專利名稱：微扭轉測試平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種材料力學試驗機，更確切地說，本發(fā)明涉及一種微扭轉測試平臺。
背景技術：
材料力學試驗是測試材料性能的重要手段，其中扭轉試驗是材料力學試驗的重要內容之一。目前對材料進行扭轉力學性能測試，一般采用材料扭轉試驗機進行。根據匹配的扭矩傳感器不同，這類試驗機扭矩量程從IN m至1000N m不等，僅可滿足工程界對大載荷工況下試樣扭轉測試的需求。隨著科學技術和工業(yè)水平的不斷發(fā)展，對材料的力學性能測試精度有更高的要求，目前常用的扭轉試驗機多數在大載荷工況下測量材料力學性能，因此無法精確測試得到微扭矩/變形服役條件下的機械結構或微小尺寸結構的扭轉性能。另外，現有扭轉試驗機主要實驗對象為金屬材料，面向非金屬、生物醫(yī)用材料微扭轉試驗機還不多見。而隨著生物力學的發(fā)展，對生物力學測試精度要求越來越高，如:骨骼材料力學性能測試。現有扭轉試驗機的量程往往超出骨骼測量的范圍，并且無法對微扭矩/變形進行聞精度動態(tài)檢測。因此研發(fā)微扭轉測試平臺，以開展微扭矩/變形服役條件下的機械結構或微小尺寸結構的扭轉力學性能試驗研究，對機械、生物工程相關設計的優(yōu)化，器械性能與壽命的提高以及新型材料的應用等具有十分重要的意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有扭轉試驗機在微扭矩/變形服役條件下的扭轉力學性能試驗測試精 度低、試驗對象范圍小的問題，提供了一種用于微扭矩/變形服役條件下的機械結構或微小尺寸結構的扭轉性能測試試驗的以及一定扭轉條件下的扭轉疲勞試驗的微扭轉測試平臺，該測試平臺可適用于生物醫(yī)用材料、硬脆性材料等。為解決上述技術問題，本發(fā)明是采用如下技術方案實現的:所述的執(zhí)行機構包括精密調整單元、精密電控旋轉臺、扭矩/角位移信號檢測單元與夾持單元；所述的精密調整單元包括底座、活動橫梁與XY 二維精密位移臺。XY 二維精密位移臺裝配在底座的上工作面上。精密電控旋轉臺采用螺栓固定安裝在XY 二維精密位移臺的臺面上。所述的扭矩/角位移信號檢測單元包括微小扭矩傳感器和高精度圓光柵。微小扭矩傳感器安裝在活動橫梁的底面上，高精度圓光柵通過其法蘭面上的定位孔安裝在精密電控旋轉臺承載臺上。所述的夾持單元包括定夾持器和動夾持器。定夾持器安裝在微小扭矩傳感器的底端面上，動夾持器安裝在精密電控旋轉臺的臺面上。技術方案中所述的精密調整單元還包括左立柱、調整螺桿、頂梁與右立柱。左立柱和右立柱垂直地安裝于底座的兩端，左立柱與右立柱上端和頂梁的兩端通孔裝配后采用螺母固定連接。調整螺桿的上端與頂梁中心處的頂梁螺紋孔配合連接，調整螺桿的下端插入活動橫梁的調整螺桿通孔內，圓螺母與止動墊片安裝在調整螺桿從活動橫梁底面的伸出端上?；顒訖M梁的兩端采用間隙配合套裝在左立柱與右立柱上。技術方案中所述的活動橫梁為平板類結構件，活動橫梁中間部分設置為圓盤件，在圓盤件的中心處設置有安裝調整螺桿的調整螺桿通孔，在圓盤徑向的兩端設有結構相同的矩形平板，兩矩形平板的外端設置有螺栓通孔，螺栓通孔的回轉軸線和調整螺桿通孔的回轉軸線垂直交叉，兩螺栓通孔的里側設置有安裝左立柱與右立柱的左立柱通孔與右立柱通孔，左立柱通孔與右立柱通孔的回轉軸線和調整螺桿通孔的回轉軸線平行，兩個結構相同的矩形平板外側設置有彈性開口，兩彈性開口和左立柱通孔與右立柱通孔的回轉軸線共面并和左立柱通孔與右立柱通孔連通。