CN103487330A

CN103487330A - 一种弯刚度测试装置

Info

Publication number: CN103487330A
Application number: CN201310442767.5A
Authority: CN
Inventors: 叶必卿; 黄航航
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-01-01

Abstract

一种弯刚度测试装置，包括光学镜头、高刚度杆、升降装置、二维移动平台、激光测量组、高低温箱等。二维移动平台上的支架穿过高低温箱底部的通孔到高低温箱内，支架上固定被测件安装座，被测件安装座上安装被测件，高刚度杆竖直穿过高低温箱作用在被测件上，高刚度杆上端通过力传感器与升降装置固接，光学镜头通过安装座固定在高低温箱顶部的观察窗上，激光测量组固定在高低温箱外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对。本发明采用了位移补偿法，不改变作用在被测件上力的方向，通过二维移动平台和光学镜头保证力臂不变，利用激光测量组获得转角变形，从而精确获得测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。使用方便、可靠性强、实时性好、测量精度高。

Description

一种弯刚度测试装置

技术领域

本发明涉及构件高低温环境条件下的抗弯刚度测试领域。

背景技术

对结构件进行刚度测试时如无特殊要求通常都是在常温下进行的，现有的刚度测试根据不同的测试要求和应用领域，有多种方法和结构，但是对于处于高低温环境中的构件刚度测试，由于测试工装夹具、加载机构等在高低温环境下会热胀冷缩产生变形，从而影响力的加载、力矩及角度的测量，再者因环境的过冷过热，大多数测试用精密仪器或设备将无法正常使用，影响测试工作的进行。

现阶段高低温下的抗弯刚度测试是在高低温箱内进行的，所述机构件放置在高低温箱内，所述被测件为悬臂梁。专利申请号为CN200810124707.8的“弯扭结构变形的激光放大测量方法”中提到了一种将激光发射器固定在构件待测转角部位上，利用光杠杆原理将微小变形进行放大的一种构件刚度测试方法，可实现非接触式测量。但是，对于高低温下的刚度测试，激光发射器不能位于构件上，且测试过程中，还得考虑到机座的形变量。专利申请号为201110370253.4的“高低温箱内被测件的三维变形测量装置”以及专利申请号为201110370271.2的“高低温箱内机械装置三维微小变形的高精度测量系统”提供一种高低温箱内构件三维变形的测量方法，但是此类方法只能跟随某一点的三维位移，而刚度测试需获得精确的加载力以及力臂的大小。

发明内容

为了克服温度的影响，提高抗弯刚度测试的可靠性及测量精度要求，本发明提供一种基于激光测量组、光学镜头和移动平台的在高低温环境条件下对结构件进行弯刚度测试的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种弯刚度测试装置，包括光学镜头、高刚度杆、升降装置、二维移动平台、激光测量组、高低温箱等。所述二维移动平台位于高低温箱的下方，所述升降装置位于高低温箱的上方，所述高低温箱顶部和侧面设有观察窗，所述光学镜头通过安装座固定在高低温箱顶部的观察窗上。

所述二维移动平台上至少有两个支架，所述支架穿过高低温箱底部的通孔到高低温箱内，所述支架上固定被测件安装座，所述被测件安装座上安装被测件。

所述高刚度杆下端为光滑球面，所述高刚度杆竖直穿过高低温箱作用在被测件上，所述高刚度杆上端通过力传感器与升降装置固接。

所述光学镜头内有带有十字准心的分划板。

所述激光测量组包括角锥反光镜、激光头和计算模块，所述激光头固定在高低温箱外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对，所述角锥反光镜通过角锥反光镜安装座分别固定在被测件末端和被测件安装座上，所述角锥反光镜安装座上的角锥反光镜有两个且间距为定值，所述每个激光头对应一个角锥反光镜。

本发明的测试方法是：

1、常温下，在被测件和被测件安装座的根部中心设一个标定点。

2、测量出光学镜头中心与高刚度杆之间的距离值L；调整光学镜头的焦距，使得标定点出现在光学镜头的目镜内；通过二维移动平台微调被测件的位置，使得标定点与分划板的十字准心中心重合。

3、调整激光头，使得激光头发射的激光束经角锥反光镜反射，同一角锥反光镜安装座上的两个角锥反光镜间光程差为零。

4、密封高低温箱，使其达到测试所需温度，待温度平稳后进行测试，通过光学镜头观测标定点的位置。

5、通过二维移动平台移动被测件安装座，直到标定点的位置重新回归到分划板的十字准心中心。

6、控制升降装置上下移动，通过高刚度杆对被测件进行加载，通过传感器直接测量出加载的力值大小F，力臂值始终为L。

7、通过激光测量组测被测件转角变形：施加弯矩后，被测件变形，激光束反射光程改变，同一角锥反光镜安装座上的两个角锥反光镜间距为d,两者光程差记为s，则转角变形θ=arcsin(s/2d)。被测件和被测件安装座上均安装有反射镜，通过计算模块获得被测件上转角变形测量值为θ₁，被测件安装座上转角变形测量值为θ_2，被测件实际转角变形即为θ'=θ₁₁-θ₂。

7、通过所测量的作用力F、力臂L、转角变形θ'绘制能反映被测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。

