CN110261228B - 一种复杂多维力学加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂多维力学加载装置，包括上固定座和下固定座，下固定座上自下往上依次设有第一Z轴旋转台、Y轴位移台以及第二Z轴旋转台，第二Z轴旋转台上安装有放置待测样品的样品台，上固定座位于样品台正上方，上固定座底面安装有Z轴位移台，Z轴位移台底面安装有带触头的六轴力学传感器，样品台两侧分设有第一X轴位移台、第二X轴位移台，第一X轴位移台上固定有位移传感器，第二X轴位移台上固定有拉力传感器，第一X轴位移台前端固定有左夹具，拉力传感器前端固定有与左夹具配合夹持待测样品的右夹具。本发明通过对样品同时加载二维拉力和三维压力，以满足材料和复杂多维力学传感器研究中对复杂多维力加载需求。

Description

一种复杂多维力学加载装置

技术领域

本发明涉及力学加载实验装置技术领域，尤其是一种复杂多维力学加载装置。

背景技术

力学加载装置是实验室、科研院所、工厂等单位用于力学性能实验的专用实验装置。对于一些材料、复杂多维力学传感器的研究，需要对其同时施加二维拉力和三维压力，以对复杂多维力学作用进行校准和解耦。目前，按照力学加载维度分，力学加载装置主要包括单轴拉伸试验机和压力机，也有一些实验室自主搭建的二维拉力加载装置和三维压力加载装置，而尚无具有能够同时加载二维拉力和三维压力这种复杂多维力作用的力学加载装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种复杂多维力学加载装置，通过对样品同时加载二维拉力和三维压力，以满足材料和复杂多维力学传感器研究中对复杂多维力加载需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复杂多维力学加载装置，包括上固定座和下固定座，所述的下固定座上自下往上依次设有第一Z轴旋转台、Y轴位移台以及第二Z轴旋转台，第二Z轴旋转台上安装有放置待测样品的样品台，上固定座位于样品台正上方，上固定座底面安装有Z轴位移台，Z轴位移台底面安装有带触头的六轴力学传感器，位于样品台两侧分设有第一X轴位移台、第二X轴位移台，第一X轴位移台上固定有位移传感器，第二X轴位移台上固定有拉力传感器，所述第一X轴位移台前端固定有左夹具，所述拉力传感器前端固定有与左夹具配合夹持待测样品的右夹具。

具体说，所述的下固定座还具有分设于两侧的左立柱和右立柱，第一X轴位移台固定在左立柱上，第二X轴位移台固定在右立柱上，位移传感器的自由端固定在左立柱上。

优选地，所述的Y轴位移台位移为0时，所述第二Z轴旋转台的轴心、第一Z轴旋转台的轴心、样品台的轴心、六轴力学传感器的Z轴轴心、触头的轴心和样品的轴心位于同一条共轴直线之上。

进一步地，当所述的第一X轴位移台和第二X轴位移台的位移为0时，所述左夹具和右夹具相对接，且所述对接线与第二Z轴旋转台的轴心与第一Z轴旋转台的轴心连成的共轴直线相交。

本发明工作原理如下：

所述Z轴位移台带动六轴力学传感器和触头沿Z轴方向运动，当触头下压到样品后，所述六轴力学传感器反馈Z轴压力，以此用于对样品施加Z轴压力。

所述第二Z轴旋转台带动样品台和样品绕Z轴旋转角度θ₁，或由第一Z轴旋转台带动Y轴位移台、第二Z轴旋转台、样品台及样品绕Z轴旋转角度θ₁；再由Z轴位移台带动六轴力学传感器和触头沿Z轴方向运动到特定位置，使触头与样品相接触，Y轴位移台带动第二Z轴旋转台、样品台和样品进行运动，所述六轴力学传感器反馈Y轴和X轴压力的合力，此压力方向与样品的Y’轴成角度θ₁，由此可对样品施加XY平面内任意方向的压力。

