CN112924121B - 一种弹性结构内腔刚度测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域内的一种弹性结构内腔刚度测量装置及其方法，包括动力机构与加载组件；所述加载组件包括第一加载杆和第二加载杆，所述第一加载杆与所述第二加载杆穿过弹性结构内腔后分别位于弹性结构内腔相对的两端，所述动力机构与所述第一加载杆传动连接；固定所述第二加载杆后，所述动力机构带动所述第一加载杆相对所述第二加载杆水平移动。本发明可获得弹性结构内腔双向受力下的载荷变形量数据，相对于现有技术中通过工装夹具加载获得内腔单面受力下的载荷变形量数据，能够直接反应弹性结构内腔约束受力下的变形规律，大幅提供了弹性结构内腔刚度值的准确度。

Description

一种弹性结构内腔刚度测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体地，涉及一种弹性结构内腔刚度测量装置及其方法。

背景技术

工业应用中，有很多柔性夹持固定的案例，如航天插头安装、核反应堆燃料棒在组件中的约束。这种固定模式既要保证足够的约束力，防止元件松动，又不能因为过大的载荷损坏元件表面，所以需要测试获得复杂弹性结构内腔的刚度特性。常规测量刚度的方法是使用万能试验机，通过工装夹具加载获得内腔单面的刚度值。这种方法不能直接反映复杂弹性结构内腔约束受力下的变形规律，而且内腔结构复杂，尺寸限制，以及变形量比较微小等特点，需要专用匹配的高精度刚度测量装置，不仅提高了测量装置的成本，而且测量精度难以达到预设的效果。

经现有技术检索发现，中国发明专利公开号为CN108519201A，公开了一种端面密封静环组件轴向刚度自动检测装置的结构，包括伺服电机、滚珠丝杠机构、执行机构、力传感器、光学测距传感器、定位装夹机构和系统支撑机构，滚珠丝杠机构的丝杠上端与伺服电机的输出轴相连接，执行机构的上端固定在滚珠丝杠机构的滑台侧面上，执行机构的杆状体中部设置为力传感器，执行机构的下端下方为定位装夹机构，光学测距传感器设置在定位装夹机构腔体内的底部且朝向上方以检测执行机构下端面的位移。该专利仍然存在上述相关问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种弹性结构内腔刚度测量装置及其方法。

根据本发明提供的一种弹性结构内腔刚度测量装置，包括动力机构与加载组件；

所述加载组件包括第一加载杆和第二加载杆，所述第一加载杆与所述第二加载杆穿过弹性结构内腔后分别位于弹性结构内腔相对的两端，所述动力机构与所述第一加载杆传动连接；

固定所述第二加载杆后，所述动力机构带动所述第一加载杆相对所述第二加载杆水平移动。

一些实施方式中，所述加载组件还包括连接杆，所述第一加载杆和多根所述连接杆与所述第二加载杆和多根所述连接杆形成两组结构相同的矩形加载框。

一些实施方式中，所述动力机构包括电机、丝杠以及传动连接旋块组件，所述丝杠的一端与所述电机转动连接，其另一端与所述传动连接旋块组件螺接，所述传动连接旋块组件将所述丝杠的径向旋转变为水平位移，所述传动连接旋块组件带动所述第一加载杆相对所述第二加载杆水平移动。

一些实施方式中，所述传动连接旋块组件包括筒体、限位框、旋块以及导杆，所述旋转置于所述限位框内，所述导杆连接于所述限位框端面，所述限位框置于所述筒体内并沿所述筒体的轴向移动，所述筒体限制所述限位框的径向旋转。

一些实施方式中，还包括传感器，所述传感器包括载荷传感器和位移传感器，所述载荷传感器用于检测所述动力机构加载于所述加载组件的载荷值，所述位移传感器用于检测所述第一加载杆相对所述第二加载杆的位移。

一些实施方式中，还包括支撑平台，所述支撑平台包括固定架和试样基座，所述固定架为矩形框架结构，所述试样基座位于所述固定架的框架内，所述第一加载杆通过所述动力机构与所述固定架的一侧边框传动连接，与所述第一加载杆相对的所述固定架的另一侧边框用于固定所述第二加载杆。

一些实施方式中，还包括高度调节机构，所述高度调节机构安装于所述试样基座下方，所述高度调节机构用于调节所述试样基座的垂直高度。

一些实施方式中，还包括水平调节机构，所述水平调节机构包括基板和调节底脚，所述支撑平台与所述高度调节机构安装于所述基板上表面，多个所述调节底脚分布于所述基板的下表面。

