CN105180870A - 静液传动式大量程位移双向检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械工程测试技术领域，涉及一种静液传动式大量程位移双向检测装置。包括两套相同的小量程检测子系统：A系统和B系统；该装置选用高精度小位移传感器和伺服电机保证了测量和定位精度。采用静液传动方式，运动平稳保证了检测过程中无额外振动干扰。该装置结构灵巧、布局合理、适应性强、寿命长、测量精度高，解决了大量程全范围内的高精度双向测量问题，具有良好的经济性和推广价值。

Description

静液传动式大量程位移双向检测装置

技术领域

本发明属于机械工程测试技术领域，涉及土力学三轴试验，尤其是一种大量程的高精度位移双向检测装置。

背景技术

测量土壤的强度和变形而常使用三轴试验仪，该仪器应用广泛，可用于测量多种参数，包括剪切强度特性，固结特点和土壤渗透性。其中一定应力作用下试样轴向位移的变化是个非常重要的测量参数，轴向位移测量精度的高低决定了三轴试验的成败。对于中小型三轴试验仪，试样轴向位移变化区间通常小于150mm，目前现有的线性位移传感器(如：电感式、电阻式，磁环式位移传感器等)基本能满足要求。试样轴向位移变化区间越小，选用的位移传感器的量程越小，整个区间的测量精度越高，反之亦然。然而，对于大型、超大型三轴试验仪，三轴试验过程中试样轴向变形区间可达500mm(针对直径1.0mm，高2.5的圆柱试样，试验中圆柱试样高度变化<20％)，如选用量程为500mm的位移传感器会导致局部测量的精度非常低。因此，大型、超大型三轴试验中，试样轴向位移的高精度测量是非常困难的。

目前，国内外还没有针对大型、超大型三轴试验仪专用的大量程高精度测量装置。大量程光栅尺能够保证整个区间的测量精度，由于大型、超大型三轴试验仪通常采用液压伺服系统，施加重载的条件下会产生较强的高频抖动干扰，这就导致了大量程光栅尺会在大噪声背景下产生累积误差，导致测量精度的降低。另外光栅尺断电后无法确认当前位置，需要回零位清零后重新测量。因此，由于无法消除大噪声背景下的累积误差，高精度的大量程光栅尺并不适合在大型、超大型三轴试验仪中应用。此外，对于某些试样试验过程中，试样轴向位移变化并不是单一的，试验过程中试样轴向位移可能变大也可能变小，需要考虑双向检测的问题。

发明内容

本发明的目的是解决大型、超大型三轴试验中试样轴向变形的测量的问题，发明的测量装置实现了整个试样轴向变形区间的双向高精度连续测量。该装置由两套完全相同的小量程检测子系统组成(A系统和B系统)，小量程检测子系统主要由电动缸(伺服电机、丝杠螺母组合)、活塞液压缸、连接软管、柱塞液压缸、复位弹簧、位移传感器等组成。两套小量程位移传感器的测量区间非常小、测量精度高(如：量程20mm(-10mm—10mm)，测量精度<0.1％，全量程输出电压信号0—10V)，严格保证活塞式液压缸与柱塞式液压缸密封性和加工精度，两者缸径之比为一精确的定值。活塞式液压缸中的活塞在精确运动的电动缸(伺服电机、丝杠螺母组合)带动下，推动活塞式液压缸内的液压油经连接软管注入到柱塞式液压缸内，进而实现固定于柱塞式液压缸输出轴顶端的小量程位移传感器的精确行走定位，测量过程中柱塞式液压缸所受到负载力很小考虑到液压油的弹性模量较大，测量过程中液压油的体积变化可以忽略。

测量开始前，两个小量程检测子系统中的伺服电机控制柱塞式液压缸上的位移传感器向上运动，各位移传感器触头接触测量挡板后，输出检测信号，当输出电压达到5.0V时候，停止向上运动。此时两个小量程检测子系统中位移传感器一半量程被测量挡板压缩，处于待检测状态。