对样品同时施加Z轴压力和XY平面内任意方向的压力，其合力结果是对样品施加XYZ三维方向内任意方向的压力。

所述第二Z轴旋转台带动所述样品台和样品绕Z轴旋转角度θ₂，或由所述第一Z轴旋转台带Y轴位移台、第二Z轴旋转台、样品台和样品绕Z轴旋转角度θ₂；然后由第一X轴位移台带动位移传感器、左夹具和样品进行远离样品中心的运动，所述第二X轴位移台带动拉力传感器、夹具、样品进行远离样品中心的运动，位移传感器反馈位移，此位移与样品的X’轴成角度θ₂，拉力传感器反馈拉力，此拉力与样品的X’轴成角度θ₂，由此可对样品施加XY平面内任意方向的位移和压力。

所述第一Z轴旋转台带动所述Y轴位移台、第二Z轴旋转台、样品台和样品旋转角度θ₃，再由所述第二Z轴旋转台带动所述样品台和样品旋转角度θ₄；所述第一X轴位移台带动所述位移传感器、左夹具和样品进行远离样品中心的运动，所述第二X轴位移台带动拉力传感器、右夹具、样品进行远离样品中心的运动，位移传感器反馈位移，此位移与样品的X’轴成角度θ₃±θ₄，拉力传感器反馈拉力，此拉力与样品的X’轴成角度θ₃±θ₄；同时，所述Z轴位移台带动所述六轴力学传感器和触头沿Z轴方向运动到特定位置，使触头与样品表面相接触，再由所述Y轴位移台带动所述第二Z轴旋转台、样品台和样品进行运动，所述六轴力学传感器反馈Y和X轴压力，此压力样品的Y’轴成角度θ₄，由此可对样品同时加载XYZ三维方向内任意方向的压力和XY平面内任意方向的拉力和位移。

本发明的有益效果是：本发明可以对样品加载XYZ三维方向内任意方向的压力；也可以对样品加载XY二维平面内任意方向的拉力和位移；还可以对样品加载XY二维平面内任意方向拉力和位移的同时，对样品加载XYZ三维方向内任意方向的压力，从而满足了材料和复杂多维力学传感器研究中对复杂多维力加载需求

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2为初始状态下样品摆放示意图。

图3为第二Z轴旋转台顺时针旋转角度α后的样品摆放示意图。

图4为第一Z轴旋转台逆时针旋转角度β后的样品摆放示意图。

图5为第一Z轴旋转台逆时针旋转角度β，第二Z轴旋转台顺时针旋转角度γ后的样品摆放示意图。

图1中：1.第二Z轴旋转台，2.Y轴位移台，3.第一Z轴旋转台，4.Z轴位移台，5.六轴力学传感器，6.触头，7.第一X轴位移台，8.第二X轴位移台，9.位移传感器，10.拉力传感器，11.左夹具，12.右夹具，13.样品台，14.左立柱，15.右立柱，16.下固定座，17.上固定座，18.样品。

图2中：18.样品，19.拉力加载方向，20.XY平面内压力加载方向，其中XY为本发明所述加载装置的坐标系，X’Y’为样品所在的坐标系。

图3中：21：旋转角度α。

图4中：22：旋转角度β。

图5中：23：旋转角度γ，是XY平面内压力加载方向和样品方向Y’之间的夹角，24：角度β-γ，是拉力加载方向和样品方向X’之间的夹角。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种复杂多维力学加载装置，包括第二Z轴旋转台1、第一Z轴旋转台3、Y轴位移台2、Z轴位移台4、六轴力学传感器5、触头6、第一X轴位移台7、第二X轴位移台8、位移传感器9、拉力传感器10、左夹具11、右夹具12、样品台13、左立柱14、右立柱15、下固定座16以及上固定座17。

所述第一Z轴旋转台3固定在下固定座16之上，所述Y轴位移台2固定在第一Z轴旋转台3之上，所述第二Z轴旋转台1固定在所述Y轴位移台2之上，所述样品台13固定在第二Z轴旋转台1之上。

所述上固定座17可通过转接件固定在下固定座16之上，其位置位于所述样品台13正上方，所述Z轴位移台4固定在所述上固定座17底面，所述六轴力学传感器5固定在所述Z轴位移台4底面，所述触头6固定在所述六轴传感器5底面。

