CN209945592U - 一种柔顺铰链应力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种柔顺铰链应力测量装置，包括：底座，所述底座的边缘沿长度方向设置有若干通过螺栓连接待测柔顺铰链固定端的螺孔；螺旋测微头支座，固定设置在所述底座的一端；螺旋测微头，与所述螺旋测微头支座螺纹连接；长条板，所述长条板的一端与所述螺旋测微头相抵接，中部沿长度方向设置有通过螺栓连接各待测柔顺铰链自由端的长圆槽或若干通孔；若干应变片，分别粘贴设置在各待测柔顺铰链发生形变的表面，用于采集各待测柔顺铰链的形变信号发送至静态应变分析仪。本实用新型通过对不同铰链之间给定相同的旋转角度，使铰链发生形变，从而通过应变片测量出不同铰链之间的应力差异，结构简单，操作方便。
Description
技术领域
本实用新型属于柔顺机构领域，具体涉及一种柔顺铰链应力测量装置。
背景技术
精密定位技术在高端设备制造(如光刻机、扫描电子显微镜等)、航空航天、微纳操作和手术医疗等许多领域得到了广泛的应用，一直是国内外研究的热点。传统的刚性机构因为存在装配间隙，摩擦润滑等问题，难以实现高精度的定位操作，而柔顺机构因为具有精度高，刚度大，结构紧凑等优点则能够很好地满足精密定位的需求。柔顺机构按照柔度分布的不同可以分为集中柔度式和分布柔度式两大类，而集中柔度式柔顺机构的柔度集中在柔顺铰链处，铰链承担了机构主要的变形，而柔顺铰链的应力水平的高低直接影响了铰链的性能和使用寿命。柔顺铰链作为柔顺机构的重要部位，对不同柔顺铰链的应力研究对于提高机构性能具有很重要的实际意义。
比较常见的柔顺铰链有直圆型铰链、直梁型铰链、角圆型铰链、抛物线型铰链、车轮型铰链和V型铰链，其中以直圆型铰链和角圆型铰链使用最为广泛。而柔顺铰链常用的性能评价参数有三个：柔度、旋转精度和最大应力。2016年，刘敏等学者通过拓扑优化的方法提出了一种多缺口型的柔顺铰链(具体内容见Design and analysis of a multi-notchedflexure hinge for compliant mechanisms)，在相同的弯曲变形角度情况下，该铰链与同样尺寸的直圆型铰链相比具有更小的应力表现。铰链受到纯弯矩作用下发生的角度变形θ和位移变形dx如图2所示。
常用的测应力的方法有贴应变片和光弹测量法，但是光弹测量实验较为复杂，成本较高，而且一般用于做定性分析，不易得到定量的实验数据。
实用新型内容
针对上述提到的针对铰链应力的测量需求，本实用新型设计了一种可以测量不同种类的铰链在相同负载条件下应力表现的检测装置，结构简单，容易搭建，通过旋动螺旋测微头来给铰链施加一定的载荷，根据应变片测出的数据来对比不同铰链间的应力表现。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种柔顺铰链应力测量装置，包括：
底座，所述底座的边缘沿长度方向设置有若干通过螺栓连接待测柔顺铰链固定端的螺孔；
螺旋测微头支座，固定设置在所述底座的一端；
螺旋测微头，与所述螺旋测微头支座螺纹连接；
长条板，所述长条板的一端与所述螺旋测微头相抵接，中部沿长度方向设置有通过螺栓连接各待测柔顺铰链自由端的长圆槽或若干通孔；
若干应变片，分别粘贴设置在各待测柔顺铰链发生形变的表面，用于采集各待测柔顺铰链的形变信号发送至静态应变分析仪。
进一步地，所述的应变片粘贴到各待测柔顺铰链应力最大的位置表面。
进一步地，所述螺旋测微头支座上设置有沿所述底座端部调节所述螺旋测微头与所述长条板端部相对位置的槽型缺口。
进一步地，所述待测柔顺铰链的种类包括直圆型柔顺铰链、角圆型柔顺铰链和多缺口型柔顺铰链、圆锥曲线型柔顺铰链、车轮型和V型柔顺铰链。
进一步地，所述的应变片通过1/4桥式电路测量各待测柔顺铰链的形变信号发送至静态应变分析仪。
进一步地，所述1/4桥式电路包括首尾依次连接形成环路的应变片R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，所述应变片R1和电阻R3之间、电阻R2和电阻R4之间连接供电电源，所述应变片R1和电阻R2之间、电阻R3和电阻R4之间连接待测电压输出端。
进一步地，所述螺旋测微头的精度为0.01mm。
进一步地，所述底座通过四个角上的通孔固定在隔震台上。
