CN1194215C - 虚拟力轴材料试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种虚拟力轴材料试验***，包括动力装置、控制***和加载装置，所述的加载装置包括轭架和夹具，所述的轭架包括两个台架以及用于连接此二台架的两个以上的并联支链，并联支链包括定长的支链和可伸缩的支链，定长的支链的一端以装有运动副的滑块与固定在台架上的滑道相连接，试验过程由控制***及相应的计算机软、硬件来控制，台架通过支链相互连接，台架上装有夹具，每个支链可以是伸缩杆也可以是定长杆，在同一台试验机上可实现拉、压、弯、扭、剪切、疲劳、组合加载以及多维空间加载，其优点是：结构刚性好，运动精度高，可实现高速、高加速度加载，结构简单，重量轻，价格低，可广泛应用于各类材料及结构件的力学性能试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种力学性能试验设备，特别是一种虚拟力轴材料试验***(机)。
背景技术
材料和结构件的力学性能试验设备及相关的试验技术对于现代高新材料技术是至关重要的，而传统的试验机都具有固定导轨，其运行方式一般是试件在夹具的夹持牵引下沿着固定的轨道运动。
传统的试验机的加载方向源于直角坐标系，共有三个移动自由度和三个转动自由度，为了实现其中的任意一个自由度，必须专门设计相应的一套导轨***。加载运动是通过机械约束——即物理导轨来实现的，在此种结构中，工作空间＝控制空间，设备直接控制夹具和试件的运动轨迹。
图1是一个典型的传统试验机的结构图，该试验机的上横梁7、上夹具座9及下夹具座3通过立柱导轨2、9固定于底座1上，上夹具座9及下夹具座3在驱动器(如液压缸4、6)的带动下沿导轨8运动，从而带动夹具5对试件加载。显见，传统的试验设备所共有的结构带来了先天性的缺陷：
一、传统试验设备为获得高刚度，就必须包含笨重的机身、立柱、横梁等支撑构件及高精度导轨***，因此，设备结构复杂、重量大、难以搬动及产品价格高；
二、夹具只能沿导轨的固定方向加载，加载方式有限，且往往由于结构不对称而使受力与热变形不均匀；
三、通用性差；
四、传统的结构设计使传动链的误差依次相加，从而影响了整个***的刚度与精度。
现代高技术新材料发展迅速，材料结构及性能日趋复杂，对试验设备及试验技术提出了越加苛刻的要求。同时，现代信息技术、控制技术及智能技术等的发展日新月异，为开拓新型试验设备及技术提供了有利的工具。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种虚拟力轴材料试验***，将现代并联机器人技术与试验技术相结合，采用可实施控制的伸缩轴或滑动轴，取代传统的固定导轨***；采用平台及框架结构，取代传统的机身、立柱等笨重构件。
虚拟力轴试验机的控制***是针对每一个实际可控轴而言的，不存在(或不完全存在)用于导向的物理导轨，而是***地应用数学理论、控制技术、传感技术及信息技术来确定夹具和试件等的运动轨迹，即加载等运动所需的运动坐轴及运动方式是用软件来“虚拟仿真”出来的。此时，工作空间(虚拟力轴空间)≠控制空间(实际控制轴空间)，需要通过虚拟映射对加载运动轨迹进行控制。对应于夹具的每一种姿态与加载方式，均存在相应的伸缩轴或滑动轴滑块位置与之对应。即虚拟力轴材料试验***是通过改变轴长度或滑动滑块位置来实现加载要求的。传统试验机中，用直角坐标系描述的加载轴方向十分有限且方向固定，而本发明所描述的新型试验机可以具有任意空间方案的加载轴，而伸缩轴长度或滑块的位置才是它的实际控制轴，因此称为虚拟力轴材料试验***。显然，虚拟力轴材料试验***可以真正完全按照材料的力学性能所要求的加载方向与加载方式来加载，可实现拉、压、弯、扭、剪切、疲劳、组合加载以及多维空间加载。属于一种全新概念的试验设备，从根本上改变了加载方式，增加了加载的灵活性，使设备具有更大的加载灵活性和材料适应性。
为了实现上述目的，本发明提出一种虚拟力轴材料试验***，包括动力装置、控制***和加载装置，所述的加载装置包括轭架和夹具，所述的轭架包括两个台架以及用于连接此二台架的两个以上的并联支链，所述的并联支链包括定长的支链和可伸缩的支链，所述的定长的支链的一端以装有运动副的滑块与固定在台架上的滑道相连接。
所述的两个台架可以是平台结构。
所述的两个台架还可以是框架结构。
所述的框架结构选自板、箱、梁、杆的独立结构件，以及板、箱、梁、杆的组合结构件。
所述的运动副选自转动副、球铰或虎克铰。
所述的滑块的驱动方式选自液压动力、气压动力和电机动力。
所述的可伸缩的支链的驱动方式选自液压动力、气压动力和电机动力，可伸缩的支链的端头与所述的台架相连接的方式选自球铰、虎克铰、螺旋副和转动副。
所述的并联支链的个数为3～6个。
所述的每一个并联支链选自单体支链以及两个或两个以上的平行支链。
所述的轭架可以垂直放置，也可以水平放置，所述的水平放置的轭架安装有滑动轮或滑块，以便在地面或滑道上移动。
作为一种实施方式，所述的两个台架上有用于驱动夹具的转动装置。
作为另一种实施方式，所述的两个台架上可以没有用于驱动夹具的转动装置。
与实现等同功能的传统试验机相比较，虚拟力轴材料试验***具有如下优点：
