CN105043893A - 应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构 - Google Patents

Abstract

应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，涉及真空拉伸试验技术领域，解决现有进行真空拉伸试验的小载荷加载机构存在结构复杂、体积大、精度低以及运行时稳定性差等问题，包括驱动机构、连接机构和执行机构；执行机构包括导向支撑块、第一直线轴承、输出轴、第三导轨、第二垫块、传感器转接块、测力传感器和第二导轨滑块；连接机构包括铰链转轴、第二直线轴承、铰链固定座、第一垫块、支座以及由第一铰链组件、第二铰链组件、第三铰链组件和杠杆组成的杠杆传力组件；本发明所述的真空状态下拉伸试验小载荷加载机构具有能够自锁、输出精度较高、高低温环境稳定性好、不易卡死、结构简单合理等优点，且能够比较严格的控制力的直线输出。

Description

应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构

技术领域

本发明涉及真空拉伸试验技术领域，具体涉及一种应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构。

背景技术

真空拉伸试验小载荷加载机构的主要作用是：在进行真空拉伸试验时，通过控制步进电机的转动，从而带动加载机构中的转动机构进行转动，并进一步产生拉压力，且性能可靠、精度高、稳定性好、结构合理。

目前国内对于拉伸试验加载机构的研究日趋多样化，但其结构大都较为复杂，且体积大，质量重，精度低，在真空状态下性能不稳定，无法在真空状态下使用，因此国内对于真空状态下小载荷加载机构的研究基本上是一片空白。

发明内容

本发明为解决现有进行真空拉伸试验的小载荷加载机构存在结构复杂、体积大、精度低以及运行时稳定性差等问题，提供一种应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构。

应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，包括驱动机构、连接机构和执行机构；

所述驱动机构包括步进电机、联轴器、蜗轮副、蜗杆箱、第一轴承座、丝杠轴、第一导轨滑块、第一导轨、第二导轨和第二轴承座；

所述步进电机通过联轴器与蜗轮副的蜗杆连接，所述蜗轮副中蜗轮与蜗杆啮合带动与蜗轮同轴的丝杠轴转动；丝杠轴的两端安装在第一轴承座和第二轴承座上；步进电机和蜗轮副固定在蜗杆箱上，所述蜗杆箱固定在第二轴承座上，所述第一轴承座和第二轴承座固定在底板上；

所述丝杠轴与横梁通过螺纹配合，丝杠轴转动时通过螺纹传动带动横梁沿丝杠轴的轴向平动，所述第一导轨滑块安装在横梁的底部，使横梁沿固定在连接机构中的底板上的第一导轨和第二导轨做直线运动；

所述执行机构包括导向支撑块、第一直线轴承、输出轴、第三导轨、第二垫块、传感器转接块、测力传感器和第二导轨滑块；连接机构包括铰链转轴、第二直线轴承、铰链固定座、第一垫块、支座以及由第一铰链组件、第二铰链组件、第三铰链组件和杠杆组成的杠杆传力组件；

第二垫块的上端与第三铰链组件的支座连接，第二垫块的下端与第二导轨滑块连接，所述第二导轨滑块沿第三导轨做直线运动，测力传感器的一端通过传感器转接块与第二垫块连接，测力传感器的另一端与输出轴通过螺纹连接，所述输出轴装配在第一直线轴承上，第一直线轴承装配在导向支撑块上；所述第一铰链组件、第三铰链组件通过第二直线轴承与杠杆连接，所述第二直线轴承与杠杆过盈配合，第二直线轴承与铰链转轴隙配合连接，第一铰链组件的底部安装在铰链固定座上；所述铰链固定座与驱动机构中的横梁连接，第一铰链组件通过第二铰链组件带动第三铰链组件运动，第三铰链组件的第二支座通过螺钉与执行机构中的第二垫块连接，第二铰链组件的支座通过第一垫块固定在底板上。

