CN215262432U - 一种间隙铰链力学特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种间隙铰链力学特性测试系统，包括执行机构组件、驱动系统、光信号采集系统、电信号采集系统和控制记录系统，执行机构组件包括由摩擦起电材料加工的铰链轴和由具有摩擦发光效应的材料加工的铰链轴套组合而成的含间隙的铰链机构，该铰链机构作为摩擦起电和摩擦发光传感器，激励信号直接来源于间隙铰链内部的动态力学响应，将动力学过程中的机械信号转变成对应的电信号、光信号，控制记录系统获取光信号采集系统采集的铰链机构光信号，获取电信号采集系统采集的铰链机构电信号，利用这些光、电信号即可原位实时动态研究间隙铰链的动力学行为。可见，本实用新型无需额外的传感器，可原位实时测量间隙铰链的动态力学特性。

Description

一种间隙铰链力学特性测试系统

技术领域

本实用新型涉及机构铰链力学特性测试技术领域，特别是一种间隙铰链力学特性测试系统。

背景技术

随着工业机器人需求的增长迅猛，机器人机构通过构件和铰链实现运动、动力学传递，对精度、速度和可靠性等要求也日益提高。然而，由于铰链间隙不可避免，机构在运行时容易因铰链间隙而产生复杂的力学现象，发生剧烈振动和磨损，特别是在多个铰链间隙的耦合作用下，导致铰链力学特性存在强烈的非线性特征，这是影响机构运动与动力性能的重要因素之一，成为高端精密机构性能提升的瓶颈。深入研究铰链间隙机构的动力学基础理论，降低间隙对机构性能的影响，已成为目前机构学研究的前沿和热点方向之一。

机构运行过程中，运动副元素在间隙铰链内发生接触、碰撞、摩擦、分离等一系列动力学过程，其受力、变形、速度、加速度和运动轨迹等参数瞬息万变(参见图2)。目前，国内外主要通过理论计算方法研究含铰链间隙机构的动力学，对运动副元素的运动状态进行建模求解和特性分析。然而，由于运动副元素的动力学状态转变过程难以确定，非解析形式的动力学方程具有高度非线性和强耦合等特点，导致数值求解过程对初值和系统参数十分敏感、计算不稳定且无法直接计算运动副的冲击力等问题。相对于理论研究而言，由于铰链间隙尺寸较小且在机构运行过程中发生实时变化，难以确定运动副元素的运动状态和测量相关参数，导致含间隙铰链机构的动力学实验研究工作较少。

目前，相关实验研究大部分基于含一个球铰、旋转铰、滑移铰、圆柱铰等间隙的四杆机构、曲柄滑块机构等平面闭环机械系统。通过测量含间隙机构的速度和加速度响应，间接分析间隙运动副对机构动态特性的影响。同时，通过测量含间隙机构运行过程中的电流通断，间接分析间隙运动副元素间的碰撞特性，从而验证理论建模和数值仿真结果的正确性。常用的实验方法包括：1、通过高速拍摄间隙铰链元素间的相对运动过程。但该方法对高速相机要求苛刻，难以在动态环境下拍摄间隙铰链各元素的接触情况。2、通过传感器、激光跟踪仪等测量含间隙铰链机构的末端动态性能。该方法虽然易实现，但无法检测间隙铰链各元素间的接触碰撞情况。3、通过在间隙铰链元素间布置电路测量电流通断分析其接触分离特性。然而该方法无法分析间隙尺寸的大小、轴心轨迹等。可见，有必要探索新的实验方案，以解决含间隙铰链机构动力学状态判断与动力学参数测量的问题。

材料科学相关研究中发现：某些固体材料在接触、碰撞、摩擦过程中的压力、张力、冲击力、剪切力等外来机械刺激作用下，直接对外发射荧光或/和磷光，光的颜色、强度和寿命等随机械刺激的状态变化而灵敏地响应。这一奇特现象称为摩擦发光(Triboluminescence,TL)。

实用新型内容

本实用新型围绕提高工业机器人精度、效率和寿命等性能的迫切需求，针对间隙铰链机构动力学理论计算复杂、实验研究困难的现状，提出一种新的间隙铰链力学特性测试系统，利用铰链元素动力学过程引起的摩擦起电和摩擦发光效应来检测动力学状态和参数，可为机构动力学的理论研究提供了新思路，为控制间隙对机构动力学性能的影响提供了新途径。

