28上有凹槽从而确定二者定位关系，加以螺栓固定。圆盘28中心安装有圆盘三爪夹盘26，用以装夹工件的另一端。
[0034]所述控制系统，见图6，是由电机伺服驱动器、运动控制卡、传感器接收器和放大器、控制系统软件、微计算机、液晶显示器和监控摄像头、安全保障系统组成。其之间的电气连接关系是:微计算机与运动控制卡、液晶显示器和监控摄像头实现电气连接，同时，运动控制卡与电机伺服驱动器、传感器接收器和放大器实现电气连接。控制系统软件以及安全保障系统安装于微计算机的操作系统内。该电机伺服驱动器采用交流伺服驱动器，数量为4件，可实现对伺服电机15自身性能的整定，测试伺服控制系统反馈设置情况，设定伺服电机15的具体工作模式以及实现对伺服电机15的开环和闭环控制。该运动控制卡采用多轴运动控制卡，数量为I件，可以实现同时对四套伺服电机15进行协调控制，从而实现控制并联机构动平台位姿、移动速度和加载载荷。同时，通过控制卡的编程与自定义伺服算法，可对伺服电机15进行位置、速度以及力的精确控制，从而控制支链组件的位置、移动速度以及加载载荷。通过控制卡的信号采集接口，可实现对三维力传感器8采集信号的处理，实现对加载装置的精确控制。三维力传感器放大器，数量为I件，可以实现对三维力传感器8高精度的数据的读取和数模转换处理。该控制系统软件包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面，数量为I套。可实现输入指定载荷、观察传感器数值、计算和显示载荷分布等功能。该微计算机采用工业控制计算机，数量为I件。可以实现对传感器接受数据的处理，对操作人员所发出指令的处理和执行，以及对测量数据的计算和绘图。该液晶显示器和监控摄像头数量均为I件，可以实现操作人员对加载试验装置各个环节的实时监控、显示控制系统的操作界面和显示试验中所需的输入输出数据。该安全保障系统通过对并联机构装置各传感器的监控和观测，在试验过程中，如果传感器反馈数据出现异常，该系统则会发出警示信号。数据收集及后处理，测量记录工件的长度，直径。在工件关键点或关键位置布置应变片，以实时监测该点或该位置的实际应变和应力值。工件装夹完成后，接通电源。工件断裂后实验完成，由控制系统记录下三维力传感器8载荷的变化，进一步整合得到动平台4的受力情况。得到工件所能承受的最大载荷情况。由控制系统记录伺服电机15的旋转编码器23的数值变化，得到四组支链的位移情况，进一步整合得到动平台4的位姿。将一系列数值存入计算机内，由计算机预存入的编程算法计算出工件的材料性能参数，自动绘制出应力应变图及载荷位移图。
【权利要求】
1.一种拉弯扭材料加载试验机,其特征在于:该试验机由加载并联机构、模拟主轴接口模块及控制系统组成，加载并联机构的静平台放置并用螺栓固定于地面，静平台周向均布三个凹槽，模拟主轴接口模块通过接口模块立柱上的凸台定位与凹槽配合，控制系统位于加载并联机构旁边，便于操作者观察实验情况，并有效控制机构的运动； 所述加载并联机构，由三组外围支链组件、一组中间支链组件、动平台和静平台组成；动平台的周向均布三个球窝，中心分布一个球窝，静平台的周向均布三个球窝，外围支链组件两端各一个球铰，两端球铰通过球铰盖与静平台的周向球窝、动平台周向球窝相连；中间支链一端为球铰，通过球铰盖与动平台中心球窝相连，另一端通过螺栓与静平台相连；三组外围支链组件与静平台动平台均为球铰连接，中间支链与动平台同样为球铰连接，提高了运动的精确度；初始位置为静平台与动平台平行，对心，动平台中心固定动平台三爪夹盘，用于夹持工件一端，通过四组支链组件的配