CN112461178A - 一种连续曲率发生装置 - Google Patents

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Abstract

一种连续曲率发生装置，包括支撑框架、曲率板机构、顶升机构和位移测量机构；所述的支撑框架包括上层横梁、下层横梁和支撑立柱，通过焊接固定在一起构成门形框架结构；所述的曲率板机构包括曲率板、夹持板和滚动圆棒，该机构设置在上、下层横梁之间，用于形成不同半径的曲率；所述的顶升机构包括三套顶升螺杆、螺杆顶头、螺杆定位板及螺母，分别设置在下层横梁下方的中心和对称两侧，用于顶升曲率板产生连续变化的曲率；所述的位移测量机构包括激光位移传感器及激光反射板，用于测量顶升螺杆的移动距离，通过计算得到曲率板的曲率半径。本发明针对曲率模板的应用需求，可产生连续变化的曲率半径，操作简便，具有产生的曲率均匀、精确度高等优点。

Description

一种连续曲率发生装置
技术领域
本发明属于试验检测技术领域，具体涉及一种校准可连续变化的曲率模板的连续曲率发生装置。
背景技术
曲率可以反映或描述物体的结构形状，通过检测曲率的变化，可监测结构的变形。在土木、桥梁、船舶、航空航天等工程领域，结构弯曲形变的曲率是结构监测过程中一种非常重要的参数，它是衡量结构是否发生损伤或失效的一种较为有效的方式，由此，测量曲率变化的曲率传感器的需求大增。研发曲率传感器需要利用标准曲率模板(块)来进行曲率传感器的性能试验及校准，目前，曲率模板基本上采用定制的模板，即一种曲率要求一个单独的曲率模板，由于模板的精度要求高，制造成本高，因此模板的数量有限，对于大直径的模板，重量大，操作不易，且使用时通过将曲率传感器测试板与曲率模板贴合的方式来校验不同的曲率，精度不宜控制。当前，曲率测试技术研究，尤其是光纤式曲率传感器的研究，急需一种曲率可连续变化的曲率模板，为传感器性能校准提供一种曲率连续变化、简便可靠的校准装置。
发明内容
针对光纤式曲率传感器研究中对曲率模板的需求及现有技术中存在的不足，本发明的目的是提出一种连续曲率发生装置，该装置采用顶升机构使曲率板产生连续变化的曲率，利用激光位移传感器测量曲率板弯曲弧面的三点位移，通过三点控制法计算确定曲率板的曲率值。
本发明的目的可采用如下技术方案来实现：一种连续曲率发生装置，包括支撑框架、曲率板机构、顶升机构和位移测量机构；所述的支撑框架包括上层横梁、下层横梁、支撑立柱和连接块，上层横梁、下层横梁和支撑立柱通过连接块焊接固定在一起构成门形框架结构；所述的上层横梁为两根相同的方钢管，两根方钢管的两端分别通过两个连接块焊接在一起构成矩形框形状，上层横梁设置在门形框架的顶部；所述的下层横梁为两根与上层横梁一致的方钢管，下层横梁对应于上层横梁设置在上层横梁的正下方，二者之间留有间隙；所述的支撑立柱两两一组共八组垂直设置在下层横梁的下部，其中两组分别通过连接块焊接固定在下层横梁的两端，其余六组分成三对分别设置在下层横梁下方的中部和对称两侧，通过焊接固定在下层横梁下方；
所述的曲率板机构包括曲率板、夹持板和滚动圆棒；所述的曲率板设置在支撑框架的上层横梁和下层横梁构成的矩形框内，曲率板的两端分别通过螺栓与夹持板的一端连接；所述的夹持板分别对称设置在上层横梁和下层横梁之间的矩形框内两端，夹持板的另一端通过侧面的通孔与滚动圆棒相连；所述的滚动圆棒对称设置在曲率板两端的夹持板通孔中处，其两端伸出夹持板的通孔并插入支撑框架的上层横梁和下层横梁之间的间隙内；
所述的顶升机构包括三套顶升螺杆、螺杆顶头、螺杆定位板及螺母，分别设置在下层横梁下方中部和两侧对称的三对支撑立柱中心，中部的一套位于曲率板下方的中心位置，另外两套对称设置在曲率板下方中心位置的两侧；所述的螺杆定位板每套为上下两块，二者之间留有间隙，水平设置在下层横梁下方的三对支撑立柱中心，通过焊接分别与三对支撑立柱固定连接；所述的三套顶升螺杆分别垂直穿过上下两个螺杆定位板的中心圆孔，每根顶升螺杆的顶端分别连接螺杆顶头；所述的螺杆顶头为长度与曲率板宽度相同的圆棒，分别水平设置在三根顶升螺杆的顶端，圆棒的下侧为平面，平面中心设置螺纹孔；所述的螺母分别设置在三套上下两块螺杆定位板之间的顶升螺杆上；
