CN112254905B - 一种力矩回转刚度高低温测试装置 - Google Patents

Abstract

一种力矩回转刚度高低温测试装置，它包括基础平台、驱测一体化模块、过载保护模块、调整模块和支撑模块，所述过载保护模块为磁粉制动器过载保护模块；过载保护模块、支撑模块、高低温箱和调整模块安装在基础平台上，高低温箱位于两个支撑模块之间，驱测一体化模块安装在调整模块上，扭转驱动模块与支撑模块之间的传动轴上设有动态扭矩传感器和角度编码器，扭转驱动模块和过载保护模块输出端连接的穿箱轴分别通过支撑模块支撑旋转，高低温箱侧壁上各安装有一个环形弹性密封垫，环形弹性密封垫位于套装在穿箱轴上的气封环的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触，所述气封环为两个金属半环对接而成的圆环。本发明适配高低温试验，测试灵活方便。

Description

一种力矩回转刚度高低温测试装置

技术领域

本发明涉及一种刚度测试装置，具体涉及一种力矩回转刚度高低温测试装置。

背景技术

在进行空间站建造、探月工程以及火星探测等重大航天工程领域的研制实施过程中，有大量精密、复杂的机构和组件需要在地面模拟空间真空、高低温等极端环境，进行被测件性能测试和可靠性考核。

现有力矩回转刚度测试未见有针对高低温±100℃极端环境条件的设计，因此，面向空间极端环境下的复杂精密机构的性能测试需求，研制一种可实现在极端环境下的力矩回转刚度性能测试，对于空间机构地面测试技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种力矩回转刚度高低温测试装置，该测试装置适配高低温±100℃极端环境试验，测试灵活方便。

本发明的技术方案是：一种力矩回转刚度高低温测试装置包括基础平台、驱测一体化模块、过载保护模块、调整模块和支撑模块，所述过载保护模块为磁粉制动器过载保护模块；

过载保护模块、支撑模块、高低温箱和调整模块安装在基础平台上，高低温箱位于两个支撑模块之间，驱测一体化模块安装在调整模块上，所述驱测一体化模块包括扭转驱动模块、动态扭矩传感器和角度编码器，扭转驱动模块、过载保护模块和支撑模块三者同轴设置，扭转驱动模块与支撑模块之间的传动轴上设有动态扭矩传感器和角度编码器，扭转驱动模块和过载保护模块输出端连接的穿箱轴分别通过支撑模块支撑旋转，传动轴和穿箱轴连接，高低温箱侧壁上各安装有一个环形弹性密封垫，两个穿箱轴穿过高低温箱上的环形弹性密封垫由位于高低温箱内的被测件夹具支撑旋转，并用于连接被测件，环形弹性密封垫位于套装在穿箱轴上的气封环的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触，所述气封环为两个金属半环对接而成的圆环。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明轴系可调，采用金属半环组装的气封环，在高低温箱两侧的穿箱轴上设计有气封环，高低温箱体侧面有弹性密封垫，二者构成间隙配合形成微小U型气道，能适应高低温(±100℃)环境测试，克服了传统采用橡胶滑动密封，存在摩擦力过大，严重影响扭矩传感器的测量精度的问题，由动态扭矩传感器和角度编码器实时测量扭转弹性形变。

扭转驱动模块与输入的测量模块连接于调整模块上，通过调整模块的调整，保证测量系统的同轴度等参数，可降低测量时候的同轴度等的影响。输入的测量模块与被测件进行连接，被测件与过载保护模块相连接。输入端用于对整个轴系进行加载，可以按照固定力矩和固定位移方式进行加载，输出端磁粉制动器的功能是过载保护，可以设定制动器力矩略小于轴系各元件能承受的最大力矩，当超过力矩过载时轴系将开始旋转，以保护轴系功能不受损伤。该装置可通过模块化连接，以此实现被测件的安装与拆卸，从而避免传动上多个设备的装拆调整，增加了测试装置的灵活性和方便性，保证了装配的精确性和系统的整体稳定性。本发明适用于空间站中使用的扭簧或类扭簧特性的组件为被测对象。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明的力矩回转刚度高低温测试装置的总装配图；

