CN109374241A - 一种柔性铰链静刚度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性铰链静刚度的测量装置，包括待测柔性铰链，测量装置安装于光学平台上，测量装置包括固定组件、力组件、承载杆、变形测量组件、数据采集装置、支撑板及垫块组件，固定组件包括底座和一对压板，底座设置于光学平台的中部，由矩形凸台和矩形托板构成；待测柔性铰链的固定端嵌入矩形凸台的矩形通槽内；一对压板压在底座托板上；待测柔性铰链的自由端嵌入承载杆的矩形通槽内；支撑板和垫块组件分别位于底座的两侧，支撑板呈L型，支撑板的横板与光学平台连接，支撑板的立板和垫块组件均用于连接力组件；力组件包括L型固定器、微分头、压力传感器和压力传感器工装；变形测量组件包括激光位移传感器和微调万向磁力表座。

Description

一种柔性铰链静刚度的测量装置

技术领域

本发明属于柔性铰链刚度测量装置技术领域，具体涉及一种柔性铰链静刚度的测量装置。

背景技术

柔性铰链作为机械工程技术领域中一种特殊的柔顺机构,具有体积小、无机械摩擦、无需润滑、无间隙、低温度敏感性、长寿命和高灵敏度等优点，在微动平台、快反镜、微机电***(MEMS)，传感器等高精度、高分辨率等领域应用广泛。

柔性铰链遵循小变形假设，假设柔性铰链一端为相对固定端，另一端为自由端，其静刚度的测量原理即是胡克定律。柔性铰链的静刚度K等于其自由端承载的载荷L(力或转矩)与变形量δ(线变形或角变形)的比值。

柔性铰链静刚度测试的问题可以转化为柔性铰链载荷的施加与测量和自由端变形量测量的问题。目前较为常见测量柔性铰链静刚度的方法是利用砝码作为施力机构，但该种方式获得的力不连续，求得的静刚度准确度差。虽然也有一些高精度的测量方式，例如直线电机推动，但此类装置存在过于繁琐、成本较高等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种柔性铰链静刚度的测量装置，用于验证柔性铰链静刚度理论解析模型和有限元仿真结果的准确性，为柔性铰链的传动性能提供量化依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种柔性铰链静刚度的测量装置，包括待测柔性铰链，所述测量装置安装于光学平台上，测量装置包括固定组件、力组件、承载杆、变形测量组件、数据采集装置、支撑板及垫块组件，所述固定组件包括底座和一对压板，所述底座通过螺纹连接设置于光学平台的中部，所述底座由矩形凸台和矩形托板构成；所述矩形凸台中心处开有矩形通槽，待测柔性铰链的固定端嵌入所述矩形凸台的矩形通槽内；所述一对压板压在所述底座托板上并通过螺栓固定；所述承载杆下表面中心处开有矩形通槽，待测柔性铰链的自由端嵌入所述承载杆的矩形通槽内；所述支撑板和垫块组件分别位于底座的两侧，所述支撑板呈L型，支撑板的横板与光学平台连接，支撑板的立板和垫块组件均用于连接力组件；

所述力组件包括L型固定器、微分头、压力传感器和压力传感器工装，所述L型固定器的横臂与支撑板的立板或垫块组件连接，L型固定器的立臂连接有所述微分头，所述压力传感器的外形呈L型，压力传感器工装的横臂与L型固定器的立臂顶部连接，所述压力传感器工装的立臂上开有阶梯孔，所述压力传感器嵌入所述阶梯孔内；

所述变形测量组件包括激光位移传感器和微调万向磁力表座；所述微调万向磁力表座由磁力表座和万向支架构成，所述磁力表座通过磁力吸附于光学平台上；所述激光位移传感器通过螺栓与所述万向支架连接，所述数据采集装置设置于光学平台上并与所述激光位移传感器电连接。

