CN112051043A - 柔顺机构疲劳试验系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种柔顺机构疲劳试验系统，包括安装平台、夹持装置、往复运动装置、驱动装置、运动幅度检测装置、作用力检测装置、应变检测装置、位移检测装置和处理装置；处理装置分别电连接驱动装置、作用力检测装置、应变检测装置和位移检测装置；驱动装置通过运动幅度检测装置控制往复运动装置在预设运动幅度内带动待试验柔顺机构的另一端往复运动；处理装置处理作用力数据、应变数据和移动位移，得到待试验柔顺机构的疲劳损伤刚度退化曲线，在试验过程中往复运动装置通过连接结构对待试验柔顺机构施加作用力，使得往复运动装置的运动能够精确地传导到待试验柔顺机构，保证疲劳试验的精度，能够对待试验柔顺机构进行弯曲变形的交变疲劳测试。

Description

柔顺机构疲劳试验系统

技术领域

本申请涉及疲劳试验技术领域，特别是涉及一种柔顺机构疲劳试验系统。

背景技术

柔顺机构依赖材料变形实现运动，具有无摩擦无间隙、无需装配、高精度和高可靠性等优点，在精密定位、航空航天和生物医学等重要领域有着广泛的应用。柔顺机构各项性能的优劣将影响整个系统的安全运行，然而柔顺机构实现运动的方式会产生较大的应力应变，而重返往复的运动将引入交变应力，会导致其发生疲劳损伤和失效，从而影响装个装置的安全运行，甚至会发生重大事故发生。因此，研究柔顺机构的疲劳损伤及可靠性尤为重要。

目前，研究柔顺机构的疲劳损伤及可靠性的疲劳试验机的种类繁多，例如美国MTS公司、INSTRON公司，日本SHIMADZU公司以及我国的长春机械科学研究院研发了传统的用于拉伸试件的疲劳试验机，但是，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统疲劳试验机的精度低不能满足柔顺机构的疲劳试验，且不能满足弯曲变形的交变疲劳测试。

发明内容

基于此，有必要针对传统疲劳试验机的精度低不能满足柔顺机构的疲劳试验，且不能满足弯曲变形的交变疲劳测试的问题，提供一种柔顺机构疲劳试验系统。

为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种柔顺机构疲劳试验系统，包括：

安装平台；

夹持装置，夹持装置相应地安装在安装平台上，夹持装置用于夹持待试验柔顺机构的一端；

往复运动装置，往复运动装置相应地安装在安装平台上，往复运动装置通过连接结构向待试验柔顺机构的另一端施加作用力，以使待试验柔顺机构的另一端往复运动；连接结构连接在往复运动装置上；

驱动装置，驱动装置电连接往复运动装置，驱动装置驱动往复运动装置，以使往复运动装置通过连接结构带动待试验柔顺机构的另一端往复运动；

运动幅度检测装置，运动幅度检测装置电连接驱动装置，运动幅度检测装置用于检测往复运动装置的当前运动幅度，并将当前运动幅度传输给驱动装置，以使驱动装置基于预设运动幅度和当前运动幅度，控制往复运动装置在预设运动幅度内往复运动；

作用力检测装置，作用力检测装置安装在连接结构上，用于采集往复运动装置作用在待试验柔顺机构的作用力数据；

应变检测装置，应变检测装置贴附在待试验柔顺机构的弯曲部位用于采集待试验柔顺机构的应变数据；

位移检测装置，位移检测装置相应地安装在安装平台上，位移检测装置用于采集待试验柔顺机构的另一端的移动位移；

处理装置，处理装置电连接驱动装置、作用力检测装置、应变检测装置和位移检测装置；处理装置处理作用力数据、应变数据和移动位移，得到待试验柔顺机构的疲劳损伤刚度退化曲线。