图2为图1中扭测一体化模块、支撑模块、调整模块和基础平台连接的结构示意图；

图3为图1中过载保护模块和支撑模块连接布置关系图；

图4为图1中穿箱轴与被测件夹具的连接关系示意图；

图5为布置在穿箱轴上的气封环的立体图；

图6为调整模块的爆炸图；

图7为调整模块的装配图；

图8为沿X向移动座切割的剖视图；

图9为沿Y向移动座切割的剖视图；

图10是沿图8中A-A线的剖视图；

图11为被测件夹具的立体图；

图12为被测件夹具的剖视图。

具体实施方式

参见图1-图5所示，本实施方式的一种力矩回转刚度高低温测试装置包括基础平台1、扭测一体化模块2、过载保护模块3、调整模块4和支撑模块5，所述过载保护模块3为磁粉制动器过载保护模块；

过载保护模块3、支撑模块5、高低温箱6和调整模块4安装在基础平台1上，高低温箱6位于两个支撑模块5之间，扭测一体化模块2安装在调整模块4上，所述扭测一体化模块2包括扭转驱动模块2-1、动态扭矩传感器2-2和角度编码器2-3，扭转驱动模块2-1、过载保护模块3和支撑模块5三者同轴设置，扭转驱动模块2-1与支撑模块5之间的传动轴8上设有动态扭矩传感器2-2和角度编码器2-3，扭转驱动模块2和过载保护模块3输出端连接的穿箱轴7分别通过支撑模块5支撑旋转，传动轴8和穿箱轴7连接，高低温箱6侧壁上各安装有一个环形弹性密封垫9，两个穿箱轴7穿过高低温箱6上的环形弹性密封垫9由位于高低温箱6内的被测件夹具10支撑旋转，并用于连接被测件10-1，环形弹性密封垫9位于套装在穿箱轴7上的气封环11的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触，所述气封环11为两个金属半环对接而成的圆环。

如图5所示，进一步地，每个金属半环包括同轴连接的半摩擦环11-1、半定位环11-2和两个半挡环11-3；两个半挡环11-3之间连接有半摩擦环11-1，半摩擦环11-1的外周面与两个半挡环11-3的外侧面围成一环形凹槽，环形弹性密封垫10套在环形凹槽内，任意一个半挡环11-3外侧面连接有定位环11-2，两个半摩擦环11-1、两个半定位环11-2和四个半挡环11-3对接而成的圆环内径相同，两个半挡环11-3的端部设有连接凸台11-3-1，两个金属半环通过穿设于连接凸台11-3-1上的连接孔内的螺栓13对接在一起，气封环11通过定位孔11-2-1中的螺钉固定在穿箱轴7上。如此设置，气封环11设置为两个金属半环结构，能适应于较细的轴。

过载保护模块：过载保护模块包含底座和安装在底座上的磁粉制动器，底座安装在基础平台上，磁粉制动器以额定扭矩抱紧轴系，当轴系上的力矩超过抱紧力矩时，磁粉制动器开始旋转，以达到保护轴系力矩不过载的目的。在低温实验时由于内部环境温度(-100度)远低于外部环境温度，在缺乏密封措施的情况下，容易在传箱轴与箱体孔之间形成结霜，影响轴系传动。因此，传统方法一般采用橡胶滑动密封。该方法简单可靠，但是存在摩擦力过大的问题，严重影响力传感器的测量精度。因此，本实施方式在高低温箱6的侧面安装有环形弹性密封垫9，在高低温箱6两侧的穿箱轴7设计有气封环11，二者构成间隙配合形成微小U型气道，穿箱轴7穿设在环形弹性密封垫9上，环境系统在低温状态下通过气体密封的方式隔绝外部暖空气进入，解决了穿箱轴7与箱体之间在低温试验时候的结霜问题，同时解决了传动滑动密封的摩擦问题。与此同时，高低温箱内设计还有氮气冲压系统，通过在箱体内壁配置气压传感器，控制氮气充气时的箱内压力，使得箱内相对箱外始终保持微正压状态。优选地，环形弹性密封垫9的材质为硅橡胶。

