CN106404368B - 高精密可调间隙机构的动力学参数测量实验方法与装置 - Google Patents

Abstract

高精密可调间隙机构的动力学参数测量实验方法与装置，驱动机构、间隙调节机构和数据采集机构。本发明在运转的时候调节方便、调整效率高、稳定好。通过采用具有一定柔性的锥形套筒，实现在不拆装机构的前提下测出在不同间隙下，机构转轴的速度、加速度、轴心运动轨迹、轴与轴套碰撞形成的穿刺变形量，以及碰撞力大小。避免了由于更换不同间隙轴套时拆装误差对实验结果的影响。另外，本发明通过安装在轴端的磁钢套、霍尔元件以及永磁铁，以形成霍尔效应的方式来测量，大大提高测量精度，且测量装置在机构轴套内部，能有效避免外部环境变化对测量结果的影响。装置内部密封，可以添加润滑油。

Description

高精密可调间隙机构的动力学参数测量实验方法与装置

技术领域

本发明属于航空航天机构控制精度研究领域,具体研究铰间间隙变化对机构动态特性的影响。

背景技术

间隙的存在对机构的动力学特性及运动精度的影响是十分严重的，因此，含间隙机构的动力学研究已经成为机械学领域重要的前沿课题。目前，通过科学手段正确分析间隙的存在对机构的运动学和动力学造成的影响，合理利用适当的方法来改善机构的动态特性，在工程中有着巨大的实际应用价值。而对于间隙机构的研究大多集中在理论方面，利用实验对间隙进行的研究相对较少。在实验室内的试验样机，基本上以含间隙的曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构为主，通过对转动副进行专门的设计和加工，来保证机构中存在着实验研究所期望的间隙值，然后利用测量装置对机构运转过程中各项参数，如振动频率、加速度、噪声等的测量，来观察间隙对机构性能的影响。

现有的实验测量装置中大部分采用更换轴套的方式来实现不同间隙对机构动力学特性的影响，更换繁琐，低效，而且容易造成不必要的误差，影响实验结果的准确性。此外，已有的几种装置没有考虑外界环境对机构运转的影响。轴和轴套之间多为干摩擦，而在实际工作中，转动副与转动副之间一定存在油润滑或脂润滑，使得实验装置与实际工作环境存在较大差异。在测量方法上，现有的测量机构通常采用在机构本体上添加传感器，例如速度传感器，力传感器等测量机构运转过程中的各项参数。由于机构间隙的存在，在工作过程中会有较强震动，外部传感器受其影响严重，且机构外部环境不同，对测量结果也会产生影响，这些都会导致测量数据误差偏大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调节方便、调整效率高、稳定性好、测量精度高，可有效避免外部环境变化对测量结果的影响，实现装置内部密封，结构合理、间隙可调的高精密可调间隙机构的动力学参数测量实验方法与装置。

本发明主要包括驱动机构、间隙调节机构和数据采集机构。

其中，驱动机构包括驱动摆杆、键A和轴。驱动摆杆通过键A与轴相连。驱动杆限位卡簧固定在轴的凹槽内，驱动摆杆右侧由轴肩固定，左侧由驱动杆限位卡簧固定。

间隙调节机构包括左固定支架、右固定支架、微调定位螺环、端盖、花式套筒、力均衡调整装置、精密挡油圈、螺旋套筒和键B。轴的两端分别延伸至左固定支架和右固定支架内，在轴的两端的端面上分别设有8块永磁垫铁B。在左固定支架和右固定支架的外侧均设有通孔，在左固定支架和右固定支架外侧的通孔处，分别通过螺栓与端盖相连。端盖通过螺钉与花式套筒的一端固定连接，温度传感器设在端盖的外壁上，在端盖上设有通孔。在端盖的中部设有螺纹孔，端盖通过螺纹连接调节顶针，调节顶针的端部设有球形滚珠。左固定支架和右固定支架分别通过螺栓与一个定位套筒相连，两个定位套筒分别置于左固定支架和右固定支架的内部。在左固定支架和右固定支架的外侧面均设有定位槽，定位套筒与定位槽卡接。在每个定位套筒的内部分别设有花式套筒，花式套筒的截面呈锥台形，在花式套筒的内壁上涂有一层绝缘材料。花式套筒与定位套筒通过定位套筒前端的锥形面相连接，以保证花式套筒与定位套筒中心轴线重合。在定位套筒和花式套筒之间设有调整垫片。定位套筒和花式套筒之间通过键B定位滑动连接。在花式套筒的一端设有螺纹，花式套筒与微调定位螺环通过螺纹连接。在花式套筒的内壁设有圆柱形凹槽，用来固定力均衡调整装置。力均衡调整装置由8片具有一定柔性的弧形垫片组成，在每个弧形垫片上均设有圆柱卡块，力均衡调整装置的弧形垫片均匀的排布在花式套筒内壁，并通过圆柱卡块嵌在花式套筒内壁的圆柱凹槽内，具有微小的轴向俯仰转动功能。在每个花式套筒的内部分别置有螺旋套筒，两个螺旋套筒分别套接在轴的两端。与花式套筒的另一端相邻处设有定位套圈，定位套圈套接在轴上，在轴和定位套圈之间通过精密挡油圈密封。螺旋套筒的外壁上设有螺旋，螺旋套筒的一端通过定位卡簧固定。

