CN102519519B - 机械零部件可重构力学试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械零部件可重构力学试验系统，包括多个模块，多个模块通过控制系统进行控制；多个模块包括核心模块和辅助模块，核心模块包括作动测量模块和空间定位模块，作动测量模块用于实现对被测零部件某一类别的物理量作动和测量功能；空间定位模块用以确定作动测量模块在空间中的位姿；作动测量模块通过机械接口与空间定位模块连接，使作动测量模块能够安装到空间定位模块上，实现作动与测量过程在空间六自由度环境中任意位置和姿态的确定。本发明采用模块化设计，具有标准的机械结构和连接界面。用户通过重构方法可以对试验系统的构型进行变化，以适应机械行业中被试零部件种类或试验项目变化的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种力学试验设备，具体涉及一种机械零部件可重构力学试验系统。
背景技术
近年来制造业发展迅速，传统制造行业面临着产品转型升级速度加快，生产线需要动态调整等诸多挑战。传统的单一功能机械零部件力学试验系统已经不能适应此类要求。
事实上，不同的机械零部件力学试验项目可按其相似性分别归类。例如，从试验方式划分，力学试验可分为振动试验、疲劳试验、性能试验等；按试验时间分，力学试验可分为长期试验和短期试验；从参数测量类型划分，力学试验可分为位移、转角、移动速度、转速、力、转矩测量等。如果将机械零部件的试验项目进一步抽象为功能的组合，再从物理上开发相应的可重组模块分别实现这些功能，这样通过这些功能模块的组合即可实现针对不同种类零部件的试验设备。
基于可重构方式组建的机械零部件力学试验系统，在被试件或试验项目发生变化时，用户可通过重新选择试验系统的模块，改变整体构架以快速响应被测对象的测试需求。可重构力学试验系统有助于提高试验设备的重用程度，加快企业生产线的转型升级速度。可重构力学试验系统强调用户参与试验设备的重新设计与配置，在模块化结构的基础上便于用户主导开发，以适应多品种机械零部件。
经过对现有文献技术的检索，发现目前可重构制造系统和可重构设备的理论技术已经取得了一定的发展，但处于生产重要环节的产品检测过程尚没有相应的可重构试验设备出现，导致可重构制造系统的部署存在缺环。目前可重构力学试验系统尚没有技术资料见诸于世，其他可重构设备的相关技术与可重构力学试验系统相差较大，不足以支撑可重构力学试验系统的设计与制造。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机械零部件可重构力学试验系统，它可以对试验系统的构型进行变化，满足动态变化的测试需求。
为解决上述技术问题，本发明机械零部件可重构力学试验系统的技术解决方案为：
包括多个模块，多个模块通过控制系统进行控制；多个模块包括核心模块和辅助模块，核心模块包括作动测量模块和空间定位模块，作动测量模块用于实现对被测零部件进行某一类别物理量作动和测量的功能；空间定位模块用以确定作动测量模块在空间中的位姿；作动测量模块通过机械接口与空间定位模块连接，使作动测量模块能够安装到空间定位模块上，实现作动与测量过程在空间六自由度环境中任意位置和姿态的确定。
所述作动测量模块包括综合作动测量模块、独立测量模块，综合作动测量模块包括旋转作动测量模块、直线作动测量模块、流体作动测量模块；旋转作动测量模块用于对旋转自由度下角度、转速、力矩等物理量进行作动加载以及测量；直线作动测量模块用于对直线自由度下位移、速度、力等物理量进行作动加载以及测量；流体作动测量模块用于对流体运动中的流量、流速、压力等物理量进行作动加载以及测量；独立测量模块用于对单一物理量位移、速度、力、转角、转速、力矩、流量、流速、压强进行测量。
