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一种单刃直线切削负载特性测试平台 Download PDF

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Abstract

一种单刃直线切削负载特性测试平台，属于月面采样返回探测技术领域。本发明解决了现有技术中缺少对模拟月壤进行切削性能测试的测试平台的问题。它包括水平设置的底座、垂直固接在底座上方的机架、固设在底座上方且位于机架一侧的六维力传感器、装设在六维力传感器上方的广义模拟月壤以及设置在机架上的进尺驱动部件、冲击驱动部件、主运动驱动部件，冲击驱动部件滑动设置在水平导轨上，主运动驱动部件固设在机架上，冲击驱动部件通过主运动驱动部件的动力输出端实现其沿水平方向的滑动，进尺驱动部件固设在机架上且位于水平导轨与机架之间，水平导轨通过进尺驱动部件实现其沿竖直方向的滑动，冲击驱动部件上设置有刀具。

Description

一种单刃直线切削负载特性测试平台
技术领域
本发明涉及一种单刃直线切削负载特性测试平台，属于月面采样返回探测技术领域。
背景技术
单刃直线切削负载特性测试平台是月面采样返回探测的重要实验平台。由于利用钻探取芯的方式可采集月面表层质料样品，而且所得到的月壤及月岩样品层理信息较为丰富，因此目前国外已经成功应用的深层月壤采集工具均采用钻探取芯的方式。但是在深层月壤采集模拟试验过程中，月壤的密实度差异会导致地面模拟试验所测参数发生较大的变化。因此基于月壤密度采集压制法制备广义模拟月壤，并对该广义模拟月壤进行力学特性测试试验，以确保后续单刃切削试验中切削对象的一致性。而在展开后续钻进负载力学特性分析之前，进行单刃切削模型的试验验证对确定该解耦模型的可行性及准确性极其重要，因此需要研制一种测试平台为上述试验验证提供实验条件。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中缺少对模拟月壤进行切削性能测试的测试平台的问题，进而提供了一种单刃直线切削负载特性测试平台。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种单刃直线切削负载特性测试平台，它包括水平设置的底座、垂直固接在底座上方的机架、固设在底座上方且位于机架一侧的六维力传感器、装设在六维力传感器上方的广义模拟月壤以及设置在机架上的进尺驱动部件、冲击驱动部件、主运动驱动部件，所述机架上靠近广义模拟月壤的一侧固设有一对竖直导轨以及滑动设置在竖直导轨上的一对水平导轨，所述冲击驱动部件滑动设置在水平导轨上，所述主运动驱动部件固设在机架上，冲击驱动部件通过主运动驱动部件的动力输出端实现其沿水平方向的滑动，所述进尺驱动部件固设在机架上且位于水平导轨与机架之间，水平导轨通过进尺驱动部件实现其沿竖直方向的滑动，冲击驱动部件上设置有刀具，刀具的切削刃位于底座与冲击驱动部件之间。
进一步地，所述冲击驱动部件包括安装架、第一伺服电机、限位罩、冲击凸轮、冲击块、储能弹簧及相互啮合的主动齿轮和从动齿轮，所述安装架滑动设置在水平导轨上，所述第一伺服电机及限位罩均竖直固接在安装架上，所述冲击凸轮、冲击块及储能弹簧均设置在限位罩内，其中冲击凸轮竖直且转动设置在限位罩内，冲击块配合设置在冲击凸轮的顶部且冲击块的顶端通过储能弹簧与限位罩连接，主动齿轮固接在第一伺服电机的输出端，从动齿轮与冲击凸轮同轴固接，限位罩内部的顶端固接有限位柱，所述限位柱穿设在储能弹簧内，刀具的上部同轴穿设在冲击凸轮内且与限位柱通过花键副竖向滑动连接，冲击块的内壁底端与刀具的顶端上下正对设置，刀具的切削刃位于从动齿轮下方。
进一步地，安装架上水平固接有激振齿轮箱，所述主动齿轮和所述从动齿轮均设置在激振齿轮箱内。
进一步地，所述刀具包括刀柄及固接在刀柄下端的刀头，刀柄同轴穿设在冲击轮内。
进一步地，所述主运动驱动部件为直线电动缸。
