CN101451933A - 六维加载材料力学试验机 - Google Patents

Abstract

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。

Description

六维加载材料力学试验机

(一)技术领域

本发明专利涉及一种材料力学性能试验检测设备，特别涉及一种适于对标准材料力学试件进行多维加载力学性能试验测定设备。属于力学实验技术领域。

(二)背景技术

目前，力学试件的测试形式基本是单纯的拉伸、压缩、弯曲、扭曲等形式。但实际构件的实际受力情况与标准测试力(单纯拉伸、压缩、弯曲、扭曲等)相差很大，往往是多种单纯测试力的组合，即目前材料使用环境与设计依据间存在非常大的差距。这种差距造成强度设计出现误差，使结构出现早期破坏。在一般产品设计中总是采用加大安全系数的方法使得零件的工作应力远离极限条件，以应对上述设计误差，但这样又造成结构的笨大和材料浪费。目前非常需要一种能够模拟实际受力情况的测试装置，在模拟实际受力环境下，测试材料承载能力数据，为结构优化、轻量化、安全可靠性设计提供依据。

本发明基于并联运动机构运动原理，发明一种以标准力学试件为测试对象的多自由度并联力学试验机。模拟材料在使用过程中的实际受力情况，测定标准材料力学试件的动、静态承载能力。本发明的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。

并联机构曾于60年代用于飞行模拟器，70年代用于机器人手臂。在1993年至1994年间，美国、瑞士、俄罗斯先后推出了最初的并联机床产品。在1996年至1998年间又先后有十几家公司和大学展出了各自研制的并联机床，并呈现出多样化的趋势。除六杆六自由度结构外，出现了多种少自由度结构、串并联混合结构等。当前，并联机构在数控机床、装配机器人等领域中得到一定程度的应用。并联运动机构在切削机床上的成功应用证明该机构有足够的承载能力、运动自由度和定位精度，完全可以满足试件力学性能测试的要求。当前的新型材料力学试验机已广泛以伺服电机驱动代替液压驱动，以获得更高的位置伺服精度，所以将并联运动结构应用于试件力学性能测试的构想具有充分的依据和可行性。

(三)发明内容

本发明的内容是提出一种针对标准材料力学试件进行六维力加载的力学性能测量试验机结构，以及试验机运动实现方法。将并联运动结构应用于结构件力学性能测试，以解决目前单向力学试验机的不足。

本发明一种六维加载材料力学试验机，采用并联加载机构对被测力学试件施加单独或组合的六维载荷(沿X、Y、Z三方向的力和绕三方向的力矩)，可以真实地模拟试件在工作状态下的受力状况，更准确的测定试件的承载能力，为实现精确结构设计提供依据。由以下几部分组成。

1.并联加载机构

六维加载材料力学试验机的并联加载机构共由这样几部分组成：基础平台、虎克铰(共6件)、伸缩杆(共6件)、六维力传感器、夹具(共2件)、试件、球铰(共6件)、活动平台。虎克铰、伸缩杆、夹具、球铰，均为组件，分别由多个零件或子部件组成。虎克铰和球铰采用通常结构标准组件，伸缩杆分为电机驱动和油缸驱动两种形式。夹具分为上夹具和下夹具，两者结构相同，采用虎钳式丝杠结构夹紧。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，而六维力学传感器和基础平台固定连接。试件通过上下两个夹具接受载荷，可以实现三维力和三维力矩的动、静态材料力学性能测试。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。

伸缩杆可采用以电机为伺服主机的伸缩杆或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并联连杆(即伸缩杆)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(即6个虎克铰—移动副—球铰组成的运动链机构)。

其工作原理是：每根并联连杆通过电机—丝杠驱动或者液压缸驱动产生伸缩运动，六根连杆的运动组合使得活动平台产生六自由度的加载运动，可以对被测试件施加六维载荷(三维力和三维力矩)。六根连杆的运动由计算机控制，可以根据所需的载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律。

2.控制系统

如图4所示，控制系统组成包括：

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。多轴运动控制卡通过驱动器与伺服电机相连，通过伺服阀与伺服油缸相连。

其中，控制计算机可选用486以上工控机，

其中，多轴运动控制控制卡可选用6轴以上控制卡。

2)加载运动编程系统和控制系统软件：加载运动编程系统软件即安装在所述控制计算机上的软件系统，其包括载荷—位移转换模块，笛卡尔坐标—实轴坐标转换模块和编程界面。所述载荷—位移转换模块是根据载荷要求确定位移方式，或根据位移要求确定加载方式的软件模块。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(机构反解)；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。加载运动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。由加载运动编程系统软件的笛卡尔坐标—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L_i表示(i＝1，2，...6.)，如图5所示。

