CN104215380A - 一种精确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置，用于测试固定受力体承受外部施加的轴向、垂向和切向的三维动态力，主要由支撑座组件、传感器固定组件、传感器组和受力体固定组件组成。两套受力体固定组件相对放置在底座两端固定的左、右轴向支撑板之间，每套受力体固定组件的底面、一侧面和背面均分别和一个单向压电型冲击力传感器的一个端面紧固连接，并通过传感器固定轴分别穿过底座、侧向支撑板和轴向支撑板对应位置的安装圆孔，分别用两个细牙螺母拧紧固定。本发明可以对受力体和传感器进行紧实固定并且可以调整和确保传感器与相关组件间的配合精度和位置尺寸精度，能够对固定受力体承受外部施加的三维动态力进行精确、实时测试。

Description

一种精确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置

技术领域

本发明涉及三维动态力的传感器测试装置结构和测试方法的设计，尤其涉及一种对固定受力体承受外部施加的三维动态力进行实时动态测试的测试装置。

背景技术

目前三维动态力测试研究主要集中在高速切削、电机和轨道车辆等领域，国内有多项有关专利技术，如CN 102267069 A、CN 101526406 B、CN 203216659 U和CN 103424222 A，但是这些技术存在的主要问题是有的结构复杂、灵敏度低、制造成本高等缺陷，而且这些已有测力装置多是定型的测力平台针对特定的测试对象，无法满足多种测试对象的固定和测试需求。

发明内容

鉴于现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种用于测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置，通过固定组件将受力体固定住，并通过传感器固定组固定多个方向的测试传感器，可用于测试固定件在外部作用下的轴向、垂向和切向的三维动态力，同时设置了可调整传感器位置和尺寸精度的安装固定机构，满足传感器和各部件间的配合和安装尺寸精度需求。

本发明所采用的技术方案是：

一种精确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置，包括支撑座组件、传感器固定组件、传感器组和受力体固定组件，传感器组与传感器固定组件连接，传感器固定组件通过圆轴与支撑座组件的安装圆孔滑动配合，受力体固定组件相对设置在支撑座的底座两端固定的左、右轴向支撑板之间，其底面、其中一侧面和背面均分别与单向压电型冲击力传感器一端紧固连接，并通过传感器固定组件的传感器固定轴分别穿过设置在支撑座组件1的安装圆孔固定。

所述支撑座组件由底座、侧向支撑板、轴向支撑板和紧固螺栓组成。底座用螺栓固定在平台上。两个轴向支撑板竖直板的凸台相对且紧靠底座左右两个凸台的外立面放置，以确保平行度和间距精度。同时，轴向支撑板的底面紧贴在底座两端低阶梯平面上且沉头孔与螺纹孔对齐，用螺栓固定，以确保底座凸台平面到轴向支撑板安装圆孔轴线的尺寸精度。侧向支撑板侧面上的三个凸台平面紧贴放置在底座对应的凸台平面上，以确保底座凸台平面到侧向支撑板安装圆孔轴线的尺寸精度，同时侧向支撑板的平面上的两个凸台与左、右两个轴向支撑板的侧面紧贴接触且保持相应的沉头孔与对应的螺纹孔对齐，用螺栓固定，以确保侧向支撑板凸台平面到轴向支撑板安装圆孔轴线的尺寸精度，以及底座、侧向支撑板和轴向支撑板三者主要凸台平面之间相互垂直的配合精度。

所述底座呈方槽形，两侧面上焊接有带圆孔的固定脚块，中部平面由中间向两端精加工有均匀间隔的三个凸台平面，左右两个凸台面上开有用于定位并安装传感器的内表面经过精加工的圆孔，并且左右两个凸台在底座平面两端向外各延伸有一个经过精加工且带有螺纹孔的低阶梯平面，用于定位安装轴向支撑板。

所述轴向支撑板呈有加强筋的L形，竖直板的平面上有一个表面经过精加工的凸台，凸台面上开有用于定位安装传感器的内表面经过精加工的圆孔，竖直板的一个侧面进行精加工，并开有一排螺纹孔，用于与侧向支撑板进行定位安装，底板上开有沉头孔，对应底座两端的螺纹孔。

所述侧向支撑板呈方槽形，中部平面的两端精加工有两个凸台平面，左右两个凸台面上开有用于定位安装传感器的内表面经过精加工的圆孔和用于与轴向支撑板固定配合的沉头孔，一边侧面上由中间向两端精加工有均匀间隔的三个凸台平面，与底座平面上的凸台平面对应配合。