测量开始后，A系统首先进入测量状态，对测量挡板进行位移检测，当测量挡板向上运动时，检测范围为0—9mm，输出电压范围为5.0—0.5V；当测量挡板向下运动时，检测范围为-9—0mm，输出信号范围为9.5—5.0V。而B系统在伺服电机B驱动下，实现闭环控制一直保持位移传感器输出5V跟随测量挡板运动。假定测量挡板首先向下/向上运动，当处于检测状态中的A系统位移传感器输出达到9.5V(-9mm)/0.5V(9mm)时，B系统中的伺服电机停止转动，B系统由跟随状态进入到检测状态，而A系统在A系统中的伺服电机驱动下，由检测状态进入到跟随状态，保持位移传感器输出5V(0mm)跟随测量挡板向上或向下运动。当B系统输出达到9.5V(-9mm)/0.5V(9mm)时，A系统中的伺服电机停止工作，切换至检测状态，而B系统在B系统中的伺服电机驱动下，保持位移传感器输出5V(0mm)跟随测量挡板向上或向下运动。就这样A系统和B系统的检测状态根据测量位移反反复复的精确切换，实现了大量程油缸/气缸输出轴双向高精度连续测量。

本发明采用的技术方案是：一种静液传动式大量程位移双向检测装置，包括两套相同的小量程检测子系统：A系统和B系统；

A系统包括小量程高精度位移传感器A3、柱塞式液压缸A输出轴4、柱塞式液压缸A5、柱塞式液压缸A固定板6、连接软管A7、活塞式液压缸A8、电动缸A输出轴9、电动缸A缸体10、固定底板A11和伺服电机A12；B系统由小量程高精度位移传感器B13、柱塞式液压缸B输出轴14、柱塞式液压缸B15、柱塞式液压缸B固定板16、连接软管B17、活塞式液压缸B18、电动缸B输出轴19、电动缸B缸体20、固定底板B21和伺服电机B22；A系统和B系统完全相同，通过小量程高精度位移传感器A3和小量程高精度位移传感器B13均连接轴向移动测量挡板2；

油缸/气缸输出轴1即被测量移动轴在加载过程中带动轴向移动测量挡板2主要实现向上或向下移动；

固定底板A11固定于地面上，活塞式液压缸A8和电动缸A缸体10通过螺栓固定于其上面；柱塞式液压缸A固定板6固定于竖直墙壁上，柱塞式液压缸A5通过螺栓固定于其上面。

电动缸A输出轴9与活塞式液压缸A8中的活塞刚性连接，高精度电动缸(伺服电机，螺母丝杠副)正向或反向运动带动活塞精确排出或排入液压油，活塞式液压缸A8端口通过软管A7与柱塞式液压缸A5端口相连接，液压油注入到柱塞式液压缸A5缸体内，推动柱塞式液压缸A输出轴4平稳向上运动，进而带动于刚性固定于柱塞式液压缸A输出轴4顶端的小量程高精度位移传感器A3向上运动；当电动缸(伺服电机，螺母丝杠副)带动活塞反向运动，液压油排出柱塞式液压缸A5缸体时，一端固定于柱塞缸A5输出轴4底部，另一端固定于柱塞缸A5缸体上部的复位弹簧A23的由压缩状态复位，带动柱塞式液压缸A输出轴4平稳向下运动，实现小量程高精度位移传感器A3向下运动。

本发明的效果和益处是：在被测量移动轴的下方设计了两套完全相同的小量程检测子系统(A系统和B系统)，通过精确控制两套小量程检测子系统检测状态和工作状态的切换实现两个小量程高精度位移传感器分时工作，在大量程位移范围内实现双向高精度连续测量。伺服电机采用安川AC伺服电机，该伺服电机带有24位光电编码器，电机旋转一周可以产生16,777,216物理脉冲具有极高的角位移检测精度。采用C7级滚珠丝杠，精度误差小于50um/300mm。伺服电机程序控脉冲设置为20000脉冲/转，活塞式液压缸与柱塞式液压缸作用截面积之比为4，这样可以实现1um/脉冲的定位控制精度。

该装置选用高精度小位移传感器和伺服电机保证了测量和定位精度。采用静液传动方式，运动平稳保证了检测过程中无额外振动干扰。该装置结构灵巧、布局合理、适应性强、寿命长、测量精度高，解决了大量程全范围内的高精度双向测量问题，具有良好的经济性和推广价值。