本发明还提供了一种弹性结构内腔刚度的测量方法，采用所述的弹性结构内腔刚度测量装置，包括如下步骤：

传感器标定步骤：通过标准弹簧对所述载荷传感器和所述位移传感器进行标定；

载荷信号调零步骤：将待测的弹性结构内腔放置于所述试样基座上，根据所述第一加载杆和所述第二加载杆的高度和弹性结构内腔的位置，通过所述高度调节机构使得所述第一加载杆和所述第二加载杆以及弹性结构内腔处于同一水平线上后，进行载荷加载信号调零处理；

位移信号调零步骤：将所述第一加载杆和所述第二加载杆穿过弹性结构内腔后，进行位移信号调零处理；

载荷位移数据获取步骤：设置加载参数，通过所述电机持续转动达到加载参数的目标值，通过读取并保存所述载荷传感器和所述位移传感器传输的信号，进而计算弹性结构内腔的刚度值。

一些实施方式中，所述载荷位移数据获取步骤中，设置的加载参数为载荷值或位移值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明弹性结构内腔刚度测量装置可获得弹性结构内腔双向受力下的载荷变形量数据，相对于现有技术中通过工装夹具加载获得内腔单面受力下的载荷变形量数据，能够直接反应弹性结构内腔约束受力下的变形规律，大幅提高了弹性结构内腔刚度值的准确度。

2、本发明弹性结构内腔刚度测量装置通过优化加载组件的整体结构以及动力机构的机构设置，提高了对弹性结构内腔施加外力过程中的平稳度，降低了加载组件受力变形对弹性结构内腔形变量的影响，进一步提升弹性结构内腔刚度测量的精度。

3、本发明弹性结构内腔刚度测量装置提供了一种供动力机构、加载组件与待测试样安装放置的支撑平台以及相应的调节机构，确保弹性结构内腔刚度测量装置整体的测量精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明弹性结构内腔刚度测量装置结构示意图；

图2为本发明弹性结构内腔刚度测量装置动力机构示意图

图3为本发明弹性结构内腔刚度测量装置设置有支撑平台结构示意图；

图4为本发明弹性结构内腔刚度测量装置设置有水平调节结构示意图；

图5为本发明弹性结构内腔刚度测量方法中使用标准弹簧进行标定的结构示意图；

图6为本发明弹性结构内腔刚度测量方法中信息采集连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种弹性结构内腔刚度测量装置，如图1-4所示，主要包括用于施加外力的动力机构1和加载于弹性结构内腔并传递动力机构1施加的外力的加载组件2。加载组件2包括第一加载杆21和第二加载杆22，第一加载杆21和第二加载杆22用于分别穿过待测试的弹性结构内腔，且第一加载杆21和第二加载杆22分别位于弹性结构内腔的相对的两端，优选的，第一加载杆21和第二加载杆22分别与弹性结构内腔两端的内表面相接触。

待第一加载杆21和第二加载杆22穿过弹性结构内腔的相对的两端后，对第二加载杆22进行有效固定，动力机构1用于和第一加载杆21传动连接。此时，第一加载杆21通过动力机构1相对于固定的第二加载杆22发生水平移动，使得弹性结构内腔受到来自相对两端的第一加载杆21与第二加载杆22的双向作用力，进而获得弹性结构内腔双向受力下的载荷变形量数据，相对于现有技术中通过工装夹具加载获得内腔单面受力下的载荷变形量数据，能够直接反应弹性结构内腔约束受力下的变形规律，大幅提供了弹性结构内腔刚度值的准确度。

优选的，还包括有传感器3，传感器3用于检测并传递弹性结构内腔双向受力下的载荷变形量数据，主要包括有载荷传感器31和位移传感器32。其中，载荷传感器31用于检测动力机构1加载于第一加载杆21的载荷值的大小，优选的，载荷传感器31安装于动力机构1和第一加载杆21之间，确保检测精度。位移传感器32用于检测第一加载杆21和第二加载杆22两者之间的位移量，进而获得弹性结构内腔的变形量。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上，通过优化加载组件的整体结构以及动力机构的机构设置，提高对弹性结构内腔施加外力过程中的平稳度，降低加载组件受力变形对弹性结构内腔形变量的影响，进一步提升弹性结构内腔刚度测量的精度。具体地：

如图1-4所示，加载组件2除包括有第一加载杆21和第二加载杆22外，还包括有连接杆23。连接杆23用于分别和第一加载杆21、第二加载杆22形成加载框架结构。多根连接杆23与第一加载杆21形成矩形加载框架，同时，多根连接杆23与第二加载杆22形成矩形加载框架，两组矩形框架结构相同。通过矩形框架结构进行力的传导，直角的矩形结构的加载框架可降低力从源端传递至第一架加载杆21以及第二加载杆22的损失量，提高测量精度。