一、刚度重量比大、精度高，并联结构将传动与支撑功能集为一身，使得零部件既是传动部件又是支撑部件，而且由于采用了并联或混联闭环的静定或非静定杆系结构，在准静态时，受力部件理论上仅受拉压两种载荷，因此单位重量的加载机构有很高的加载能力，特别适合于材料实验的高刚度要求；
二、材料适应性广，除各类传统的材料以外，特别适用于各类高新材料，如复合材料、高分子材料、新型纤维等；
三、具有灵活、多变的环境适应性，可模块化设计，可应对具体的任务要求及环境变化构成形式多样的布局和自由度组合，如两台或多台组合可对大型试件或构件进行实验。在台架上安装夹具可进行拉、压、弯、扭、剪切、疲劳、组合加载以及多维空间加载；
四、具有高技术附加值及高性能价格比，虚拟力轴材料试验***具有“硬件”极为简单，而“软件”颇为复杂的特点，是典型的高新技术产品，有很高的投入产出比；
五、动态响应性能佳，由于显著地降低了运动部件的质量惯性，从而改善了***的动态控制特性，与现有的实验机相比允许台架具有高加载速度和加速度；
六、通过软件升级，可不断改进及增强设备能力；
七、通过网络控制，可实现远程试验；
八、可实现虚拟试验；
九、可制成微、小型及便携式试验***；
十、制造成本低，取消了昂贵的导轨***，机械结构简单，零部件通用化、标准化程度高。
附图说明
图1为现有的一种材料试验机结构示意图；
图2为本发明的虚拟力轴材料试验***机构的实施例一的总体结构示意图；
图3为本发明的虚拟力轴材料试验***机构的实施例二的总体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详述本发明的具体实施方式。实施例1：三自由度并联虚拟力轴试验***结构
图2是本发明一个实施例的总体结构，上台架15通过三个可伸缩支链13、18、110与下台架11相连，支链13、18、110的一端连接上台架15的运动副为三自由度球铰链14、17、19，另一端连接下台架11的运动副为转动副12、112、113，台架11、15上安装夹具111、16。上台架15和夹具16通过三个可伸缩支链13、18、110的运动可实现三个自由度的加载动作，从而完成对试件的试验过程。
实施例2：六自由度并联虚拟力轴试验***结构
图3是本发明另一个实施例的总体结构，上台架29通过六个可伸缩支链24、25、214、215、218、221与下台架21相连，可伸缩支链24、25、214、215、218、221的一端连接上台架29的运动副为三自由度球铰链26、27、28、211、212、213，另一端连接下台架21的运动副为三自由度球铰链22、23、216、217、219、222，台架21、29上安装夹具220、210。上台架29和夹具210通过六个可伸缩支链24、25、214、215、218、221的运动可实现六自由度的加载动作，从而完成对试件的试验过程。
Claims (12)
1.一种虚拟力轴材料试验***，包括动力装置、控制***和加载装置，所述的加载装置包括轭架和夹具，其特征在于，所述的轭架包括两个台架以及用于连接此二台架的两个以上的并联支链，所述的并联支链包括定长的支链和可伸缩的支链，所述的定长的支链的一端以装有运动副的滑块与固定在台架上的滑道相连接。
2.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的两个台架是平台结构。
3.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的两个台架是框架结构。
4.根据权利要求3所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的框架结构选自板、箱、梁、杆的独立结构件，以及板、箱、梁、杆的组合结构件。
5.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的运动副选自转动副、球铰或虎克铰。
6.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的滑块的驱动方式选自液压动力、气压动力和电机动力。
7.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的可伸缩的支链的驱动方式选自液压动力、气压动力和电机动力，可伸缩的支链的端头与所述的台架相连接的方式选自球铰、虎克铰、螺旋副和转动副。
8.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的并联支链的个数为3～6个。
9.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的每一个并联支链选自单体支链以及两个或两个以上的平行支链。
10.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的轭架可以垂直放置，也可以水平放置，所述的水平放置的轭架安装有滑动轮或滑块，以便在地面或滑道上移动。
11.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的两个台架上有用于驱动夹具的转动装置。
12.根据权利要求1所述的虚拟力轴材料试验***，其特征在于，所述的两个台架上没有用于驱动夹具的转动装置。
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