所述传感器固定组由传感器固定轴和细牙螺母组成。单向压电型冲击力传感器的一个端面通过螺纹轴与传感器固定轴端面的螺纹孔紧固连接。三个传感器固定轴分别插入到底座、侧向支撑板和轴向支撑板的安装圆孔中，并保持传感器固定轴中部的光面圆轴与相对应的精加工的安装圆孔滑动配合，调整位置后用两个细牙螺母分别与所在支撑板的两侧进行固定。松开细牙螺母，通过调整传感器固定轴在对应安装圆孔中的位置来调整传感器的安装位置精度，调整好后再次锁定。

所述受力体固定组件由滑槽固定座、压紧滑块、连接板、盖板、锁紧螺杆、背板和螺栓、螺母等组成。压紧滑块凹形口朝下放置，在滑槽固定座的槽内滑动。锁紧螺杆下端的圆柱凸台穿过连接板中间的圆孔，用螺栓固定在压紧滑块顶面上。盖板中间的螺纹孔与锁紧螺杆配合，并通过螺栓固定在滑槽固定座的顶部端面上。转动锁紧螺杆可以推动压紧滑块上下移动从而固定住受力体。背板中间开有螺纹孔，四周开有通孔并通过螺栓固定在滑槽固定座的背面，将滑槽背面的空间封住。受力体固定组件在底面、一侧面和背面的螺纹孔用于和三个方向的单向压电型冲击力传感器的另一端螺纹短轴进行紧固连接。

两套受力体固定组件未安装背板的一面相对放置在底座两端固定的左、右轴向支撑板之间，每一套受力体固定组件的底面、一侧面和背面均分别和相对应的一个单向压电型冲击力传感器的一个端面紧固连接并通过对应的一个传感器固定轴分别穿过底座、侧向支撑板和轴向支撑板对应位置的安装圆孔，精确调整好传感器组和受力体固定组件的位置后分别用两个细牙螺母拧紧固定。

所述受力体的两端由左、右两套受力体固定组件固定，受力体承受外部施加作用力时，分别由固定在左、右两套受力体固定组件底面和一侧面的各两个单向压电型冲击力传感器测试垂直方向和切线方向受到的作用力并求和得出受力体在垂向和切向承受总作用力，同时，由固定在背面的一个单向压电型冲击力传感器测试轴线方向的作用力。

本发明一种精确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置，通过受力体固定组件的设计实现受力体在测试装置中的固定，可以满足多种结构形式的受力体的固定需求；通过关键接触面、定位基准面的设计和精加工工艺设计满足多个且多方向放置传感器的精度要求；同时通过可精确调节的传感器固定组件的设计，可以满足多个传感器的位置精度调整的需求，从而实现能够对固定受力体的垂向、切向和轴向的三维动态力的精确测试。

附图说明

图1 是本发明的总体结构示意图；

图2 是本发明的支撑座组件1的装配关系示意图；

图3 是本发明的底座1 -1的结构示意图；

图4 是本发明的侧向支撑板1 -2的结构示意图；

图5 是本发明的轴向支撑板1 -3的结构示意图；

图6 是本发明的传感器组3和传感器固定组件2在支撑座组件1上的固定效果示意图；

图7是图1带有局部剖视的俯视图；

图8是图1带有局部剖视的侧视图；

图9是本发明的受力体固定组件4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和功能作进一步的详述。

如图1所示，一种精确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置主要由支撑座组件1、传感器固定组件2、传感器组3和受力体固定组件4组成。

    如图2、3、4和5所示，支撑座组件1主要由底座1-1、侧向支撑板1-2、轴向支撑板1-3和紧固螺栓组成。安装时，将底座1-1用螺栓固定在平台上，两个轴向支撑板1-3的竖直板凸台相对放置，且分别紧靠底座1-1左右两个凸台的外立面，以确保两个轴向支撑板1-3凸台平面的间距精度和平行度，同时轴向支撑板1-3的底面紧贴在底座1-1两端低阶梯平面上且保持沉头孔与螺纹孔对齐，并用螺栓固定在底座1-1上，以确保底座1-1凸台平面到轴向支撑板1-3安装圆孔的轴线的尺寸精度。侧向支撑板1-2侧面上的三个凸台平面紧贴放置在底座1-1对应的凸台平面上，以确保底座1-1凸台平面到侧向支撑板1-2安装圆孔的轴线的尺寸精度，同时侧向支撑板1-2的平面上的两个凸台与左右两个轴向支撑板1-3的侧面紧贴接触且保持相应位置的沉头孔与对应的螺纹孔对齐，并用螺栓固定在轴向支撑板1-3上，以确保侧向支撑板1-2凸台平面到轴向支撑板1-3安装圆孔轴线的尺寸精度，以及底座1-1、侧向支撑板1-2和轴向支撑板1-3三者主要凸台平面之间相互垂直的配合精度。