相比现有技术，本实用新型的有益效果包括：
本实用新型通过一根长条板和螺栓将几种铰链的自由端进行固连，从而可以保证几个铰链产生相同的旋转变形，通过旋转螺旋测微头输入的位移大小，可以便捷地改变几个柔顺铰链的旋转变形值θ的大小，便于得到多组实验数据。用螺旋测微头作为铰链的输入方式，具有安装简便，操作简单等优点。整个实验装置具有安装便捷，实验可重复性高和互换性强等特点。
附图说明
图1为本实用新型实施例的柔顺铰链应力测量装置的整体结构图。
图2为柔顺铰链弯曲变形示意图。
图3为应变片1/4桥式电路示意图。
图4为测量步骤流程图。
图中：1-螺旋测微头、2-螺旋测微头支座、3-底座、4-通孔、5-螺栓、6-长条板、7-待测柔顺铰链、8-螺栓、9-应变片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。
如图1所示，一种柔顺铰链应力测量装置，包括：
底座3，所述底座3的边缘沿长度方向设置有若干通过螺栓连接待测柔顺铰链7固定端的螺孔，本实施例留出了供7个铰链安装实验的螺纹孔，若有需要增加测量铰链数量，只需要加长底座和多加工铰链安装的螺孔即可，同时，所述底座3通过四个角上的通孔4固定在隔震台上；
螺旋测微头支座2、固定设置在所述底座的一端；
螺旋测微头1，与所述螺旋测微头支座2螺纹连接，精度为0.01mm；
长条板，所述长条板的一端与所述螺旋测微头1相抵接，中部沿长度方向设置有通过螺栓8连接各待测柔顺铰链自由端的长圆槽或若干通孔；
若干应变片9，分别粘贴设置在各待测柔顺铰链发生形变的表面，用于采集各待测柔顺铰链的形变信号发送至静态应变分析仪。
所述的应变片粘贴到各待测柔顺铰链应力最大的位置表面。
所述螺旋测微头支座2上设置有沿所述底座端部调节所述螺旋测微头1与所述长条板端部相对位置的槽型缺口。
所述待测柔顺铰链7的种类包括直圆型柔顺铰链、角圆型柔顺铰链和多缺口型柔顺铰链、圆锥曲线型柔顺铰链、车轮型和V型柔顺铰链，本实施例选用多缺口型柔顺铰链。
所述的应变片通过1/4桥式电路测量各待测柔顺铰链的形变信号发送至静态应变分析仪。
所述1/4桥式电路包括首尾依次连接形成环路的应变片R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，所述应变片R1和电阻R3之间、电阻R2和电阻R4之间连接供电电源，所述应变片R1和电阻R2之间、电阻R3和电阻R4之间连接待测电压输出端。
本实用新型采用贴应变片的方式进行铰链应变的测量，该方法比较简单，容易操作，而且成本较低。应变ε与应力σ之间满足σ＝E×ε的线性关系，E为材料的弹性模量，应变的大小可以间接反映该位置铰链的应力水平。本实用新型中铰链的材料均为铝合金，其弹性模量约为71Gpa，但因铰链发生的形变较小，通常为μm级，应变片电阻的阻值变化非常小，为了获得较为明显的实验数据，本实用新型采用1/4桥式电路来进行测量，如附图3所示。
附图3中，R1表示应变片，电阻R2、电阻R3和电阻R4分别为与应变片标称阻值一致的精密电阻，U1表示供电电源的电压，U0表示输出的待测电压。当铰链发生变形时，因为应变片粘贴在铰链表面，会随着铰链的形变而发生形变，进而电阻值改变，会破坏电桥原本的平衡，从而产生输出电压U0，通过静态应变分析仪读取到个路信号的应变值大小。
因不同铰链在发生弯曲变形的时候，其最大应力产生的位置也不同，因此在安装前，首先通过ANSYS进行仿真分析，确定铰链产生最大应力的位置，然后根据仿真的结果将应变片粘贴到各个铰链应力最大的位置，接着接好电路，再将七个多缺口型柔顺铰链通过螺栓安装到底座3上，安装时，先将铰链的固定端贴紧底座3的侧面，然后旋上螺栓将多个铰链固定在底座3上，接着用螺栓将多个铰链的自由端通过长条板6固连到一起，使多个铰链可以发生相同角度的偏转。
然后安装螺旋测微头1和螺旋测微头底座2，两者之间通过螺纹连接到一起，螺旋测微头1每旋动一小格，则会输出10μm的位移。因为螺旋测微头底座2上有一个槽型的缺口，使得其可以贴着固定底座的侧面前后移动，直至移动到螺旋测微头1贴着长条板的侧面时，可以将螺旋测微头底座2通过螺栓固定在隔震台上。