本实用新型采用如下技术方案：

一种间隙铰链力学特性测试系统，包括执行机构组件、驱动系统、光信号采集系统、电信号采集系统和控制记录系统，其中，

执行机构组件包括已采用摩擦起电材料加工过的铰链轴，已采用具有摩擦发光效应的材料加工过的铰链轴套，铰链轴和铰链轴套组合成含间隙的铰链机构，该铰链机构作为摩擦起电传感器和摩擦发光传感器，以运行的铰链机构的动力学过程为激励源，生成与动力学过程中的机械信号相对应的电信号、光信号的；

其中，运行过程中的铰链轴和铰链轴套会因间隙而发生接触、碰撞、摩擦、分离；

铰链机构在铰链轴与铰链轴套接触、碰撞、摩擦的过程中，以该过程激励发光作为内光源，产生与该过程中的机械信号相对应的光信号；铰链机构在铰链轴与铰链轴套分离的过程中，产生与该过程中的机械信号相对应的摩擦起电电流信号；

铰链机构在铰链轴与铰链轴套处于接触、碰撞或摩擦状态时，电信号为0，光信号不为0；在铰链轴与铰链轴套由接触状态转变为分离状态时，光信号为0，电信号不为0，铰链轴与铰链轴套之间构成电容结构并产生电流信号；

控制记录系统通过驱动系统连接执行机构组件，并通过驱动系统控制执行机构组件的运动；

光信号采集系统设置在铰链机构周围，控制记录系统连接光信号采集系统，并获取光信号采集系统所采集的由铰链机构产生的光信号，以得出铰链机构接触、碰撞、摩擦过程中的速度、位移、受力和加速度动态响应参数；

电信号采集系统连接铰链机构，控制记录系统连接电信号采集系统，并获取电信号采集系统所采集的由铰链机构产生的电信号，以得出铰链机构分离过程中的速度、位移、受力和加速度动态响应参数。

优选的，电信号采集系统为电桥电路，或者为电桥电路、示波器和电化学工作站；

电桥电路连接铰链机构和控制记录系统，并将其从铰链机构导出的摩擦起电电流信号传输给控制记录系统；

示波器连接电桥电路和控制记录系统，并将其记录的电桥电路的开路电压信号传输给控制记录系统；

电化学工作站连接电桥电路和控制记录系统，并将其记录的电桥电路的短路电流信号传输给控制记录系统。

优选的，光信号采集系统包括光谱仪、光子计数器和相机，其中，光谱仪连接控制记录系统，并向控制记录系统发送由自身的光电探测器所记录的间隙铰链的摩擦发光光谱；光子计数器连接控制记录系统，并将其收集的摩擦发光光强发送给控制记录系统；相机连接控制记录系统，并将其摄录的光轨传输给控制记录系统。

优选的，相机数量为多台，且分布在不同的位置以360度全方位摄录光轨。

优选的，控制记录系统采用电脑或工控机。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型以间隙铰链作为摩擦起电和摩擦发光传感器，利用摩擦起电和摩擦发光效应，将间隙铰链运动过程中的机械信号转变成光、电信号，利用这些光、电信号即可原位实时动态研究间隙铰链的动力学行为，无需额外的传感器。并且，摩擦起电与摩擦发光效应分别对应非接触和接触状态，电、光信号错峰互补，因此利用光、电信号来研究间隙铰链的动力学行为可以非常直观清晰。

2、与传统的压力传感器相比，本实用新型所构建的摩擦电传感器具有以下优势：(1)既可以使用开路电压信号进行静态测量，又可以使用短路电流信号测量机械触发的尖峰信号动态过程；(2)静态和动态传感的迅速响应使其能揭示加载压力的细节；(3)由于电输出高，动态感测的检测极限低、灵敏度高；(4)除了简单的压力刺激外，还可以检测剪切、拉伸、弯曲和扭曲等其他动态机械刺激的多个力分量。