合运动，此加载并联机构能实现三方向的转动，一个方向的平动；该外围支链组件，由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、圆锥滚子轴承、轴承固定端盖、伸缩套筒、上连接杆、三维力传感器、球铰、上套筒、下套筒、转接板、球铰盖、电机外套、下连接杆、键、键用定位端盖和旋转编码器组成；该伸缩套筒呈圆柱形，有通孔，孔径比滚珠丝杠外径稍大，以保证滚珠丝杠穿入，一端为与螺母法兰形状相同的法兰，用于连接滚珠丝杠的螺母；另一端为与法兰同心空心圆柱，圆柱外表面开有键槽，内表面攻有预定长度的螺纹用以连接上连接杆；该上连接杆为三段阶梯轴，两端轴直径与伸缩套筒内径相同，两端轴外表面攻有螺纹，中间轴直径与伸缩套筒空心圆柱外径相同；该下套筒为筒形结构，两端为方形法兰，中心为阶梯通孔，大孔直径与螺母法兰的直径相同，使滚珠丝杠能在下套筒内部运动，中孔直径与圆锥滚子轴承外径相同，用以固定圆锥滚子轴承，小孔直径与联轴器直径相同，小孔长度与联轴器长度相同；该轴承固定端盖呈圆环形，心部为通孔，内径等于丝杠直径，外径等于上套筒中孔直径，外表面攻有螺纹；该上套筒为两端阶梯轴，内部为阶梯孔，大轴一端为方形法兰，其法兰端的孔为大孔，孔径与下套筒孔径相同，另一端小孔直径与伸缩套筒外径相同，小孔内侧有键槽，键槽长度小于小孔长度且上套筒的小轴外表面攻有螺纹；该键的长度等于上套筒小孔内侧键槽的长度；该键用定位端盖呈圆环形，夕卜径与上套筒大轴轴径相同，内部为阶梯通孔，大孔表面攻有螺纹用以连接上套筒小孔处螺纹，大孔孔径与上套筒小轴轴颈相同，长度与上套筒小轴长度相同，小孔直径为伸缩套筒外径，以便于伸缩套筒能顺利穿入；该电机外套为方形结构，两端为方形法兰，内部开有方形孔用于容纳电机；该下连接杆一端为方形法兰另一端为空心柱形，柱形内径表面攻有螺纹；该球铰，大于二分之一的球连接一段圆柱，圆柱外表面攻有螺纹；该球铰盖，空心柱形，内部孔径的最大值等于球铰球的直径，孔表面为球面，球铰盖周向均布四个通孔用以连接静、动平台；该三维力传感器，柱形，两端有孔，孔径大小等于上连接杆的小轴直径，孔表面攻有螺纹；该转接板是方形件，其长宽与伺服电机长宽相同，设有通孔，孔径等于滚珠丝杠的直径；装配之前，先将球铰盖装入球铰球处，组成球铰组件；将轴承固定端盖与圆锥滚子轴承依次装入滚珠丝杠，组成丝杠组件，丝杠组件装入下套筒，圆锥滚子轴承装入下套筒中孔，以中孔和小孔轴肩定位，拧紧轴承固定端盖，由此将圆锥滚子轴承固定；该旋转编码器用以测量外围支链的伸缩量，与伺服电机整合为一体；该伺服电机为运动执行器，通过联轴器与滚珠丝杠连接；滚珠丝杠上的螺母通过螺栓连接伸缩套筒的法兰，当伺服电机带动滚珠丝杠运动时，螺母带动伸缩套筒伸缩，伸缩套筒螺纹连接上连接杆；该上连接杆与三维力传感器螺纹相连，三维力传感器螺纹连接球铰组件；该伺服电机与联轴器之间安放转接板，用以定位下套筒的小孔端法兰；该下套筒与上套筒通过方形法兰螺栓连接，上下套筒内部大孔长度需保证不干涉丝杠的运动；等上套筒装配完成后，需保证伸缩套筒上的键槽和上套筒小孔表面的键槽对齐，将键装入键槽，上套筒与键用定位端盖螺纹连接，压紧键的一端，由此键得到定位，从而起到导向作用，同时上套筒和下套筒不会发生旋转；下套筒的另一端法兰与电机外套的一端方形法兰螺栓连接，将伺服电机包围起来，电机外套另一端方形法兰与下连接杆的方形法兰螺栓连接，下连接杆螺纹连接球铰组件；该中间支链组件，与外围支链组件结构基本相同，由伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