附图说明

图1是静液传动式大量程位移双向检测装置总体结构的主视图。

图2是该装置总体结构的俯视图。

图3是该装置总体结构的左视图。

图4是该装置总体结构等轴测图。

图5是该装置去除柱塞式液压缸体之后总体结构主视图。

图6是该装置去除柱塞式液压缸体之后总体结构左视图。

图中：1油缸/气缸输出轴；2轴向移动测量挡板；3小量程高精度位移传感器A；4柱塞式液压缸A输出轴；6柱塞式液压缸A固定板；7连接软管A；8活塞式液压缸A；9电动缸A输出轴；10电动缸A缸体；11固定底板A；12伺服电机A；13小量程高精度位移传感器B；14柱塞式液压缸B输出轴；16柱塞式液压缸B固定板；17连接软管B；18活塞式液压缸B；19电动缸B输出轴；20电动缸B缸体；21固定底板B；22伺服电机B；23复位弹簧A；24复位弹簧B。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如附图1～6所示，装配时零件用煤油清洗，晾干后配合表面涂油，各零件不加工表面应清洗干净，除去毛边毛刺，浸涂防锈漆，在密封口缠绕多层生胶带，严格保证液压缸及液压缸与软管连接处的密封性；图1中有两套完全相同的小量程检测子系统，假定左边为A系统和右边为B系统，A系统和B系统均包含了小量程高精度位移传感器、柱塞式液压缸输出轴、柱塞式液压缸、柱塞式液压缸固定板、连接软管、活塞式液压缸、电动缸输出轴、电动缸缸体、固定底板、伺服电机等。下面以A系统为例说明：

根据图1和图2可以看出A系统处于三轴试验仪的左边，B系统处于三轴试验仪的右边。A系统中固定底板A11固定于地面上，活塞式液压缸A8和电动缸A缸体10通过螺栓固定于其上面。柱塞式液压缸A固定板6固定于竖直墙壁上，柱塞式液压缸A5通过螺栓固定于其上面。严格保证活塞式液压缸与柱塞式液压缸密封性和加工精度，两者缸径之比为一精确的定值。大型、超大型三轴试验加载过程中被测量移动轴1向下移动，最大行程可达500mm。同时被测量移动轴1带动轴向移动测量挡板2实现向下移动。移动测量挡板2的弹性变性可忽略，因此，移动测量挡板2的移动状况与被测量移动轴1完全相同。电动缸A输出轴9与活塞式液压缸A8中的活塞通过螺纹刚性连接，通过控制电动缸中的高精度伺服电机A12实现活塞的正向或反向精确运动，既而实现活塞式液压缸A8排出或注入液压油。活塞式液压缸A8通过软管A7与柱塞式液压缸A5相联通，当液压油注入柱塞式液压缸A5缸体后，柱塞缸A输出轴4将平稳向上运动，进而实现刚性固定于输出轴4顶端的小量程高精度位移传感器A3向上高精度定位移动，当液压油排出柱塞式液压缸A5缸体时，处于压缩状态的高弹性弹簧A23复位，实现小量程高精度位移传感器A3向下高精度定位移动。

以量程20mm(-10mm—10mm)，测量精度<0.1％，全量程输出电压信号0—10V)的小位移传感器为例说明测量的工作原理。测量开始前，A、B子系统中的伺服电机同时带动各自系统中的位移传感器向上运动，位移传感器朝向上的触头接触测量挡板后，输出检测信号，当输出电压达到5V时候，停止电机停止运动。此时两个小量程检测子系统中位移传感器一半量程被测量挡板压缩，处于等待检测工作状态。