技術方案中所述的XY 二維精密位移臺的型號為XY-R-90，XY 二維精密位移臺在其和X方向與Y方向垂直的兩側面上設置有進行X方向與Y方向手動微調的微分頭。技術方案中所述的精密電控旋轉臺包括步進電機、電機支架、彈性聯軸器、蝸輪蝸桿減速機構和旋轉臺。所述的步進電機安裝在電 機支架的一端上，電機支架的另一端固定在旋轉臺側面上，步進電機的輸出端通過彈性聯軸器與安置在旋轉臺內的蝸桿一端連接，蝸桿與安置在旋轉臺內的蝸輪相嚙合，蝸輪與旋轉臺固定連接，蝸輪與旋轉臺的回轉軸線共線。技術方案中所述的微小扭矩傳感器由四個結構相同的彈性梁、四個結構相同的電阻應變片、上基板和下基板構成。所述的四個結構相同的彈性梁的橫截面為矩形，上基板與下基板為圓盤類結構件，上基板與下基板的周向均勻設置有用于安裝定位的通孔，四個結構相同的彈性梁豎直地均勻布置在平行放置的上基板和下基板之間，四個結構相同的均勻布置的彈性梁上距下基板端1/3彈性梁長度處貼有電阻應變片，四個結構相同的電阻應變片連接成全橋電路。與現有技術相比本發(fā)明的有益效果是:1.本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺操作方便，試樣易于安裝且誤差小。由于采用立式安裝方案，消除了重力帶來的附加彎矩影響，采用XY 二維精密位移臺進行試樣夾持的微調，則可有效減小同軸度偏差帶來的實驗誤差。2.本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺測量精度高。精密電控旋轉臺驅動分辨率可達0.001°，提供具有微小分辨率的扭矩動力輸出及角位移輸出；微小扭矩傳感器扭矩測試范圍為0-0.5N m，精度為0.05mN m，可實現對微扭矩的高精度檢測。3.本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺可進行一定扭轉條件下的材料扭轉疲勞特性測試。構件在服役過程中往往受到交變載荷的作用而對構件產生疲勞破壞，因此扭轉疲勞特性為材料力學性能的一個重要參數。4.本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺適用范圍廣，可適用于生物醫(yī)用材料、硬脆性材料等所構成的微扭矩/變形服役條件下的機械結構或微小尺寸結構扭轉性能測試試驗。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明:圖1是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺的結構組成框圖；圖2是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺的結構組成主視圖3是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺中所采用的活動橫梁結構組成的主視圖；圖4_a是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺中所采用的微小扭矩傳感器結構組成的主視圖；圖4-b是圖4-a中微扭轉測試平臺中所采用的微小扭矩傳感器A_A處的剖視圖；圖4-c是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺中微小扭矩全橋測量的電路圖；圖5-a是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺中的XY 二維精密位移臺主視圖； 圖5-b是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺中的XY 二維精密位移臺B方向的向視圖；圖6_a是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺中的精密電控旋轉臺主視圖；圖6_b是本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺中的精密電控旋轉臺A方向的向視圖；圖中:1.