目前，摩擦电传感器主要用于生物运动信号的监测，少量文献报道用于车辆碰撞试验的加速度测量、柔性铰链结构轴偏心位移的测量、活塞气缸系统的位置和速度的实时气动监控、水滴在固体表面滴落过程中的动力学行为等研究。相对于压电传感器，摩擦电传感器的适用范围大，可直接利用铰链构件，将铰链构件接触、分离过程转换为摩擦电信号，从而确定状态转变发生的时刻。因此，摩擦起电效应在间隙铰链动态力学特性原位测量中的应用值得探索。

3、高速相机或激光追踪仪虽然可以利用外光源获得铰链构件的宏观运动轨迹，但不能探测间隙铰链机构内部的微观相对运动轨迹。而光信号与电信号不同，可以实时显示碰撞、摩擦等动力学过程发生的细节，因此，需要一种铰链内光源检测铰链构件的动力学状态和响应参数。对此，本实用新型将铰链构件与先进功能材料有机结合，构建了摩擦发光传感器，可利用铰链构件的碰撞、摩擦等动力学过程激励发光作为内光源检测动力学状态和参数，这种设计拓展了先进功能材料在机械领域的应用，为机械领域的研究提供了新的思路。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中间隙铰链力学特性测试系统的示意图。

图2为间隙铰链在运动过程中的状态示意图。

图3为摩擦起电、摩擦发光效应与间隙铰链的动态运动过程的关系示意图。

图4为在垂直接触-分离模式下摩擦电传感器的工作原理示意图。

图5为利用图1系统做间隙铰链动态力学特性原位测量实验的总体研究思路和技术线路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供了一种基于摩擦起电和发光效应的间隙铰链力学特性测试系统，其利用了具有摩擦起电(TE)和摩擦发光(TL)效应的铰链构件来搭建含间隙的铰链机构(简称为间隙铰链)，将该间隙铰链作为TE传感器和TL传感器来检测间隙铰链内部的动态力学过程。

这里，间隙铰链具体是指采用具有摩擦发光效应的材料加工后具备摩擦发光效应的铰链轴套、采用摩擦起电材料加工后具备摩擦起电效应的铰链轴，加工后的铰链轴收容在加工后的铰链轴套中，两者之间存在间隙。

其中，具有摩擦发光效应的材料可以是掺过渡或稀土离子(如Pr³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Ce³⁺)摩擦发光材料，也可以是如含Mn、Zn离子等可实现摩擦发光的其他材料。摩擦起电可由任意两种得失电子能力不同的材料引起，得失电子能力差异越大，电输出效应越高。

由于间隙的存在，当铰链机构运动时，铰链轴作为运动构件，则会与作为固定构件的铰链轴套发生接触、碰撞、摩擦、分离，可参见图2，而这些相互作用的动力学过程可作为激励源，传感器利用摩擦起电和摩擦发光效应将动力学过程中的机械信号转变成对应的电信号、光信号。对这些信号加以处理，即可建立起间隙铰链的机械信号与电、光信号的映射关系，得到间隙铰链的动态力学特性。

其中，如图5所示，(1)摩擦起电、摩擦发光效应与间隙铰链的动态力学特性关系的机理具体如下：

当运动构件与固定构件接触、碰撞和摩擦时，摩擦发光材料在压力、碰撞力和摩擦力等作用下，分子结构发生变化，吸收弹性能量进入激发态，在自发跃迁到基态时，以光辐射的形式释放能量，此时接触、碰撞和摩擦过程激励发光可作为内光源。光谱(即波长，也可以称为粒子跃迁能级差)和光强(即跃迁粒子数量)与碰撞能、摩擦能成映射关系，从而可根据能量计算公式来推算铰链机构的速度、位移(即碰撞深度和摩擦距离)、受力和加速度等动态响应参数。

当运动构件与固定构件分离时，两者组成电容结构。根据电容计算公式、电容大小与极板间距成反比的定义，感应电荷会随间隙的变化在电极间流动，从而产生电流，可见，电流值与间隙大小可构成映射关系(反比)，进一步地，可根据功率换算运动构件的动能，利用能量计算公式来推算铰链机构的速度、加速度、位移和受力等动态响应参数。

