[发明专利]一种拉弯扭材料加载试验机

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。

主权项

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，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1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1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1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1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1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。