CN110501125A - 一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，包括：用于固定待测柔性支撑的基座，用于向待测柔性支撑施加扭矩的施力组件，以及用于检测待测柔性支撑在外部扭矩作用下所产生的变形的检测组件；所述检测组件包括位移传感器和水平位移放大杆；所述水平位移放大杆的一端固定在待测柔性支撑的上端面，所述水平位移放大杆的中心线与待测柔性支撑的轴线相交，所述位移传感器检测所述水平位移放大杆的另一端的位移量。本发明还公开了一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试方法。本发明通过改变标准精密砝码的重力，来调整施加给待测柔性支撑的载荷，能够获得多组柔性支撑扭转刚度的测量数据，求取所测扭转刚度数据的均值，可大大提高所测刚度的精度。

Description

一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及一种扭转刚度参数测试装置及测试方法，特别涉及一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置及测试方法。
背景技术
柔性支撑是由柔性铰链作为基本单元通过串并联的方式组合构成的。
柔性支撑具有无空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、空间尺寸小、运动灵敏度高、容易控制、运行稳定等许多优点。在宇航、机器人、光学、生物工程等诸多领域得到广泛的应用，是精密机械、精密测量仪表、微纳米器件中的重要元件。如空间飞行器中姿态调整机构、天文望远镜上自适应调整机构、航天器上微波天线的对准机构、太阳能帆板折叠机构、机器人腕力传感器、高精度小量程扭矩传感器等。
柔性支撑刚度分为工作方向刚度和非工作方向刚度，工作方向包括在MX和MY的作用下，柔性支撑绕X轴和Y轴的转动；非工作方向包括在MZ的作用下柔性支撑绕Z轴的微小转动和在FZ的作用下柔性支撑沿Z轴的伸缩变形。柔性支撑在MZ作用下变形极小，且不易施加MZ。
柔性支撑遵循小变形假设，假设柔性支撑一端为相对固定端，另一端为自由端，其扭转刚度的测量原理即是胡可定律。柔性支撑的扭转刚度K等于其自由端受到的扭矩MZ与自由端角变形θ的比值。柔性支撑扭转刚度测试仅需要获得柔性铰链受到转矩的大小和自由端角变形量即可。
目前，有的柔性支撑扭转刚度测试装置的结构比较复杂，尤其是向待测柔性支撑施加扭矩的施力组件，以及检测待测柔性支撑在外部扭矩作用下所产生的变形的检测组件，制造或购买的成本较高，不便使用，有的结构简单但不能多次精确定量施加扭矩和检测变形量，使得柔性支撑扭转刚度的检测精度比较低。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种制造成本低、操作简便且检测精度高的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置及测试方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，包括：用于固定待测柔性支撑的基座，用于向待测柔性支撑施加扭矩的施力组件，以及用于检测待测柔性支撑在外部扭矩作用下所产生的变形的检测组件；所述检测组件包括位移传感器和水平位移放大杆；所述水平位移放大杆的一端固定在待测柔性支撑的上端面，所述水平位移放大杆的中心线与待测柔性支撑的轴线相交，所述位移传感器检测所述水平位移放大杆的另一端的位移量。
进一步地，所述施力组件包括水平传动杆和两个施力支架；待测柔性支撑的上端面中心对称固接所述水平传动杆；两个所述施力支架以待测柔性支撑的轴心为中心对称设置；每个所述施力支架上部设有滑轮；所述滑轮绕接有柔性线；所述柔性线的一端与所述水平传动杆的端部垂直固定，所述柔性线的另一端连接有砝码。