进一步的，待测柔性铰链与矩形通槽之间均为间隙配合，并通过环氧树脂胶胶接固定。

进一步的，所述压力传感器与所述阶梯孔之间为间隙配合。

进一步的，所述承载杆为矩形截面长杆。

进一步的，所述垫块组件由不同厚度的工字型垫块组成，所述工字型垫块的上端开有螺纹孔，所述工字型垫块的下端开有U型孔；相邻工字型垫块之间通过螺纹连接。

进一步的，所述垫块组件中最上端的工字型垫块的上端与所述L型固定器横臂螺纹连接；所述垫块组件中最下端的工字型垫块的下端与所述光学平台螺纹连接。

进一步的，所述承载杆和所述底座的矩形通槽中心处分别开有螺纹孔，单次测试完成后可通过拧入螺钉抵住柔性铰链，使柔性铰链、底座和承载杆之间分离，实现重复利用。

进一步的，所述微分头由依次设置的测杆、螺纹段、微风筒和微调钮组成。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明主要通过微分头配合承载杆作为施力机构，并由压力传感器及压力传感器工装构成的测力机构实时测量待测柔性铰链自由端所受载荷力，同时基于激光位移传感器的变形测量组件实时测量待测柔性铰链自由端的变形量，考虑到柔性铰链遵循小变形假设，可以利用胡克定律求得所述柔性铰链的静刚度。

(2)本装置结构简单，通过高精度压力传感器和高精度激光位移传感器的配合，搭建低成本、高精度的柔性铰链静刚度参数测试装置；

(3)本装置采用微分头作为施力组件，能够提供连续变化的力载荷；

(4)能够适应不同尺寸柔性铰链静刚度的测量。

附图说明

图1是本发明柔性铰链静刚度测量装置的结构示意图。

图2是本发明中微分头结构示意图。

附图标记：1-支撑板；2-L型固定器；3-微分头；4-压力传感器工装；5-压力传感器；6-激光位移传感器；7-微调万向磁力表座；8-承载杆；9-待测柔性铰链；10-一对压板；11-底座；12-垫块组件；13-力组件；14-光学平台；301-测杆；302-螺纹段；303-微风筒；304-微调钮

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明涉及一种柔性铰链静刚度的测量装置，测量装置安装在光学平台14上，测量装置包括固定组件、力组件13、承载杆8、变形测量组件、支撑板1及垫块组件12，其中固定组件用以固定待测柔性铰链9的固定端，支撑板1用以零件的支撑与固定，力组件13由施力组件和测力组件组成，施力组件用以施加连续变化的力载荷，测力组件用以测量施力组件施加给待测柔性铰链的力载荷，承载杆8用以承受施力机构的输出力，并将该力传递给待测柔性铰链的自由端，变形测量组件用以测量待测铰链在特定载荷下的变形，垫块组件12用以使测量装置能够适应不同尺寸的柔性铰链，各组件具体介绍如下：

固定组件包括底座11和一对压板10。底座11与光学平台14螺纹连接；底座11由矩形凸台和矩形托板构成；矩形凸台中心处开有矩形通槽；一对压板压在底座托板上，并与底座螺纹连接；待测柔性铰链相对固定端嵌入矩形凸台的矩形通槽，两者间间隙配合，且通过环氧树脂胶胶接固定。

支撑板1外形呈L型。支撑板1横板与光学平台14螺纹连接，支撑板1立板上开有螺纹孔。

施力组件包括L型固定器2和微分头3，L型固定器2横臂通过螺纹连接的形式与支撑板1立板固接；L型固定器2立臂上开有螺纹孔；微分头3拧入螺纹孔，并用螺母锁紧；L型固定器2顶部开有螺纹孔。

测力组件包括压力传感器5和压力传感器工装4。压力传感器5工装外形呈L型，压力传感器工装4横臂在L型固定器2顶部螺纹孔对应位置处开有通孔，两者间螺纹连接；压力传感器工装4立臂上开有阶梯孔；压力传感器5嵌入阶梯孔，两者之间间隙配合。

