CN104006920B - 自平衡式空间六维力/力矩加载装置 - Google Patents

自平衡式空间六维力/力矩加载装置 Download PDF

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Abstract

一种自平衡式空间六维力/力矩加载装置，其由加载框架、框架支柱和十二个加载单元组成，所述加载框架是由四个垂直梁和两个上下水平梁组成，并通过四个框架支柱固定于地面基础或平台上，加载框架的垂直梁和水平梁上均设有安装槽；所述加载单元中的加载液压缸分别通过其端头法兰盘安装在加载框架垂直梁和上下水平梁上的安装槽中并置于加载框架的外侧，在加载框架内，单维拉压力传感器的两端分别与加载液压缸的活塞杆端、加载连杆的一端通过螺纹相连接，上述加载连杆的另一端通过球铰销轴与加载连接头相连接，该加载连接头上设有连接螺栓。本发明结构简单，操作方便，无需将被测物体与地面连接固定，易于实现空间多维大量程力加载和高精度自动加载。

Description

自平衡式空间六维力/力矩加载装置
技术领域
本发明涉及一种测试用的多维力/力矩加载装置。
背景技术
六维力/力矩加载装置能够对被测物体进行空间六维力/力矩的单维独立或多维复合加载，该类型加载装置在多维力传感器标定试验、结构件拉伸扭转剪切等多维加载及其疲劳试验中有着重要应用。近年来，随着航空航天领域的快速发展，能对被测物体进行精确大吨位空间多维力和力矩加载的大量程六维力/力矩加载装置已成为目前急需高科技产品之一。
对于单维力加载一般是在材料试验机、力标准机上进行，加载装置及相应技术已十分成熟，并且已制定有国家标准，如中国专利CN201220699909所述，此外中国专利CN201010234655、CN201210042884分别公开了一种单维力加载装置，均具有操作方便，适合于单维小量程静力加载及单维传感器标定使用。在空间多维力加载装置方面，中国专利CN200810016641公开了一种三维力加载模型试验系统，通过液压系统提供动力，对试件进行三维力加载，刚度及稳定性较好；中国专利CN201020632553公开了一种用于混凝土试件的两拉一压加载试验装置，可直接测量加载的有效载荷值；中国专利CN201220157871公开了一种真三轴大物模应力加载装置，使用多个千斤顶对试件进行三维力加载，具有加载量程大、与实际试件受力环境较符合的特点。中国专利CN201310224156公开了一种可实现六维力/力矩加载的设备，可以提供从一维到六维的独立加载和复合加载，适用于中、小量程的多维力加载。以上多维力加载装置多是专型专用，通用性较差，且在加载过程中大多需要将被测物体固定，限制了现有多维力/力矩加载装置更广泛的应用。因此，一种可实现大量程、单维或多维复合力及力矩加载，无需将被测物体固定，具有自平衡功能且具有良好通用性的自平衡式空间六维力/力矩加载装置成为多维力加载领域的亟待解决的问题。
发明内容
为克服上述现有技术中多维力/力矩加载装置的不足，本发明提出一种能够方便对被测物体进行大载荷六维力/力矩加载、实现高精度连续加载、结构简单且无需将被测物体固定的自平衡式空间六维力/力矩加载装置。
本发明主要包括加载框架、框架支柱和十二个加载单元组成。所述加载单元由加载液压缸、单维拉压力传感器、加载连杆、球铰销轴、加载连接头、连接螺栓组成。加载框架是由四个垂直梁和两个十字相交并与垂直梁连接为一体的上下水平梁组成，该加载框架通过连接在下水平梁四角的四个框架支柱固定于地面基础或平台上，加载框架的四个垂直梁和上下水平梁上均设有两个中心对称的安装槽；十二个加载单元中的加载液压缸分别通过其端头法兰盘安装在加载框架垂直梁和上下水平梁上的安装槽中并置于加载框架的外侧，在加载框架内，单维拉压力传感器的两端分别与加载液压缸的活塞杆端、加载连杆的一端通过螺纹相连接，上述加载连杆的另一端通过球铰销轴与加载连接头相连接，该加载连接头上设有连接螺栓，用于加载实验时与被加载物体连接。加载单元在安装槽中的具体位置可根据被测物体的大小及加载位置要求进行上下左右调节。
在笛卡尔坐标系的任一个基面内(如XOZ面)，都分布有四个加载单元，当对角的两个加载单元处于被动保压状态时，另对角两个加载单元处于使力状态，实现了对被测物体力矩的自平衡加载；施加载荷的大小由与加载液压缸连接的单维拉压力传感器测量；通过液压系统力闭环反馈控制，实现对被测物体各维力/力矩自平衡加载。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)结构简单，易于组装，通过配置多组加载单元及组合其在加载框架上不同的安装方式，可实现对被测物体的单维、二维、三维及多维力及力矩的单独及其复合自平衡式加载；