底座，2.左立柱，3.活動橫梁，4.調整螺桿，5.頂梁，6.右立柱，7.微小扭矩傳感器，8.定夾持器，9.試樣，10.動夾持器，11.精密電控旋轉臺，12.XY二維精密位移臺，13.步進電機,1 4.電機支架，15.彈性聯軸器,16.旋轉臺。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作詳細的描述:參考圖1，本發(fā)明所述的微扭轉測試平臺由控制部分和執(zhí)行機構組成?？刂撇糠职ㄓ嬎銠C與控制器，計算機上安裝試驗軟件，用于設置試驗測試參數和分析試驗數據；控制器包括微處理器、功率放大電路、檢波放大電路、A/D轉換電路。功率放大電路將微處理器產生的信號進行放大，驅動精密電控旋轉臺11工作；檢波放大電路將微扭矩傳感器的輸出電壓進行線性放大；A/D轉換電路將檢波放大電路放大后的模擬電壓信號轉換成數字量送入微處理器中處理，微處理器再通過串行接口傳輸至計算機中。執(zhí)行機構用于對試樣進行加載測試，執(zhí)行機構與控制器電連接，受控制器的控制并將測量信號傳輸給控制器。參閱圖2，所述的執(zhí)行機構包括精密調整單元、精密電控旋轉臺11、扭矩/角位移信號檢測單元與夾持單元。所述的精密調整單元包括Z軸升降調整機構、XY 二維精密位移臺12。所述的Z軸升降調整機構由底座1、左立柱2、活動橫梁3、調整螺桿4、頂梁5、右立柱6組成。參閱圖3，所述的活動橫梁3為平板類結構件，活動橫梁3中間位置設置為圓盤形結構件，在圓盤的中心處設置有安裝調整螺桿4的調整螺桿通孔，在圓盤徑向的兩端設有結構相同的矩形平板，兩矩形平板的外端設置有螺栓通孔，螺栓通孔的回轉軸線和調整螺桿通孔的回轉軸線垂直交叉，兩螺栓通孔的里側設置有安裝左立柱2與右立柱6的左立柱通孔與右立柱通孔，左立柱通孔與右立柱通孔的回轉軸線和調整螺桿通孔的回轉軸線平行，兩個結構相同的矩形平板外側設置有彈性開口，兩彈性開口和左立柱通孔與右立柱通孔的回轉軸線共面并和左立柱通孔與右立柱通孔連通，當旋緊插入螺栓通孔內的螺栓時，使活動橫梁3上的左立柱通孔與右立柱通孔變形而夾緊固定在左立柱2與右立柱6上。左立柱2和右立柱6相互平行且垂直地安裝于底座I上平面的兩端,左立柱2與右立柱6上端插入頂梁5兩端的上左立柱通孔與上右立柱通孔中，左立柱2與右立柱6上端的環(huán)形端面與頂梁5兩端的底面接觸連接，再采用螺母將頂梁5和左立柱2與右立柱6上端固定連接；調整螺桿4的上端與頂梁5中心處的頂梁螺紋孔構成螺紋副，調整螺桿4的下端插入活動橫梁3中心處的調整螺桿通孔內，并采用圓螺母與止動墊片安裝在調整螺桿4從活動橫梁3底面的伸出端上，實現調整螺桿4在活動橫梁3的調整螺桿通孔內的軸向定位；活動橫梁3上的左立柱通孔與右立柱通孔采用間隙配合套裝在左立柱2與右立柱6上。通過旋轉調整螺桿4驅動活動橫梁3至合適高度后，旋緊活動橫梁3兩端的螺母使活動橫梁3固定在左立柱2和右立柱6的某一位置，實現Z方向的定位調整，以適應不同高度尺寸試樣的安裝夾持。參閱圖5-a及圖5-b，所述的XY 二維精密位移臺12可在市場上購買得到，本發(fā)明所用型號為XY-R-90。