所述的位移测量机构包括三套激光位移传感器、位移传感器固定板和激光反射板，分别与三套顶升机构连接在一起；所述的位移传感器固定板通过焊接固定在顶升机构的下方的螺杆定位板上，位移传感器固定板上设置有固定激光位移传感器的螺钉孔；所述的激光位移传感器通过螺钉固定在位移传感器固定板上；所述的激光反射板通过螺丝固定在顶升螺杆的下端。
所述的上层横梁和下层横梁之间的间隙大于滚动圆棒的直径，用于滚动圆棒在间隙中横向自由移动。
所述的连接块的长度大于曲率板的宽度。
所述的固定在下层横梁下方中部和两侧对称的三对支撑立柱，其分布位置与顶升机构的三个位置相对应。
所述的曲率板的材料为高弹性钢，并经过调制处理，厚度为1～2mm，曲率板的两端设置有连接夹持板的连接孔。
所述的夹持板为矩形平板，其宽度与曲率板的宽度一致，夹持板的一端设置有连接曲率板的连接孔，另一端的侧面设置有连接滚动圆棒的通孔，通孔的直径大于滚动圆棒的直径。
所述的滚动圆棒的长度大于上层横梁和下层横梁构成矩形框的宽度。
所述的三套顶升螺杆为全长螺纹，顶升螺杆的顶端设置一段与螺杆顶头的螺纹孔相匹配的螺纹，位于中间位置的顶升螺杆长度大于两侧的顶升螺杆长度。
所述的螺杆定位板的形状与三对支撑立柱形成的矩形空间相对应，螺杆定位板的中心设置穿过顶升螺杆的圆孔，圆孔直径大于顶升螺杆的直径。
所述的螺母的螺纹与顶升螺杆的螺纹相匹配。
本发明的使用过程为：先根据连续变化的曲率模板确定曲率板的长度，再根据拟产生的曲率半径确定三套顶升螺杆的长度，然后将各机构依次安装到位，固定牢固，利用扳手转动顶升机构的螺母，带动顶升螺杆上下移动，顶升螺杆向上移动时通过螺杆顶头顶起曲率板机构的曲率板，推动曲率板顶升，曲率板两端连接的夹持板带动滚动圆棒在上层横梁和下层横梁之间的间隙中横向自由移动，使曲率板产生变形，生成不同半径的曲率；当调节顶升螺杆上下移动时，位移测量机构的激光反射板随之移动，激光位移传感器通过测量激光反射板上反射的激光束获取顶升螺杆的上下移动距离，该移动距离即为曲率板在该点处圆弧的弓高，通过中心处的顶升螺杆的顶升距离可计算得出曲率板产生的曲率，如图1所示，该曲率可通过下式计算：
对于长度为定值的曲率板，当中心位置产生位移时，产生圆弧的半径满足下式的关系：
Figure BDA0002779775610000041
式中，l为曲率板长度(固定值)，δ0为曲率板中心位置产生的位移(即曲率板中心位置处顶升螺杆产生的垂直顶升距离)，R为曲率板弯曲半径，由此得到曲率板的曲率1/R；
得到曲率板的弯曲半径R后，根据下式计算两侧对称位置处顶升螺杆需顶升的距离，并按此值调节两侧的顶升螺杆，以控制曲率板得到均匀的曲率半径：
Figure BDA0002779775610000042
其中c为相邻两根顶升螺杆之间的水平距离。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1.采用顶升机构顶升曲率板发生变形，该方法可产生连续变化的曲率，操作简便，结构可靠，且制造成本低。
2.通过三点控制法及曲率板变形过程中，曲率板两端水平自由移动，保证了曲率板产生的曲率均匀。
3.利用激光位移传感器测量曲率板弯曲弧面的三点位移，通过计算确定曲率板的曲率变化，精确度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的支撑框架结构示意图；
图3为本发明的曲率板机构俯视示意图；
图4为本发明的顶升机构主视示意图；
图5为本发明的位移测量机构主视示意图；
图6为为本发明的曲率发生装置的曲率计算图；