所述的下固定座16包括底板、左立柱14和右立柱15，左立柱14和右立柱15分别固定在底板两侧，也即分别位于第一Z轴旋转台3所固定位置的两侧；所述第一X轴位移台7固定在左立柱14上，第二X轴位移台8固定在右立柱15上；所述位移传感器10固定在第一X轴位移台7上，所述位移传感器10自由端固定在所述左立柱14上；所述拉力传感器10固定在所述第二X轴位移台8之上；所述左夹具11固定在所述第一X轴位移台7上，所述右夹具12固定在所述拉力传感器10上。

当Y轴位移台2位移为0时，所述第二Z轴旋转台1的轴心、第一Z轴旋转台3的轴心、样品台13的轴心、六轴力学传感器5的Z轴轴心、触头6的轴心和样品18的轴心在同一条共轴直线之上；所述第二Z轴旋转台1和第一Z轴旋转台3可逆时针旋转角度360°，也可顺时针旋转角度360°。

所述第一X轴位移台7和第二X轴位移台8可由两个电机同步驱动，也可由一个电机经传动装置进行同步驱动；当所述第一X轴位移台7和第二X轴位移台8位移为0时，所述左夹具11和右夹具12相对接，并且所形成的对接线与上述Z轴共轴直线相交。

测试方式一：采用所述加载装置，对薄膜试样加载XYZ三维方向内的压力，其中顺时针旋转角度取正值，逆时针旋转角度取负值。

如图1～3所示，首先，将样品18的坐标X’Y’与加载装置坐标XY重合后，样品18放置于样品台13上；然后，第二Z轴旋转台1带动样品台13和样品18顺时针旋转角度α；再由Z轴位移台4带动六轴力学传感器5、触头6向下运动，六轴力学传感器5反馈Z轴压力值为F_z时，停止Z轴位移台4的运动；之后Y轴位移台2带动第二Z轴旋转台1、样品台13和样品18进行运动，六轴力学传感器5反馈Y轴压力值为F_Y时，停止Y轴位移台2的运动。此时，加载于样品18上的压力为

该压力在样品18坐标X’Y’Z’内的方向为(-F_Ysinα，F_Ycosα，F_z)。

测试方式二：采用所述加载装置，对薄膜试样加载XY二维方向内的拉力和位移，其中顺时针旋转角度取正值，逆时针旋转角度取负值。

如图1、2和4所示，首先，将样品18的坐标X’Y’与加载装置坐标XY重合，样品18放置于样品台13之上；然后，所述第一Z轴旋转台3带动Y轴位移台2、第二Z轴旋转台1、样品台13和样品18逆时针旋转角度β；之后所述第一X轴位移台7带动所述位移传感器9、左夹具11和样品18进行远离样品18中心的运动，所述第二X轴位移台8带动拉力传感器10、夹具12、样品18进行远离样品18中心的运动，所述位移传感器9反馈位移d，此位移在样品18的X’Y’内的方向为(dcosβ，dsinβ)，所述拉力传感器10反馈拉力F_T，此拉力在样品18的X’Y’内的方向为(F_Tcosβ，F_Tsinβ)。

测试方式三：采用所述加载装置，对薄膜试样加载XY二维方向内的拉力和位移，同时加载XYZ三维方向内的压力，其中顺时针旋转角度取正值，逆时针旋转角度取负值。

如图1、2和5所示，首先，将样品18的坐标X’Y’与加载装置坐标XY重合，样品18置于样品台13之上；然后，所述第一Z轴旋转台3带动Y轴位移台2、第二Z轴旋转台1、样品台13和样品18逆时针旋转角度β；之后，所述第二Z轴旋转台1带动样品台13和样品18顺时针旋转角度γ；再由所述第一X轴位移台7带动所述位移传感器9、左夹具11和样品18进行远离样品18中心的运动，所述第二X轴位移台8带动拉力传感器10、右夹具12、样品18进行远离样品18中心的运动，位移传感器9反馈位移d，此位移在样品18坐标X’Y’Z’内的方向为(dcos(β+γ)，dsin(β+γ))，拉力传感器10反馈拉力F_T，此拉力在样品18坐标X’Y’Z’内的方向为(dcos(β+γ)，dsin(β+γ))；同时，所述Z轴位移台4带动六轴力学传感器5、触头6向下运动，六轴力学传感器5反馈Z轴压力值为F_z时，停止Z轴位移台4的运动；再由所述Y轴位移台2带动所述第二Z轴旋转台1、样品台13和样品18进行运动，所述六轴力学传感器5反馈X轴压力F_X和Y轴压力F_Y，此时，加载于样品18上的压力为