图5中，H是活动平台坐标原点在基础平台坐标系中的位置矢量，P_i是活动平台铰链点位置矢量，B_i是基础平台铰链点位置矢。由图示的矢量关系可得：

L_i＝H+P_iR^T-B_i                                    (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：

$R=\left(\begin{array}{ccc}c{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3-c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\text{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3+s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3\\ c{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3+c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3-s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3\\ -s{\mathrm{\θ}}_2& s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2& c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)---\left(2\right)$

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L_i，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。所述的伺服主机可采用伺服电机或伺服油缸；对于小载荷、高精度加载机构，伺服主机优先采用伺服电机，其中又以交流伺服电机为佳；对于大载荷、低精度加载机构，伺服主机优先采用伺服油缸，位移传感器分辨率不大于最大加载位移的5‰。

4)力传感器：如前所述的六维力传感器，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。六维力传感器可选用压电式或者应变式，当载荷是频率较高的动载荷时优先选用压电式传感器；当载荷是静载荷或变化较慢的载荷时，优先选用应变式传感器。

5)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。用于向加载运动控制器和采样系统反馈伸缩杆的轴向位移信息。位移传感器分辨率不大于最大加载位移的5‰。

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。

控制系统运行框图如图6所示。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。

加载运动编程系统与控制系统软件间的关系如图7所示。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。

3.采样系统

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。如图8所示，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L_i(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。如图5所示。P_i是活动平台铰链点位置矢量，B_i是基础平台铰链点位置矢。由图示的矢量关系可得：

H＝L_i-P_iR^T+B_i                         (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：

$R=\left(\begin{array}{ccc}c{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3-c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\text{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3+s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3\\ c{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3+c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3-s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3\\ -s{\mathrm{\θ}}_2& s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2& c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)$

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。

采样系统软件流程如图9所示。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：在被测试件关键点或关键位置，布置应变片或应变计，将应变信号传输给采样板卡，实时检测该点或位置的实际应变和应力变化。

本发明一种六维加载材料力学试验机的操作方法如下：

1.明确试件形状、尺寸和测试要求。根据材料力学试件测试要求，确定测试方案：

(1)静载荷测试或动载荷疲劳测试；

(2)加载方式、载荷大小、载荷持续时间、加载速度、动载荷频率、动载荷循环次数等；

(3)力伺服控制测试或位置控制测试。

2.根据活动平台运动要求，由计算机求解并联机构反解，得出每根伸缩杆的运动形式。编制驱动程序，用于控制伺服系统产生加载运动。

3.装夹试件，开动试验机。活动平台向试件加载，通过六维力传感器实时监测载荷，通过六个伸缩杆的位移传感器实时监测位移情况，并向控制系统反馈。

4.与此同时，六维力传感器的载荷信号、六个伸缩杆的位移信号、试件关键位置应变信号被采样系统采集。六个伸缩杆的位移信号经位移计算模块，正解计算出试件被夹持处位移。综合力信号和位移信息，输出载荷——位移关系图；综合力信号和应变信息，输出应力——应变关系图；并储存数据。

本发明涉及一种材料力学试件六维力学性能测试方法及其装置，采用并联加载机构对被测试件施加三维力和三维力矩，其优点在于：在尽可能符合实际受力环境下对试件施加多维力测试，得到更加准确的应力应变分布数据、更加准确的危险部位位置和更加真实的破坏形式，从而更真实的模拟材料在工作状态下的受力状况，更准确的测定材料的承载能力。对于各种承载结构的优化、轻量化、安全可靠性的精确设计具有重要意义。

(四)附图说明

图1六维加载材料力学试验机结构简图

图2以电机为伺服主机的单个伸缩杆示意图

图3以液压油缸为伺服主机的单个伸缩杆示意图

图4控制系统组成

图5并联机构坐标图

图6控制系统运行框图

图7编程系统与控制系统软件间关系

图8采样系统框图

图9采样系统软件流程图

图10一个试件受拉伸—弯曲组合载荷作用

图中具体标号说明如下：

1、基础平台        2、虎克铰        3、伸缩杆

4、六维力传感器    5、夹具          6、试件

7、球铰            8、活动平台      9、虎克铰支撑

10、电机支撑       11、伺服电机     12、联轴节

13、向心推力球轴承                  14、滚珠丝杠

15、套筒           16、螺母         17、支杆

18、球铰支撑       19、活塞杆       20、位移传感器定尺

21、位移传感器滑尺                  22、伺服油缸

5b、上夹具                          5a、下夹具

(五)具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。此处整体技术方案针对的是小载荷、高精度的加载机构。