本发明的工作原理：本发明中提出的小载荷加载机构中采用杠杆传力机构并配合精密滚珠丝杠和高精度免润滑直线导轨，步进电机通过蜗轮副带动丝杠轴，使连接在丝杠轴上的横梁沿直线导轨平移，同时带动杠杆传力组件转动，并进一步使传感器输出轴沿导轨平移，从而产生拉压力。采用杠杆传力结构，通过较小的扭矩即可达到较大的输出力，结构比较省力，并且蜗轮蜗杆-丝杠轴-直线轴承配合使用的方案，使拉压力的输出精度大大提高，整个系统的尺寸得以减小，为小载荷加载机构的发展提供了方便。由于采用蜗轮副带动丝杠轴转动，故该结构不但具有自锁功能，而且又将步进电机作进一步细分，可以忽略步进电机少量丢步对机构精度的影响；丝杠轴与直线轴承配合使用，提高了加载机构的稳定性，并且解决了在高低温环境下结构的卡死问题。

在该结构中采用高度可靠性及密封设计的S型传感器，即使在恶劣环境下仍能长时间连续稳定的工作，具有控制精度高，测力准确的特点，同时还选用了高精度的直线轴承、高精度免润滑的直线导轨和丝杠轴，具有较高的直线度和平行度，安装之后对该机构进行一定时间的反复跑合试验，对相应的传动机构进行磨合，从而保证了使用中机构运动的顺畅性和稳定性。同时为防止低温锈蚀，所有连接件均采用钛合金和不锈钢加工制造。真空步进电机、免润滑直线导轨、滚珠丝杠和轴承均采用相应的真空防冷焊措施。

本发明的积极效果：本发明为国内首个应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，该加载机构应用于真空状态下的拉伸试验项目。该真空拉伸试验小载荷加载机构具有能够自锁、输出精度较高、高低温环境稳定性好、不易卡死、结构简单合理等优点，且能够比较严格的控制力的直线输出，为获得高水准的试验结果提供了技术保障。

本发明所述的小载荷加载机构解决了真空拉伸试验小载荷加载机构的高精度、小型化、低重量的问题，促进真空拉伸试验加载机构的发展，并为其提供技术支持。

附图说明

图1为本发明所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构的结构示意图；

图2为图1中驱动机构连接关系的剖视图；

图3为图1中驱动机构中丝杠轴连接关系的剖视图；

图4为图1中执行机构的连接关系的剖视图；

图5为本发明所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，包括驱动机构、连接机构和执行机构；

所述驱动机构包括步进电机16、联轴器15、蜗轮副26、蜗杆箱14、第一轴承座10、丝杠轴11、横梁8、第一导轨滑块6、第一导轨7、第二导轨12和第二轴承座13；

执行机构包括导向支撑块1、第一直线轴承2、输出轴3、第三导轨21、第二垫块22、传感器转接块23、测力传感器24和第二导轨滑块31；

连接机构包括底板4、铰链转轴29、第二直线轴承19、铰链固定座27、第一垫块18、支座32以及由第一铰链组件9、第二铰链组件17、第三铰链组件20和杠杆5组成的杠杆传力组件；

在驱动机构中，步进电机16的输出轴通过联轴器15与蜗轮副26的蜗杆连接，通过蜗轮副26中蜗轮与蜗杆的啮合带动与蜗轮同轴的丝杠轴11转动；丝杠轴11的两端通过一对第三角接触球轴承30安装在第二轴承座13和第一轴承座10上，同时步进电机16和蜗轮副26通过一对第一角接触球轴承25固定在蜗杆箱14上，蜗杆箱14通过螺钉固定在第二轴承座13上，第二轴承座13和第一轴承座10通过螺钉固定在底板4上。丝杠轴11与横梁8通过螺纹配合，丝杠轴11转动时通过螺纹传动带动横梁8沿丝杠轴的轴向平动，横梁8的底部留有螺纹孔，第一导轨滑块6通过螺纹孔用螺钉安装在横梁8的底部，从而保证横梁8沿固定在底板4上的第一导轨7和第二导轨12做直线运动。

在执行机构中，垫块22的上端与第三铰链组件20的支座32连接，第二垫块22的下端通过螺钉与导轨第二滑块31连接，第二导轨滑块31可沿第三导轨21做直线运动，而测力传感器24的一端通过传感器转接块23与第二垫块22相连，另一端与输出轴3通过螺纹连接。输出轴3装配在直线轴承第一2上，第一直线轴承2装配在导向支撑块1上，两者的导向限位作用使得输出轴3只能沿其轴向进行运动。