测量开始后，A系统进入检测状态，对测量挡板进行高进度位移检测。若油缸/气缸向上运动时，A系统检测位移范围为0—9mm，电压输出范围为5—0.5V；若油缸/气缸向下运动时，检测位移范围为-9—0mm，输出信号范围为9.5—5V。B系统由伺服电机B带动下，一直保持位移传感器5V输出跟随测量挡板移动。假定油缸/气缸首先向下运动，当工作于检测状态的位移传感器A输出达到9.5V(-9mm)时，B系统中的伺服电机B停止运动，B系统由跟随状态进入到检测状态，而A系统在伺服电机A带动下，由检测状态进入到跟随状态，保持位移传感器A5V输出跟随测量挡板运动。当工作于检测状态的位移传感器A输出达到9.5V(-9mm)时，A系统由跟随状态切换至检测状态，而B系统在伺服电机B带动下，保持位移传感器B5V输出跟随测量挡板移动。就这样通过A、B系统反反复复分时、交替工作，实现对向下的测量挡板高精度位移检测。

当测量过程中油缸/气缸1向下运动过程中突然向上运动，此时，工作于检测状态的检测子系统对测量挡板2由向下变为向上位移检测，处于跟随状态的子系统，仍然随测量挡板保持5V输出运动。当工作于检测状态的子系统输出达到0.5V(9mm)时，该子系统切换至5V输出跟随状态，而另一个子系统工作状态转变为检测状态，检测位移范围为0—9mm，输出电压范围为5—0.5V。同样，A、B系统反反复复分时、交替工作，实现对向上的测量挡板高精度位移检测。

就这样通过A系统和B系统检测状态和跟随状态分时、交替精确切换，实现了大量程油缸/气缸输出轴双向高精度连续测量。

电动缸中的伺服电机12采用高精度位置控制式伺服电机，脉冲数为10000个/圈。丝杠的螺距采用5mm，具有较高的运动速度和位置控制精度，能够满足测量要求。小量程高精度位移传感器A3的传感元件调理成0-10V的信号电压，经过16位A/D转换由数据采集器接收，然后数据采集器把结果传送给计算机，由计算机判断A、B系统对向上或向下的测量挡板位移检测切换工作状态时的节点。

此外，选择高品质石油基液压油作为传动介质，保证了传动的平稳性，响应的快速和准确性，提高了控制精度。该装置结构灵巧、布局合理、适应性强、寿命长、测量精度高，解决了大量程全范围内的高精度双向测量问题，具有良好的经济性和推广价值。

Claims (1)

1.一种静液传动式大量程位移双向检测装置，其特征在于，该静液传动式大量程位移双向检测装置包括两套相同的小量程检测子系统：A系统和B系统；

A系统包括小量程高精度位移传感器A、柱塞式液压缸A输出轴、柱塞式液压缸A、柱塞式液压缸A固定板、连接软管A、活塞式液压缸A、电动缸A输出轴、电动缸A缸体、固定底板A和伺服电机A；B系统由小量程高精度位移传感器B、柱塞式液压缸B输出轴、柱塞式液压缸B、柱塞式液压缸B固定板、连接软管B、活塞式液压缸B、电动缸B输出轴、电动缸B缸体、固定底板B和伺服电机B；A系统和B系统完全相同，通过小量程高精度位移传感器A和小量程高精度位移传感器B均连接轴向移动测量挡板；

油缸/气缸输出轴即被测量移动轴在加载过程中带动轴向移动测量挡板主要实现向上或向下移动；

固定底板A固定于地面上，活塞式液压缸A和电动缸A缸体通过螺栓固定于固定底板A上；柱塞式液压缸A固定板固定于竖直墙壁上，柱塞式液压缸A通过螺栓固定于柱塞式液压缸A上；

电动缸A输出轴与活塞式液压缸A中的活塞刚性连接，由伺服电机和螺母丝杠副组成的高精度电动缸正向或反向运动带动活塞精确排出或排入液压油，活塞式液压缸A端口通过软管A与柱塞式液压缸A端口相连接，液压油注入到柱塞式液压缸A缸体内，推动柱塞式液压缸A输出轴平稳向上运动，进而带动于刚性固定于柱塞式液压缸A输出轴顶端的小量程高精度位移传感器A向上运动；当电动缸带动活塞反向运动，液压油排出柱塞式液压缸A缸体时，一端固定于柱塞缸A输出轴底部，另一端固定于柱塞缸A缸体上部的复位弹簧A的由压缩状态复位，带动柱塞式液压缸A输出轴平稳向下运动，实现小量程高精度位移传感器A向下运动。