所述作动测量模块的每个模块包括电气组件、机械组件和控制器，电气组件和机械组件通过控制器实现控制；所述作动测量模块的每个模块设置有信号接口、电气连接接口、机械接口，供与其他模块的相互连接。
所述空间定位模块包括底板模块、直线定位模块、回转定位模块、摆动定位模块；底板模块为系统重构的基座，其他空间定位模块均由底板模块开始装配并确定初始位姿；直线定位模块用于确定直线自由度下其他模块的位姿；回转定位模块用于确定其他模块相对于竖直轴的旋转姿态；摆动定位模块用于确定其他模块相对于水平轴的旋转位姿。
所述辅助模块包括通用工夹具模块、环境生成模块、动力源模块，通用工夹具模块包括通用铰链、多功能连杆、通用夹具；通用铰链用于对被测零部件添加自由度，多功能连杆用于延伸作动测量模块的工作范围，通用夹具用于机械零部件的定位和夹持；环境生成模块包括温度环境模块、臭氧环境模块、盐雾环境模块、泥水环境模块；环境生成模块用于生成机械零部件力学试验的环境条件；动力源模块包括液压动力源模块、电力源模块、气压动力源模块；动力源模块用于为作动测量及定位模块提供动力。
本发明可以达到的技术效果是：
本发明采用模块化设计，具有标准的机械结构和连接界面。本发明的模块采用软硬件同粒度的设计方式，各模块封装有独立控制核心、机电硬件等。用户通过重构方法可以对试验系统的构型进行变化，满足如试验产品变化、试验方法变化等动态变化的测试需要，以适应机械行业中被试零部件种类或试验项目变化的需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明机械零部件可重构力学试验系统的示意图；
图2是本发明的构型方式；
图3是本发明的模块构型；
图4是本发明的重构方法；
图5是本发明的实施例的构型；
图6是本发明的实施例的实施过程。
具体实施方式
如图1所示，本发明机械零部件可重构力学试验系统，包括多个模块，多个模块通过控制系统进行控制；
多个模块包括核心模块和辅助模块，核心模块包括作动测量模块和空间定位模块，作动测量模块用于实现对被测零部件进行某一类别物理量作动和测量的功能；空间定位模块用以确定作动测量模块在空间中的位姿；作动测量模块通过机械接口与空间定位模块连接，使作动测量模块可以安装到空间定位模块上，实现作动与测量过程在空间六自由度环境中任意位置和姿态的确定；
作动测量模块包括综合作动测量模块、独立测量模块，综合作动测量模块包括旋转作动测量模块、直线作动测量模块、流体作动测量模块；
旋转作动测量模块用于对旋转自由度下角度、转速、力矩等物理量进行作动加载以及测量；
直线作动测量模块用于对直线自由度下位移、速度、力等物理量进行作动加载以及测量；
流体作动测量模块用于对流体运动中的流量、流速、压力等物理量进行作动加载以及测量；
独立测量模块用于对位移、转速等单一物理量进行测量；
作动测量模块的每个模块内部含有独立的控制器，控制器根据预制的程序主持内部事务，根据控制系统发送要求自主完成目标物理量的加载和测量以及与其他模块、控制系统的信息交互；
本发明的多个模块所组成的模块体在逻辑上是紧密联系的完整个体，而在物理上则可以是集中式结构也可以是分布式结构；
如图2所示，对于某具体试验项目，需要对多个模块进行重构变形，从底板开始，多个空间定位模块依次连接，形成定位链结构；作动测量模块与被测零部件连接在定位链的末端；空间定位模块形成的定位链决定了作动测量模块相对于被测零部件的相对位姿；
控制系统分别与作动测量模块以及空间定位模块相连，完成信息的交互；具体地说，控制系统向空间定位模块发送定位信息，如直线定位模块的移动距离等；控制系统向作动测量模块发送控制物理量目标信息，如直线作动测量模块的加载目标力等；作动测量模块向控制系统发送实测物理量数据，如旋转作动测量模块实测的被测零部件旋转速度等。