整个测量装置安装好后，可以按照图4的步骤来进行实验，即不断通过旋动螺旋测微头1来使得多个铰链获得多组一致的旋转变形，从而得到多组应变数据，可以根据实验数据绘制出铰链转角θ与应变间的关系曲线，进而对铰链的应力表现有一个综合的对比分析，最后将实验测得的数据与理论进行对比验证。
上述实施例中选取螺旋测微头来提供铰链的输入位移，无需电源供电，只需要简单地通过旋转来控制位移的指数，比较经济便捷，其他类型的驱动器亦可用在上述测量装置中，例如压电陶瓷，滚珠丝杆副和音圈电机等。
上述实施例的加工件均为铝合金，底座通过四个角上通孔固定在隔震台上。几个不同的铰链一端通过螺栓固定在底座上，另一端通过螺栓将其与长条板固连，使其可以发生相同角度的偏转。
本实用新型在进行检测过程中，可通过较为简单的装配和更换，就能对不同的铰链进行应力测量，实现对多种铰链的应力对比，进而与仿真结果进行对比验证，实验操作简单，可重复性高。
上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型的内容所作的均等变化与修饰，均为本实用新型权利要求所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，包括：
底座(3)，所述底座(3)的边缘沿长度方向设置有若干通过螺栓连接待测柔顺铰链(7)固定端的螺孔；
螺旋测微头支座(2)，固定设置在所述底座的一端；
螺旋测微头(1)，与所述螺旋测微头支座(2)螺纹连接；
长条板(6)，所述长条板(6)的一端与所述螺旋测微头(1)相抵接，中部沿长度方向设置有通过螺栓连接各待测柔顺铰链自由端的长圆槽或若干通孔；
若干应变片(9)，分别粘贴设置在各待测柔顺铰链(7)发生形变的表面，用于采集各待测柔顺铰链(7)的形变信号发送至静态应变分析仪。
2.根据权利要求1所述的柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，所述的应变片(9)粘贴到各待测柔顺铰链(7)应力最大的位置表面。
3.根据权利要求1所述的柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，所述螺旋测微头支座(2)上设置有沿所述底座端部调节所述螺旋测微头(1)与所述长条板端部相对位置的槽型缺口。
4.根据权利要求1所述的柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，所述待测柔顺铰链(7)的种类包括直圆型柔顺铰链、角圆型柔顺铰链和多缺口型柔顺铰链、圆锥曲线型柔顺铰链、车轮型和V型柔顺铰链。
5.根据权利要求1所述的柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，所述的应变片(9)通过1/4桥式电路测量各待测柔顺铰链(7)的形变信号发送至静态应变分析仪。
6.根据权利要求5所述的柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，所述1/4桥式电路包括首尾依次连接形成环路的应变片R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，所述应变片R1和电阻R3之间、电阻R2和电阻R4之间连接供电电源，所述应变片R1和电阻R2之间、电阻R3和电阻R4之间连接待测电压输出端。
7.根据权利要求1所述的柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，所述螺旋测微头(1)的精度为0.01mm。
8.根据权利要求1所述的柔顺铰链应力测量装置，其特征在于，所述底座(3)通过四个角上的通孔(4)固定在隔震台上。
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Cited By (2)
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2019
- 2019-05-31 CN CN201920811819.4U patent/CN209945592U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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