在连接机构中，第一铰链组件9、第二铰链组件17、第三铰链组件20和杠杆5共同构成了杠杆传力机构。为了实现杠杆原理，设计了两种铰链，铰链17是实现转动功能的固定铰链,同时也是杠杆传力机构中的支点，而第一铰链组件9、第三铰链组件20是实现杠杆5既能滑动又能转动功能的铰链，两种铰链均通过高精度第二直线轴承19与杠杆5连接，第二直线轴承19与杠杆5采用过盈配合，借此消除二者之间的空回，其中，第二直线轴承19与铰链转轴29侧部的预留孔通过间隙配合连接，间隙量优于0.003mm，第二铰链组件9的底部通过一对第二角接触球轴承28安装在铰链固定座27上。第二铰链组件17和第三铰链组件20的结构与它的结构相同。

在整个加载机构中，第一铰链组件9的铰链固定座27与驱动机构中的横梁8连接，同时第一铰链组件9的运动会通过第二铰链组件17(杠杆传力组件的支点)带动第三铰链组件20运动，第三铰链组件20的支座32通过螺钉与执行部分的第二垫块22连接，而第三铰链组件17的支座通过第一垫块18固定在底板4上，这样驱动机构和执行机构就通过连接部分形成了一个闭合的整体结构，在整个机构中，三条高精度直线导轨(即第一导轨7、第二导轨12和第三导轨21)的安装平行度优于0.005mm，借此保证机构的输出精度。因此，通过控制电机的转动，就可以带动结构中的杠杆传力机构发生转动，并进一步产生拉压力。

本实施方式所述的步进电机16采用亚美柯宝马公司生产的42BYG020G型号的军品级四相步进电机，其工作温度范围-30—70℃，步距角为0.9°可在真空度10^-4Pa环境下可靠的工作；蜗轮副26和高精度滚珠丝杠轴11、横梁8和杠杆5等结构件委托长春奥普光电技术股份有限公司按照设计图纸加工；传感器24采用高度可靠性及密封设计的S型传感器，型号为上海聚人电子公司的型号为RSS01的S型拉压传感器，该传感器即使在恶劣环境下仍能长时间连续稳定的工作，量程为200N，测量精度为C3(万分之三)，输出信号为0—20mv模拟电压信号。第一直线轴承2和第二直线轴承19选择THK公司生产的LMH8和LM4型号的高精度航天级直线轴承；三个导轨采用THK微型球保持器型LM滚动导轨，精度等级为P级。三个角接触球轴承选择洛阳轴承公司生产P4级军品级轴承，该加载系统中所采用的真空润滑脂为601EF航天润滑脂，并对小载荷加载系统上的蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、直线轴承、角接触球轴承等运动部件的接触表面进行润滑处理。

本实施方式所述的小载荷加载机构的整体结构主要由2A12航天用铝合金加工而成，底板4上表面加工有高精度的凸台用来安装直线导轨，经过适当轻量化设计，既能满足结构和热控要求，又具有较低的重量，便于携带。机构外形尺寸规格为350mm×240mm×128mm，重量仅为8.0Kg，该小载荷加载机构的测量范围为5—200N，测量精度为1％,试验力分辨力优于1/30000。

Claims (9)

1.应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，包括驱动机构、连接机构和执行机构；

所述驱动机构包括步进电机(16)、联轴器(15)、蜗轮副(26)、蜗杆箱(14)、第一轴承座(10)、丝杠轴(11)、第一导轨滑块(6)、第一导轨(7)、第二导轨(12)和第二轴承座(13)；

所述步进电机(16)通过联轴器(15)与蜗轮副(26)的蜗杆连接，所述蜗轮副(26)中蜗轮与蜗杆啮合带动与蜗轮同轴的丝杠轴(11)转动；丝杠轴(11)的两端安装在第一轴承座(10)和第二轴承座(13)上；步进电机(16)和蜗轮副(26)固定在蜗杆箱(14)上，所述蜗杆箱(14)固定在第二轴承座(13)上，所述第一轴承座(10)和第二轴承座(13)固定在底板(4)上；