图中标记：1、支撑框架，2、曲率板机构，3、顶升机构，4、位移测量机构，11、上层横梁，12、下层横梁，13、支撑立柱，14、连接块，21、曲率板，22、夹持板，23、滚动圆棒，31、顶升螺杆，32、螺杆顶头，33、螺杆定位板，34、螺母，41、激光位移传感器，42、位移传感器固定板，43、激光反射板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种连续曲率发生装置，包括支撑框架1、曲率板机构2、顶升机构3和位移测量机构4，所述的支撑框架1包括上层横梁11、下层横梁12、支撑立柱13和连接块14，上层横梁11、下层横梁12和支撑立柱13通过连接块14焊接固定在一起构成门形框架结构；所述的上层横梁11为两根相同的方钢管，两根方钢管的两端分别通过两个连接块14焊接在一起构成矩形框形状，上层横梁11设置在门形框架的顶部；所述的下层横梁12为两根与上层横梁11一致的方钢管，下层横梁12对应于上层横梁11设置在上层横梁11的正下方，二者之间留有间隙，间隙大于曲率板机构2的滚动圆棒23的直径，便于滚动圆棒23插入并在间隙中横向自由移动；所述的支撑立柱13两两一组共八组垂直设置在下层横梁11的下部，其中两组分别通过连接块14焊接固定在下层横梁12的两端，其余六组分成三对分别设置在下层横梁12下方的中部和对称两侧，通过焊接固定在下层横梁12的下方，三对支撑立柱13分布位置与顶升机构3的三个位置相对应；所述的连接块14的长度大于曲率板机构2的曲率板21的宽度，便于曲率板21弯曲变形顺畅。
所述的曲率板机构2包括曲率板21、夹持板22和滚动圆棒23；所述的曲率板21设置在支撑框架1的上层横梁11和下层横梁12构成的矩形框内，曲率板21的两端设置有连接夹持板22的连接孔，通过螺栓与夹持板22的一端连接，曲率板21的材料为高弹性钢，并经过调制处理，厚度为1～2mm；所述的夹持板22分别对称设置在上层横梁11和下层横梁12之间的矩形框内两端，夹持板22为矩形平板，其宽度与曲率板21的宽度一致，夹持板22的一端设置有连接曲率板21的连接孔，另一端的侧面设置有连接滚动圆棒23的通孔，通孔的直径大于滚动圆棒23的直径，通过该通孔与滚动圆棒23相连；所述的滚动圆棒23对称设置在曲率板21两端的夹持板22处，其两端伸出夹持板22的通孔并插入支撑框架1的上层横梁11和下层横梁12之间的间隙内，滚动圆棒23的长度大于上层横梁11和下层横梁12构成的矩形框的宽度，以便当顶升机构3推动曲率板21发生变形时，夹持板22带动滚动圆棒23在上层横梁11和下层横梁12之间的间隙中横向自由移动。
所述的顶升机构3包括三套顶升螺杆31、螺杆顶头32、螺杆定位板33及螺母34，分别设置在下层横梁12下方中部和两侧对称的三对支撑立柱13的中心，中部的一套位于曲率板21下方的中心位置，另外两套对称设置在曲率板21下方中心位置的两侧；所述的螺杆定位板33每套为上下两块，其形状与三对支撑立柱13形成的矩形空间相对应，上下两块螺杆定位板33之间留出间隙，水平设置在下层横梁12下方的三对支撑立柱13的中心，通过焊接分别与三对支撑立柱13固定连接，螺杆定位板33的中心设置穿过顶升螺杆31的圆孔，圆孔直径大于顶升螺杆31的直径，上下两块螺杆定位板33对顶升螺杆31的上下移动起定位导向作用；所述的三套顶升螺杆31分别垂直穿过上下两个螺杆定位板33的中心圆孔，顶升螺杆31为全长螺纹，顶升螺杆31的顶端设置一段螺纹，分别连接螺杆顶头32，位于中间位置的顶升螺杆31的长度大于两侧的顶升螺杆31的长度，每根顶升螺杆31的长度根据拟产生的曲率半径确定；所述的螺杆顶头32为长度与曲率板21宽度相同的圆棒，分别水平设置在三根顶升螺杆31的顶端，圆棒的下侧为平面，平面中心设置螺纹孔，螺纹孔与顶升螺杆31顶端的螺纹相匹配；所述的螺母34分别设置在三套上下两块螺杆定位板33之间的顶升螺杆31上，螺母34的螺纹与顶升螺杆31的螺纹相匹配，利用扳手转动螺母34即可带动顶升螺杆31上下移动。