由于，力矩回转刚度测试量程大，轴系粗，而且后续便于更换测试量程更大的轴系，因此把轴的支撑单独放在基础平台1上，支撑模块5的轴承座也比较大，后期这个轴承和轴都要换成更粗的，换的时候直接更换支撑模块上面的轴承座即可，以便于有足够的空间。

如图2所示，所述扭转驱动模块2-1包括伺服电机2-1-1和减速器2-1-2，伺服电机2-1-1的输出端连接减速器2-1-2，减速器2-1-2的输出端连接传动轴8。现有设计中，输入端和输出端的传感器往往为固定选型，因此，针对被测对象的测量值远低于传感器量程时(如扭矩传感器量程为500Nm，而实际测量某被测对象所需加载力矩仅为1-5Nm左右时)，测试精度变差的问题。输入端驱动电机、角度编码器、动态扭矩传感器被综合设计为驱测一体化模块；输出端的过载保护模块采用磁粉制动器。为驱测一体化模块为独立可替换模块，通过一个转接板，利用平键与螺钉组定位固定在调整模块上。对于新的被测对象(如空间站中使用的扭簧或类扭簧特性的组件)或新的测试工况下，驱测一体化模块可以通过替换系列电机、系列扭矩传感器来适应测试需求。此设计与现有设计相比，可以针对某特定被测对象，实现测试精度的最大化。

为了适应测试用高低温箱以及模块化设计，研制了调整模块，以减少测试装置的X向和Y向偏移，具体的是如图6-图7所示：所述调整模块4包含X向移动座4-1、Y向移动座4-2、X向调整驱动组件4-3、Y向调整驱动组件4-4和导轨座4-5；导轨座4-5安装在基础平台1上，Y向移动座4-2可滑动地设置在导轨座4-5上，Y向移动座4-2由设置于导轨座4-5上的Y向调整驱动组件4-4控制而在Y方向上移动，X向移动座4-1与Y向移动座4-2在X方向上呈楔形布置，在楔形面上，X向移动座4-1和Y向移动座4-2二者相对滑动，X向移动座4-1由设置于Y向移动座4-2上的X向调整驱动组件4-3控制能在X方向和竖直方向上移动。导轨座4-5主要是为集成设计提供组装接口，方便调整平台与总平台进行集成。而整个调整模块可以在2个方向进行精密调节，分别为Y方向与X方向。其中X向调节如图7所示，通过调节两边X向调整驱动组件4-3，进行X方向小位移移动，带动X向移动座4-1进行X方向移动，调整其X向移动座4-1的X向位置，减少测试系统X向偏倚。而X向移动座4-1起到Y向移动座4-2和导轨座4-5的连接作用，调节的同时不干扰其他方向的位移。Y向调节如图7所示，通过调节两边Y向调整驱动组件4-4，进行Y方向小位移移动，带动Y向移动座4-2进行Y方向移动，调整其Y向位置，减少测试系统Y向偏倚。

进一步地，如图8和图9所示，所述Y向移动座4-2具有中空腔4-21，X向移动座4-1中部设有向下延伸的固定凸台4-11且二者可拆卸连接，所述固定凸台4-11竖向插装在中空腔4-21内，在Y向移动座4-2上以Y轴为对称轴镜像布置有两个X向调整驱动组件4-3，每个所述X向调整驱动组件4-3包含第一手轮4-31和第一螺杆4-32；第一手轮4-31上安装有第一螺杆4-32，第一螺杆4-32旋拧在Y向移动座4-2上，第一螺杆4-32的轴向与Y轴垂直，X向移动座4-1被定位时，第一螺杆4-32端面与所述固定凸台4-11相抵。旋转第一手轮4-31带动第一螺杆4-31旋转，进而挤压中间的固定凸台4-11在X方向上小位移移动，进而实现X向移动座4-1沿着楔形面在X方向上小位移移动和垂直方向的小位移移动。