所述丝杠轴(11)与横梁(8)通过螺纹配合，丝杠轴(11)转动时通过螺纹传动带动横梁(8)沿丝杠轴的轴向平动，所述第一导轨滑块(6)安装在横梁(8)的底部，使横梁(8)沿固定在连接机构中的底板(4)上的第一导轨(7)和第二导轨(12)做直线运动；

所述执行机构包括导向支撑块(1)、第一直线轴承(2)、输出轴(3)、第三导轨(21)、第二垫块(22)、传感器转接块(23)、测力传感器(24)和第二导轨滑块(31)；

连接机构包括铰链转轴(29)、第二直线轴承(19)、铰链固定座(27)、第一垫块(18)、支座(32)以及由第一铰链组件(9)、第二铰链组件(17)、第三铰链组件(20)和杠杆(5)组成的杠杆传力组件；其特征是；

第二垫块(22)的上端与第三铰链组件(20)的支座(32)连接，第二垫块(22)的下端与第二导轨滑块(31)连接，所述第二导轨滑块(31)沿第三导轨(21)做直线运动，测力传感器(24)的一端通过传感器转接块(23)与第二垫块(22)连接，测力传感器(24)的另一端与输出轴(3)通过螺纹连接，所述输出轴(3)装配在第一直线轴承(2)上，第一直线轴承(2)装配在导向支撑块(1)上；

所述第一铰链组件(9)、第三铰链组件(20)通过第二直线轴承(19)与杠杆(5)连接，所述第二直线轴承(19)与杠杆(5)过盈配合，第二直线轴承(19)与铰链转轴(29)隙配合连接，第一铰链组件(9)的底部安装在铰链固定座(27)上；

所述铰链固定座(27)与驱动机构中的横梁(8)连接，第一铰链组件(9)通过第二铰链组件(17)带动第三铰链组件(20)运动，第三铰链组件(20)的第二支座(32)通过螺钉与执行机构中的第二垫块(22)连接，第二铰链组件(17)的支座通过第一垫块(18)固定在底板(4)上。

2.根据权利要求1所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，所述驱动机构中还包括一对第一角接触球轴承(25)和第三角接触球轴承(30)；所述步进电机(16)和蜗轮副(26)通过一对第一角接触球轴承(25)固定在蜗杆箱(14)上；所述丝杠轴(11)的两端通过第三角接触球轴承(30)安装在第一轴承座(10)和第二轴承座(13)上；

所述连接机构中还包括一对第二角接触球轴承(28)，第一铰链组件(9)的底部通过一对第二角接触球轴承(28)安装在铰链固定座(27)上。

3.根据权利要求2所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，所述的第一角接触球轴承(25)、第二角接触球轴承(28)和第三角接触球轴承(30)的接触表面采用真空润滑脂进行润滑处理。

4.根据权利要求1所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，所述横梁(8)的底部设有螺纹孔，第一导轨滑块(6)通过螺纹孔用螺钉安装在横梁(8)的底部。

5.根据权利要求1所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，所述连接机构中的铰链转轴(29)的侧部设有预留孔，第二直线轴承(19)与铰链转轴(29)侧部的预留孔间隙配合连接，间隙范围小于等于0.003mm。

6.根据权利要求1所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，所述第一铰链组件(9)、第二铰链组件(17)和第三铰链组件(20)的结构相同，所述第三铰链组件(17)作为杠杆传力组件的支点，第一铰链组件(9)的运动通过第三铰链组件(17)带动铰链组件(20)运动。

7.根据权利要求1所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，所述底板(4)上表面加工凸台，用于安装第一导轨(7)和第二导轨(12)和第三导轨(21)，安装的平行度小于等于0.005mm。

8.根据权利要求1所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，执行机构中的测力传感器(24)为S型测力传感器。

9.根据权利要求1所述的应用于真空状态下拉伸试验的小载荷加载机构，其特征在于，所述蜗轮副(26)中的蜗轮蜗杆、丝杠轴(11)、第一直线轴承(2)和第二直线轴承(19)的接触表面采用真空润滑脂进行润滑处理。