所述的位移测量机构4包括三套激光位移传感器41、位移传感器固定板42和激光反射板43，分别与三套顶升机构3连接在一起；所述的位移传感器固定板42通过焊接固定在顶升机构3的下方的螺杆定位板33上，位移传感器固定板42上设置有固定激光位移传感器41的螺钉孔；所述的激光位移传感器41通过螺钉固定在位移传感器固定板42上，使得激光位移传感器41的位置固定不动；所述的激光反射板43通过螺丝固定在顶升螺杆31的下端，用于反射激光位移传感器41发出的激光束。
本发明的具体操作过程为：首先根据连续变化的曲率模板确定曲率板的长度l，再根据拟产生的曲率半径确定三套顶升螺杆31的长度，然后将各机构依次安装到位，固定牢固，当需要校验曲率模板连续变化的各段曲率时，利用扳手转动顶升机构3的螺母34，带动顶升螺杆31上下移动，顶升螺杆31向上移动时通过螺杆顶头32顶起曲率板机构2的曲率板21，推动曲率板21顶升，曲率板21两端连接的夹持板22带动滚动圆棒23在上层横梁11和下层横梁12之间的间隙中横向自由移动，使曲率板21产生变形，生成不同半径的曲率；当调节顶升螺杆31上下移动时，位移测量机构4的激光反射板43随之移动，激光位移传感器41通过测量激光反射板43上反射的激光束获取顶升螺杆31的上下移动距离δ0，因曲率板21的初始位置为平直状态，顶升螺杆31从此状态开始顶升曲率板21，顶升螺杆31的移动距离δ0即为曲率板21在该点处圆弧的弓高，又因中心处的顶升螺杆31与两侧的顶升螺杆31之间的距离c固定，通过计算中心的顶升螺杆31的顶升距离δ0可得出曲率板21产生的曲率，如图6所示，该曲率可通过下式计算：
对于长度l为定值的曲率板，当中心位置产生δ0的位移时，产生圆弧的半径满足下式的关系：
Figure BDA0002779775610000081
上式为超越方程，通过求解上述超越方程，可得到曲率板21的弯曲半径R，由此得到曲率板21曲率1/R；
得到曲率板21的半径R后，为保证曲率板21能够产生半径均匀的曲率，通过调整中心位置两侧对称设置的两个顶升螺杆31的位移，控制曲率板21的变形，以使曲率板21产生均匀的曲率半径，两侧对称位置的顶升螺杆31的顶升距离按下式计算：
Figure BDA0002779775610000082
其中c为相邻两根顶升螺杆31之间的水平距离。
本发明未详述部分为现有技术，该装置已在企业中使用，效果良好，建议推广。

Claims (10)

1.一种连续曲率发生装置，其特征是：包括支撑框架(1)、曲率板机构(2)、顶升机构(3)和位移测量机构(4)；所述的支撑框架(1)包括上层横梁(11)、下层横梁(12)、支撑立柱(13)和连接块(14)，上层横梁(11)、下层横梁(12)和支撑立柱(13)通过连接块(14)焊接固定在一起构成门形框架结构；所述的上层横梁(11)为两根相同的方钢管，两根方钢管的两端分别通过两个连接块(14)焊接在一起构成矩形框形状，上层横梁(11)设置在门形框架的顶部；所述的下层横梁(12)为两根与上层横梁(11)一致的方钢管，下层横梁(12)对应于上层横梁(11)设置在上层横梁(11)的正下方，二者之间留有间隙；所述的支撑立柱(13)两两一组共八组垂直设置在下层横梁(12)的下部，其中两组分别通过连接块(14)焊接固定在下层横梁(12)的两端，其余六组分成三对分别设置在下层横梁(12)下方的中部和对称两侧，通过焊接固定在下层横梁(12)的下方；
所述的曲率板机构(2)包括曲率板(21)、夹持板(22)和滚动圆棒(23)；所述的曲率板(21)设置在支撑框架(1)的上层横梁(11)和下层横梁(12)构成的矩形框内，曲率板(21)的两端分别通过螺栓与夹持板(22)的一端连接；所述的夹持板(22)分别对称设置在上层横梁(11)和下层横梁(12)之间的矩形框内两端，夹持板(22)的另一端通过侧面的通孔与滚动圆棒(23)相连；所述的滚动圆棒(23)对称设置在曲率板(21)两端的夹持板(22)的通孔中处，其两端伸出夹持板(22)的通孔并插入支撑框架(1)的上层横梁(11)和下层横梁(12)之间的间隙内；