在其中一个实施例中，还包括关停装置；

关停装置电连接驱动装置，并相应地安装在安装平台上；关停装置在监测到待试验柔顺机构断裂时，通过驱动装置控制往复运动装置停止运行。

在其中一个实施例中，关停装置为接近开关。

在其中一个实施例中，夹持装置包括底座、移动滑块和固定块；

底座相应地安装在安装平台上；移动滑块可移动地安装在底座上；固定块固定地安装在底座上；移动滑块和固定块形成平口钳，用于夹持待试验柔顺机构。

在其中一个实施例中，往复运动装置包括音圈电机；

音圈电机电连接运动幅度检测装置驱动装置，并相应地安装在安装平台上。

在其中一个实施例中，运动幅度检测装置包括光栅尺；

光栅尺电连接驱动装置。

在其中一个实施例中，作用力检测装置包括压力传感器；

压力传感器电连接处理装置，并安装在连接结构上。

在其中一个实施例中，应变检测装置包括应变片；

应变片电连接处理装置，并贴附在待试验柔顺机构的弯曲部位上。

在其中一个实施例中，位移检测装置包括位移传感器；

位移传感器电连接处理装置，并相应地安装在安装平台上。

在其中一个实施例中，处理装置包括工控机和采集卡；

工控机电连接驱动装置；

采集卡电连接压力传感器、应变片和位移传感器。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

本申请各实施例提供的柔顺机构疲劳试验系统，包括安装平台、夹持装置、往复运动装置、驱动装置、运动幅度检测装置、作用力检测装置、应变检测装置、位移检测装置和处理装置；夹持装置、往复运动装置和位移检测装置相应地安装在安装平台上；处理装置分别电连接驱动装置、作用力检测装置、应变检测装置和位移检测装置；驱动装置分别电连接往复运动装置和运动幅度检测装置；驱动装置控制往复运动装置带动待试验柔顺机构的另一端往复运动；运动幅度检测装置检测往复运动装置的当前运动幅度，以使往复运动装置在预设运动幅度内运动；作用力检测装置采集作用力数据；应变检测装置采集应变数据；位移检测装置采集待试验柔顺机构的另一端的移动位移；处理装置处理作用力数据、应变数据和移动位移，得到待试验柔顺机构的疲劳损伤刚度退化曲线，在试验过程中往复运动装置通过连接结构对待试验柔顺机构的另一端施加作用力，保证往复运动装置的运动能够精确地传导到待试验柔顺机构，保证疲劳试验的精度，而且通过往复运动装置带动待试验柔顺机构往复摇摆，能够对待试验柔顺机构进行弯曲变形的交变疲劳测试。

附图说明

图1为一个实施例中柔顺机构疲劳试验系统的结构示意图；

图2为一个实施例中柔顺机构的结构示意图；

图3为一个实施例中夹持装置的结构示意图；

图4为一个实施例中往复运动装置的连接结构的结构示意图；

图5为另一个实施例中柔顺机构疲劳试验系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了解决传统疲劳试验机的精度低不能满足柔顺机构的疲劳试验，且不能满足弯曲变形的交变疲劳测试的问题，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种柔顺机构疲劳试验系统，包括：

安装平台10；

夹持装置12，夹持装置12相应地安装在安装平台10上，夹持装置12用于夹持待试验柔顺机构14的一端；

往复运动装置16，往复运动装置16相应地安装在安装平台10上，往复运动装置16通过连接结构161向待试验柔顺机构14的另一端施加作用力，以使待试验柔顺机构14的另一端往复运动；连接结构161连接在往复运动装置16上；

驱动装置18，驱动装置18电连接往复运动装置16，驱动装置18驱动往复运动装置16，以使往复运动装置16通过连接结构161带动待试验柔顺机构14的另一端往复运动；

运动幅度检测装置20，运动幅度检测装置20电连接驱动装置18，运动幅度检测装置20用于检测往复运动装置16的当前运动幅度，并将当前运动幅度传输给驱动装置18，以使驱动装置18基于预设运动幅度和当前运动幅度，控制往复运动装置16在预设运动幅度内往复运动；