进一步地，一对水平导轨通过竖直设置的安装板固接，所述进尺驱动部件包括固接在机架上的第二伺服电机、通过挠性联轴器与第二伺服电机固接的滚珠丝杠、固接安装板上远离冲击驱动部件的一侧且与滚珠丝杠配合连接的丝母。
进一步地，安装板的侧壁与竖直导轨之间的位置安装有磁栅尺，其中磁栅尺的尺头固装在安装板的侧壁，磁栅尺的尺条固装在机架上靠近安装板的一侧壁。
进一步地，所述一对竖直导轨相互平行设置的，所述一对水平导轨相互平行设置。
进一步地，机架的上部固设有两组定滑轮，所述两组定滑轮上一一对应绕设有两根拉绳，拉绳的一端与安装板固接，拉绳的另一端固接有配重块。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请通过主运动驱动部件实现刀具的直线进给运动，通过进尺驱动部件实现刀具的进尺与退刀操作，通过冲击驱动部件实现冲击切削模式，本平台通过调整切削速率、切削深度、冲击频率、冲击功等切削参数，并通过磁栅尺传感器获知切削深度波动量随切削力、切削压力以及切削参数的变化趋势，为广义模拟月壤在切削模式、冲击切削模式下的负载特性验证提供实验条件。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为冲击驱动部件的主剖视示意图；
图3为冲击驱动部件的结构简图；
图4为主运动驱动部件的结构简图；
图5为进尺驱动部件的结构简图；
图6为广义模拟月壤的装夹示意简图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～6说明本实施方式，一种单刃直线切削负载特性测试平台，它包括水平设置的底座1、垂直固接在底座1上方的机架2、固设在底座1上方且位于机架2一侧的六维力传感器3、装设在六维力传感器3上方的广义模拟月壤4以及设置在机架2上的进尺驱动部件5、冲击驱动部件6、主运动驱动部件7，所述机架2上靠近广义模拟月壤4的一侧固设有一对竖直导轨8以及滑动设置在竖直导轨8上的一对水平导轨9，所述冲击驱动部件6滑动设置在水平导轨9上，所述主运动驱动部件7固设在机架2上，冲击驱动部件6通过主运动驱动部件7的动力输出端实现其沿水平方向的滑动，所述进尺驱动部件5固设在机架2上且位于水平导轨9与机架2之间，水平导轨9通过进尺驱动部件5实现其沿竖直方向的滑动，冲击驱动部件6上设置有刀具10，刀具10的切削刃10-1位于底座1与冲击驱动部件6之间。
刀具10切削刃10-1的主运动为水平方向的直线切削运动，竖直导轨8与水平导轨9构成导轨副，
冲击驱动部件6通过导轨副与机架2相连接，冲击驱动部件6的作用是向切削刃10-1施加一定频率和能量的冲击功，以实现冲击切削模式。
主运动驱动部件7用于推动冲击驱动部件6沿水平方向作往复切削运动，进而实现其上的切削刃10-1沿水平方向的切削运动。
进尺驱动部件5驱动水平导轨9及其上的冲击驱动部件6作上下往复直线运动，用于实现切削刃10-1的进尺和退刀操作。
本申请中所述的广义模拟月壤4主要指代的是月球土壤中颗粒状月壤和块状月岩的模拟物，其相对密度、可钻性以及化学成分与真实月壤具有相似性，因此作为试验过程中的切削对象。广义模拟月壤4被放置在月壤槽中，该月壤槽通过夹具12被夹紧固定在底座1上且与机架2通过六维力传感器3固连，以实时获取切削过程中的切削力和切削压力，从而选择恰当的切削力，实现更好的切削效果。
机架2是单刃切削试验台的主要承力部件，试验过程中产生的力载最终会传递到机架2上，故机架2要具有足够的强度和刚度，以保证试验过程中试验台的整体刚度。。
利用单刃切削试验台对月壤切削破碎过程中的单刃切削双楔形失效模型中的部分变量参数进行试验验证。