如图6、7和8所示，传感器固定组2由传感器固定轴2-1和细牙螺母2-2组成。安装时，先将单向压电型冲击力传感器的一个端面通过螺纹轴与传感器固定轴2-1端面的螺纹孔紧固连接，将三个方向的传感器固定轴2-1分别插入到底座1-1，侧向支撑板1-2和轴向支撑板1-3的安装圆孔中，并保持传感器固定轴2-1中部的光面圆轴与相对应的精加工的安装圆孔滑动配合，调整好位置后，每一个传感器固定轴2-1用两个细牙螺母2-2分别在所在支撑板的两侧进行固定。同样，如需调整单向压电型冲击力传感器的安装位置精度，只需松开细牙螺母2-2，调整对应的传感器固定轴2-1的位置即可，调整好后再次锁定。

如图9所示，受力体固定组件4由滑槽固定座4-1、压紧滑块4-2、连接板4-3、盖板4-4、锁紧螺杆4-5、背板4-6和螺栓、螺母等组成。压紧滑块4-2凹形口朝下放置，在滑槽固定座4-1的槽内滑动。锁紧螺杆4-5下端的圆柱凸台穿过连接板4-3中间的圆孔，用螺栓固定在压紧滑块4-2顶面上。盖板4-4中间的螺纹孔与锁紧螺杆4-5配合，并通过螺栓固定在滑槽固定座4-1的顶部端面上。转动锁紧螺杆4-5可以推动压紧滑块4-2上下移动从而固定住受力体。背板4-6中间开有螺纹孔，四周开有通孔通过螺栓固定在滑槽固定座的背面，将滑槽背面的空间封住。受力体固定组件4在底面、一侧面以及背面的螺纹孔用于和三个方向的单向压电型冲击力传感器的另一端螺纹短轴进行紧固连接。

如图7和8所示，两套受力体固定组件4未安装背板的一面相对放置在底座1-1两端固定的左、右轴向支撑板1-3之间，每一套受力体固定组件4的底面、一侧面和背面均分别和相对应的一个单向压电型冲击力传感器的一个端面紧固连接并通过对应一个传感器固定轴2-1分别穿过底座1-1、侧向支撑板1-2和轴向支撑板1-3对应位置的安装圆孔，精确调整好传感器组3和受力体固定组件4的位置后分别用两个细牙螺母2-2拧紧固定。

本发明的测试方法和测试原理：

受力体的两端分别放入左、右两个受力体固定组件4的滑槽固定座4-1和压紧滑块4-2所形成的V形空间，旋转螺杆4-5通过压紧滑块4-2挤压并固定受力体，V形空间和压紧滑块4-2配合，保证受力体在垂向和切向同时与滑槽固定座4-1紧实固定在一起。同时，要精确控制受力体样本的轴向长度，使得受力体的两端紧顶在两侧的背板4-6上，保证受力体与受力体固定组件4在轴向上的紧固连接。这样，受力体与受力体固定组件4形成稳定的三维紧固连接。两侧的受力体固定组件4的各自三个相互垂直的平面通过螺钉分别与一个单向压电型冲击力传感器的一个端面紧固连接，同时，每一个单向压电型冲击力传感器都通过一套传感器固定组2与支撑座组件1相对应的固定面底座1-1、侧向支撑板1-2和轴向支撑板1-3的精细加工的基准孔进行紧固连接，并且可以通过传感器固定轴2-1和细牙螺母2-2调整传感器的安装位置尺寸。底座1-1、侧向支撑板1-2和轴向支撑板1-3通过精细加工的基准面进行装配和紧固连接，既保证相互之间配合关系的精确性，又保证位置尺寸的精确性。最后底座1-1与固定台面通过螺栓紧固连接。受力体与受力体固定组件4、传感器组3、两套传感器固定组2、支撑座组件1和固定台面之间的紧固连接关系的建立，以及相互之间的配合关系和位置尺寸关系的调整和精确性的确定，是本发明实现准确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的保证。

