專利名稱：虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)備，特別是一種虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)(機(jī))。
傳統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)的加載方向源于直角坐標(biāo)系，共有三個移動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度，為了實(shí)現(xiàn)其中的任意一個自由度，必須專門設(shè)計(jì)相應(yīng)的一套導(dǎo)軌系統(tǒng)。加載運(yùn)動是通過機(jī)械約束——即物理導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)的，在此種結(jié)構(gòu)中，工作空間＝控制空間，設(shè)備直接控制夾具和試件的運(yùn)動軌跡。


圖1是一個典型的傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，該試驗(yàn)機(jī)的上橫梁7、上夾具座9及下夾具座3通過立柱導(dǎo)軌2、9固定于底座1上，上夾具座9及下夾具座3在驅(qū)動器(如液壓缸4、6)的帶動下沿導(dǎo)軌8運(yùn)動，從而帶動夾具5對試件加載。顯見，傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備所共有的結(jié)構(gòu)帶來了先天性的缺陷一、傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備為獲得高剛度，就必須包含笨重的機(jī)身、立柱、橫梁等支撐構(gòu)件及高精度導(dǎo)軌系統(tǒng)，因此，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、難以搬動及產(chǎn)品價(jià)格高；二、夾具只能沿導(dǎo)軌的固定方向加載，加載方式有限，且往往由于結(jié)構(gòu)不對稱而使受力與熱變形不均勻；三、通用性差；
四、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使傳動鏈的誤差依次相加，從而影響了整個系統(tǒng)的剛度與精度。
現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展迅速，材料結(jié)構(gòu)及性能日趨復(fù)雜，對試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)技術(shù)提出了越加苛刻的要求。同時(shí)，現(xiàn)代信息技術(shù)、控制技術(shù)及智能技術(shù)等的發(fā)展日新月異，為開拓新型試驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)提供了有利的工具。
虛擬力軸試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)是針對每一個實(shí)際可控軸而言的，不存在(或不完全存在)用于導(dǎo)向的物理導(dǎo)軌，而是系統(tǒng)地應(yīng)用數(shù)學(xué)理論、控制技術(shù)、傳感技術(shù)及信息技術(shù)來確定夾具和試件等的運(yùn)動軌跡，即加載等運(yùn)動所需的運(yùn)動坐軸及運(yùn)動方式是用軟件來“虛擬仿真”出來的。此時(shí)，工作空間(虛擬力軸空間)≠控制空間(實(shí)際控制軸空間)，需要通過虛擬映射對加載運(yùn)動軌跡進(jìn)行控制。對應(yīng)于夾具的每一種姿態(tài)與加載方式，均存在相應(yīng)的伸縮軸或滑動軸滑塊位置與之對應(yīng)。即虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)是通過改變軸長度或滑動滑塊位置來實(shí)現(xiàn)加載要求的。傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)中，用直角坐標(biāo)系描述的加載軸方向十分有限且方向固定，而本發(fā)明所描述的新型試驗(yàn)機(jī)可以具有任意空間方案的加載軸，而伸縮軸長度或滑塊的位置才是它的實(shí)際控制軸，因此稱為虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)。顯然，虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)可以真正完全按照材料的力學(xué)性能所要求的加載方向與加載方式來加載，可實(shí)現(xiàn)拉、壓、彎、扭、剪切、疲勞、組合加載以及多維空間加載。屬于一種全新概念的試驗(yàn)設(shè)備，從根本上改變了加載方式，增加了加載的靈活性，使設(shè)備具有更大的加載靈活性和材料適應(yīng)性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，包括動力裝置、控制系統(tǒng)和加載裝置，所述的加載裝置包括軛架和夾具，所述的軛架包括兩個臺架以及用于連接此二臺架的兩個或兩個以上的并聯(lián)支鏈。
所述的兩個臺架可以是平臺結(jié)構(gòu)。
所述的兩個臺架還可以是框架結(jié)構(gòu)。
所述的框架結(jié)構(gòu)選自板、箱、梁、桿的獨(dú)立結(jié)構(gòu)件，以及板、箱、梁、桿的組合結(jié)構(gòu)件。
所述的并聯(lián)支鏈包括定長的支鏈和可伸縮的支鏈。
所述的定長的支鏈的一端以裝有運(yùn)動副的滑塊與固定在臺架上的滑道相連接。
所述的運(yùn)動副選自轉(zhuǎn)動副、球鉸或虎克鉸。
所述的滑塊的驅(qū)動方式選自液壓動力、氣壓動力和電機(jī)動力。
所述的可伸縮的支鏈的驅(qū)動方式選自液壓動力、氣壓動力和電機(jī)動力，可伸縮的支鏈的端頭與所述的臺架相連接的方式選自球鉸、虎克鉸、螺旋副和轉(zhuǎn)動副。
所述的并聯(lián)支鏈的個數(shù)為2～6個。
所述的每一個并聯(lián)支鏈選自單體結(jié)構(gòu)以及兩個或兩個以上的平行桿結(jié)構(gòu)。
所述的軛架可以垂直放置，也可以水平放置。
所述的水平放置的軛架安裝有滑動輪或滑塊，以便在地面或滑道上移動。
所述的兩個臺架上有用于驅(qū)動夾具的轉(zhuǎn)動裝置。