、圆锥滚子轴承、轴承固定端盖、伸缩套筒、上连接杆、三维力传感器、球铰、上套筒、下套筒、转接板、球铰盖、电机外套、下连接平板、键、键用定位端盖、旋转编码器组成；电机外套及以上叙述件均相同，不同之处在于电机外套的方形法兰与下连接平板螺钉连接，下连接平板为方形，其长宽大于下套筒方形法兰的尺寸，与下套筒法兰的螺纹孔对应开有阶梯孔，小孔直径为小套筒法兰的螺纹孔的大径，大孔为所用螺钉的头部直径，长度大于螺钉头部直径以保证装配后下连接平板能平稳的放置在静平台上，下连接平板有通孔，与静平台中心对应分布的螺纹孔螺栓连接，从而实现与静平台的固定； 所述模拟主轴接口模块，由三组相同接口模块立柱，和一个带有圆盘三爪夹盘的圆盘组成，接口模块立柱高度以外围支链组件螺母在滚珠丝杠中间位置是整体并联机构的高度为基准确定；接口模块立柱上端有凸块，圆盘上有凹槽从而确定二者定位关系，加以螺栓固定；圆盘中心安装有圆盘三爪夹盘，用以装夹工件的另一端； 所述控制系统，是由电机伺服驱动器、运动控制卡、传感器接收器和放大器、控制系统软件、微计算机、液晶显示器和监控摄像头、安全保障系统组成，微计算机与运动控制卡、液晶显示器和监控摄像头实现电气连接，同时，运动控制卡与电机伺服驱动器、传感器接收器和放大器实现电气连接；控制系统软件以及安全保障系统安装于微计算机的操作系统内；该电机伺服驱动器采用交流伺服驱动器，数量为4件，实现对伺服电机自身性能的整定，测试伺服控制系统反馈设置情况，设定伺服电机的具体工作模式以及实现对伺服的电机的开环和闭环控制；该运动控制卡采用多轴运动控制卡，数量为I件，能实现同时对四套伺服电机进行协调控制，从而实现控制并联机构动平台位姿、移动速度和加载载荷；同时，通过控制卡的编程与自定义伺服算法，对伺服电机进行位置、速度以及力的精确控制，从而控制支链组件的位置、移动速度以及加载载荷；通过控制卡的信号采集接口，实现对三维力传感器采集信号的处理，实现对加载装置的精确控制；三维力传感器放大器，数量为I件，实现对三维力传感器高精度的数据的读取和数模转换处理；该控制系统软件包括虚拟坐标系和实坐标系的转换模块、软件编程界面、实时显示界面，数量为I套；实现输入指定载荷、观察传感器数值、计算和显示载荷分布；该微计算机采用工业控制计算机，数量为I件，实现对传感器接受数据的处理，对操作人员所发出指令的处理和执行，以及对测量数据的计算和绘图；该液晶显示器和监控摄像头数量均为I件，实现操作人员对加载试验装置各个环节的实时监控、显示控制系统的操作界面和显示试验中所需的输入输出数据；该安全保障系统通过对并联机构装置各传感器的监控和观测，在试验过程中，如果传感器反馈数据出现异常，该系统则会发出警示信号，数据收集及后处理，测量记录工件的长度，直径；在工件关键点或关键位置布置应变片，以实时监测该点或该位置的实际应变和应力值；工件装夹完成后，接通电源；工件断裂后实验完成，由控制系统记录下三维力传感器载荷的变化，进一步整合得到动平台的受力情况，得到工件所能承受的最大载荷情况，由控制系统记录伺服电机的旋转编码器的数值变化，得到四组支链的位移情况，进一步整合得到动平台的位姿；将一系列数值存入计算机内，由计算机预存入的编程算法计算出工件的材料性能参数，自动绘制出应力应变图及载荷位移图。
【文档编号】G01N3/02GK104344987SQ201410546705
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】王丹, 李茜, 樊锐, 陈五一 申请人:北京航空航天大学