(2)操作时，无需将被测物体与地面连接固定，在每条加载力线上都有一对加载单元，实现了对被测物体空间六维力/力矩自平衡式加载；
(3)加载的六维力/力矩维间耦合小，复合加载精度高；
(4)以液压系统作为动力源，辅以力闭环反馈控制，实现了多维力/力矩大量程、连续、高精加载。
附图说明
图1是本发明的结构示意简图。
图2是本发明加载单元结构示意简图。
图3是本发明加载框架示意图
图4是本发明框架支柱示意图
图5是本发明对被测物体施加X向力或Y向力矩的安装示意图。
图6是本发明对被测物体施加X与Y向复合力或X与Y向复合力矩的示意图。
图7是本发明对被测物体施加三维力或三维力矩的示意图。
具体实施方式
在图1所示的自平衡式空间六维力/力矩加载装置的示意图中，加载框架8是由四个垂直梁和两个十字相交并与垂直梁连接为一体的上下水平梁组成(如图3所示)，该加载框架通过连接在下水平梁四角的四个框架支柱7(如图4所示)固定于地面基础或平台上，加载框架的四个垂直梁和上下水平梁上均设有两个中心对称的X、Y向和Z向安装槽9；十二个加载单元(如图2所示)中的加载液压缸1分别通过其端头法兰盘安装在加载框架垂直梁和上下水平梁上的安装槽中并置于加载框架的外侧，在加载框架内，单维拉压力传感器2的两端分别与加载液压缸的活塞杆端、加载连杆3的一端通过螺纹相连接，上述加载连杆的另一端通过球铰销轴4与加载连接头5相连接，该加载连接头上设有连接螺栓6，用于加载实验时与被加载物体连接，如图2所示。加载单元在安装槽中的具体位置可根据被测物体的大小及加载位置要求进行上下左右调节。
当需对被测物体施加X向力或Y向力矩时，如图5所示，此时只需安装X向的四个加载单元，四个加载单元通过连接螺栓连接于被测物体上，X负向的两个加载液压缸处于稳定保压状态，通过另两个加载液压缸同时收缩带动与单维拉压力传感器相连接的加载连杆，并由球铰销轴传递力从而实现对被测物体的X正向拉力平衡式加载，反之，若X正向的两个加载液压缸处于稳定保压状态，通过另两个加载液压缸同时收缩，即可实现对被测物体的X负向拉力平衡式加载；如图所示XOZ面上对角的两个加载液压缸处于保压状态，通过XOZ面上的另外对角两个加载液压缸同时收缩，即可实现对被测物体的Y方向力矩平衡式加载。
当需对被测物体施加X与Y向复合力或X与Y向复合力矩时，如图6所示，此时安装X、Y向八个加载单元，通过X负向的两个加载液压缸与Y负向的两个加载液压缸处于稳定保压状态，通过X正向与Y正向的加载液压缸同时收缩，从而实现对被测物体的X正向、Y正向二维力复合平衡式加载；若XOZ面上对角的两个加载液压缸与YOZ面上对角的两个加载液压缸处于稳定保压状态，通过XOZ面上另外对角两个与YOZ面上另外对角两个加载液压缸同时收缩，可实现对被测物体的X向和Y向二维力矩复合平衡式加载。
当需对被测物体施加三维力或三维力矩时，如图7所示，此时使用X、Y、Z向的十二个加载单元，若X负向、Y负向、Z负向共六个加载液压缸处于稳定保压状态，通过X正向、Y正向、Z正向的六个加载液压缸收缩，可实现对被测物体的X、Y、Z向三维力复合自平衡式加载；若XOZ面上对角的两个、YOZ面上对角的两个、XOY面上对角的两个加载液压缸处于稳定保压状态，通过XOZ面上另两个对角、YOZ面上另两个对角、XOY面上另两个对角加载液压缸同时收缩，可实现对被测物体的X、Y、Z向三维力矩复合自平衡式加载。

Claims (2)

1.一种自平衡式空间六维力/力矩加载装置，它是由加载框架、框架支柱和十二个加载单元组成，所述加载框架是由四个垂直梁和两个十字相交并与垂直梁连接为一体的上下水平梁组成，其特征在于：所述加载框架通过连接在下水平梁四角的四个框架支柱固定于地面基础或平台上，加载框架的四个垂直梁和上下水平梁上均设有两个中心对称的安装槽；所述加载单元由加载液压缸、单维拉压力传感器、加载连杆、球铰销轴、加载连接头、连接螺栓组成，其中加载液压缸分别通过其端头法兰盘安装在加载框架垂直梁和上下水平梁上的安装槽中并置于加载框架的外侧，在加载框架内，单维拉压力传感器的两端分别与加载液压缸的活塞杆端、加载连杆的一端通过螺纹相连接，上述加载连杆的另一端通过球铰销轴与加载连接头相连接，该加载连接头上设有连接螺栓。
2.根据权利要求1所述的一种自平衡式空间六维力/力矩加载装置，其特征在于：所述加载单元在安装槽中的具体位置根据被测物体的大小及加载位置要求进行上下左右调节。
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