测试时，外部装置对受力体施加的作用力通过紧固连接的受力体固定组件4传递到其三个垂直面固定的相应的单向压电型冲击力传感器上。由于单向各压电型冲击力传感器的另一端分别通过传感器固定组2、支撑座组件1和固定台面形成紧固连接关系，因此，每一个单向压电型冲击力传感器均能实时准确测出一个方向的动态力。由于受力体的两端分别固定在受力体固定组件4和相应的单向压电型冲击力传感器上，统计受力体三维动态打击力时，垂向和切向动态力应该分别取处于这两个方向的各两个单向压电型冲击力传感器的测试力之和作为最终测试结果，而轴向动态力则取轴线方向上的一个单向压电型冲击力传感器测试力作为最终测试结果。

Claims (7)

1.一种精确测试固定受力体承受外部施加的三维动态力的测力装置，其特征在于：包括支撑座组件（1）、传感器固定组件（2）、传感器组（3）和受力体固定组件（4），传感器组（3）与传感器固定组件（2）连接，传感器固定组件（2）通过圆轴与支撑座组件（1）的安装圆孔滑动配合，受力体固定组件（4）相对设置在支撑座的底座（1-1）两端固定的左、右轴向支撑板（1-3）之间，其底面、其中一侧面和背面均分别与单向压电型冲击力传感器一端紧固连接，并通过传感器固定组件（2）的传感器固定轴（2-1）分别穿过设置在支撑座组件（1）的安装圆孔固定。

2.根据权利要求1所述的测力装置，其特征是：所述传感器组由2个以上单向压电型冲击力传感器组成，该传感器为六棱柱型，其两端面分别设有与被测试对象固接的螺纹短轴，传感器一侧面设有用于连接数据线输出测试的电信号的螺纹短轴。

3.根据权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述支撑座组件（1）由底座（1-1）、侧向支撑板（1-2）、轴向支撑板（1-3）和紧固螺栓组成，两个轴向支撑板（1-3）竖直板的凸台相对且紧靠底座（1-1）左右两个凸台的外立面放置，轴向支撑板（1-3）底面紧贴在底座（1-1）两端低阶梯平面上且沉头孔与螺纹孔对齐，侧向支撑板（1-2）侧面上的三个凸台平面紧贴放置在底座（1-1）对应的凸台平面上，同时侧向支撑板（1-2）的平面上的两个凸台与左、右两个轴向支撑板（1-3）的侧面紧贴接触且保持相应的沉头孔与对应的螺纹孔对齐。

4.根据权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述传感器固定组（2）由传感器固定轴（2-1）和细牙螺母（2-2）组成，单向压电型冲击力传感器一端通过螺纹轴与传感器固定轴（2-1）端面的螺纹孔紧固连接，传感器固定轴（2-1）分别插入到底座（1-1）、侧向支撑板（1-2）和轴向支撑板（1-3）的安装圆孔中，并保持传感器固定轴（2-1）中部的光面圆轴与相对应的精加工的安装圆孔滑动配合后，通过细牙螺母（2-2）固定于所在支撑板的两侧。

5.根据权利要求4所述的测力装置，其特征在于：所述传感器固定轴（2-1）为由中部向两端呈阶梯状分布的光面圆轴，圆轴两端为设有细牙阶梯螺纹轴，其一端的阶梯螺纹轴与端面设有螺纹孔的阶梯光轴接合。

6.根据权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述受力体固定组件（4）由滑槽固定座（4-1）、压紧滑块（4-2）、连接板（4-3）、盖板（4-4）、锁紧螺杆（4-5）和背板（4-6）组成，压紧滑块（4-2）凹形口朝下放置，在滑槽固定座（4-1）的槽内滑动，锁紧螺杆（4-5）下端的圆柱凸台穿过连接板（4-3）中间的圆孔，固定设置在压紧滑块（4-2）顶面，盖板（4-4）中间的螺纹孔与锁紧螺杆（4-5）配合，并通过螺栓固定在滑槽固定座（4-1）的顶部端面上，通过转动锁紧螺杆（4-5）推动压紧滑块（4-2）上下移动，背板（4-6）中间开设有螺纹孔，四周开有通孔，并通过螺栓固定在滑槽固定座（4-1）的背面，将滑槽背面的空间封闭，设置在受力体固定组件（4）底面、其中一侧面和背面的螺纹孔分别与传感器组（3）中的传感器紧固连接。

7.根据权利要求6所述的测力装置，其特征在于，所述受力体固定组件（4）未安装背板的一面相对放置在底座（1-1）两端固定的左、右轴向支撑板（1-3）之间。