在和XY 二維精密位移臺12的X、Y方向垂直的兩側面上設有調節(jié)微分頭，可手動調節(jié)微分頭分別進行X和Y軸的微調，精度達0.0lmm0 XY 二維精密位移臺12裝配在底座I的上工作面上。參閱圖6-a及圖6-b,所述的精密電控旋轉臺11包括步進電機13、電機支架14、彈性聯軸器15、蝸輪蝸桿減速機構和旋轉臺16組成。步進電機13安裝在電機支架14的一端，電機支架14的另一端固定在旋轉臺16側面上，步進電機13的輸出端通過彈性聯軸器15與安置在旋轉臺16內的蝸桿一端連接，蝸桿與安置在旋轉臺16內的蝸輪嚙合，蝸輪與旋轉臺16固定連接，蝸輪與旋轉臺16的回轉軸線共線。步進電機13轉動從而帶動與蝸輪相連的旋轉臺16旋轉，分辨率可達0.001°。精密電控旋轉臺11通過旋轉臺16采用螺栓固定安裝在XY 二維精密位移臺12的臺面上，精密電控旋轉臺11與控制部分中的控制器電線連接，可通過脈沖/方向控制方式提供具有高分辨率的扭矩動力輸出及角位移輸出。所述的扭矩/角位移信號檢測單元包括微小扭矩傳感器7和高精度圓光柵。
所述的微小扭矩傳感器7由四個結構相同的彈性梁、上基板和下基板構成，四個結構相同的彈性梁的橫截面為矩形，上基板與下基板為圓盤類結構件，上基板與下基板的周向均勻設置有用于安裝定位的通孔，四個結構相同的彈性梁豎直地均勻布置在平行放置的上基板和下基板之間。微小扭矩傳感器上基板與活動橫梁3連接，下基板與定夾持器連接。四個結構相同的均勻布置的彈性梁上距下基板端1/3彈性梁長度處貼有電阻應變片，四個結構相同的電阻應變片連接成全橋電路。當彈性體受到扭矩作用時，彈性梁產生彎曲變形，應變片產生應變，電阻值發(fā)生變化，全橋電路輸出差分電壓信號至控制器，實現了力信號到電信號的轉換。所述的高精度圓光柵型號為HeidenhainRCN727，高精度圓光柵通過其法蘭面上的定位孔安裝在精密電控旋轉臺11承載臺上，同時高精度圓光柵與控制部分中的控制器電線連接。所述的夾持單元包括定夾持器8和動夾持器10。定夾持器8通過螺紋孔安裝在微小扭矩傳感器7的底端面，動夾持器10與定夾持器8對中地安裝在精密電控旋轉臺11臺面上，測試過程中動夾持器10隨著精密電控旋轉臺11轉動。通過精密調整單元定位,試樣9可對中裝夾在定夾持器8與動夾持器10之間。參閱圖4-c，圖中為微小扭矩傳感器7上的電阻應變片法全橋測量電路圖，其測試原理為:根據貼片方式及材料力學分析得多梁式扭轉結構所受扭矩T與彈性梁應變讀數ed成正比。加載在試樣兩端的扭矩:
權利要求
1.一種微扭轉測試平臺，包括執(zhí)行機構，其特征在于，所述的執(zhí)行機構包括精密調整單元、精密電控旋轉臺(11)、扭矩/角位移信號檢測單元與夾持單元； 所述的精密調整單元包括底座(I)、活動橫梁(3)與XY 二維精密位移臺(12) ；XY 二維精密位移臺(12)裝配在底座(I)的上工作面上； 精密電控旋轉臺(11)采用螺栓固定安裝在XY 二維精密位移臺(12)的臺面上； 所述的扭矩/角位移信號檢測單元包括微小扭矩傳感器(7)和高精度圓光柵；微小扭矩傳感器(7)安裝在活動橫梁(3)的底面上，高精度圓光柵通過其法蘭面上的定位孔安裝在精密電控旋轉臺(11)承載臺上； 所述的夾持單元包括定夾持器(8)和動夾持器(10);定夾持器(8)安裝在微小扭矩傳感器(7)的底端面上，動夾持器(10)安裝在精密電控旋轉臺(11)的臺面上。