进一步地，如图8-图10所示，导轨座4-5上开有定位槽4-51，所述Y向移动座4-2的底部搭设有向下延伸的定位凸台4-22，定位凸台4-22布置在定位槽4-51内，在导轨座4-5上以X轴为对称轴镜像布置有两个Y向调整驱动组件4-4，每个所述Y向调整驱动组件4-4包含第二手轮4-41和第二螺杆4-42；第二手轮4-41上安装有第二螺杆4-42，第二螺杆4-42旋拧在Y向移动座4-2上，第二螺杆4-42的轴向与第一螺杆4-32的轴向垂直，Y向移动座4-2被定位时，第二螺杆4-42的端面与定位凸台4-22相抵。旋转第二手轮4-41带动第二螺杆4-42旋转，进而挤压中间的定位凸台4-22在Y方向上小位移移动，进而实现Y向移动座4-2及X向移动座4-1整体在Y方向上小位移移动。为了保证移动距离的精度与准确度，对接触面的粗糙度都保证在1.6及以下，尤其是定位凸台4-22和固定凸台4-11分别与第二螺杆4-42和第一螺杆4-32的接触面。对于移动座，设计其零件精度形位公差都在5级精度内，保证其移动的准确性。同时在配合的时候选取紧配合，保证其在位移的过程不会由于间隙而造成不必要的误差，保证其各个尺寸的高精度。

如图8-图10所示，Y向移动座4-2和导轨座4-5通过交叉滚子导轨3-6连接，X向移动座4-1和Y向移动座4-2通过交叉滚子导轨3-6连接，交叉滚子导轨滚动摩擦力小，稳定性能好，接触面积大，易实现高刚性，高负荷运动。

进一步地，如图2和图3所示，为了进一步确保测试精度，动态扭矩传感器2-2和角度编码器2-3之间、动态扭矩传感器2-2和支撑模块5之间、过载保护模块3和支撑模块5之间分别通过膜片联轴器12连接。

如图11和图12所示，所述被测件夹具10包括安装基座10-2、被测件输入端夹具10-3和被测件输出端夹具10-4；安装基座10-2固装在高低温箱6内，被测件输入端夹具10-3和被测件输出端夹具10-4分别可转动地设置在安装基座10-2上，被测件10-1通过被测件输入端夹具10-3和被测件输出端夹具10-4连接在一起，两个穿箱轴7分别与被测件输入端夹具10-3和被测件输出端夹具10-4连接。

作为一个具体的实施例，所述被测件输入端夹具10-3包括输入轴套10-3-1和输入螺钉10-3-2，被测件输出端夹具10-4包括输出轴套10-4-1、输出连接轴10-4-2、第一螺钉10-4-3、第二螺钉10-4-4和圆螺母10-4-5；输入轴套10-3-1的孔内壁面上加工有粗花键槽，输入轴套10-3-1通过输入螺钉10-3-2与输入端的穿箱轴7固接，输入轴套10-3-1通过轴承可转动地设置在安装基座10-2上，输出连接轴10-4-2的内孔加工有细花键槽，被测件10-1的两端外表面具有外花键，两端的外花键分别与粗花键槽和细花键槽配合，输出连接轴10-4-2通过轴承可转动地设置在被测件10-1和安装基座10-2上，输出连接轴10-4-2内侧端部还设置有圆螺母10-4-5，输出轴套10-4-1一端通过第一螺钉10-4-3与输出连接轴10-4-2连接，输出轴套10-4-1的另一端通过第二螺钉10-4-4和输出端的穿箱轴7连接。

如此设置，结构简便测试方便，被测件10-1的功能就是一个扭簧。被测件10-1的两端是花键，粗花键与输入端相连接，细花键与过载保护模块(过载保护端)相连接，拆卸过程：松第一螺钉10-4-3和第二螺钉10-4-4，输出轴套10-4-1向右侧退出，松圆螺母10-4-5，输出连接轴10-4-2向右侧从轴承中退出，被测件10-1向右侧退出；安装过程相反。