数据采集机构由霍尔元器件、磁钢套、永磁垫铁组成。磁钢套由一层绝缘层，8块均匀排布的永磁垫铁和一个设有开口的钢环组成。磁钢套粘贴在花式套筒的内壁上，8块永磁垫铁A均匀的镶嵌在花式套筒内壁的绝缘层上。永磁垫铁A和轴端面的永磁垫铁B磁极相异。在永磁垫铁A上套接一个钢环，钢环设有开口，钢环置于轴端面永磁垫铁B和永磁垫铁A所形成的磁场内。钢环的轴向两端面上分别设有一根导线，两根导线分别与电动势测量装置相连。霍尔元器件是一个柔性的弧形铁片，同样粘贴在花式套筒的内壁上，在霍尔元器件上下底面上分别设有一根导线，两根导线分别与电动势测量装置相连。霍尔元器件和磁钢套的导线均从端盖的通孔延伸至固定支架的外部。

高精密可调间隙机构的动力学参数测量实验方法如下：

1、驱动摆杆通过键B带动轴在螺旋套筒内转动；

2、旋紧(松)外部的微调定位螺环，控制与其用螺纹联接的花式套筒伸缩来调节轴套间隙；

3、调节间隙大小并固定位置，在驱动摆杆的作用下，使轴在螺旋套筒内旋转，通过霍尔触感器记录下在此间隙下，轴的转动速度、轴中心线在轴套内的运动轨迹、碰撞时发生在接触面的穿刺变形以及在速度交替时的加速度变化情况；

4、调整间隙值重复步骤3；

5、综合分析以上测出的数据，获得运动副间隙值的变化对机构动态特性的影响结果。

本发明在使用时，当轴运转时，根据霍尔原理，对于一个给定的霍尔器件，当偏置电流I固定时，UH将完全取决于被测的磁场强度B。由于外部电流给的是固定值，轴端面永磁垫铁与永磁垫铁所形成的磁场随着轴在轴套内的转动及轴心位置的不同而发生变化，导致所测得电动势不同。先标记轴和花式套筒同轴位置时的电动势大小和与内壁接触但不碰撞时的电动势大小，最后根据电动势大小与轴偏离轴心距离的线性关系求出变形量。由弹性形变公式(式中E为杨氏模数，为应力，ε为应变)可得碰撞力大小。在绝缘材料旁边固定一霍尔元器件，其主要受轴端面永磁垫铁所形成磁场的影响，同样在轴向两端面分别连接一根导线，运行时通以恒定电流，另两端连接两导线并与电动势测量装置相连。轴每转一圈，所测量电动势出现一个峰值，用于测量轴转速和角加速度。将实验数据输出到计算机接口，通过图像分析还可得出轴心运动轨迹，以上测得数据均可用来检验理论分析的正确性。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本装置在运转的时候调节方便、调整效率高、稳定好。通过采用具有一定柔性的锥形套筒，实现在不拆装机构的前提下测出在不同间隙下，机构转轴的速度、加速度、轴心运动轨迹、轴与轴套碰撞形成的穿刺变形量，以及碰撞力大小。避免了由于更换不同间隙轴套时拆装误差对实验结果的影响。另外，本发明通过安装在轴端的磁钢套、霍尔元件以及永磁铁，以形成霍尔效应的方式来测量，大大提高测量精度，且测量装置在机构轴套内部，能有效避免外部环境变化对测量结果的影响。装置内部密封，可以添加润滑油。