该压力在样品18坐标X’Y’Z’内的方向为(-F_Ysinγ，F_Ycosγ，F_z)。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种复杂多维力学加载装置，包括上固定座（17）和下固定座（16），其特征是：所述的下固定座（16）上自下往上依次设有第一Z轴旋转台（3）、Y轴位移台（2）以及第二Z轴旋转台（1），第二Z轴旋转台（1）上安装有放置待测样品的样品台（13），上固定座（17）位于样品台（13）正上方，上固定座（17）底面安装有Z轴位移台（4），Z轴位移台（4）底面安装有带触头（6）的六轴力学传感器（5），位于样品台（13）两侧分设有第一X轴位移台（7）、第二X轴位移台（8），第一X轴位移台（7）上固定有位移传感器（9），第二X轴位移台（8）上固定有拉力传感器（10），所述第一X轴位移台（7）前端固定有左夹具（11），所述拉力传感器（10）前端固定有与左夹具（11）配合夹持样品（18）的右夹具（12）；

对样品施加XYZ三维方向内任意方向的压力时，所述第二Z轴旋转台（1）带动样品台（13）和样品绕Z轴旋转，Z轴位移台（4）带动六轴力学传感器（5）和触头（6）沿Z轴方向运动到触头（6）与样品相接触，Y轴位移台（2）带动第二Z轴旋转台（1）、样品台（13）和样品运动；

对样品施加XY平面内任意方向的位移和压力时，所述第二Z轴旋转台（1）带动样品台（13）和样品绕Z轴旋转，第一X轴位移台（7）带动位移传感器（9）、左夹具（11）和样品进行远离样品中心的运动，所述第二X轴位移台（8）带动拉力传感器（10）、右夹具（12）和样品进行远离样品中心的运动，位移传感器（9）反馈位移，拉力传感器（10）反馈拉力，从而对样品施加XY平面内任意方向的位移和压力；

对样品同时加载XYZ三维方向内任意方向的压力和XY平面内任意方向的拉力和位移时，所述第一Z轴旋转台（3）带动所述Y轴位移台（2）、第二Z轴旋转台（1）、样品台（13）和样品旋转，所述第二Z轴旋转台（1）带动所述样品台（13）和样品绕Z轴旋转，第一X轴位移台（7）带动位移传感器（9）、左夹具（11）和样品进行远离样品中心的运动，所述第二X轴位移台（8）带动拉力传感器（10）、右夹具（12）和样品进行远离样品中心的运动，位移传感器（9）反馈位移，拉力传感器（10）反馈拉力，Z轴位移台（4）带动六轴力学传感器（5）和触头（6）沿Z轴方向运动到触头（6）与样品相接触，Y轴位移台（2）带动第二Z轴旋转台（1）、样品台（13）和样品运动；所述六轴力学传感器（5）反馈Y和X轴压力。

2.如权利要求1所述的复杂多维力学加载装置，其特征是：所述的下固定座（16）还具有分设于两侧的左立柱（14）和右立柱（15），第一X轴位移台（7）固定在左立柱（14）上，第二X轴位移台（8）固定在右立柱（15）上，位移传感器（9）的自由端固定在左立柱（14）上。

3.如权利要求1所述的复杂多维力学加载装置，其特征是：所述的Y轴位移台（2）位移为0时，所述第二Z轴旋转台（1）的轴心、第一Z轴旋转台（3）的轴心、样品台（13）的轴心、六轴力学传感器（5）的Z轴轴心、触头（6）的轴心和样品（18）的轴心位于同一条共轴直线之上。

4.如权利要求3所述的复杂多维力学加载装置，其特征是：所述的第一X轴位移台（7）和第二X轴位移台（8）的位移为0时，所述左夹具（11）和右夹具（12）相对接，且对接线与共轴直线相交。

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