工作原理

刚度是指物体受力/扭矩与位移的比值：

其中：F表示所受外力，x表示外力作用下的位移或形变，K_w表示直线刚度；T表示所受扭矩，

表示扭矩作用下的扭转变形角。

力矩/回转刚度测试装置是由闭环控制的扭转驱动模块2-1驱动，被测件10-1(空间站中使用的扭簧或类扭簧特性的组件)也是一端固定一端输入，通过在轴系中串联动态扭矩传感器2-2和角度编码器2-3来测量被测件10-1在不同力矩载荷下的扭转弹性形变，最终获得其不同载荷情况下的扭转刚度曲线。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：它包括基础平台(1)、驱测一体化模块(2)、过载保护模块(3)、调整模块(4)和支撑模块(5)，所述过载保护模块(3)为磁粉制动器过载保护模块；

过载保护模块(3)、支撑模块(5)、高低温箱(6)和调整模块(4)安装在基础平台(1)上，高低温箱(6)位于两个支撑模块(5)之间，驱测一体化模块(2)安装在调整模块(4)上，所述驱测一体化模块(2)包括扭转驱动模块(2-1)、动态扭矩传感器(2-2)和角度编码器(2-3)，扭转驱动模块(2-1)、过载保护模块(3)和支撑模块(5)三者同轴设置，扭转驱动模块(2-1)与支撑模块(5)之间的传动轴(8)上设有动态扭矩传感器(2-2)和角度编码器(2-3)，扭转驱动模块(2)和过载保护模块(3)输出端连接的穿箱轴(7)分别通过支撑模块(5)支撑旋转，传动轴(8)和穿箱轴(7)连接，高低温箱(6)侧壁上各安装有一个环形弹性密封垫(9)，两个穿箱轴(7)穿过高低温箱(6)上的环形弹性密封垫(9)由位于高低温箱(6)内的被测件夹具(10)支撑旋转，并用于连接被测件(10-1)，环形弹性密封垫(9)位于套装在穿箱轴(7)上的气封环(11)的凹槽内并与凹槽底面摩擦接触，所述气封环(11)为两个金属半环对接而成的圆环。

2.根据权利要求1所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：所述调整模块(4)包含X向移动座(4-1)、Y向移动座(4-2)、X向调整驱动组件(4-3)、Y向调整驱动组件(4-4)和导轨座(4-5)；导轨座(4-5)安装在基础平台(1)上，Y向移动座(4-2)可滑动地设置在导轨座(4-5)上，Y向移动座(4-2)由设置于导轨座(4-5)上的Y向调整驱动组件(4-4)控制而在Y方向上移动，X向移动座(4-1)与Y向移动座(4-2)在X方向上呈楔形布置，在楔形面上，X向移动座(4-1)和Y向移动座(4-2)二者相对滑动，X向移动座(4-1)由设置于Y向移动座(4-2)上的X向调整驱动组件(4-3)控制而在X方向和竖直方向上移动。

3.根据权利要求2所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：所述Y向移动座(4-2)具有中空腔(4-21)，X向移动座(4-1)中部设有向下延伸的固定凸台(4-11)且二者可拆卸连接，所述固定凸台(4-11)竖向插装在中空腔(4-21)内，在Y向移动座(4-2)上以Y轴为对称轴镜像布置有两个X向调整驱动组件(4-3)，每个所述X向调整驱动组件(4-3)包含第一手轮(4-31)和第一螺杆(4-32)；第一手轮(4-31)上安装有第一螺杆(4-32)，第一螺杆(4-32)旋拧在Y向移动座(4-2)上，第一螺杆(4-32)的轴向与Y轴垂直，X向移动座(4-1)被定位时，第一螺杆(4-32)端面与所述固定凸台(4-11)相抵。