附图说明

图1为本发明的三维主视图。

图2为隐藏部分零件后的装置主视图。

图3为隐藏部分零件后的装置剖视图。

图4为本发明A-A剖视图。

图5为C部位的放大图。

图6为调节顶针(18)示意图。

图7为间隙调节机构示意图。

图8为驱动机构示意图。

图9为磁钢套(16)示意图。

图10为力均衡调节片示意图。

其中，1-1左固定支架、1-2右固定支架、2-定位套筒、3-微调定位螺环、4-温度传感器、5-轴、6-端盖、7-花式套筒、8-定位套圈、9-驱动摆杆、10-精密挡油圈、11-力均衡调整装置、12-螺旋套筒、13-定位卡簧、14-霍尔元器件、15-键A、16-磁钢套、16-1-绝缘层、16-2-永磁垫铁A、16-3-钢环、17-永磁垫铁B、18-调节顶针、19-键B、20-驱动杆限位卡簧、21-球形滚珠、22-调节垫片、23-圆柱卡块、300-数据处理装置、400-间隙调节机、500-驱动机构、600-数据采集机构。

具体实施方式

在图1至9所示的本发明的示意简图中，本发明主要包括驱动机构500、间隙调节机构400和数据采集机构600。

其中，驱动机构包括驱动摆杆9、键A19和轴5。驱动摆杆通过键A与轴相连。驱动杆限位卡簧20固定在轴的凹槽内，驱动摆杆9右侧由轴肩固定，左侧由驱动杆限位卡簧固定。

间隙调节机构400包括左固定支架1-1、右固定支架1-2、微调定位螺环3、端盖6、花式套筒7、力均衡调整装置11、精密挡油圈10、螺旋套筒12和键B15。轴的两端分别延伸至左固定支架和右固定支架内，在轴的两端的端面上分别设有8块永磁垫铁B17。在左固定支架和右固定支架的外侧均设有通孔，在左固定支架和右固定支架外侧的通孔处，分别通过螺栓与端盖相连。端盖通过螺钉与花式套筒的一端固定连接，温度传感器4设在端盖的外壁上，在端盖上设有通孔。在端盖的中部设有螺纹孔，端盖通过螺纹连接调节顶针18，调节顶针的端部设有球形滚珠21。左固定支架和右固定支架分别通过螺栓与一个定位套筒8相连，两个定位套筒分别置于左固定支架和右固定支架的内部。在左固定支架和右固定支架的外侧面均设有定位槽，定位套筒2与定位槽卡接。在每个定位套筒的内部分别设有花式套筒，花式套筒的截面呈锥台形，在花式套筒的内壁上涂有一层绝缘材料16-1。花式套筒与定位套筒通过定位套筒前端的锥形面相连接，以保证花式套筒与定位套筒中心轴线重合。在定位套筒和花式套筒之间设有调整垫片22。定位套筒和花式套筒之间通过键B定位滑动连接。在花式套筒的一端设有螺纹，花式套筒与微调定位螺环通过螺纹连接。在花式套筒的内壁设有圆柱形凹槽，用来固定力均衡调整装置。力均衡调整装置由8片具有一定柔性的弧形垫片组成，在每个弧形垫片上均设有圆柱卡块23，力均衡调整装置的弧形垫片均匀的排布在花式套筒内壁，并通过圆柱卡块嵌在花式套筒内壁的圆柱凹槽内，具有微小的轴向俯仰转动功能。在每个花式套筒的内部分别置有螺旋套筒，两个螺旋套筒分别套接在轴的两端。与花式套筒的另一端相邻处设有定位套圈，定位套圈套接在轴上，在轴和定位套圈之间通过精密挡油圈密封。螺旋套筒的外壁上设有螺旋，螺旋套筒的一端通过定位卡簧13固定。

数据采集机构300由霍尔元器件14、磁钢套16、永磁垫铁16-2组成。磁钢套由一层绝缘层16-1，8块均匀排布的永磁垫铁16-2和一个设有开口的钢环16-3组成。磁钢套粘贴在花式套筒的内壁上，8块永磁垫铁A均匀的镶嵌在花式套筒内壁的绝缘层上。永磁垫铁A和轴端面的永磁垫铁B磁极相异。在永磁垫铁A上套接一个钢环，钢环设有开口，钢环置于轴端面永磁垫铁B和永磁垫铁A所形成的磁场内。钢环的轴向两端面上分别设有一根导线，两根导线分别与电动势测量装置相连。霍尔元器件是一个柔性的弧形铁片，同样粘贴在花式套筒的内壁上，在霍尔元器件上下底面上分别设有一根导线，两根导线分别与电动势测量装置相连。霍尔元器件和磁钢套的导线均从端盖的通孔延伸至固定支架的外部。

高精密可调间隙机构的动力学参数测量实验方法如下：

1、驱动摆杆通过键B带动轴在螺旋套筒内转动；

2、旋紧(松)外部的微调定位螺环，控制与其用螺纹联接的花式套筒伸缩来调节轴套间隙；

3、调节间隙大小并固定位置，在驱动摆杆的作用下，使轴在螺旋套筒内旋转，通过霍尔触感器记录下在此间隙下，轴的转动速度、轴中心线在轴套内的运动轨迹、碰撞时发生在接触面的穿刺变形以及在速度交替时的加速度变化情况；