1.并联加载机构

如图1所示，六维加载材料力学试验机加载机构共由这样几部分组成：基础平台1、虎克铰2(共6件)、伸缩杆3(共6件)、六维力传感器4、夹具5(共2件)、试件6、球铰7(共6件)、活动平台8。

虎克铰2、伸缩杆3、夹具5、球铰7，均为组件，分别由多个零件或子部件组成。虎克铰2和球铰7采用通常结构标准组件，伸缩杆3为电机驱动形式。夹具5分为上夹具5b和下夹具5a，两者结构相同，采用虎钳式丝杠结构夹紧。

基础平台1和活动平台8均为三角形，各有六个关节轴承—虎克铰2和球铰7。试件6被装夹在上下两个夹具5上。上夹具5b与活动平台8固定连接，随活动平台8移动。下夹具5a固定在六维力传感器4上。试件6通过上下两个夹具5接受载荷，可以实现三维力和三维力矩的动、静态材料力学性能测试。活动平台8的移动由六个伸缩杆3带动实现。伸缩杆3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3的伸缩组合，实现对上夹具5b的各种运动驱动，进而对试件6施加各种单个或组合载荷。

伸缩杆3采用以伺服电机11为伺服主机的伸缩杆3，如图2所示，其组成有：虎克铰支撑9、电机支撑10、伺服电机11、联轴节12、向心推力球轴承13(2件)、滚珠丝杠14、套筒15、螺母16、支杆17、球铰支撑18。伺服电机11通过联轴节12带动滚珠丝杠14旋转，进而推动螺母16沿套筒15内部上下移动，同时带动支杆17和球铰支撑18上下移动。伺服电机11的转动量是由编制好的程序控制。

基础平台1和活动平台8由六根并联连杆连接，每根并联连杆球铰7一端与活动平台8通过球铰座连接，虎克铰2一端与基础平台1通过虎克铰座连接，形成6—UPS机构(即6个虎克铰—移动副—球铰组成的运动链机构)。

2.控制系统

如图4所示，控制系统组成包括：

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。多轴运动控制卡通过驱动器与伺服电机11相连，驱动器与伺服电机11按生产厂家说明配套选用。

控制计算机选用DELL(戴尔)Optiplex 755型计算机。

多轴运动控制卡选用COMIZOA(科敉)CompactPCI 6轴运动控制卡。

2)加载运动编程系统和控制系统软件：加载运动编程系统即安装在控制计算机上的软件系统，包括载荷—位移转换模块，笛卡尔坐标—实轴坐标转换模块和编程界面。所述载荷—位移转换模块是是根据载荷要求确定位移方式，或根据位移要求确定加载方式的软件模块。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(机构反解)；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。加载运动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3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8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3伺服系统产生给定加载运动，即将活动平台8的运动要求分解为六个伸缩杆3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8建立坐标系(Op-Xp，Yp，Zp)，在基础平台1建立坐标系(Ob-Xb，Yb，Zb)，每一根伸缩杆3用一个矢量L_i表示(i＝1，2，...6.)，如图5所示。

图5中，H是活动平台8坐标原点在基础平台1坐标系中的位置矢量，P_i是活动平台8铰链点位置矢量，B_i是基础平台1铰链点位置矢。由图示的矢量关系可得：

L_i＝H+P_iR^T-B_i                                       (1)

式中，R是活动平台8坐标系相对于基础平台1坐标系的姿态矩阵：

$R=\left(\begin{array}{ccc}c{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3-c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\text{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3+s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3\\ c{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3+c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3-s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3\\ -s{\mathrm{\θ}}_2& s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2& c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)---\left(2\right)$

矩阵中sin和cos简记为s和c，θ₁、θ₂、θ₃分别表示活动平台8绕X、Y、Z轴的转角。

根据活动平台8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L_i，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、伺服电机11及其向控制系统的反馈电路。

4)力传感器：即六维力传感器4，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。该六维力传感器4选用美国AMTI公司的MC12型六维力传感器。

5)位移传感器：直接利用伺服电机11尾部自带的旋转编码器作为伸缩杆3位移传感器；用于向加载运动控制器和采样系统反馈伸缩杆3的轴向位移信息。位移传感器分辨率为1μm。