进一步地，所述水平传动杆，其为方柱型，其与待测柔性支撑通过螺栓固接；其两端于水平方向对称开有通孔，所述通孔的轴线与端面平行，所述柔性线穿过所述通孔后固定。
进一步地，所述滑轮包括轴承；所述轴承的内圈固接在所述施力支架上，所述轴承的外表面设有凹槽；所述柔性线绕接在所述凹槽内。
进一步地，所述水平传动杆的长度为待测柔性支撑周长的2.0～2.5倍，所述水平传动杆为结构钢制成的杆。
进一步地，所述水平位移放大杆呈细长型，其一端通过螺栓与所述水平传动杆固接。
进一步地，所述基座固定在光学平台上，所述检测组件和所述施力组件固定在所述基座或所述光学平台上。
进一步地，还包括数据处理装置；所述数据处理装置包括数据处理器和显示器；所述数据处理器接收来自所述检测组件的信号，处理后输出信号至所述显示器进行显示。
本发明还提供一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试方法，该方法为：将待测柔性支撑固定在一基座上；对待测柔性支撑施加扭矩，将一水平位移放大杆的一端固定在待测柔性支撑的上端面，使所述水平位移放大杆的中心线与待测柔性支撑的轴线相交，采用位移传感器检测所述水平位移放大杆的另一端的位移量，然后将位移量换算成待测柔性支撑的扭转刚度。
进一步地，对待测柔性支撑施加扭矩的具体方法为：在待测柔性支撑的上端面固接一水平传动杆，使所述水平传动杆垂直中心线与待测柔性支撑的轴线重合；以待测柔性支撑的轴心为中心对称设置两个施力支架，每个所述施力支架上部设有滑轮；所述滑轮绕接有柔性线；所述柔性线的一端与所述水平传动杆的端部固定，所述柔性线的另一端连接有砝码；通过变更砝码，对待测柔性支撑施加不同的扭矩。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明采用水平位移放大杆可以使待测柔性支撑的微小扭转变形量放大，便于测量和捕捉，本发明能够精确地检测待测柔性支撑的上端面的微小扭转变形量，从而计算出待测柔性支撑的扭转刚度参数。本装置结构简单，通过标准精密砝码和高精度激光位移传感器的配合，搭建了低成本、高精度的柔性支撑扭转刚度参数测试装置；本装置能够适应不同尺寸不同形状柱形体的柔性支撑扭转刚度的测量；
本发明通过改变标准精密砝码的重力，来调整施加给待测柔性支撑的载荷，通过悬挂不同质量的砝码，能够获得多组柔性支撑扭转刚度的测量数据，求取所测扭转刚度数据的均值，可大大提高所测刚度的精度。本发明可用于验证柔性支撑扭转刚度理论解析模型和有限元仿真结果的准确性，为柔性支撑的传动性能提供量化依据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是待测柔性支撑的结构示意图；
图3是本发明的水平传动杆受力变形示意图；
图中：1-轴承；2-砝码；3-施力支架；4-水平位移放大杆；5-激光位移传感器；6- 传感器支架；7-基座；8-待测柔性支撑；9-水平传动杆；L-水平传动杆的两端通孔中心距。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图3，一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，包括：用于固定待测柔性支撑8的基座7，用于向待测柔性支撑8施加扭矩的施力组件，以及用于检测待测柔性支撑8在外部扭矩作用下所产生的变形的检测组件；所述检测组件包括位移传感器和水平位移放大杆4；所述水平位移放大杆4的一端固定在待测柔性支撑8的上端面，所述水平位移放大杆4的中心线与待测柔性支撑8的轴线相交，所述位移传感器检测所述水平位移放大杆4的另一端的位移量。所述位移传感器可为激光位移传感器5；所述激光位移传感器5安装在传感器支架6上。所述激光位移传感器5，对准所述水平位移放大杆4 的端部中心，测量水平位移放大杆4的端部中心的位移量。待测柔性支撑8可为柱形体，比如可为圆柱体，椭圆柱体。