在分离阶段(非接触自由运动状态)，由于摩擦起电效应，将产生随间隙大小动态变化的感应电流，但由于没有受力，不会出现摩擦发光效应，也即光信号为0，电信号不为0。反之，在接触、碰撞和摩擦阶段，由于摩擦发光效应，将产生随激励力大小动态变化的光强，但由于没有间隙，不会出现摩擦起电效应，也即电信号为0，光信号不为0。因此，摩擦起电与摩擦发光效应分别对应非接触和接触状态，电、光信号错峰互补(可参见图3)，作为间隙铰链机构动态力学测试研究的物理模型，理论直观清晰。

(2)如图1所示，间隙铰链动态力学特性测试系统包括：执行机构组件、驱动系统、光信号采集系统、电信号采集系统和控制记录系统。

在本实施例中，执行机构组件主要包括可作为TE传感器和TL传感器的间隙铰链、其它用于支撑和固定间隙铰链的零组件等(如图1中的防震台、聚碳酸酯平板)。

控制记录系统可采用电脑或工控机。驱动系统主要有连接执行机构组件的驱动电机、连接驱动电机和控制记录系统的驱动控制器，控制记录系统可通过驱动控制器控制驱动电机，进而控制执行机构组件的运动。

光信号采集系统设置在间隙铰链周围，在本实施例中，光信号采集系统包括连接控制记录系统的光谱仪、光子计数器和相机。光谱仪可通过自身的光电探测器来记录间隙铰链的摩擦发光光谱，光子计数器可用于收集摩擦发光光强，相机数量可以是多台，如本实施例采用3台高速相机，分布在不同的位置，以实现360度全方位摄录光轨(即光线的轨迹)，得到两个构件接触、碰撞和摩擦的轨迹。

电信号采集系统可以是电桥电路，也可以是电桥电路、示波器和电化学工作站。其中，电桥电路连接铰链机构和控制记录系统，可用于导出摩擦起电电流信号。示波器连接电桥电路和控制记录系统，可用于记录电桥电路的开路电压信号曲线。电化学工作站连接电桥电路和控制记录系统，可用于记录电桥电路的短路电流信号曲线。

(3)基于摩擦起电和发光效应的具有传感功能的铰链结构设计及标定具体如下：

在本实施例中，为了降低非间隙因素的影响，选用简单的间隙旋转铰链作为测试对象，选用摩擦起电和摩擦发光材料分别加工铰链轴和轴套，如图1所示，加工后的铰链轴套含有三层，从内到外依次为：掺稀土摩擦发光颗粒的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料层、导电材料层、聚碳酸酯(PC)材料层，铰链轴采用不锈钢材料。然后将铰链轴和轴套组合起来以作为传感器。

接着，令铰链轴和轴套在接触、分离状态下以近似垂直接触分离模式工作(参见图4)，在碰撞、摩擦状态下以近似水平滑移模式工作。

a、改变驱动系统的驱动条件，测试不同运行工况下随间隙距离变化的开路电压和短路电流，从而进一步建立不同工况下电流与动态响应参数的映射关系，公式推导得到分离状态下间隙铰链的动态力学特性。

改变驱动条件，在暗室环境(可参见图1)中测试不同工况下随碰撞力和摩擦力变化的发光强度和波长、光轨，以防止可见光的干扰，从而进一步建立光强、波长、光轨与动态响应参数的映射关系，公式推导得到接触、碰撞、摩擦状态下间隙铰链的动态力学特性。

上述建立的映射关系可作为校准输出(如电的电压、电流、功率等，光的波长、强度、轨迹等)与输入(动态力学特性，如力的大小、方向等)用的线性相关性，在获知输出的情况下，还可以用来反推出输入。

b、通过上述过程来测试及优化传感器性能参数，使其满足间隙旋转铰链运动过程中铰链内部的动态力学状态和参数信号转换与采集需求，例如满足灵敏度、响应性、线性度、检测限等要求，以确保传感器具有较好的检测准确度。

c、随后，通过永磁式电动振动台驱动敲击，模拟间隙铰链运动过程中的接触、分离状态，通过电信号采集系统测量接触-分离过程中传感器的电输出性能，并标定间隙铰链状态转变时的电输出曲线的变化。