作用力检测装置163，作用力检测装置163安装在连接结构161上，用于采集往复运动装置16作用在待试验柔顺机构14的作用力数据；

应变检测装置22，应变检测装置22贴附在待试验柔顺机构14的弯曲部位用于采集待试验柔顺机构14的应变数据；

位移检测装置24，位移检测装置24相应地安装在安装平台10上，位移检测装置24用于采集待试验柔顺机构14的另一端的移动位移；

处理装置26，处理装置26电连接驱动装置18、作用力检测装置162、应变检测装置22和位移检测装置24；处理装置26处理作用力数据、应变数据和移动位移，得到待试验柔顺机构14的疲劳损伤刚度退化曲线。

需要说明的是，安装平台是整个柔顺机构疲劳试验系统的工作平台，在一个示例中，安装平台为均布排布着安装通孔的金属板，该安装通孔用于螺栓穿过固定夹持装置、往复运动装置、位移检测装置等装置，通过安装平台上的通孔可以方便的调整夹持装置、往复运动装置、位移检测装置等装置的位置，以达到试验的要求。

夹持装置在疲劳测试过程中用于夹持固定待试验柔顺机构，夹持装置的具体结构可根据实际试验需要而选定，例如，夹持装置为铰链或肘节夹紧装置、液压夹紧装置、楔块夹紧装置、螺旋夹紧装置、偏心夹紧装置或定心夹紧装置等，从而使得本申请柔顺机构疲劳试验系统可适应不同种类的待试验柔顺机构的疲劳测试。在一个示例中，当待试验柔顺机构14为柔性铰链(如图2所示)，夹持装置可为平口钳型夹持装置，具体的，如图3所示，夹持装置12包括底座121、移动滑块122和固定块124；底座121相应地安装在安装平台10上；移动滑块122可移动地安装在底座121上；固定块124固定地安装在底座121上；移动滑块122和固定块124形成平口钳，用于夹持待试验柔顺机构14。

往复运动装置用于向待试验柔顺机构加载应力，使待试验柔顺机构产生弯曲变形，并带动待试验柔顺机构往复运动，从而对待试验柔顺机构进行弯曲变形的交变疲劳测试。具体的，往复运动装置通过其上的连接结构向待试验柔顺机构的另一端施加作用力。往复运动装置的连接结构可根据实际测试需要，选用不同结构的连接结构，在一个示例中，连接结构为夹持式装置，夹持式装置固定夹持待试验柔顺机构的另一端，对待试验柔顺机构的另一端施加作用力。

在另一个示例中，当待试验柔顺机构14为柔性铰链(如图2所示)，如图4所示，往复运动装置16的连接结构161包括连接架1610和作用杆1612；连接架1610一端用于连接往复运动装置16的运动幅度检测装置162，往复运连接架1610的另一端为“U”型卡槽，且“U”型卡槽的两侧开有通孔，该两通孔用于安装作用杆1612。作用杆插入如图2所示的柔性铰链的槽内，通过作用杆对待试验柔顺机构的另一端施加作用力。

为了满足高精度的疲劳测试，往复运动装置为高精度的往复运动装置。在一个示例中，往复运动装置包括音圈电机；音圈电机电连接驱动装置，并相应地安装在安装平台上。音圈电机具备结构简单体积小、高速、高加速响应快等特性，能够提高本申请柔顺机构疲劳试验系统的疲劳测试精度。

驱动装置在处理装置的控制下，驱动往复运动装置运动。为了使得驱动装置能够精确的控制往复运动装置的运动，采用运动幅度检测装置来检测往复运动装置的当前运动幅度，并将当前运动幅度传输给驱动装置，驱动装置将当前运动幅度与预设运动幅度进行比对，以使控制往复运动装置的当前运动幅度达到预设运动幅度，具体的，根据疲劳试验的需要，利用处理装置向驱动装置写入预设运动幅度，驱动装置基于该预设运动幅度和接收的运动幅度检测装置传输的当前运动幅度来控制往复运动装置的往复运动。运动幅度检测装置可根据实际需要而选用，在一个示例中，运动幅度检测装置包括光栅尺；光栅尺连接驱动装置。