如图3所示，作动测量模块的每个模块还包括电气组件和机械组件，电气组件和机械组件通过控制器实现控制；作动测量模块的每个模块设置有标准化的信号接口、电气连接接口、机械接口，供与其他模块（即模块体的其他模块）的相互连接；由于模块的封装性，对外仅体现参数和接口，因此同类的模块可以纳入一个模块库进行管理，便于重构时根据参数选择相应的模块；每一个具体模块都是同类模块的一个实例，与同类其他模块仅有参数内容的区别；
空间定位模块包括底板模块、直线定位模块、回转定位模块、摆动定位模块；
底板模块为系统重构的基座，其他空间定位模块均由底板模块开始装配并确定初始位姿；直线定位模块用于确定直线自由度下其他模块的位姿；回转定位模块用于确定其他模块相对于竖直轴的旋转姿态；摆动定位模块用于确定其他模块相对于水平轴（水平面内的轴）的旋转位姿；
辅助模块包括通用工夹具模块、环境生成模块、动力源模块，通用工夹具模块包括通用铰链、多功能连杆、通用夹具；通用铰链用于对被测零部件添加自由度，多功能连杆用于延伸作动测量模块的工作范围，通用夹具用于对圆柱、孔、钣金等机械零部件常见特征的定位和夹持；
环境生成模块包括温度环境模块、臭氧环境模块、盐雾环境模块、泥水环境模块；环境生成模块用于生成机械零部件力学试验的环境条件，如各种温度、臭氧等零部件测试环境；
动力源模块包括液压动力源模块、电力源模块、气压动力源模块；动力源模块用于为作动测量及定位模块提供动力。
本发明可用于满足生产环境中产品种类或产品试验项目发生变化的情况，例如企业原生产汽车减震器，拥有通过本发明模块搭建的示功试验台，当前新增汽车液压式制动踏板分总成生产项目，即可通过对原示功试验台的重构形成新的汽车液压式制动踏板分总成性能试验台。
汽车液压式制动踏板分总成的性能试验需要模拟实际工况，使踏板移动一定距离，并在此过程中读取踏板输出点的输出力以及制动主缸输出的流体压强，并做出这两个物理量与踏板移动距离的关系图表。
如图4所示，本发明机械零部件可重构力学试验系统的重构方法，包括以下步骤：
1、系统根据试验标准，查询现有试验系统是否满足新试验任务的功能参数要求，若不满足则启动重构过程；
根据试验标准，踏板分总成性能试验需要施加行程和作用力，并测定输出力和流体压强；根据当前试验台功能参数，现有的减震器示功试验台仅可进行单轴方向的力和速度作动以及相应的力、行程和速度测量，即现有的系统功能不能满足踏板分总成性能的试验要求，因此启动系统重构过程；
2、对试验功能进行分解：对试验功能依据作动点和测量点的类型进行分解；
汽车液压式制动踏板分总成的性能试验可分解为对踏板施加行程一项作动过程和踏板力、踏板输出力、制动液压强三项测量过程；
3、通过功能-作动测量方式映射确定需要参与重构的作动测量模块和空间定位模块；
根据对踏板分总成性能试验的分解，行程作动和踏板力测量处于同一直线自由度，可以合并映射到一个直线作动测量模块，而其他两项测量量分别映射到两个对应的测量模块，从而确定作动测量模块；
根据作动测量物理量相对于被测零部件的相对位姿，确定空间定位模块：选定底板模块作为所有模块和零部件定位的基础；被测踏板需要定位在底板上确定高度，选定直线定位模块；直线作动测量模块需要与踏板面垂直并接触，选定直线定位模块和摆动定位模块；压强测量和力测量模块需定位于被测工件之上，不需选择定位模块；最后确定重构方案的构型（如图5所示）；
4、依据每个作动测量动作的功能要求，分别进行机械系统和控制系统的重构；
选定模块实例：依据被测作动量和测量量的范围以及作动和测量量的空间定位方案，查询模块库，分别选定相应的作动测量模块实例；