通过落球冲击和球盘摩擦实验分别模拟间隙铰链运动过程中的碰撞、摩擦状态，通过光信号采集系统测量传感器的发光光谱和光强，并标定光谱、光强与受力大小的关系。

(4)基于摩擦起电和发光效应的间隙铰链动态力学特性原位测量实验研究：

利用间隙铰链作为TE和TL传感器，将其运动过程中的机械信号转变成电、光信号。

采用示波器和电化学工作站分别记录开路电压和短路电流曲线。采用光谱仪的探测器记录间隙铰链的摩擦发光光谱、光子计数器收集摩擦发光强度，通过高速相机采集光线的轨迹等信息。这些信息可直接显示在仪器设备，当然，也可以是通过仪器设备传输到所连接的电脑/工控，由电脑/工控机的显示器进行显示。

采用电脑/工控机对采集的光、电信号做分析处理，根据(3)中建立的映射关系来反推出间隙铰链接触、碰撞、摩擦和分离状态时相关的受力、变形、速度、加速度和运动轨迹等动态响应参数，同时可以推导出间隙铰链的动态力学过程。

可见，本实用新型可原位实时动态测量铰链构件在间隙铰链内的接触、碰撞、摩擦和分离等过程中相关的受力、变形、速度、加速度和运动轨迹等动态响应特性，无需额外的传感器，信号直接来源于间隙铰链内部的动态力学过程，因此可避免外源检测方法的不足。

以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，包括执行机构组件、驱动系统、光信号采集系统、电信号采集系统和控制记录系统，其中，

执行机构组件包括已采用摩擦起电材料加工过的铰链轴，已采用具有摩擦发光效应的材料加工过的铰链轴套，铰链轴和铰链轴套组合成含间隙的铰链机构，该铰链机构作为以运行的铰链机构的动力学过程为激励源，生成与动力学过程中的机械信号相对应的电信号、光信号的摩擦起电传感器和摩擦发光传感器；

控制记录系统通过驱动系统连接执行机构组件，并通过驱动系统控制执行机构组件的运动；

光信号采集系统设置在铰链机构周围，控制记录系统连接光信号采集系统，并获取光信号采集系统所采集的由铰链机构产生的光信号；

电信号采集系统连接铰链机构，控制记录系统连接电信号采集系统，并获取电信号采集系统所采集的由铰链机构产生的电信号。

2.根据权利要求1所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，运行过程中的铰链轴和铰链轴套会因间隙而发生接触、碰撞、摩擦、分离；

铰链机构在铰链轴与铰链轴套接触、碰撞、摩擦的过程中，以该过程激励发光作为内光源，产生与该过程中的机械信号相对应的光信号；

铰链机构在铰链轴与铰链轴套分离的过程中，产生与该过程中的机械信号相对应的摩擦起电电流信号。

3.根据权利要求2所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，铰链机构在铰链轴与铰链轴套处于接触、碰撞或摩擦状态时，电信号为0，光信号不为0；在铰链轴与铰链轴套由接触状态转变为分离状态时，光信号为0，电信号不为0，铰链轴与铰链轴套之间构成电容结构并产生电流信号。

4.根据权利要求1所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，电信号采集系统为电桥电路，或者为电桥电路、示波器和电化学工作站；

电桥电路连接铰链机构和控制记录系统，并将其从铰链机构导出的摩擦起电电流信号传输给控制记录系统；

示波器连接电桥电路和控制记录系统，并将其记录的电桥电路的开路电压信号传输给控制记录系统；

电化学工作站连接电桥电路和控制记录系统，并将其记录的电桥电路的短路电流信号传输给控制记录系统。

5.根据权利要求1所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，光信号采集系统包括光谱仪、光子计数器和相机，其中，光谱仪连接控制记录系统，并向控制记录系统发送由自身的光电探测器所记录的间隙铰链的摩擦发光光谱；光子计数器连接控制记录系统，并将其收集的摩擦发光光强发送给控制记录系统；相机连接控制记录系统，并将其摄录的光轨传输给控制记录系统。

6.根据权利要求5所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，相机数量为多台，且分布在不同的位置以360度全方位摄录光轨。

7.根据权利要求1所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，控制记录系统采用电脑或工控机。

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