承载杆8为矩形截面长杆；承载杆8下表面中心处开有矩形通槽；待测柔性铰链9自由端嵌入承载杆8的矩形通槽，两者间间隙配合，且通过环氧树脂胶胶接固定。承载杆8和底座11的矩形通槽中心处分别开有螺纹孔。螺纹孔的优势在于：单次测试完成后可以利用螺钉分离柔性铰链、底座和承载杆，便于工件的重复使用。

变形测量组件由激光位移传感器6及微调万向磁力表座7组成。微调万向磁力表座7的磁力表座通过磁力吸附在光学平台14上。激光位移传感器6通过螺栓连接固定在微调万向磁力表座7的万向支架上，用以对待测柔性铰链9自由端的变形量进行高精度、非接触测量。

垫块组件12由多块不同厚度的工字型垫块组成。工字型垫块上端开有螺纹孔，工字型垫块下端开有U型孔；相邻工字型垫块之间通过螺纹连接的形式固定连接。该种设置的好处是当垫块厚度较大时，避免螺钉不够长的情况发生。垫块组件12中最上端的工字型垫块的上端与L型固定器2横臂螺纹连接；垫块组件12中最下端的工字型垫块的下端与光学平台14螺纹连接。

以下结合附图1对弯曲力矩载荷、切向力载荷作用下，本发明柔性铰链静刚度的测量过程进行详细说明。注：所施加的力F和弯矩M间的关系可以用M＝F×L描述，其中L为微分头3的测杆301外端面与承载杆8接触中心点与承载杆8中心的水平距离；待测柔性铰链9在载荷力或力矩作用下的转角θ与激光位移传感器6测得的变形Δ间的关系可以用θ＝Δ/l描述，其中l为激光位移传感器6探头中心与承载杆8中心的水平距离。

安装前，应调节微分头3的微分筒303或微调钮304，使微分头3的测杆301处于最短长度。之后按照发明内容对测量装置进行安装，具体为：首先，用环氧树脂胶完成承载杆8、底座11与待测柔性铰链9间的胶接固定；随后，将底座11与光学平台14螺纹连接，再将一对压板10压在底座11的托板上，完成待测柔性铰链9的固定与限位。微分头3的螺纹段302拧入L型固定器2立臂上的螺纹孔中。压力传感器5嵌入压力传感器工装4的阶梯孔内。压力传感器5与压力传感器工装4的阶梯孔之间留有一定活动间隙。压力传感器工装4与L型固定器2螺纹连接。调节微调万向磁力表座7，使激光位移传感器6竖直安装在承载杆8的另一端，实时测量承载杆8另一端的变形。压力传感器5和激光位移传感器6将测得的载荷力及变形数据通过数据线传输至数据采集装置。

完成安装过程后，调节微分头3的微分筒303，使微分头3的测杆301的外端面与压力传感器5相接触，但不施加压力。此时，使能压力传感器5、激光位移传感器6及数据采集装置。继续旋转微分头3的微调钮304，承载杆8一端承受压力后发生转动，激光位移传感器6和压力传感器5通过数据线(图1中的实线)将测得的承载杆8另一端的变形量Δ和施加的载荷力F数据传输至数据采集装置，记录此时数据采集装置的数据。随后，继续旋转微分头3的微调钮304，记录每次调节微调钮304后数据采集装置的输出数据。将测得的数据进行最小二乘直线拟合，拟合的直线的斜率即是待测柔性铰链9在弯曲力矩载荷M_z作用下的静刚度。