所述冲击驱动部件6包括安装架6-1、第一伺服电机6-2、限位罩6-3、冲击凸轮6-4、冲击块6-5、储能弹簧6-6及相互啮合的主动齿轮6-7和从动齿轮6-8，所述安装架6-1滑动设置在水平导轨9上，所述第一伺服电机6-2及限位罩6-3均竖直固接在安装架6-1上，所述冲击凸轮6-4、冲击块6-5及储能弹簧6-6均设置在限位罩6-3内，其中冲击凸轮6-4竖直且转动设置在限位罩6-3内，冲击块6-5配合设置在冲击凸轮6-4的顶部且冲击块6-5的顶端通过储能弹簧6-6与限位罩6-3连接，主动齿轮6-7固接在第一伺服电机6-2的输出端，从动齿轮6-8与冲击凸轮6-4同轴固接，限位罩6-3内部的顶端固接有限位柱，所述限位柱穿设在储能弹簧6-6内，刀具10的上部同轴穿设在冲击凸轮6-4内且与限位柱通过花键副竖向滑动连接，冲击块6-5的内壁底端与刀具10的顶端上下正对设置，刀具10的切削刃10-1位于从动齿轮6-8下方。冲击凸轮6-4与限位罩6-3之间设置有一对角接触球轴承。第一伺服电机6-2可以为减速电机，通过其内的行星齿轮减速器将动力传递冲击凸轮6-4。第一伺服电机6-2工作时，通过主动齿轮6-7与从动齿轮6-8的啮合，实现动力源与冲击凸轮6-4之间的动力传递，从动齿轮6-8带动冲击凸轮6-4作回转运动，冲击凸轮6-4推动贴合在其廓线上的冲击块6-5向上运动，冲击块6-5压缩储能弹簧6-6储存能量，冲击凸轮6-4转过升程运动角后，脱离与冲击块6-5的接触，冲击块6-5在储能弹簧6-6的推动作用下向下作加速运动并撞击刀具10从而实现对切削刃10-1施加冲击作用。通过设定第一伺服电机6-2的输出转速及更换不同刚度的储能弹簧6-6实现冲击功能量的大小及冲击频率的调节。
安装架6-1上水平固接有激振齿轮箱6-9，所述主动齿轮6-7和所述从动齿轮6-8均设置在激振齿轮箱6-9内。限位罩6-3通过螺栓固接在激振齿轮箱6-9上。
所述刀具10包括刀柄10-2及固接在刀柄10-2下端的刀头10-3，刀柄10-2同轴穿设在冲击凸轮6-4内。通过花键副使刀柄10-2沿其轴线方向上有一定的串动余量；切削刃10-1通过螺钉固定在刀柄10-2上，从而完成冲击过程。
所述主运动驱动部件7为直线电动缸。通过控制系统调节电动缸的推动作用下，冲击驱动部件6可在水平导轨9上做往复运动，进而实现切削刃10-1沿水平方向的切削运动。
一对水平导轨9通过竖直设置的安装板16固接，所述进尺驱动部件5包括固接在机架2上的第二伺服电机5-1、通过挠性联轴器与第二伺服电机5-1固接的滚珠丝杠5-2、固接安装板16上远离冲击驱动部件6的一侧且与滚珠丝杠5-2配合连接的丝母5-3。滚珠丝杠5-2与丝母5-3构成滚珠丝杠5-2副，采用丝杠固定丝母5-3游动的安装方式，第二伺服电机5-1工作时，丝母5-3带动安装板16及固接在其上的冲击驱动部件6及刀具10完成进尺与退刀过程。
安装板16的侧壁与竖直导轨8之间的位置安装有磁栅尺13，其中磁栅尺13的尺头固装在安装板16的侧壁，磁栅尺13的尺条固装在机架2上靠近安装板16的一侧壁。用以精确计量进尺与退刀的位移量。
所述一对竖直导轨8相互平行设置的，所述一对水平导轨9相互平行设置。
机架2的上部固设有两组定滑轮14，所述两组定滑轮14上一一对应绕设有两根拉绳15，拉绳15的一端与安装板16固接，拉绳15的另一端固接有配重块。用于保证第二伺服电机5-1的恒力进给。
工作原理：
主运动驱动部件7通过控制系统调节电动缸的推动，冲击驱动部件6可在水平导轨9上做往复直线运动，进而实现推动切削刃10-1沿水平方向作切削运动。进尺驱动部件5通过滚珠丝杠5-2副将第二伺服电机5-1输出的回转运动转化为直线运动以驱动冲击驱动部件6沿竖直导轨8作往复直线运动，以实现切削刃10-1的进尺和退刀操作。冲击驱动部件6是由冲击凸轮6-4与从动齿轮6-8连接为一体，通过冲击凸轮6-4与从动齿轮6-8的运动实现向切削刃10-1施加一定频率和能量的冲击功。

Claims (9)

1.一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：它包括水平设置的底座(1)、垂直固接在底座(1)上方的机架(2)、固设在底座(1)上方且位于机架(2)一侧的六维力传感器(3)、装设在六维力传感器(3)上方的广义模拟月壤(4)以及设置在机架(2)上的进尺驱动部件(5)、冲击驱动部件(6)、主运动驱动部件(7)，所述机架(2)上靠近广义模拟月壤(4)的一侧固设有一对竖直导轨(8)以及滑动设置在竖直导轨(8)上的一对水平导轨(9)，所述冲击驱动部件(6)滑动设置在水平导轨(9)上，所述主运动驱动部件(7)固设在机架(2)上，冲击驱动部件(6)通过主运动驱动部件(7)的动力输出端实现其沿水平方向的滑动，所述进尺驱动部件(5)固设在机架(2)上且位于水平导轨(9)与机架(2)之间，水平导轨(9)通过进尺驱动部件(5)实现其沿竖直方向的滑动，冲击驱动部件(6)上设置有刀具(10)，刀具(10)的切削刃(10-1)位于底座(1)与冲击驱动部件(6)之间。