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；六维传感器4安装在基础平台1上检测实际加载效果，并向控制计算机反馈，进行调节。

控制系统运行框图如图6所示。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电机11发指令，同步控制六个电机，进而控制活动平台8的动作。在计算机和伺服电机11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3，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8的整体位置反馈控制和力反馈控制。

加载运动编程系统与控制系统软件间的关系如图7所示。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3伸缩控制和力、位移反馈控制。

3.采样系统

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。如图8所示，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4，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4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，这里选用美国虚拟仪器公司的NI6040E卡。

4)位移传感器：直接利用伺服电机11尾部自带的旋转编码器作为伸缩杆3位移传感器，用于向采样系统反馈伸缩杆3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3的实际位移矢量L_i(i＝1，2，...6.)，求解活动平台8的坐标原点在基础平台1坐标系中的位置矢量H。如图5所示。P_i是活动平台8铰链点位置矢量，B_i是基础平台1铰链点位置矢。由图示的矢量关系可得：

H＝L_i-P_iR^T+B_i             (3)

式中，R是活动平台8座标系相对于基础平台1坐标系的姿态矩阵：

$R=\left(\begin{array}{ccc}c{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3-c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\text{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3+s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3\\ c{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3+c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3-s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3\\ -s{\mathrm{\θ}}_2& s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2& c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)$

矩阵中sin和cos简记为s和c，θ₁、θ₂、θ₃分别表示活动平台8绕X、Y、Z轴的转角。

采用系统软件流程如图9所示。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3的位移信息分别进行采集。采集到六个伸缩杆3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8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：在被测试件关键点或关键位置，布置应变片或应变计，将应变信号传输给采样板卡，实时检测该点或位置的实际应变和应力变化。这里应变传感器选用DI-10型小应变计。

本技术方案中所述的伸缩杆3在具体实施时亦可采用以液压伺服油缸22为伺服主机的伸缩杆3，如图3所示，包括活塞杆19、位移传感器定尺20、位移传感器滑尺21、伺服油缸22。位移传感器滑尺21用夹头固定在活塞杆19上。活塞杆19与球铰7相连，伺服油缸22与虎克铰2相连。此种伸缩杆3的实施方式一般是对于大载荷、低精度加载机构。相应的多轴运动控制卡通过伺服阀与伺服油缸22相连。以液压油缸为伺服主机的伸缩杆3，每个伸缩杆3上设置一个直线位移传感器(位移传感器定尺20、位移传感器滑尺21)，用于向采样系统反馈伸缩杆3的轴向位移信息。

实施例为对一标准力学试件进行拉—弯组合静态测试。

1.试件6为金属材料标准拉伸试件，测试方案为：

(1)静载荷测试，载荷形式为拉伸—弯曲组合载荷(如图10所示)。

(2)加载方式：拉伸载荷和弯曲力矩载荷同时施加，拉伸最大载荷为20kN，弯曲力矩最大载荷为500Nm；两种载荷由0开始逐渐增大到各自最大载荷；加载速度：在10分钟内，两种载荷由0逐渐增大到各自的最大值。

(3)力伺服控制测试。

(4)试验测试的目的：得到该试件6在两种组合载荷作用下，载荷——位移间关系，以及应力——应变间的关系。

2.两载荷是由试验机活动平台8运动实现的，试件上端被上夹具5b夹紧，并随活动平台8移动。活动平台8沿Z轴正方向的移动，实现拉伸加载；活动平台8绕X轴转动，实现弯曲加载。根据这一加载运动要求，确定上夹具5b夹紧点的位移轨迹，即确定活动平台8坐标原点在基础平台1坐标系中的位置矢量H。由计算机求解并联机构反解，得出每根伸缩杆3的运动形式。每根伸缩杆3的运动位移为：

$L_i=H+P_i{\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_1& -\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ 0& \sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)}^T-B_i$

其中，L_i表示(i＝1，2，...6.)每一根伸缩杆3移动矢量，H是活动平台8坐标原点在基础平台1坐标系中的位置矢量，P_i(i＝1，2，...6.)是活动平台8铰链点位置矢量，B_i(i＝1，2，...6.)是基础平台1铰链点位置矢。

编制驱动程序，用于控制伺服系统和伺服主机产生加载运动。

3.装夹试件6，根据需要，在试件关键部位(中间部位)固定应变计。开动试验机。在驱动程序的控制下，活动平台8向试件6加载，通过六维力传感器4实时监测载荷，通过六个伸缩杆3的位移传感器实时监测位移情况，并向控制系统反馈。