施力组件对待测柔性支撑8施加扭矩，使待测柔性支撑8扭曲变形，待测柔性支撑8的上端面发生扭转，所述水平位移放大杆4的一端固定在待测柔性支撑8的上端面，所述水平位移放大杆4的另一端将随待测柔性支撑8的上端面转动，从而产生位移，该位移量将待测柔性支撑8的上端面的扭转变形量放大，放大的比例与所述水平位移放大杆4 的另一端距离待测柔性支撑8的轴心距离相关。所述位移传感器检测所述水平位移放大杆4的另一端的位移量，可以推导出待测柔性支撑8的上端面的扭转变形量。可以根据待测柔性支撑8扭转变形量从而来计算待测柔性支撑8的扭转刚度参数。采用水平位移放大杆4可以精确地检测待测柔性支撑8的上端面的微小扭转变形量。
所述施力组件可包括水平传动杆9和两个施力支架3；待测柔性支撑8的上端面中心对称固接所述水平传动杆9；即所述水平传动杆9以待测柔性支撑8的轴心为中心对称固接在待测柔性支撑上端面；两个所述施力支架3以待测柔性支撑8的轴心为中心对称设置；每个所述施力支架3上部设有滑轮；所述滑轮绕接有柔性线；所述柔性线的一端与所述水平传动杆9的端部垂直固定，所述柔性线的另一端连接有砝码2。所述水平传动杆 9可通过螺栓固定在待测柔性支撑8的上端面边缘处，与待测柔性支撑8的轴心越远，同样的拉力施加的扭矩相对比较大。通过柔性线及滑轮，可将砝码2的重力转变为对所述水平传动杆9的端部的拉力，进而转化成对待测柔性支撑8施加的力矩。
所述施力组件也可以为其他的结构，该结构能够定量向待测柔性支撑8施加扭矩，使待测柔性支撑8扭曲变形。
所述水平传动杆9，其可为方柱型，其可与待测柔性支撑8通过螺栓固接；其两端于水平方向可对称开有通孔，所述通孔的轴线与端面平行，所述柔性线可穿过所述通孔后固定。所述柔性线可采用大马力线，线径可小于1mm，通孔孔径可与所述柔性线线径匹配，可略大于线径。所述柔性线可穿过所述通孔后可通过打结，或者系在一短杆等物体上，使所述柔性线不能从所述通孔拉出，使其一端与所述水平传动杆9相对固定，不能松脱。所述水平传动杆9两端于水平方向可对称开有通孔，该通孔可以确保所述柔性线的一端与所述水平传动杆9的端部垂直，所述柔性线可穿过所述通孔后再固定，可使对所述水平传动杆9的拉力垂直于所述水平传动杆9。
所述滑轮可包括轴承1；所述轴承1的内圈可固接在所述施力支架3上，所述轴承1的外表面可设有凹槽；所述柔性线可绕接在所述凹槽内。所述凹槽的槽底距地面高度，与所述水平传动杆9两端开设的穿过所述柔性线的通孔中心距地面高度相同。采用轴承可以使所述柔性线与所述凹槽不产生相对摩擦力，减少砝码重力转换为拉力过程中的力的损失。
所述水平传动杆9的长度可为待测柔性支撑8周长的2.0～2.5倍，所述水平传动杆9 可为结构钢制成的杆。所述水平传动杆9的长度不宜太长，太长易变形，随着所述标准精密砝码2的增加，对水平传动杆9的拉力也在逐渐增大，水平传动杆9的变形随之增大，变形量太大影响拉力与水平传动杆9的垂直度，请参见图3，使得承载杆所受弯矩 M＝mgL减小，增大所测扭转刚度参数的误差。
所述水平位移放大杆4可呈细长型，其一端可通过螺栓与所述水平传动杆9固接，其另一端可为前后厚度小于0.5mm的垂直片。这样所述激光位移传感器5可对准垂直片，测量垂直片前后移动的距离，垂直片较薄，相当于所述水平传动杆9端部中心移动的距离。
进一步地，所述基座7可固定在光学平台上，所述检测组件和所述施力组件可固定在所述基座7或所述光学平台上，使测量精度更高。
进一步地，还可包括数据处理装置；所述数据处理装置包括数据处理器和显示器；所述数据处理器可接收来自所述检测组件的信号，处理后输出信号至所述显示器进行显示。数据处理器可采用单片机、工业计算机等实现数据输入、计算、储存及输出等功能的数据处理设备。单片机、工业计算机、显示器均可选用现有技术中产品。