所述的顶升机构(3)包括三套顶升螺杆(31)、螺杆顶头(32)、螺杆定位板(33)及螺母(34)，分别设置在下层横梁(12)下方中部和两侧对称的三对支撑立柱(13)中心，中部的一套位于曲率板(21)下方的中心位置，另外两套对称设置在曲率板(21)下方中心位置的两侧；所述的螺杆定位板(33)每套为上下两块，二者之间留有间隙，水平设置在下层横梁(12)下方的三对支撑立柱(13)的中心，通过焊接分别与三对支撑立柱(13)固定连接；所述的三套顶升螺杆(31)分别垂直穿过上下两个螺杆定位板(33)的中心圆孔，每根顶升螺杆(31)的顶端分别连接螺杆顶头(32)；所述的螺杆顶头(32)为长度与曲率板(21)宽度相同的圆棒，分别水平设置在三根顶升螺杆(31)的顶端，圆棒的下侧为平面，平面中心设置螺纹孔；所述的螺母(34)分别设置在三套上下两块螺杆定位板(33)之间的顶升螺杆(31)上；
所述的位移测量机构(4)包括三套激光位移传感器(41)、位移传感器固定板(42)和激光反射板(43)，分别与三套顶升机构(3)连接在一起；所述的位移传感器固定板(42)通过焊接固定在顶升机构(3)的下方的螺杆定位板(33)上，位移传感器固定板(42)上设置有固定激光位移传感器(41)的螺钉孔；所述的激光位移传感器(41)通过螺钉固定在位移传感器固定板(42)上；所述的激光反射板(43)通过螺丝固定在顶升螺杆(31)的下端。
2.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的上层横梁(11)和下层横梁(12)之间的间隙大于滚动圆棒(23)的直径，用于滚动圆棒(23)在间隙中横向移动。
3.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的连接块(14)的长度大于曲率板(21)的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的固定在下层横梁(12)下方中部和两侧对称的三对支撑立柱(13)，其分布位置与顶升机构(3)的三个位置相对应。
5.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的曲率板(21) 的材料为高弹性钢，并经过调制处理，厚度为1～2mm，曲率板(21)的两端设置有连接夹持板(22)的连接孔。
6.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的夹持板(22)为矩形平板，其宽度与曲率板(21)的宽度一致，夹持板(22)的一端设置有连接曲率板(21)的连接孔，另一端的侧面设置有连接滚动圆棒(23)的通孔，通孔的直径大于滚动圆棒(23)的直径。
7.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的滚动圆棒(23)的长度大于上层横梁(11)和下层横梁(12)构成矩形框的宽度。
8.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的三套顶升螺杆(31)为全长螺纹，顶升螺杆(31)的顶端设置一段与螺杆顶头(32)的螺纹孔相匹配的螺纹，位于中间位置的顶升螺杆(31)长度大于两侧的顶升螺杆(31)长度。
9.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的螺杆定位板(33)的形状与三对支撑立柱形(13)成的矩形空间相对应，螺杆定位板(33)的中心设置穿过顶升螺杆(31)的圆孔，圆孔直径大于顶升螺杆(31)的直径。
10.根据权利要求1所述的一种连续曲率发生装置，其特征是：所述的螺母(34)的螺纹与顶升螺杆(31)的螺纹相匹配。
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