作用力检测装置用于检测往复运动装置作用在待试验柔顺机构的应力，并将采集的作用力数据传输给处理装置，具体的，作用力检测装置安装在连接结构上，具体的，作用力检测装置夹设在连接结构与往复运动装置的主体之间(如图1所示)。在一个示例中，作用力检测装置包括压力传感器；压力传感器电连接处理装置，并安装在连接结构上。

应变检测装置用于检测待试验柔顺机构在往复运动装置施加的应力下发生的应变，并将采集的应变数据传输给处理装置，具体的，应变检测装置贴附在待试验柔顺机构的弯曲部位。在一个示例中，应变检测装置包括应变片；应变片电连接处理装置，并贴附在待试验柔顺机构的弯曲部位上。

位移检测装置用于检测待试验柔顺机构的一端在往复运动装置的带动下发生的位移，并将采集的移动位移传输给处理装置。在一个示例中，位移检测装置包括位移传感器；位移传感器电连接处理装置，并相应地安装在安装平台上。

处理装置是本申请柔顺机构疲劳试验系统的控制以及数据处理中心，具体的，处理装置向运动幅度检测装置写入预设运动幅度，处理装置接收作用力检测装置传输的作用力数据，接收应变检测装置传输的应变数据，接收位移检测装置传输的移动位移，处理装置基于内部安装的数据处理软件(例如，LabView软件)处理分析作用力数据、应变数据和移动位移得到待试验柔顺机构的疲劳损伤刚度退化曲线。在一个实施例中，处理装置包括工控机和与工控机电连接的采集卡；工控机电连接驱动装置；采集卡电连接压力传感器、应变片和位移传感器。其中，采集卡能够对压力传感器、应变片和位移传感器传输的数据进行放大、滤波等数据处理，保证工控机接收到的数据的数据质量，从而提高试验的精确度。

为了进一步的，提供本申请柔顺机构疲劳试验系统的试验效率，在一个实施例中，如图5所示，本申请柔顺机构疲劳试验系统还包括关停装置28；

关停装置28电连接驱动装置18，并相应地安装在安装平台10上；关停装置28在监测到待试验柔顺机构14断裂时，通过驱动装置18控制往复运动装置16停止运行。

需要说明的是，关停装置用于检测待试验柔顺机构的状态，具体的，检测待试验柔顺机构是否断裂，在一个示例中，关停装置为视频监控装置，在关停装置通过采集的视频判断待试验柔顺机构断裂时，控制往复运动装置停止工作。在另一个示例中，关停装置为接近开关。将关停装置安装设置在待试验柔顺机构的一侧合适的位置，待试验柔顺机构往复运动时，不断触发接近开关，并进行疲劳试验循环计数。当铰链发生疲劳失效断裂后，在重力作用下掉落，无法继续循环触发接近开关，在工控机的控制程序中检测不到交替的开关信号，进而判断铰链已经疲劳断裂，停止柔顺机构疲劳试验系统工作，关闭电源，起到关停的作用，可以提高试验效率以及试验自动性，减少试验过程耗费的人力。

本申请各实施例提供的柔顺机构疲劳试验系统，包括安装平台、夹持装置、往复运动装置、驱动装置、运动幅度检测装置、作用力检测装置、应变检测装置、位移检测装置和处理装置；夹持装置、往复运动装置和位移检测装置相应地安装在安装平台上；处理装置分别电连接驱动装置、作用力检测装置、应变检测装置和位移检测装置；驱动装置分别电连接往复运动装置和运动幅度检测装置；驱动装置控制往复运动装置带动待试验柔顺机构的另一端往复运动；运动幅度检测装置检测往复运动装置的当前运动幅度，以使往复运动装置在预设运动幅度内运动；作用力检测装置采集作用力数据；应变检测装置采集应变数据；位移检测装置采集待试验柔顺机构的另一端的移动位移；处理装置处理作用力数据、应变数据和移动位移，得到待试验柔顺机构的疲劳损伤刚度退化曲线，在试验过程中往复运动装置通过连接结构对待试验柔顺机构的另一端施加作用力，保证往复运动装置的运动能够精确地传导到待试验柔顺机构，保证疲劳试验的精度，而且通过往复运动装置带动待试验柔顺机构往复摇摆，能够对待试验柔顺机构进行弯曲变形的交变疲劳测试。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，包括：