本发明的设计思路及优点表现在：

高低温环境下，大多数测试用精密仪器或设备将无法正常使用，且被测件底座及被测件会因热胀冷缩产生变形，给抗弯刚度测试增加了很大的难度。本发明采用了位移补偿法，不改变作用在被测件上力的方向，通过二维移动平台保证力臂不变，利用激光测量组获得转角变形，从而精确获得测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。

高刚度杆受高低温环境的影响极小，因此利用高刚度杆加载，可以不考虑高低温环境下加载构件的变形影响；高刚度杆下端为光滑球面，与被测件表面滑动接触，可保证作用力的方向不受被测件变形的影响；高刚度杆与升降装置之间安装有力传感器，能够极为方便的测出作用在被测件上力值的大小。

标定出被测件与被测件根部中心的位置，简化为抗弯刚度试验的弯矩作用点，调整标定点位于高低温箱顶部光学镜头分划板的十字准心的中心，由于光学镜头与高刚度杆位于同一平面内，标定点到高刚度杆间的垂直距离即为力臂大小。被测件变形后，标定点随被测件偏移，通过二维移动平台移动被测件直到标定点重新位于分划板十字准心的中心。

被测件安装座是通过支架与高低温箱外的二维移动平台固定的，支架与保温箱之间有一定的间隙，可满足调节时的要求，又不影响高低温箱的密封效果。

被测件的相应转角变形可通过激光测量组进行非接触式测量。其中激光测量组应用了雷达原理、多普勒频差效应及光学外差原理，利用反射镜移动时激光束反射所产生的频移来进行位移测量。在被测件安装座也布置一组激光头及角锥反光镜，测量其角变形量，是为避免工装夹具等受力产生附加变形掺入构件刚度测试中。最后通过计算得到构件两端的变形角，其差值即为构件实际挠曲角，测量精度高。

本发明的有益效果主要表现在：能对被测件进行精确地施加弯矩以及测量挠曲角变形量，且使用方便，可靠性强，具有测量精度高、实时性好、能输出反映构件抗弯刚度特性的弯矩—转角曲线等特点。

说明书附图

图1是一种弯刚度测试装置示意图

图2是目镜图像示意图

图3是转角测量计算示意图

具体实施方式

结合图1至图3，一种弯刚度测试装置，所述测试装置包括光学镜头14、高刚度杆11、升降装置13、二维移动平台1、激光测量组、高低温箱3等。所述二维移动平台1位于高低温箱3的下方，所述升降装置13位于高低温箱3的上方，所述高低温箱3顶部和侧面设有观察窗9，所述光学镜头14通过安装座15固定在高低温箱3顶部的观察窗9上。

所述二维移动平台1上安装支架2，所述支架2穿过高低温箱3底部的通孔到高低温箱内，所述支架2上固定被测件安装座4，所述被测件安装座4上安装被测件5。

所述高刚度杆11下端为光滑球面，所述高刚度杆11竖直穿过高低温箱3作用在被测件5上，所述高刚度杆11上端通过力传感器12与升降装置13固接。

所述光学镜头14内有带有十字准心16的分划板。

所述被测件5和被测件安装座4的根部中心设一个标定点10。

激光测量组包括角锥反光镜7、激光头8和计算模块，所述激光头8固定在高低温箱3外且和高低温箱侧面的观测窗9位置相对，所述角锥反光镜7通过角锥反光镜安装座6分别固定在被测件5和被测件安装座4上，所述角锥反光镜安装座6垂直被测件5，所述角锥反光镜安装座6上的角锥反光镜7有两个且间距为d，所述每个激光头8对应一个角锥反光镜7。

一个角锥反光镜安装座上有两个角锥反光镜，已知其间距为d。如图3所示，初始状态（两只反光镜与光线垂直即AB垂直光线）时，激光头H1、H2向A、B处的两只反光镜分别发射激光并进行接收，此时光程之差为零；施加弯矩后，被测件变形两只反光镜分别移至C、D两处。从而可从两只激光头上分别获取AC、BD在光线方向的距离，两者光程差为s,则delt1=s/2，所以转角变形θ₁=arcsin(delt1/d)=arcsin(s/2d)。同理可得被测件另一端的转角变形θ₂=arcsin(delt2/d)，所以可得被测件实际转角变形即为θ'=θ₁-θ₂。

Claims

1.一种弯刚度测试装置，其特征在于：包括光学镜头、高刚度杆、升降装置、二维移动平台、激光测量组、高低温箱等；所述二维移动平台位于高低温箱的下方，所述升降装置位于高低温箱的上方，所述高低温箱顶部和侧面设有观察窗，所述光学镜头通过安装座固定在高低温箱顶部的观察窗上；

所述二维移动平台上至少有两个支架，所述支架穿过高低温箱底部的通孔到高低温箱内，所述支架上固定被测件安装座，所述被测件安装座上安装被测件；

所述高刚度杆下端为光滑球面，所述高刚度杆竖直穿过高低温箱作用在被测件上，所述高刚度杆上端通过力传感器与升降装置固接；

所述光学镜头内有带有十字准心的分划板；

所述激光测量组包括角锥反光镜、激光头和计算模块；所述激光头固定在高低温箱外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对，所述角锥反光镜通过角锥反光镜安装座分别固定在被测件末端和被测件安装座上，所述角锥反光镜安装座上的角锥反光镜有两个且间距为定值，所述每个激光头对应一个角锥反光镜。