2.按照權利要求1所述的微扭轉測試平臺，其特征在于，所述的精密調整單元還包括左立柱(2 )、調整螺桿(4 )、頂梁(5 )與右立柱(6 ); 左立柱(2 )和右立柱(6 )垂直地安裝于底座(I)的兩端，左立柱(2 )與右立柱(6 )上端和頂梁(5)的兩端通孔配裝后采用螺母固定連接；調整螺桿(4)的上端與頂梁(5)中心處的頂梁螺紋孔配合連接，調整 螺桿(4)的下端插入活動橫梁(3)的調整螺桿通孔內，圓螺母與止動墊片安裝在調整螺桿(4)從活動橫梁(3)底面的伸出端上；活動橫梁(3)的兩端采用間隙配合套裝在左立柱(2)與右立柱(6)上。
3.按照權利要求1所述的微扭轉測試平臺，其特征在于，所述的活動橫梁(3)為平板類結構件，活動橫梁(3)中間部分設置為圓盤件，在圓盤件的中心處設置有安裝調整螺桿(4)的調整螺桿通孔，在圓盤徑向的兩端設有結構相同的矩形平板，兩矩形平板的外端設置有螺栓通孔，螺栓通孔的回轉軸線和調整螺桿通孔的回轉軸線垂直交叉，兩螺栓通孔的里側設置有安裝左立柱(2)與右立柱(6)的左立柱通孔與右立柱通孔，左立柱通孔與右立柱通孔的回轉軸線和調整螺桿通孔的回轉軸線平行，兩個結構相同的矩形平板外側設置有彈性開口，兩彈性開口和左立柱通孔與右立柱通孔的回轉軸線共面并和左立柱通孔與右立柱通孔連通。
4.按照權利要求1所述的微扭轉測試平臺，其特征在于，所述的XY二維精密位移臺(12)的型號為XY-R-90，XY 二維精密位移臺(12)在其和X方向與Y方向垂直的兩側面上設置有進行X方向與Y方向手動微調的調節(jié)微分頭。
5.按照權利要求1所述的微扭轉測試平臺，其特征在于，所述的精密電控旋轉臺(11)包括步進電機(13)、電機支架(14)、彈性聯軸器(15)、蝸輪蝸桿減速機構和旋轉臺(16); 所述的步進電機(13)安裝在電機支架(14)的一端上，電機支架(14)的另一端固定在旋轉臺(16)側面上，步進電機(13)的輸出端通過彈性聯軸器(15)與安置在旋轉臺(16)內的蝸桿一端連接，蝸桿與安置在旋轉臺(16)內的蝸輪嚙合連接，蝸輪與旋轉臺(16)固定連接，蝸輪與旋轉臺(16)的回轉軸線共線。
6.按照權利要求1所述的微扭轉測試平臺，其特征在于，所述的微小扭矩傳感器(7)由四個結構相同的彈性梁、四個結構相同的電阻應變片、上基板和下基板構成； 所述的四個結構相同的彈性梁的橫截面為矩形，上基板與下基板為圓盤類結構件，上基板與下基板的周向均勻設置有用于安裝定位的通孔，四個結構相同的彈性梁豎直地均勻布置在平行放置的上基板和下基板之間，四個結構相同的均勻布置的彈性梁上距下基板端1/3彈性梁長度處貼有 電阻應變片，四個結構相同的電阻應變片連接成全橋電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微扭轉測試平臺，旨在克服現有的扭轉試驗機在微扭矩/變形服役條件下的扭轉力學性能試驗測試精度低與試驗對象范圍小的問題。所述的微扭轉測試平臺包括有精密調整單元、精密電控旋轉臺、扭矩/角位移信號檢測單元與夾持單元；精密調整單元包括底座、活動橫梁、調整螺桿、左立柱、右立柱、頂梁與XY二維精密位移臺。精密電控旋轉臺安裝在XY二維精密位移臺的臺面上。扭矩/角位移信號檢測單元包括微小扭矩傳感器和高精度圓光柵，微小扭矩傳感器安裝在活動橫梁的底面上，高精度圓光柵安裝在精密電控旋轉臺承載臺上。夾持單元包括定夾持器和動夾持器。定夾持器安裝在微小扭矩傳感器底端面，動夾持器安裝在精密電控旋轉臺的臺面上。
文檔編號G01N3/22GK103217342SQ201310133808
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權日2013年4月18日
發(fā)明者董景石, 王良亮, 孫盡舉, 劉祖飛, 朱明民, 梅欽, 劉慶財 申請人:吉林大學