安装平台；

夹持装置，所述夹持装置相应地安装在所述安装平台上，所述夹持装置用于夹持待试验柔顺机构的一端；

往复运动装置，所述往复运动装置相应地安装在所述安装平台上，所述往复运动装置通过连接结构向所述待试验柔顺机构的另一端施加作用力，以使所述待试验柔顺机构的另一端往复运动；所述连接结构连接在所述往复运动装置上；

驱动装置，所述驱动装置电连接所述往复运动装置，所述驱动装置驱动所述往复运动装置，以使所述往复运动装置通过所述连接结构带动所述待试验柔顺机构的另一端往复运动；

运动幅度检测装置，所述运动幅度检测装置电连接所述驱动装置，所述运动幅度检测装置用于检测所述往复运动装置的当前运动幅度，并将所述当前运动幅度传输给所述驱动装置，以使所述驱动装置基于预设运动幅度和所述当前运动幅度，控制所述往复运动装置在所述预设运动幅度内往复运动；

作用力检测装置，所述作用力检测装置安装在所述连接结构上，用于采集所述往复运动装置作用在所述待试验柔顺机构的作用力数据；

应变检测装置，所述应变检测装置贴附在所述待试验柔顺机构的弯曲部位用于采集所述待试验柔顺机构的应变数据；

位移检测装置，所述位移检测装置相应地安装在所述安装平台上，所述位移检测装置用于采集所述待试验柔顺机构的另一端的移动位移；

处理装置，所述处理装置电连接所述驱动装置、所述作用力检测装置、所述应变检测装置和所述位移检测装置；所述处理装置处理所述作用力数据、所述应变数据和所述移动位移，得到所述待试验柔顺机构的疲劳损伤刚度退化曲线。

2.根据权利要求1所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，还包括关停装置；

所述关停装置电连接所述驱动装置，并相应地安装在所述安装平台上；所述关停装置在监测到所述待试验柔顺机构断裂时，通过所述驱动装置控制所述往复运动装置停止运行。

3.根据权利要求2所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述关停装置为接近开关。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述夹持装置包括底座、移动滑块和固定块；

所述底座相应地安装在所述安装平台上；所述移动滑块可移动地安装在所述底座上；所述固定块固定地安装在所述底座上；所述移动滑块和所述固定块形成平口钳，用于夹持所述待试验柔顺机构。

5.根据权利要求4所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述往复运动装置包括音圈电机；

所述音圈电机电连接所述运动幅度检测装置驱动装置，并相应地安装在所述安装平台上。

6.根据权利要求5所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述运动幅度检测装置包括光栅尺；

所述光栅尺电连接所述驱动装置。

7.根据权利要求6所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述作用力检测装置包括压力传感器；

所述压力传感器电连接所述处理装置，并安装在所述连接结构上。

8.根据权利要求7所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述应变检测装置包括应变片；

所述应变片电连接所述处理装置，并贴附在所述待试验柔顺机构的弯曲部位上。

9.根据权利要求8所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述位移检测装置包括位移传感器；

所述位移传感器电连接所述处理装置，并相应地安装在所述安装平台上。

10.根据权利要求9所述的柔顺机构疲劳试验系统，其特征在于，所述处理装置包括工控机和采集卡；

所述工控机电连接所述驱动装置；

所述采集卡电连接所述压力传感器、所述应变片和所述位移传感器。

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