CN102410818A - 高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统，测量系统包括细绳、三维气浮组件和三个方向的激光位移光电编码测量模块，各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套，三个方向的激光位移光电编码测量模块分别安装在x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；x向气浮轴安装在固定板上，x向气浮套可滑动地安装在x向气浮轴上，x向气浮套与y向气浮轴固定连接，y向气浮套可滑动地安装在y向气浮轴上，y向气浮套与z向气浮套固定连接，z向气浮轴可滑动地安装在z向气浮套上；细绳的上端与被测件连接，细绳的下端与三维气浮组件的z向气浮轴连接。本发明提供一种测量精度高的高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统。

Description

高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统
技术领域
本发明涉及一种三维微小变形的高精度测量系统，尤其是一种高低温环境箱内被测件变形量的测量系统。
背景技术
弯刚度试验时需要对被测件某方向施加作用力，在力或扭矩作用下，被测件产生变形，通过测量作用力方向的变形来计算刚度。但是被测件形状不规则，在外力作用下除了产生用于刚度计算方向的变形外，还可能会产生x、y、z三个方向的转动和其余两个方向的变形。即使作用力或力矩未发生变化，但由于被测点的变形造成力臂的变化，从而影响到加载的力矩值。由于被测件本身的变形量很小，受力后其它方向的微小变形会对刚度试验结果产生影响，只有对三方向变形同时进行高精度高分辨率测量，通过后续数据处理获取用于刚度计算所需方向的变形量，才能得到准确的刚度测量结果。
但是，由于被测件周围有工装夹具及加载机构，因此采用激光位移传感器测量时无法保证三个方向的激光不被挡住，因此将激光位移传感器安装在高低温箱的观察窗边上，直接对被测件进行测量的方法不可行。
发明内容
为了克服已有高低温环境箱内被测件变形量的测量系统的测量精度较低的不足，本发明提供一种测量精度高的高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统，所述测量系统包括细绳、三维气浮组件和三个方向的激光位移光电编码测量模块，所述三维气浮组件包括固定板、x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元，各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套，所述三个方向的激光位移光电编码测量模块分别安装在x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；x向气浮轴安装在固定板上，x向气浮套可滑动地安装在x向气浮轴上，x向气浮套与x向气浮套连接板固定连接，x向气浮套连接板与y向安装板连接，y向气浮轴安装在y向安装板上，y向气浮套可滑动地安装在y向气浮轴上，y向气浮套与y向气浮套连接板固定连接，y向气浮套连接板与z向固定挡板连接，所述z向气浮轴可滑动地安装在所述z向气浮套上，z向气浮轴安装在z向气浮轴连接板上，z向气浮套安装在z向固定挡板上；
所述细绳的上端与被测件连接，所述细绳的下端与所述三维气浮组件的z向气浮轴连接。
进一步，所述激光位移光电编码测量模块包含标识面和CCD激光位移传感器，所述CCD激光位移传感器与所述标识面正对。
更进一步，z向标识面安装在z向气浮轴连接板上，y向标识面安装在z向固定挡板上，x向标识面安装在y向安装板上；三个方向的CCD激光位移传感器均安装在安装支架上。
再进一步，各个气浮单元均包括两根气浮轴和两个气浮套，所述两根气浮轴平行设置。
本发明的技术构思为：通过细绳连接被测件，细绳下悬挂小质量块保证绳子竖直向下。由于绳子受力保持不变，因此认为绳子长度在整个过程中不发生变化。利用气浮组件连接绳子下悬挂的质量块，让小质量块能够在x、y和z三个方向无摩擦地跟随被测件运动，通过测量小质量块的运动轨迹来得到被测件的微小运动轨迹。
专利《不受气管扰动影响的组合气浮装置》(申请号201010165949.9，已授权)应用气浮技术具有摩擦阻力小、运动精度高、清洁无污染等特点，提供了一种有效避免摩擦力的附加影响、适应高精度场合的三维气浮随动装置。本发明在该专利的基础上，对气浮组件结构进行改动，使其适应当前测量要求。
本发明的有益效果主要表现在：模拟悬挂重物的方法，以绳子的拉力代替外力的作用，以悬挂在细绳上的三维气浮随动组件的Z向气浮轴的运动轨迹代替被测件受力后的运动轨迹，设计了一套适用于高低温环境下被测件刚度测量的系统，有效克服了测量过程中附加摩擦力、元器件附加扰动和小质量块的单摆效应的影响，实现了高精度测量。
附图说明
图1是三维气浮组件的主视图。
图2是三维气浮组件的左视图。
图3是三维气浮组件的轴侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统，所述测量系统包括细绳、三维气浮组件和三个方向的激光位移光电编码测量模块，所述三维气浮组件包括固定板14、x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元，各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套，所述三个方向的激光位移光电编码测量模块分别安装在x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；x向气浮轴24安装在固定板14上，x向气浮套23可滑动地安装在x向气浮轴24上，所述x向气浮套23与x向气浮套连接板15固定连接，所述x向气浮套连接板15与y向安装板12连接，所述y向气浮轴16安装在所述y向安装板15上，y向气浮套9可滑动地安装在y向气浮轴16上，所述y向气浮套9与y向气浮套连接板17固定连接，所述y向气浮套连接板17与z向固定挡板7连接，z向气浮轴19、5可滑动地安装在所述z向气浮套1、6上，z向气浮轴19、5安装在z向气浮轴连接板8上，z向气浮套1、6安装在z向固定挡板7上；
所述细绳的上端与被测件连接，所述细绳的下端与所述三维气浮组件的z向气浮轴19、5连接。
所述激光位移光电编码测量模块包含标识面和CCD激光位移传感器，所述CCD激光位移传感器与所述标识面正对。
z向标识面2安装在z向气浮轴连接板8上，y向标识面18安装在z向固定挡板7上，x向标识面21安装在y向安装板12上；三个方向的CCD激光位移传感器，即x向CCD激光位移传感器11、y向CCD激光位移传感器20、z向CCD激光位移传感器3均安装在安装支架13上。
各个气浮单元均包括两根气浮轴和两个气浮套，所述两根气浮轴平行设置。
本实施例中，三维气浮组件从下往上三层分别对应于x、y和z三个方向，其中细绳与被测件相连，细绳下面悬挂小质量块，绳子的长度根据测量的误差范围进行设计，保证被测对象与小质量块的位移偏差在所需测量精度范围内；三个方向的气浮组件均包括气浮轴和气浮套，x、y方向气浮轴相对不动，气浮套运动，z方向气浮轴运动，气浮套不动；x方向的气浮轴固定在机架上，y方向的气浮轴与x方向的气浮套通过安装座、安装板固连，z方向的气浮套通过z向气浮套固定板与y方向的气浮套固连，z向的气浮轴通过一连接头与细绳相连，z向的气浮轴起到了小质量块的作用。
x、y、z三个方向分别设有两根气浮轴和两个气浮套，同一方向的气浮轴(套)固定在同一块固定板上，有效克服了小质量块受外力作用发生扭转的影响。气浮组件通气装置结构参考同专利《不受气管扰动影响的组合气浮装置》(申请号201010165949.9，已授权)，能够有效避免通气管对测量产生附加扰动。
三个方向激光位移光电编码测量模块分别位于x、y、z三层，用于测量小质量块在这三个方向上的位移。每个激光位移光电编码测量模块均包含一个相应方向的标识面、一个CCD激光位移传感器。具体为，z向标识面安装在z向气浮轴连接板上，y向标识面安装在z向固定挡板上，x向标识面安装在y向安装板上；三个方向的CCD激光位移传感器均安装在安装支架上，正对相应方向的标识面；为了提高测量精度，三个标识面的加工精度需符合要求。工作时，标识面与对应的CCD激光位移传感器之间的距离变化通过激光位移编码器发回到系统主机，从而实现x、y、z三个方向微小位移的无任何导线扰动的测量。
为了克服小质量块运动过程中的单摆效应，一方面刚度试验时以非常缓慢的速度对试件进行连续加载，在整个过程中实时检测三个方向的位移变化。另一方面合理设计细绳的长度：细绳长度及小质量块的质心位置决定了单摆的长度L和单摆振动周期(公式：
Figure BDA0000109926760000061
L为单摆的摆长)。设计时，将CCD激光位移传感器采集的有效信号频率与单摆频率明显区分开，从而确定合适的细绳长度，并利用数据信号处理理论设计数字式带通滤波器，有效滤除单摆效应对测试数据的影响。
本发明以小质量块的变形代替被测件受力后的变形，当被测件受外力作用发生微小变形时，小质量块会相应的发生微小位移，并将该微小位移传递到三维气浮组件中。具体为，发生在z方向的微小位移通过小质量块直接传递到在z向气浮轴上，z向气浮轴相对z向气浮套运动，安装在z向的CCD激光位移传感器检测z标识面的位置变化情况，并将数据实时传回系统主机；同理，发生在x、y向的微小位移通过小质量块直接传递到在x、y向对应的气浮套上，x、y向气浮套相对气浮轴运动，安装在x、y向的CCD激光位移传感器检测对应标识面的位置变化情况，并将数据实时传回系统主机，从而实现测量x、y、z三个方向微小位移的功能。

