CN109163868B - 一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法。该系统包括：装夹装置、力加载装置、测量装置和计算机，装夹装置包括电动分度盘、气动夹紧工装，电动分度盘和气动夹紧工装将被试件竖直固定，力加载装置和测量装置安装在垂直升降装置上，力加载装置包括直线电机和顶针，测量装置包括力传感器和测距传感器，直线电机的输出端刚性安装力传感器，力传感器上安装有与直线电机输出轴同轴的顶针，顶针的轴线与被试件的轴线垂直，测距传感器测量力传感器的变形，力传感器测量被试件的受力，计算机根据测量装置测量的被试件的受力值、直线电机的位移及力传感器的变形量对被试件的刚度进行确定。本发明具有测量一致性高、精度高和人力劳动强度小的优势。

Description

一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法。

背景技术

电液伺服阀是一种被广泛应用在航天、航空、航海领域的电液转换元件，其中反馈杆和弹簧管是电液伺服阀的重要元件，其性能直接影响电液伺服阀动静态性能。因此，检测反馈杆、弹簧管的刚度值及其一致性是保证电液伺服阀性能的重要手段。

现有的刚度值的检测方法主要有手工吊砝码法、电容测头测位移法、单臂施力两点测量法和CCD光学测位移法。在手工吊砝码的方法中，整个测量过程都是由人工实现，测量方法人为因素影响较大，且长时间测量，人员肉眼容易疲劳，造成测量数据失真，不能满足零件测量数据一致性要求；电容测头测位移法首先找到精密元件的初始位置，然后使导轨移动一段距离，在反馈杆和测力弹簧的相互作用下测量形变量，再根据公式计算出刚度值，这种方法的精确度有所提高，但实验中用到的电容式位移传感器对周围环境要求较高，实际应用比较困难；单臂施力两点测量法基于两点测量原理，根据刚度仪公式计算出刚度值，可有效地消除平行电阻应变片式力传感器温漂、蠕变等外界因素对测量精度的影响，提高了测量精度，并且减少了力传感器调零的步骤，简化了测量的步骤，但该方法的机械部分设计复杂，不便操作；CCD光学测位移法运用CCD来采集图像进而用计算机对图像做进一步的处理，但CCD成像模糊无法对焦，测量精度差，且刚度仪器缺乏灵活性、造价成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法，具有测量一致性高、精度高和人力劳动强度小的优势。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，所述测试系统包括：装夹装置、力加载装置、测量装置和计算机，所述装夹装置包括电动分度盘、气动夹紧工装和垂直升降装置，所述电动分度盘和气动夹紧工装将被试件竖直固定，所述力加载装置和所述测量装置安装在所述垂直升降装置上，所述力加载装置包括直线电机和顶针，所述测量装置包括力传感器和测距传感器，所述直线电机的输出端刚性安装所述力传感器，所述力传感器上安装有与所述直线电机输出轴同轴的所述顶针，所述顶针的轴线与被试件的轴线垂直，所述测距传感器测量力传感器的变形量，所述力传感器测量被试件的受力，所述计算机根据所述测量装置测量的被试件的受力值、直线电机的位移及力传感器的变形量对被试件的刚度进行确定。

可选的，所述直线电机具有位置闭环系统，用于对所述直线电机的位移量进行闭环控制，并将直线电机的位移实时传输至计算机。

可选的，所述直线电机闭环控制系统的位移最小分辨率的数量级比被试件的最大变形量的数量级小两个数量级。

可选的，所述测距传感器为激光微测量传感器，用于测量力传感器的变形量。

可选的，所述测试系统还包括横杆，所述横杆安装在所述垂直升降装置上，所述力加载装置和所述测量装置安装在所述横杆上。

可选的，所述横杆上设置有竖直挡板，所述激光微测量传感器测量所述竖直挡板的距离变化来得到力传感器的变形量，所述计算机根据所述竖直挡板的位移的变化量得到力传感器的变形量，结合直线电机的输出位移计算得到被试件的位移量，根据被试件的位移量以及力传感器测得的被试件的受力值得到被试件的力与变形的关系。

可选的，所述测试系统还包括CCD摄像机，所述CCD摄像机用于观测顶针与被试件是否对准。

本发明还提供了一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试方法，所述方法应用于本发明提供的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，所述方法包括：