包括：查询作动测量模块库内作动测量模块属性参数，与作动测量目标参数做比较，保证所选模块属性参数满足目标参数，选定作动测量模块实例；
依据作动测量模块的接口参数，查询空间定位模块库，选定空间定位模块实例；
控制系统重构查询控制软件模块库，选定生成控制系统；控制系统是试验系统模块内，用于向直接参与重构的下级模块发送系统级控制指令并输出试验结果的中央控制软件，测量过程中采集测量模块测得的物理量并将采集的数据经过处理后，以操作者定制的方式反馈给操作者；
由于选定的最适直线作动测量模块即为原减震器示功试验台上的直线作动测量模块，因此可直接沿用，仅需将其空间定位模块调整到新的定位位置即可；新增的压强测量和力测量模块需定位于被测工件之上，不需要另选空间定位模块；本次重构不需要使用辅助模块；
5、系统重构完成：根据机械接口参数，将所有模块通过机械接口按所需位置定位依次安装；根据信息接口参数，连接电气接口，生成控制系统，规划信息渠道使系统模块能正确输出所需测量结果；
所有参与重构的模块进行空间和逻辑上的重组，可复现出试验标准中的空间作动和测量要求，系统重构过程即告完成，如图6所示。
Claims (4)
1.一种机械零部件可重构力学试验系统，其特征在于：包括多个模块，多个模块通过控制系统进行控制；
多个模块包括核心模块和辅助模块，核心模块包括作动测量模块和空间定位模块，作动测量模块用于实现对被测零部件进行某一类别物理量作动和测量的功能；空间定位模块用以确定作动测量模块在空间中的位姿；作动测量模块通过机械接口与空间定位模块连接，使作动测量模块能够安装到空间定位模块上，实现作动与测量过程在空间六自由度环境中任意位置和姿态的确定；
所述辅助模块包括通用工夹具模块、环境生成模块、动力源模块，通用工夹具模块包括通用铰链、多功能连杆、通用夹具；通用铰链用于对被测零部件添加自由度，多功能连杆用于延伸作动测量模块的工作范围，通用夹具用于机械零部件的定位和夹持；
环境生成模块包括温度环境模块、臭氧环境模块、盐雾环境模块、泥水环境模块；环境生成模块用于生成机械零部件力学试验的环境条件；
动力源模块包括液压动力源模块、电力源模块、气压动力源模块；动力源模块用于为作动测量及定位模块提供动力。
2.根据权利要求1所述的机械零部件可重构力学试验系统，其特征在于：所述作动测量模块包括综合作动测量模块、独立测量模块，综合作动测量模块包括旋转作动测量模块、直线作动测量模块、流体作动测量模块；
旋转作动测量模块用于对旋转自由度下的物理量包括角度、转速、力矩进行作动加载以及测量；
直线作动测量模块用于对直线自由度下的物理量包括位移、速度、力进行作动加载以及测量；
流体作动测量模块用于对流体运动中的物理量包括流量、流速、压力进行作动加载以及测量；
独立测量模块用于对单一物理量位移、速度、力、转角、转速、力矩、流量、流速、压强进行测量。
3.根据权利要求2所述的机械零部件可重构力学试验系统，其特征在于：所述作动测量模块的每个模块包括电气组件、机械组件和控制器，电气组件和机械组件通过控制器实现控制；所述作动测量模块的每个模块设置有信号接口、电气连接接口、机械接口，供与其他模块的相互连接。
4.根据权利要求1所述的机械零部件可重构力学试验系统，其特征在于：所述空间定位模块包括底板模块、直线定位模块、回转定位模块、摆动定位模块；底板模块为系统重构的基座，其他空间定位模块均由底板模块开始装配并确定初始位姿；
直线定位模块用于确定直线自由度下其他模块的位姿；回转定位模块用于确定其他模块相对于竖直轴的旋转姿态；摆动定位模块用于确定其他模块相对于水平轴的旋转位姿。
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