Claims (4)

1.一种高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统，其特征在于：所述测量系统包括细绳、三维气浮组件和三个方向的激光位移光电编码测量模块，所述三维气浮组件包括固定板、x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元，各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套，所述三个方向的激光位移光电编码测量模块分别安装在x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；x向气浮轴安装在固定板上，x向气浮套可滑动地安装在x向气浮轴上，x向气浮套与x向气浮套连接板固定连接，x向气浮套连接板与y向安装板连接，y向气浮轴安装在y向安装板上，y向气浮套可滑动地安装在y向气浮轴上，y向气浮套与y向气浮套连接板固定连接，y向气浮套连接板与z向固定挡板连接，所述z向气浮轴可滑动地安装在所述z向气浮套上，z向气浮轴安装在z向气浮轴连接板上，z向气浮套安装在z向固定挡板上；
所述细绳的上端与被测件连接，所述细绳的下端与所述三维气浮组件的z向气浮轴连接。
2.如权利要求1所述的高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统，其特征在于：所述激光位移光电编码测量模块包含标识面和CCD激光位移传感器，所述CCD激光位移传感器与所述标识面正对。
3.如权利要求2所述的高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统，其特征在于：z向标识面安装在z向气浮轴连接板上，y向标识面安装在z向固定挡板上，x向标识面安装在y向安装板上；三个方向的CCD激光位移传感器均安装在安装支架上。
4.如权利要求1～3之一所述的高低温箱内被测件变形量的高精度测量系统，其特征在于：各个气浮单元均包括两根气浮轴和两个气浮套，所述两根气浮轴平行设置。
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