CN110987677B - 提高微形变加载精度的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种提高微形变加载装置精度的方法，将恒弹性合金材质的试件分为中心位移区域、中环弹性形变区域和外周固紧区域，将试件分体设计装配并形成试件组件以消除加工试件圆盘形薄壁区域带来的变形及加工过程中产生的切削残余应力变形区域形变的影响，通过径向抱紧驱动装置输出接口外圆与试件圆柱伸出端外圆的连接方式减小高精度驱动装置与试件间连接处螺纹连接间隙或接触力变形带来的位移误差。本发明降低试件弹性变形区域变形后内应力导致的变形迟滞及减小驱动装置与试件间连接接触力形变或连接间隙带来的位移误差的方法及装置，可使得微形变加载装置不确定度大大降低。

Description

提高微形变加载精度的方法及装置
技术领域
本发明涉及的是一种形变测量领域的技术，具体是一种提高微形变加载精度的方法及装置。
背景技术
目前的形变测量技术主要是通过波长进行溯源，从理论上对环境的影响因素进行分析，从而对测量系统的不确定度进行评定。显然这种方法缺乏实验的验证和校准，已有的高精度微形变加载装置是通过微形变加载进行实现，而微形变加载至物体形变过程，涉及微形变的传递及物体形变两个过程，对于nm至数十nm的精度要求，微形变的传递过程容易受到连接的微间隙的影响(比如螺纹间隙)而使得微形变传递不准确。此外，材料形变或加工过程中会有内应力残余抵抗材料的形变，也会对微形变的传递精度产生影响。为解决高精度微形变加载过程中连接间隙及内应变、材料内应力对形变加载的影响，特从材料选择、连接方式对现有形变加载装置进行改进，提出一种提高微形变加载精度的方法及装置。
发明内容
本发明针对现有微形变加载不确定度较大的不足，提出一种提高微形变加载精度的方法及装置，降低试件弹性变形区域变形后内应力导致的变形迟滞及减小驱动装置与试件间连接接触力形变或连接间隙带来的位移误差的方法及装置，可使得微形变加载装置不确定度大大降低，使其应用于高精度要求的形变测量校准领域。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种提高微形变加载装置精度的方法，将恒弹性合金材质的试件分为中心位移区域、中环弹性形变区域和外周固紧区域，将试件分体设计装配并形成试件组件以消除加工试件圆盘形薄壁区域带来的变形及加工过程中产生的切削残余应力变形区域形变的影响，通过径向抱紧驱动装置输出接口外圆与试件圆柱伸出端外圆的连接方式减小高精度驱动装置与试件间连接处螺纹连接间隙或接触力变形带来的位移误差。
所述的恒弹性合金优选为3J53以降低试件中环弹性变形区弹性后效滞后。
技术效果
本发明整体解决了连接间隙及内应变、材料内应力导致高精度微形变加载无法实现的问题；与现有技术相比，本发明能够高精度实现重复加载，全场形变加载均匀，无应力集中点。
其技术效果进一步包括：
1)本发明的薄壁圆盘零件的材料为弹性合金材料，环弹性形变区域弹性后效滞后非常小，重复加载精度高。
2)本发明将原有校准装置中一体化试件分成三个零件，其中薄壁圆盘零件直接由板材获得以保证其整体平面度，使得薄壁圆盘零件固定设置于基座上各螺栓组件处应力基本一致，同时消除了原有校准装置中试件一体化加工后切削产生的残余应力对材料形变的影响。
3)本发明通过刚性联轴器进行固接，消除螺纹连接方式可能存在的螺纹间隙及由螺纹间接触力产生的变形对位移的影响，提升了位移加载精度。
附图说明
图1为本发明结构示意图主视图局部视图；
图2为本发明结构示意图主视图；
图3为本发明结构示意图左视图；
图4为本发明结构示意图右视图；
图5为本发明结构示意图俯视图；
图6为本发明中试件组件结构示意图主视图；
图7为本发明中试件组件结构示意图左视图；
图8为本发明中刚性联轴器结构示意图；
图9为原装置加载5μm时得到的包裹相位图；
图10为改进装置加载10μm时得到的包裹相位图；
图中：紧固螺杆试件1、薄壁圆盘零件试件2、紧固螺套试件3组成的试件组件和连接铜套4、紧固螺钉5、紧固螺钉6、固定环7、固定环8。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种提高微形变加载精度的装置，包括：紧固螺杆试件1、薄壁圆盘零件试件2、紧固螺套试件3组成的试件组件、联轴器和压电促动器10，其中：试件组件及压电促动器10驱动端用刚性联轴器连接，试件组件固定设置于基座上，压电促动器10固定设置于促动器基座11上，当压电促动器10产生一个指定位移并带动刚性联轴器驱动试件组件中心区域产生一个相同的位移。
所述的紧固螺杆试件1与薄壁圆盘零件试件2之间及薄壁圆盘零件试件2与紧固螺套试件3之间均用焊接的方式进行固接，防止固紧螺纹松动；薄壁圆盘零件试件2中心位移区域与固紧区域之间产生弹性变形，固紧区域位移为0，中心位移区域位移与压电促动器1位移相同，其余部分位移自固紧处向中心区域逐渐增大。薄壁圆盘零件试件2具有除中心区域外，其余部分强度较低的特点，变形所需的力较小，且变形均在弹性形变范围内。
所述的联轴器包括：连接铜套4、紧固螺钉5、6、固定环7、8，其中：连接铜套4的两端分别与试件组件和压电促动器10套接，两对紧固螺钉5、6和固定环7、8分别设置于连接铜套4的外部。
