六维加载材料力学试验机

摘要

本发明的六维加载材料力学试验机可以实现三维力和三维力矩的动、静态材料力学性能测试。基础平台上固定有六个虎克铰，活动平台上固定有六个球铰。试件被装夹在上下两个夹具上。上夹具与活动平台固定连接，随活动平台移动。下夹具固定在六维力传感器上。试件通过上下两个夹具接受载荷。活动平台的移动由六个伸缩杆带动实现。伸缩杆部件在自身伺服主机的驱动下，实现精确的轴向伸缩。六个伸缩杆的伸缩组合，实现对上夹具的各种运动驱动，进而对试件施加各种单个或组合载荷。即可以实现三维力和三维力矩动、静态的力学试件材料力学性能测试。

主权项

1、一种六维加载材料力学试验机，其特征在于由以下几部分组成：并联加载机构，包括：基础平台、虎克铰、伸缩杆、六维力传感器、夹具、试件、球铰、活动平台；夹具分为上夹具和下夹具，两者结构相同；基础平台和活动平台均为三角形，各有六个关节轴承—虎克铰和球铰；试件被装夹在上下两个夹具上；上夹具与活动平台固定连接，随活动平台移动；下夹具固定在六维力传感器上；试件通过上下两个夹具接受载荷；活动平台的移动由六个伸缩杆带动实现；伸缩杆部件在自身伺服主机的驱动下，实现精确的轴向伸缩；伸缩杆分为以电机为伺服主机的伸缩杆和以液压油缸为伺服主机的伸缩杆；基础平台和活动平台由六根伸缩杆连接，每根并联连杆球铰一端与活动平台通过球铰座连接，虎克铰一端与基础平台通过虎克铰座连接，形成6—UPS机构；六根伸缩杆的运动组合使得活动平台产生六自由度的加载运动，对被测结构件施加六维载荷；六根伸缩杆的运动由计算机控制，根据所需的载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律；控制系统，其组成包括：1)加载运动控制器：包括控制计算机和多轴运动控制卡，多轴运动控制卡插在控制计算机的I/O扩展槽中，在计算机控制下向各运动轴发出运动控制指令；2)加载运动编程系统和控制系统软件：加载运动编程系统是安装在控制计算机上的软件系统，包括笛卡尔坐标—实轴坐标转换模块和编程界面；笛卡尔坐标—实轴坐标转换模块用于将笛卡儿坐标系中的变形位移转换为各连杆的位移；编程界面中将输入载荷的种类、数量，载荷的空间、时间分布，极限位移等信息；控制系统软件是根据加载运动编程系统的计算结果，具体执行对六伸缩杆伸缩控制和力、位移反馈控制的软件；根据载荷的种类、数量、空间和时间分布等，确定活动平台运动要求；由控制系统的笛卡尔坐标—实轴坐标转换模块求解并联机构反解，控制各伸缩杆伺服系统产生给定加载运动，即将活动平台的运动要求分解为六个伸缩杆的各个伸缩运动；机构反解的具体计算过程如下：为求运动反解，在活动平台建立坐标系(Op-Xp，Yp，Zp)，在基础平台建立坐标系(Ob-Xb，Yb，Zb)，每一根伸缩杆用一个矢量Li表示(i＝1，2，...6.)；H是活动平台坐标原点在基础平台坐标系中的位置矢量，Pi是活动平台铰链点位置矢量，Bi是基础平台铰链点位置矢；由图示的矢量关系可得：Li＝H+PiRT-Bi (1)式中，R是活动平台坐标系相对于基础平台坐标系的姿态矩阵：矩阵中sin和cos简记为s和c，θ1、θ2、θ3分别表示活动平台绕X、Y、Z轴的转角；根据活动平台加载时所需的位置H和姿态θ1、θ2、θ3，由式(1)和(2)，即可算出杆长Li，实现对并联机构的控制；3)加载运动伺服系统：包括伺服电源、伺服主机及其向控制系统的反馈电路4)力传感器：六维力传感器，测量三向力和三向力矩，并向加载运动控制器和采样系统反馈力传感器信号；5)位移传感器：向加载运动控制器和采样系统反馈伸缩杆的轴向位移信息；加载运动编程系统是安装在控制计算机上的软件系统，其功能是根据加载所需的载荷计算加载位移，所得位移是笛卡尔坐标系中的位移，经过坐标转换，变成实轴坐标位移量；加载运动控制器与加载运动伺服系统相连，实轴位移量经控制计算机及多轴运动控制卡向加载运动伺服系统发出指令，使伺服主机产生给定运动；力传感器安装在基础平台上检测实际加载效果，并向控制计算机反馈，进行调节；控制系统采用力信号和位移信号的双重反馈对加载机构进行控制；计算机根据程序分别给六个伺服主机发指令，同步控制六个主机，进而控制活动平台的动作；在计算机和伺服主机之间，连接有驱动器，用来接收计算机指令和给伺服主机提供足够功率；计算机同时采集力传感器的力、力矩信号，进行记录、分析、处理；每一根伸缩杆，依据位移传感器可以实现位置反馈控制；计算机根据力传感器的力和力矩信号，实现活动平台的整体位置反馈控制和力反馈控制；加载运动编程系统软件是运动控制的前处理和工作基础，而控制系统软件根据前者的计算结果具体执行对六伸缩杆伸缩控制和力、位移反馈控制；采样系统用以采集力信号和位移信号，进行变换、存储、处理，生成曲线、数表等表达方式，显示加载过程中力和位移的关系；采样系统包括：1)计算机：包括数据存储、处理、显示等功能；2)力传感器：六维力传感器，实时传感被测试件在实验过程中所承受的三向力和三向力矩；采样系统所用的力传感器信号与加载运动控制器所用的反馈力信号为同一信号，均由六维力传感器产生；3)采样板卡：包括多通道力信号的采集、A/D转换等功能；可选用12位以上的信号采集卡，通道数要满足采集通道要求；4)位移传感器：以电机为伺服主机的伸缩杆，可以直接利用伺服电机尾部自带的旋转编码器作为伸缩杆位移传感器；以液压油缸为伺服主机的伸缩杆，每个伸缩杆上设置一个直线位移传感器；用于向采样系统反馈伸缩杆的轴向位移信息；5)位移计算模块：根据连杆的实际位移，通过并联机构正解计算，获得实际加载位移；并联机构正解计算与前面的反解计算过程相反；这里已知每根伸缩杆的实际位移矢量Li(i＝1，2，...6.)，求解活动平台的坐标原点在基础平台坐标系中的位置矢量H；如错误，未找到引用源，所示；Pi是活动平台铰链点位置矢量，Bi是基础平台铰链点位置矢；由图示的矢量关系可得：H＝Li-PiRT+Bi (3)式中，R是活动平台座标系相对于基础平台坐标系的姿态矩阵：矩阵中sin和cos简记为s和c，θ1、θ2、θ3分别表示活动平台绕X、Y、Z轴的转角；在系统启动后，软件要初始化；然后对力传感器的力信号和六个伸缩杆的位移信息分别进行采集；采集到六个伸缩杆的位移信息要通过位移计算模块进行位移正解计算，得到活动平台上试件夹持处的位移；综合力信号和位移信息，画出载荷——位移关系图，并储存数据；6)应变传感器：在被测试件的关键位置布置应变传感器，将应变信号传输给采样板卡，实时检测该位置的实际应变和应力变化，应变传感器包括应变片和应变计。