4.根据权利要求2或3所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：导轨座(4-5)上开有定位槽(4-51)，所述Y向移动座(4-2)的底部搭设有向下延伸的定位凸台(4-22)，定位凸台(4-22)布置在定位槽(4-51)内，在导轨座(4-5)上以X轴为对称轴镜像布置有两个Y向调整驱动组件(4-4)，每个所述Y向调整驱动组件(4-4)包含第二手轮(4-41)和第二螺杆(4-42)；第二手轮(4-41)上安装有第二螺杆(4-42)，第二螺杆(4-42)旋拧在Y向移动座(4-2)上，第二螺杆(4-42)的轴向与第一螺杆(4-32)的轴向垂直，Y向移动座(4-2)被定位时，第二螺杆(4-42)的端面与定位凸台(4-22)相抵。

5.根据权利要求4所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：所述扭转驱动模块(2-1)包括伺服电机(2-1-1)和减速器(2-1-2)，伺服电机(2-1-1)的输出端连接减速器(2-1-2)，减速器(2-1-2)的输出端连接传动轴(8)。

6.根据权利要求2或5所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：Y向移动座(4-2)和导轨座(4-5)通过交叉滚子导轨(3-6)连接，X向移动座(4-1)和Y向移动座(4-2)通过交叉滚子导轨(3-6)连接。

7.根据权利要求6所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：动态扭矩传感器(2-2)和角度编码器(2-3)之间、动态扭矩传感器(2-2)和支撑模块(5)之间、过载保护模块(3)和支撑模块(5)之间分别通过膜片联轴器(12)连接。

8.根据权利要求1或7所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：每个金属半环包括同轴连接的半摩擦环(11-1)、半定位环(11-2)和两个半挡环(11-3)；两个半挡环(11-3)之间连接有半摩擦环(11-1)，半摩擦环(11-1)的外周面与两个半挡环(11-3)的外侧面围成一环形凹槽，环形弹性密封垫(10)套在环形凹槽内，任意一个半挡环(11-3)外侧面连接有定位环(11-2)，两个半摩擦环(11-1)、两个半定位环(11-2)和四个半挡环(11-3)对接而成的圆环内径相同，两个半挡环(11-3)的端部设有连接凸台(11-3-1)，两个金属半环通过穿设于连接凸台(11-3-1)上的连接孔内的螺栓(13)对接在一起，气封环(11)通过定位孔(11-2-1)中的螺钉固定在穿箱轴(7)上。

9.根据权利要求8所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：所述被测件夹具(10)包括安装基座(10-2)、被测件输入端夹具(10-3)和被测件输出端夹具(10-4)；安装基座(10-2)固装在高低温箱(6)内，被测件输入端夹具(10-3)和被测件输出端夹具(10-4)分别可转动地设置在安装基座(10-2)上，被测件(10-1)通过被测件输入端夹具(10-3)和被测件输出端夹具(10-4)连接在一起，两个穿箱轴(7)分别与被测件输入端夹具(10-3)和被测件输出端夹具(10-4)连接。

10.根据权利要求9所述的一种力矩回转刚度高低温测试装置，其特征在于：所述被测件输入端夹具(10-3)包括输入轴套(10-3-1)和输入螺钉(10-3-2)，被测件输出端夹具(10-4)包括输出轴套(10-4-1)、输出连接轴(10-4-2)、第一螺钉(10-4-3)、第二螺钉(10-4-4)和圆螺母(10-4-5)；输入轴套(10-3-1)的孔内壁面上加工有粗花键槽，输入轴套(10-3-1)通过输入螺钉(10-3-2)与输入端的穿箱轴(7)固接，输入轴套(10-3-1)通过轴承可转动地设置在安装基座(10-2)上，输出连接轴(10-4-2)的内孔加工有细花键槽，被测件(10-1)的两端外表面具有外花键，两端的外花键分别与粗花键槽和细花键槽配合，输出连接轴(10-4-2)通过轴承可转动地设置在被测件(10-1)和安装基座(10-2)上，输出连接轴(10-4-2)内侧端部还设置有圆螺母(10-4-5)，输出轴套(10-4-1)一端通过第一螺钉(10-4-3)与输出连接轴(10-4-2)连接，输出轴套(10-4-1)的另一端通过第二螺钉(10-4-4)和输出端的穿箱轴(7)连接。

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