将L型固定器2与支撑板1分离，然后将L型固定器2与垫块组件12最上端垫块的上端螺纹连接，将力组件13移至图1虚线所示位置。垫块组件12最下端垫块的下端与光学平台14螺纹连接。之后，移动微调万向磁力表座7至图1中其所在的虚线位置，同时调节微调万向磁力表座7的万向支架，将激光位移传感器6水平安装至承载杆8的另一端。重复上段中测试过程，此时最小二乘拟合得到的直线的斜率是待测柔性铰链9在切向力载荷F_y作用下的静刚度。将底座11与光学平台14分离，将底座11旋转90°后重新与光学平台14螺纹连接。重复上段测试过程，此时最小二乘拟合得到的直线的斜率是待测柔性铰链9在切向力载荷F_z作用下的静刚度。

重复上段中安装及测试过程，此时最小二乘拟合得到的直线的斜率是待测柔性铰链9在弯曲力矩载荷M_y作用下的静刚度。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性铰链静刚度的测量装置，包括待测柔性铰链，其特征在于，所述测量装置安装于光学平台上，测量装置包括固定组件、力组件、承载杆、变形测量组件、数据采集装置、支撑板及垫块组件，所述固定组件包括底座和一对压板，所述底座通过螺纹连接设置于光学平台的中部，所述底座由矩形凸台和矩形托板构成；所述矩形凸台中心处开有矩形通槽，待测柔性铰链的固定端嵌入所述矩形凸台的矩形通槽内；所述一对压板压在所述底座托板上并通过螺栓固定；所述承载杆下表面中心处开有矩形通槽，待测柔性铰链的自由端嵌入所述承载杆的矩形通槽内；所述支撑板和垫块组件分别位于底座的两侧，所述支撑板呈L型，支撑板的横板与光学平台连接，支撑板的立板和垫块组件均用于连接力组件；

所述力组件包括L型固定器、微分头、压力传感器和压力传感器工装，所述L型固定器的横臂与支撑板的立板或垫块组件连接，L型固定器的立臂连接有所述微分头，所述压力传感器的外形呈L型，压力传感器工装的横臂与L型固定器的立臂顶部连接，所述压力传感器工装的立臂上开有阶梯孔，所述压力传感器嵌入所述阶梯孔内；

所述变形测量组件包括激光位移传感器和微调万向磁力表座；所述微调万向磁力表座由磁力表座和万向支架构成，所述磁力表座通过磁力吸附于光学平台上；所述激光位移传感器通过螺栓与所述万向支架连接，所述数据采集装置设置于光学平台上并与所述激光位移传感器电连接。

2.根据权利要求1所述一种柔性铰链静刚度的测量装置，其特征在于，待测柔性铰链与矩形通槽之间均为间隙配合，并通过环氧树脂胶胶接固定。

3.根据权利要求1所述一种柔性铰链静刚度的测量装置，其特征在于，所述压力传感器与所述阶梯孔之间为间隙配合。

4.根据权利要求1所述一种柔性铰链静刚度的测量装置，其特征在于，所述承载杆为矩形截面长杆。

5.根据权利要求1所述一种柔性铰链静刚度的测量装置，其特征在于，所述垫块组件由不同厚度的工字型垫块组成，所述工字型垫块的上端开有螺纹孔，所述工字型垫块的下端开有U型孔；相邻工字型垫块之间通过螺纹连接。

6.根据权利要求5所述一种柔性铰链静刚度的测量装置，其特征在于，所述垫块组件中最上端的工字型垫块的上端与所述L型固定器横臂螺纹连接；所述垫块组件中最下端的工字型垫块的下端与所述光学平台螺纹连接。

7.根据权利要求1所述一种柔性铰链静刚度的测量装置，其特征在于，所述承载杆和所述底座的矩形通槽中心处分别开有螺纹孔，单次测试完成后可通过拧入螺钉抵住柔性铰链，使柔性铰链、底座和承载杆之间分离，实现重复利用。

8.根据权利要求1所述一种柔性铰链静刚度的测量装置，其特征在于，所述微分头由依次设置的测杆、螺纹段、微风筒和微调钮组成。