动力机构1作为外力的施加机构，采取径向转动变为水平传动的设计，具体包括电机11，与电机11转动连接的丝杠12，以及与丝杠12螺接并将丝杠12的径向转动变为轴向移动的传动连接旋块组件13，进而由传动连接旋块组件13带动第一加载杆21相对于第二加载杆22水平移动。优选的，传动连接旋块组件13主要包括筒体131、限位框132、旋块133以及导杆134，其中旋块133嵌于限位框132内，导杆132的一端固定于限位框132的外表面上，安装有旋块133与导杆134的限位框132滑动连接于筒体131内，其导杆132延伸至筒体131外部用于带动第一加载杆21的移动。丝杠12的一端与电机11转动连接后，另一端带有螺纹的杆体穿过筒体131以及限位框132后与旋块133螺接并穿过旋块133。电机11带动丝杠12旋转，而丝杠12与旋块133螺纹连接，同时由于限位框132滑动连接于筒体131内，筒体131限制限位框132的旋转，进而使得旋块133同样无法转动，进而丝杠12通过旋块133推动限位框132轴向滑动，由此通过连接于限位框132上的导杆134的轴向移动带动第一加载杆21的水平移动。采用径向旋转变轴向移动的动力机构1，在带动第一加载杆21轴向移动时其加载外力为逐级变化，有效保持加载载荷的平稳度，提高测量精度。

实施例3

本实施例3是在实施例1或实施例2的基础上，提供了一种供动力机构、加载组件与待测试样安装放置的支撑平台以及相应的调节机构，确保弹性结构内腔刚度测量装置整体的测量精度。具体地：

如图1-4所示，设置有支撑平台4，支撑平台4主要由用于安装动力机构1与加载组件2的固定架41和供待测的弹性结构内腔试样放置的试样基座42。固定架41设计为矩形框架结构，而试样基座42位于固定架41的框架之内。其中优选的，动力机构1中的电机11固定于固定架41一侧边框的外表面，而筒体131安装于同一侧边框的内表面上，且丝杠12的一端与电机11转动连接后穿过边框进入筒体131内并与限位框132中的旋块133螺接。同时连接于限位框132端面的导杆134与和第一加载杆21构成矩形框架结构的连接杆23传动连接，且此时，与导杆134连接的连接杆23与第一加载杆21相平行。而与第二加载杆22构成矩形框架结构的且与第二加载杆22相平行的连接杆23通过螺接的方式固定于固定架41的相对的另一侧边框的中，此时，第一加载杆21与第二加载杆22相互平行。设置于固定架41框架之内的试样基座42上放置弹性结构内腔后，可通过先拆卸再组装的方式将第一加载杆21与第二加载杆22分别穿过弹性结构内腔的两端，启动电机11后即可进行相应测试。优选的，载荷传感器31安装于导杆134与连接杆23之间。优选的，位移传感器32安装于和第一加载杆21连接成矩形加载框架的侧面连接杆23的外表面，同时在和第二加载杆22连接成矩形加载框架的同一侧面连接杆23的外表面上设置有挡块，位移传感器32检测与挡块之间距离的变化，即可获得第一加载杆21与第二加载杆22之间的位移变化，进而获得弹性结构内腔的形变量。

优选的，还设置有用于调节试样基座42高度的高度调节机构5，高度调节机将高度调节机构5安装于试样基座42的下方，通过高度调节机构5的垂直升降将而调整试样基座42的高度，进而调整弹性结构内腔构件的高度。

进一步的，还设置有水平调节机构6，其水平调节机构6包括基板61和调节底脚62，支撑平台4与高度调节机构5安装于基板61上表面，多个调节底脚62分布于所述基板61的下表面，其中支撑平台4可通过立杆支撑于基板61上。通过调节底角61可将弹性结构内腔刚度测量装置放置于同一基座上，进而通过调节底脚62调整装置的整体水平度。

实施例4

本发明实在实施例3的基础上形成的一种弹性结构内腔刚度测量的方法，采用实施例3中的装置结构，如图1-6所示，包括如下步骤：

传感器标定步骤：通过标准弹簧7对载荷传感器31和位移传感器32进行标定。即将标准弹簧7作为待测试样安装于支撑平台中，通过第一加载杆21和第二加载杆22与标准弹簧7进行连接后，通过测量获得的标准弹簧7的实际刚度值与标准值进行比对完成载荷传感器31和位移传感器32的标定。

载荷信号调零步骤：将待测的弹性结构内腔构件放置于试样基座42上，根据第一加载杆21和第二加载杆22的高度和待测弹性结构内腔的位置，通过高度调节机构5使得第一加载杆21和第二加载杆22以及弹性结构内腔处于同一水平线上后，进行载荷加载信号调零处理。