4.与此同时，六维力传感器4的载荷信号、六个伸缩杆3的位移信号、试件关键位置应变计信号被采样系统采集。六个伸缩杆3的位移信号经位移计算模块，正解计算出试件被夹持处位移。综合力信号和位移信息，输出载荷——位移关系图；综合力、力矩信号和应变计信息，输出应力——应变关系图。储存关系图数据。

Claims (9)

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(O_p-X_p，Y_p，Z_p)，在基础平台建立坐标系(O_b-X_b，Y_b，Z_b)，每一根伸缩杆用一个矢量L_i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，P_i是活动平台铰链点位置矢量，B_i是基础平台铰链点位置矢；由图示的矢量关系可得：

L_i＝H+P_iR^T-B_i                              (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：

$R=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3-c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3+s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3\\ c{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3+c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3-s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3\\ -s{\mathrm{\θ}}_2& s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2& c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)---\left(2\right)$

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L_i，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L_i(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；P_i是活动平台铰链点位置矢量，B_i是基础平台铰链点位置矢；由图示的矢量关系可得：

H＝L_i-P_iR^T+B_i                          (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：

$R=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{c\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3-c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}c{\mathrm{\θ}}_3+s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_3\\ c{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3& s{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3+c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3& c{\mathrm{\θ}}_{1}s{\mathrm{\θ}}_{2}s{\mathrm{\θ}}_3-s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_3\\ -s{\mathrm{\θ}}_2& s{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2& c{\mathrm{\θ}}_{1}c{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)$

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。

2、如权利要求1所述的一种六维加载材料力学试验机，其特征在于：对于小载荷、高精度加载机构，采用以电机为伺服主机的单个伸缩杆，由以下单元构成：虎克铰支撑、电机支撑、伺服电机、联轴节、向心推力球轴承、滚珠丝杠、套筒、螺母、支杆、球铰支撑；伺服电机通过联轴节带动滚珠丝杠旋转，进而推动螺母沿套筒内部上下移动，同时带动支杆和球铰支撑上下移动；伺服电机的转动量是由编制好的程序控制；多轴运动控制卡通过驱动器与伺服电机相连；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。

3、如权利要求1所示的一种六维加载材料力学试验机，其特征在于：对于大载荷、低精度加载机构，采用以液压油缸为伺服主机的单个伸缩杆，包括球铰、活塞杆、伺服油缸、虎克铰、位移传感器滑尺、定尺和液压伺服回路；位移传感器滑尺用夹头固定在活塞杆上；多轴运动控制卡通过伺服阀与伺服油缸相连。

4、如权利要求1所述的一种六维加载材料力学试验机，其特征在于：控制计算机可选用486以上工控机。

5、如权利要求1所述的一种六维加载材料力学试验机，其特征在于：多轴运动控制控制卡可选用6轴以上控制卡。

6、如权利要求1所述的一种六维加载材料力学试验机，其特征在于：位移传感器分辨率不大于最大加载位移的5‰。

7、如权利要求1所述的一种六维加载材料力学试验机，其特征在于：当载荷是频率较高的动载荷时，六维力学传感器优先选用压电式传感器。

8、如权利要求1所述的一种六维加载材料力学试验机，其特征在于：当载荷是静载荷或变化较慢的载荷时，六维力学传感器优先选用应变式传感器。

9、一种六维加载材料力学试验机的操作方法，其特征在于由以下步骤组成：

第一步，明确试件形状、尺寸和测试要求；根据材料力学试件测试要求，确定测试方案：

(1)静载荷测试或动载荷疲劳测试；

(2)加载方式、载荷大小、载荷持续时间、加载速度、动载荷频率、动载荷循环次数等；

(3)力伺服控制测试或位置控制测试；

第二步，根据活动平台运动要求，由计算机求解并联机构反解，得出每根伸缩杆的运动形式；编制驱动程序，用于控制伺服系统产生加载运动；

第三步，装夹试件，开动试验机；活动平台向试件加载，通过六维力传感器实时监测载荷，通过六个伸缩杆的位移传感器实时监测位移情况，并向控制系统反馈；

第三步，与此同时，六维力传感器的载荷信号、六个伸缩杆的位移信号、试件关键位置应变信号被采样系统采集；六个伸缩杆的位移信号经位移计算模块，正解计算出试件被夹持处位移；综合力信号和位移信息，输出载荷——位移关系图；综合力信号和应变信息，输出应力——应变关系图；并储存数据。

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