與實(shí)現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)相比較，虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)一、剛度重量比大、精度高，并聯(lián)結(jié)構(gòu)將傳動與支撐功能集為一身，使得零部件既是傳動部件又是支撐部件，而且由于采用了并聯(lián)或混聯(lián)閉環(huán)的靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，在準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)，受力部件理論上僅受拉壓兩種載荷，因此單位重量的加載機(jī)構(gòu)有很高的加載能力，特別適合于材料實(shí)驗(yàn)的高剛度要求；二、材料適應(yīng)性廣，除各類傳統(tǒng)的材料以外，特別適用于各類高新材料，如復(fù)合材料、高分子材料、新型纖維等；三、具有靈活、多變的環(huán)境適應(yīng)性，可模塊化設(shè)計(jì)，可應(yīng)對具體的任務(wù)要求及環(huán)境變化構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合，如兩臺或多臺組合可對大型試件或構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在臺架上安裝夾具可進(jìn)行拉、壓、彎、扭、剪切、疲勞、組合加載以及多維空間加載；四、具有高技術(shù)附加值及高性能價(jià)格比，虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)具有“硬件”極為簡單，而“軟件”頗為復(fù)雜的特點(diǎn)，是典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，有很高的投入產(chǎn)出比；五、動態(tài)響應(yīng)性能佳，由于顯著地降低了運(yùn)動部件的質(zhì)量慣性，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)控制特性，與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)機(jī)相比允許臺架具有高加載速度和加速度；六、通過軟件升級，可不斷改進(jìn)及增強(qiáng)設(shè)備能力；七、通過網(wǎng)絡(luò)控制，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程試驗(yàn)；八、可實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)；
九、可制成微、小型及便攜式試驗(yàn)系統(tǒng)；十、制造成本低，取消了昂貴的導(dǎo)軌系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。
權(quán)利要求
1.一種虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，包括動力裝置、控制系統(tǒng)和加載裝置，所述的加載裝置包括軛架和夾具，其特征在于，所述的軛架包括兩個臺架以及用于連接此二臺架的兩個或兩個以上的并聯(lián)支鏈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個臺架是平臺結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個臺架是框架結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的框架結(jié)構(gòu)選自板、箱、梁、桿的獨(dú)立結(jié)構(gòu)件，以及板、箱、梁、桿的組合結(jié)構(gòu)件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的并聯(lián)支鏈包括定長的支鏈和可伸縮的支鏈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的定長的支鏈的一端以裝有運(yùn)動副的滑塊與固定在臺架上的滑道相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的運(yùn)動副選自轉(zhuǎn)動副、球鉸或虎克鉸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的滑塊的驅(qū)動方式選自液壓動力、氣壓動力和電機(jī)動力。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的可伸縮的支鏈的驅(qū)動方式選自液壓動力、氣壓動力和電機(jī)動力，可伸縮的支鏈的端頭與所述的臺架相連接的方式選自球鉸、虎克鉸、螺旋副和轉(zhuǎn)動副。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的并聯(lián)支鏈的個數(shù)為2～6個。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的每一個并聯(lián)支鏈選自單體結(jié)構(gòu)以及兩個或兩個以上的平行桿結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的軛架可以垂直放置，也可以水平放置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的水平放置的軛架安裝有滑動輪或滑塊，以便在地面或滑道上移動。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個臺架上有用于驅(qū)動夾具的轉(zhuǎn)動裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個臺架上沒有用于驅(qū)動夾具的轉(zhuǎn)動裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種虛擬力軸材料試驗(yàn)系統(tǒng)，包括動力裝置、控制系統(tǒng)和加載裝置，所述的加載裝置包括軛架和夾具，所述的軛架包括兩個臺架以及用于連接此二臺架的兩個或兩個以上的并聯(lián)支鏈，試驗(yàn)過程由控制系統(tǒng)及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟、硬件來控制，臺架通過支鏈相互連接，臺架上裝有夾具，每個支鏈可以是伸縮桿也可以是定長桿，在同一臺試驗(yàn)機(jī)上可實(shí)現(xiàn)拉、壓、彎、扭、剪切、疲勞、組合加載以及多維空間加載，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛性好，運(yùn)動精度高，可實(shí)現(xiàn)高速、高加速度加載，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價(jià)格低，可廣泛應(yīng)用于各類材料及結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能試驗(yàn)。
文檔編號G01N3/08GK1439869SQ02104310
公開日2003年9月3日 申請日期2002年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月22日
發(fā)明者李貴濤 申請人:李貴濤