2.根据权利要求1所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：所述冲击驱动部件(6)包括安装架(6-1)、第一伺服电机(6-2)、限位罩(6-3)、冲击凸轮(6-4)、冲击块(6-5)、储能弹簧(6-6)及相互啮合的主动齿轮(6-7)和从动齿轮(6-8)，所述安装架(6-1)滑动设置在水平导轨(9)上，所述第一伺服电机(6-2)及限位罩(6-3)均竖直固接在安装架(6-1)上，所述冲击凸轮(6-4)、冲击块(6-5)及储能弹簧(6-6)均设置在限位罩(6-3)内，其中冲击凸轮(6-4)竖直且转动设置在限位罩(6-3)内，冲击块(6-5)配合设置在冲击凸轮(6-4)的顶部且冲击块(6-5)的顶端通过储能弹簧(6-6)与限位罩(6-3)连接，主动齿轮(6-7)固接在第一伺服电机(6-2)的输出端，从动齿轮(6-8)与冲击凸轮(6-4)同轴固接，限位罩(6-3)内部的顶端固接有限位柱，所述限位柱穿设在储能弹簧(6-6)内，刀具(10)的上部同轴穿设在冲击凸轮(6-4)内且与限位柱通过花键副竖向滑动连接，冲击块(6-5)的内壁底端与刀具(10)的顶端上下正对设置，刀具(10)的切削刃(10-1)位于从动齿轮(6-8)下方。
3.根据权利要求2所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：安装架(6-1)上水平固接有激振齿轮箱(6-9)，所述主动齿轮(6-7)和所述从动齿轮(6-8)均设置在激振齿轮箱(6-9)内。
4.根据权利要求2或3所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：所述刀具(10)包括刀柄(10-2)及固接在刀柄(10-2)下端的刀头(10-3)，刀柄(10-2)同轴穿设在冲击凸轮(6-4)内。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：所述主运动驱动部件(7)为直线电动缸。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：一对水平导轨(9)通过竖直设置的安装板(16)固接，所述进尺驱动部件(5)包括固接在机架(2)上的第二伺服电机(5-1)、通过挠性联轴器与第二伺服电机(5-1)固接的滚珠丝杠(5-2)、固接安装板(16)上远离冲击驱动部件(6)的一侧且与滚珠丝杠(5-2)配合连接的丝母(5-3)。
7.根据权利要求6所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：安装板(16)的侧壁与竖直导轨(8)之间的位置安装有磁栅尺(13)，其中磁栅尺(13)的尺头固装在安装板(16)的侧壁，磁栅尺(13)的尺条固装在机架(2)上靠近安装板(16)的一侧壁。
8.根据权利要求1、2、3或7所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：所述一对竖直导轨(8)相互平行设置的，所述一对水平导轨(9)相互平行设置。
9.根据权利要求6所述的一种单刃直线切削负载特性测试平台，其特征在于：机架(2)的上部固设有两组定滑轮(14)，所述两组定滑轮(14)上一一对应绕设有两根拉绳(15)，拉绳(15)的一端与安装板(16)固接，拉绳(15)的另一端固接有配重块。
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