位移信号调零步骤：将第一加载杆21和第二加载杆22穿过弹性结构内腔接触后，进行位移信号调零处理。

载荷位移数据获取步骤：设置加载参数，其参数为设置的载荷值或位移值，通过电机11持续转动达到参数的目标值，通过读取并保存载荷传感器31和位移传感器32传输的信号，进而计算弹性结构内腔的刚度值。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种弹性结构内腔刚度测量装置，其特征在于，包括动力机构（1）与加载组件（2）；

所述加载组件（2）包括第一加载杆（21）和第二加载杆（22），所述第一加载杆（21）与所述第二加载杆（22）穿过弹性结构内腔后分别位于弹性结构内腔相对的两端，所述动力机构（1）与所述第一加载杆（21）传动连接；

固定所述第二加载杆（22）后，所述动力机构（1）带动所述第一加载杆（21）相对所述第二加载杆（22）水平移动；

所述动力机构（1）包括电机（11）、丝杠（12）以及传动连接旋块组件（13），所述丝杠（12）的一端与所述电机（11）转动连接，其另一端与所述传动连接旋块组件（13）螺接，所述传动连接旋块组件（13）将所述丝杠（12）的径向旋转变为水平位移，所述传动连接旋块组件（13）带动所述第一加载杆（21）相对所述第二加载杆（22）水平移动；

所述传动连接旋块组件（13）包括筒体（131）、限位框（132）、旋块（133）以及导杆（134），所述旋块（133）置于所述限位框（132）内，所述导杆（134）连接于所述限位框（132）端面，所述限位框（132）置于所述筒体（131）内并沿所述筒体（131）的轴向移动，所述筒体（131）限制所述限位框（132）的径向旋转。

2.根据权利要求1所述的弹性结构内腔刚度测量装置，其特征在于，所述加载组件（2）还包括连接杆（23），所述第一加载杆（21）和多根所述连接杆（23）与所述第二加载杆（22）和多根所述连接杆（23）形成两组结构相同的矩形加载框。

3.根据权利要求1所述的弹性结构内腔刚度测量装置，其特征在于，还包括传感器（3），所述传感器（3）包括载荷传感器（31）和位移传感器（32），所述载荷传感器（31）用于检测所述动力机构（1）加载于所述加载组件（2）的载荷值，所述位移传感器（32）用于检测所述第一加载杆（21）相对所述第二加载杆（22）的位移。

4.根据权利要求3所述的弹性结构内腔刚度测量装置，其特征在于，还包括支撑平台（4），所述支撑平台（4）包括固定架（41）和试样基座（42），所述固定架（41）为矩形框架结构，所述试样基座（42）位于所述固定架（41）的框架内，所述第一加载杆（21）通过所述动力机构（1）与所述固定架（41）的一侧边框传动连接，与所述第一加载杆（21）相对的所述固定架（41）的另一侧边框用于固定所述第二加载杆（22）。

5.根据权利要求4所述的弹性结构内腔刚度测量装置，其特征在于，还包括高度调节机构（5），所述高度调节机构（5）安装于所述试样基座（42）下方，所述高度调节机构（5）用于调节所述试样基座（42）的垂直高度。

6.根据权利要求5所述的弹性结构内腔刚度测量装置，其特征在于，还包括水平调节机构（6），所述水平调节机构（6）包括基板（61）和调节底脚（62），所述支撑平台（4）与所述高度调节机构（5）安装于所述基板（61）上表面，多个所述调节底脚（62）分布于所述基板（61）的下表面。

7.一种弹性结构内腔刚度的测量方法，其特征在于，采用如权利要求3-6任一所述的弹性结构内腔刚度测量装置，包括如下步骤：

传感器标定步骤：通过标准弹簧（7）对载荷传感器（31）和位移传感器（32）进行标定；

载荷信号调零步骤：将待测的弹性结构内腔放置于试样基座（42）上，根据第一加载杆（21）和第二加载杆（22）的高度和弹性结构内腔的位置，通过高度调节机构（5）使得所述第一加载杆（21）和所述第二加载杆（22）以及弹性结构内腔处于同一水平线上后，进行载荷加载信号调零处理；

位移信号调零步骤：将所述第一加载杆（21）和所述第二加载杆（22）穿过弹性结构内腔后，进行位移信号调零处理；

载荷位移数据获取步骤：设置加载参数，通过电机（11）持续转动达到加载参数的目标值，通过读取并保存所述载荷传感器（31）和所述位移传感器（32）传输的信号，进而计算弹性结构内腔的刚度值。

8.根据权利要求7所述的弹性结构内腔刚度的测量方法，其特征在于，所述载荷位移数据获取步骤中，设置的加载参数为载荷值或位移值。

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