4、调整间隙值重复步骤3；

5、综合分析以上测出的数据，获得运动副间隙值的变化对机构动态特性的影响结果。

Claims (2)

1.高精密可调间隙机构的动力学参数测量装置，主要包括驱动机构、间隙调节机构和数据采集机构；其特征在于：驱动机构包括驱动摆杆、键A和轴，驱动摆杆通过键A与轴相连，驱动杆限位卡簧固定在轴的凹槽内，驱动摆杆右侧由轴肩固定，左侧由驱动杆限位卡簧固定，间隙调节机构包括左固定支架、右固定支架、微调定位螺环、端盖、花式套筒、力均衡调整装置、精密挡油圈、螺旋套筒和键B，轴的两端分别延伸至左固定支架和右固定支架内，在轴的两端的端面上分别设有8块永磁垫铁B，在左固定支架和右固定支架的外侧均设有通孔，在左固定支架和右固定支架外侧的通孔处，分别通过螺栓与端盖相连，端盖通过螺钉与花式套筒的一端固定连接，温度传感器设在端盖的外壁上，在端盖上设有通孔，在端盖的中部设有螺纹孔，端盖通过螺纹连接调节顶针，调节顶针的端部设有球形滚珠，左固定支架和右固定支架分别通过螺栓与一个定位套筒相连，两个定位套筒分别置于左固定支架和右固定支架的内部，在左固定支架和右固定支架的外侧面均设有定位槽，定位套筒与定位槽卡接，在每个定位套筒的内部分别设有花式套筒，花式套筒的截面呈锥台形，在花式套筒的内壁上涂有一层绝缘材料，花式套筒与定位套筒通过定位套筒前端的锥形面相连接，以保证花式套筒与定位套筒中心轴线重合，在定位套筒和花式套筒之间设有调整垫片，定位套筒和花式套筒之间通过键B定位滑动连接，在花式套筒的一端设有螺纹，花式套筒与微调定位螺环通过螺纹连接，在花式套筒的内壁设有圆柱形凹槽，用来固定力均衡调整装置，力均衡调整装置由8片具有一定柔性的弧形垫片组成，在每个弧形垫片上均设有圆柱卡块，力均衡调整装置的弧形垫片均匀的排布在花式套筒内壁，并通过圆柱卡块嵌在花式套筒内壁的圆柱凹槽内，在每个花式套筒的内部分别置有螺旋套筒，两个螺旋套筒分别套接在轴的两端，与花式套筒的另一端相邻处设有定位套圈，定位套圈套接在轴上，在轴和定位套圈之间通过精密挡油圈密封，螺旋套筒的外壁上设有螺旋，螺旋套筒的一端通过定位卡簧固定，数据采集机构由霍尔元器件、磁钢套、永磁垫铁组成，磁钢套由一层绝缘层，8块均匀排布的永磁垫铁和一个设有开口的钢环组成，磁钢套粘贴在花式套筒的内壁上，8块永磁垫铁A均匀的镶嵌在花式套筒内壁的绝缘层上，永磁垫铁A和轴端面的永磁垫铁B磁极相异，在永磁垫铁A上套接一个钢环，钢环设有开口，钢环置于轴端面永磁垫铁B和永磁垫铁A所形成的磁场内，钢环的轴向两端面上分别设有一根导线，两根导线分别与电动势测量装置相连，霍尔元器件是一个柔性的弧形铁片，同样粘贴在花式套筒的内壁上，在霍尔元器件上下底面上分别设有一根导线，两根导线分别与电动势测量装置相连，霍尔元器件和磁钢套的导线均从端盖的通孔延伸至固定支架的外部。

2.根据权利要求1所述的高精密可调间隙机构的动力学参数测量装置的实验方法，其特征在于：(1)驱动摆杆通过键B带动轴在螺旋套筒内转动；(2)旋紧(松)外部的微调定位螺环，控制与其用螺纹联接的花式套筒伸缩来调节轴套间隙；(3)调节间隙大小并固定位置，在驱动摆杆的作用下，使轴在螺旋套筒内旋转，通过霍尔触感器记录下在此间隙下，轴的转动速度、轴中心线在轴套内的运动轨迹、碰撞时发生在接触面的穿刺变形以及在速度交替时的加速度变化情况；(4)调整间隙值重复步骤3；(5)综合分析以上测出的数据，获得运动副间隙值的变化对机构动态特性的影响结果。