所述的连接铜套4采用H62黄铜，该连接铜套4中间带有缺口，在紧固螺钉5、紧固螺钉6作用力下，径向压缩抱紧需要连接的轴，如实施例中试件组件螺套3输出端与压电促动器10输出端。
所述的试件组件通过螺栓组件13固定设置于基座9上。
所述的压电促动器10固定设置于促动器基座11上并通过螺钉12锁紧。
所述的促动器基座11通过螺钉14与基座9固定连接。
如图1～图8所示，本实施例基于上述装置的检测方法，包括以下步骤：
第一步，以3J53恒弹性合金作为薄壁圆盘零件试件2；
第二步，根据中心位移区域校准范围，在确保薄壁圆盘零件试件2中心区域在位移范围内带动中环弹性形变区域发生的弹性变形均为弹性变形，本实施例中位移范围为0-15μm，计算确定薄壁圆盘零件试件2厚度，取1.5mm；
第三步，用紧固螺杆试件1和紧固螺套试件3将薄壁圆盘零件试件2夹紧固定为一个刚性组件，对试件固定螺杆1与薄壁圆盘零件试件2及试件固定螺套3与薄壁圆盘零件试件2接触处进行焊接；根据原校准装置的要求，紧固螺套试件3的长度大于薄壁圆盘零件试件2的10倍厚度。
第四步，用刚性联轴器连接方式，消除螺纹连接方式可能存在的间隙及螺纹接触力内变形对位移的影响。如此，可以确保该装置能够产生高精度可重复位移加载，实现测量系统的全场形变校准。
本实施例选用3J53材料并将薄壁圆盘零件试件2与紧固螺套试件3及固定螺杆1连接成为一个整体，实现中心区域强度远高于薄壁圆盘周边区域，消除加工应力对形变加载的影响。
所述的薄壁圆盘试件2经厚度1.5mm板材线切割加工，保证无加工应力残余，试件经恒弹性热处理后，可以实现弹性后效滞后非常小，保证形变重复加载精度。
经过具体实际实验，在20℃的具体环境设置下，重复加载1μm，每次测量记录10组测试数据并求得平均值，重复加载10次，获得的中心区域相对于固定点的位移值，实验数据如下：
表1 1μm加载形变实验数据(单位：μm)
Figure BDA0002335895100000031
Figure BDA0002335895100000041
与现有技术相比，本装置加载往复一次后，无法实现重复加载，且加载形变不确定度高的问题(0.2μm)，该装置可重复加载，且重复加载不确定度低于(0.05μm)。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种提高微形变加载装置精度的方法，其特征在于，将恒弹性合金材质的试件分为中心位移区域、中环弹性形变区域和外周固紧区域，将试件分体设计装配并形成试件组件以消除加工试件圆盘形薄壁区域带来的变形及加工过程中产生的切削残余应力变形区域形变的影响，通过径向抱紧驱动装置输出接口外圆与试件圆柱伸出端外圆的连接方式，减小螺纹连接间隙或接触力变形带来的位移误差；
所述的恒弹性合金为3J53以降低试件中环弹性变形区弹性后效滞后。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，具体包括以下步骤：
第一步，以3J53恒弹性合金作为薄壁圆盘零件试件；
第二步，根据中心位移区域校准范围，在确保薄壁圆盘零件试件中心区域在0-15μm的位移范围内带动中环弹性形变区域发生的弹性变形均为弹性变形，计算确定薄壁圆盘零件试件厚度，取1.5mm；
第三步，用紧固螺杆试件和紧固螺套试件将薄壁圆盘零件试件夹紧固定为一个刚性组件，对紧固螺杆试件与薄壁圆盘零件试件及紧固螺套试件与薄壁圆盘零件试件接触处进行焊接；根据原校准装置的要求，紧固螺套试件的长度大于薄壁圆盘零件试件的10倍厚度；
第四步，用刚性联轴器连接方式，消除螺纹连接方式可能存在的间隙及螺纹接触力内变形对位移的影响，实现测量系统的全场形变校准。
3.一种实现上述任一权利要求所述方法的提高微形变加载精度的装置，其特征在于，包括：紧固螺杆试件、薄壁圆盘零件试件、紧固螺套试件组成的试件组件、联轴器和压电促动器，其中：试件组件及压电促动器驱动端用刚性联轴器连接，试件组件固定设置于基座上，压电促动器固定设置于促动器基座上，当压电促动器产生一个指定位移并带动刚性联轴器驱动试件组件中心区域产生一个相同的位移。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的紧固螺杆试件与薄壁圆盘零件试件之间及薄壁圆盘零件试件与紧固螺套试件之间均用焊接的方式进行固接，防止固紧螺纹松动。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的联轴器包括：连接铜套、紧固螺钉、固定环，其中：连接铜套的两端分别与试件组件和压电促动器套接，两对紧固螺钉和固定环、分别设置于连接铜套的外部；
所述的连接铜套采用H62黄铜，该连接铜套中间带有缺口，在紧固螺钉作用力下，径向压缩抱紧需要连接的轴。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的试件组件通过螺栓组件固定设置于基座上，压电促动器固定设置于促动器基座上并通过螺钉锁紧，促动器基座通过螺钉与基座固定连接。
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