下面根据本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的结构、工作流程及其工作原理：
一种柔性支撑扭转刚度参数的测量装置，该测量装置安装在光学平台上。该测量装置包括：轴承1、标准精密砝码2、施力支架3、水平位移放大杆4、激光位移传感器5、传感器支架6、基座7、水平传动杆9、柔性线、数据处理装置等。各零件功能具体介绍如下：
待测柔性支撑8的固定：所述基座7将通过螺栓连接固定在光学平台上，将待测柔性支撑8通过螺栓连接固定在所述基座7上，螺栓要均匀分布。
待测柔性支撑8选圆柱体，其上下两端均开有安装孔，待测柔性支撑8下端与所述基座7通过螺栓连接以固定待测柔性支撑8。
所述水平传动杆9外形为方柱体，与待测柔性支撑8的上端通过螺栓连接固定；水平传动杆9两端对称开有通孔，水平传动杆9的中心处与水平位移放大杆4通过螺栓相连接。
所述水平位移放大杆4呈细长型，一端面开有螺纹孔。该零件材料须选用密度小刚度高，为了减小自身因重力引起的变形。
所述施力支架3的下端可开有通孔，其可与所述基座7通过螺栓连接并固定；所述施力支架3的上端侧面开有螺纹孔通过螺栓连接并固定所述轴承1的内圈。所述轴承1 外表面周向设有凹槽，凹槽的槽底距光学平台的高度，与所述水平传动杆9两端的通孔中心距光学平台的高度相一致。
柔性线通过所述水平传动杆9的通孔，绕接在所述轴承1表面凹槽内，然后与所述标准精密砝码2连接，所述水平传动杆9两端受两个不同方向的拉力，即所述砝码2的重力，砝码2的重力转换为拉力，对待测柔性支撑8施加扭矩，两端砝码2的质量相等。
传感器支架6通过螺栓连接固定在所述基座7上；所述激光位移传感器5固定在所述激光位移传感器5支架上，所述激光位移传感器5可对准所述水平位移放大杆4的端部侧面进行测量。
本发明中的一种柔性支撑扭转刚度参数测量装置，主要通过所述砝码2施力，同时基于激光位移传感器5搭建的变形检测组件，实时测量待测柔性支撑8的变形量，最后利用胡克定律求得待测柔性支撑8的扭转刚度参数。
首先将基座7通过螺栓连接固定在光学平台上，随后将待测柔性支撑8的下端通过螺栓连接固定在基座7上，再将水平传动杆9通过螺栓连接固定在待测柔性支撑8的上端面；将两个施力支架3的下端通过螺栓连接固定在基座7上，两个施力支架3包括第一施力支架和第二施力支架，第一施力支架和第二施力支架关于待测柔性支撑8的轴心中心对称布置，第一施力支架安装的轴承称为第一轴承，第二施力支架安装的轴承称为第二轴承，将第一轴承和第二轴承分别通过螺栓对应连接固定在第一施力支架和第二施力支架上；用柔性线一端穿过水平传动杆9端部的通孔后打结，或绕结在水平传动杆9 上，使得柔性线一端穿过通孔并固定，不能从通孔内拉出，柔性线另一端经过轴承的凹槽表面垂直吊挂在轴承上，其下端可设环，悬挂标准精密砝码2，。水平传动杆9两端的柔性线，对应绕接在第一轴承的凹槽表面和第二轴承的凹槽表面上。
安装过程完成后，第一施力支架和第二施力支架悬挂相等质量的标准精密砝码2，柔性线通过轴承1的转换，使得标准精密砝码2的重力变为对水平传动杆9的水平拉力，且两端拉力大小相等方向相反，在两个拉力的作用下会对水平传动杆9产生一个扭矩MZ，通过螺栓传递到待测柔性支撑8，待测柔性支撑8在扭矩MZ的作用下会发生微小转动，带动水平传动杆9和水平位移放大杆4发生转动，水平位移放大杆4的转动使得其端部中心发生位移。可通过激光位移传感器5测得其端部中心的位移量Δx。
通过激光位移传感器5测得水平位移放大杆4的位移量Δx，此时记录一端标准精密砝码2的质量m。则待测柔性支撑8的扭转刚度为
上式内L1为水平传动杆9通孔到其中心处的距离，相当于水平传动杆的两端通孔中心距L的一半，即L1＝1/2L，L2为激光位移传感器5所测水平位移放大杆4端面中心到待测柔性支撑8中心的距离。
也可通过激光位移传感器5测得其端部侧面的位移量Δx’，然后换算成Δx。
继续在柔性线的两端添加等质量的标准精密砝码2，重复通过激光位移传感器5测得水平位移放大杆4的位移量Δx，并记录位移量Δx以及标准精密砝码2的质量m，可测得多组柔性支撑扭转刚度所得一系列扭转刚度值求取平均值，即为待测柔性支撑8 扭转刚度。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，包括：用于固定待测柔性支撑的基座，用于向待测柔性支撑施加扭矩的施力组件，以及用于检测待测柔性支撑在外部扭矩作用下所产生的变形的检测组件；所述检测组件包括位移传感器和水平位移放大杆；所述水平位移放大杆的一端固定在待测柔性支撑的上端面，所述水平位移放大杆的中心线与待测柔性支撑的轴线相交，所述位移传感器检测所述水平位移放大杆的另一端的位移量。
2.根据权利要求1所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，所述施力组件包括水平传动杆和两个施力支架；待测柔性支撑的上端面中心对称固接所述水平传动杆；两个所述施力支架以待测柔性支撑的轴心为中心对称设置；每个所述施力支架上部设有滑轮；所述滑轮绕接有柔性线；所述柔性线的一端与所述水平传动杆的端部垂直固定，所述柔性线的另一端连接有砝码。
3.根据权利要求2所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，所述水平传动杆，其为方柱型，其与待测柔性支撑通过螺栓固接；其两端于水平方向对称开有通孔，所述通孔的轴线与端面平行，所述柔性线穿过所述通孔后固定。
4.根据权利要求2所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，所述滑轮包括轴承；所述轴承的内圈固接在所述施力支架上，所述轴承的外表面设有凹槽；所述柔性线绕接在所述凹槽内。
5.根据权利要求2所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，所述水平传动杆的长度为待测柔性支撑周长的2.0～2.5倍，所述水平传动杆为结构钢制成的杆。
6.根据权利要求2所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，所述水平位移放大杆呈细长型，其一端通过螺栓与所述水平传动杆固接。
7.根据权利要求1所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，所述基座固定在光学平台上，所述检测组件和所述施力组件固定在所述基座或所述光学平台上。
8.根据权利要求1至7任一所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试装置，其特征在于，还包括数据处理装置；所述数据处理装置包括数据处理器和显示器；所述数据处理器接收来自所述检测组件的信号，处理后输出信号至所述显示器进行显示。
9.一种柔性支撑扭转刚度参数简易测试方法，其特征在于，将待测柔性支撑固定在一基座上；对待测柔性支撑施加扭矩，将一水平位移放大杆的一端固定在待测柔性支撑的上端面，使所述水平位移放大杆的中心线与待测柔性支撑的轴线相交，采用位移传感器检测所述水平位移放大杆的另一端的位移量，然后将位移量换算成待测柔性支撑的扭转刚度。
10.根据权利要求9所述的柔性支撑扭转刚度参数简易测试方法，其特征在于，对待测柔性支撑施加扭矩的具体方法为：在待测柔性支撑的上端面固接一水平传动杆，使所述水平传动杆垂直中心线与待测柔性支撑的轴线重合；以待测柔性支撑的轴心为中心对称设置两个施力支架，每个所述施力支架上部设有滑轮；所述滑轮绕接有柔性线；所述柔性线的一端与所述水平传动杆的端部固定，所述柔性线的另一端连接有砝码；通过变更砝码，对待测柔性支撑施加不同的扭矩。
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