采用装夹装置将被试件加紧；

将顶针与被试件对准；

力加载装置向被试件施加连续增大的加载力；

测量装置测量各加载力所对应的挡板的位移变化进而得到的力传感器形变量、直线电机输出位移以及被试件的受力；

计算机根据直线电机输出的位移量以及力传感器的形变量计算被试件的变形量；

计算机根据被试件的变形量以及被试件的受力计算得到被试件的刚度特性。

可选的，所述方法还包括：

计算机采用建模与最小二乘线性回归相结合的方法对采集到的位移数据以及受力数据进行处理。

可选的，所述方法还包括：通过所述电动分度盘旋转被试件，以实现对被试件圆周上各方向的力的加载及刚度测试。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过电动分度盘及气动夹紧工装、力加载垂直升降装置组成的被试件自动装夹装置，实现了圆周方向不同角度的力加载，并满足不同长度被试件测量的要求；采用具有高分辨率的直线电机位置闭环系统的力加载及其测量装置，实现对施加力的测量；通过搭载激光测微位移传感器的弹性元件变形及其精确测量装置，测量力传感器由于受力所引起的弹性形变，精确地得到被试件力、位移的关系；计算机控制采集及测量数据处理系统完成被试件自动装夹装置、力加载及其测量装置驱动与控制，以及电动分度盘角度反馈测量、加载直线电机位置闭环系统位置测量、激光测微测量传感器的输出测量等，并将结果输出到计算机中进行处理，得到被试件的刚度值以及刚度曲线；基于CCD的测量观察装置采用具有一定放大倍数的CCD摄像机，观察传感器前端顶针与被试件的接触情况，便于试验时观察。本发明中提供的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法，可以降低作业人员的劳动强度，并从源头减少人为因素引起的误差，从而提高测量的一致性和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例悬臂梁类弹性元件刚度的测试系统示意图；

图2为本发明实施例悬臂梁类弹性元件刚度的测试系统操作流程图；

图3为本发明实施例刚度测试装置软件实现流程图；

图4为本发明实施例建模与最小二乘结合数据处理方法流程图；

图5为本发明实施例刚度测量拟合曲线图。

1、电动分度盘；2、工作台；3、气动夹紧工装；4、被试件；5、竖直挡板；6、力传感器；7、测距传感器；8、垂直升降装置；9、直线执行器；10、直线控制器；11、计算机

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法，具有测量一致性高、精度高和人力劳动强度小的优势。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例悬臂梁类弹性元件刚度的测试系统示意图，如图1所示，本发明提供的悬臂梁类弹性元件刚度的测试系统包括：装夹装置、力加载装置、测量装置和计算机，所述装夹装置包括电动分度盘1、气动夹紧工装3和垂直升降装置8，所述电动分度盘1和气动夹紧工装3将被试件4竖直固定，所述力加载装置和所述测量装置安装在所述垂直升降装置4上，所述力加载装置包括直线电机和顶针，所述测量装置包括力传感器6和测距传感器7，所述直线电机的输出端刚性安装所述力传感器6，所述力传感器6上安装有与所述直线电机输出轴同轴的所述顶针，所述顶针的轴线与被试件4的轴线垂直，所述测距传感器7测量力传感器6的变形量，所述力传感器6测量被试件4的受力，所述计算机11根据所述测量装置测量的被试件4的受力值和位移量对被试件4的刚度进行确定。所述测距传感器7为激光微测量传感器。所述测试系统还包括横杆，所述横杆安装在所述垂直升降装置8上，所述力加载装置和所述测量装置安装在所述横杆上。所述横杆上设置有竖直挡板5，所述激光微测量传感器测量所述竖直挡板5的位移变化量来得到力传感器6的变形量，所述计算机11根据所述竖直挡板5的位移变化量进而得到力传感器6的变形量，并根据直线电机输出位移的变化计算得到被试件4的变形量，根据被试件4的变形量以及力传感器6测得的被试件的受力值得到被试件4的力与变形量的关系。所述测试系统还包括直线电机闭环控制子系统，用于对所述直线电机的位移量进行闭环控制。所述直线电机闭环控制子系统的位移最小分辨率应小于被试件4的最大变形量某一百分比。所述测试系统还包括CCD摄像机，所述CCD摄像机用于观测顶针与被试件4是否对准。

其中，1)被试件装夹装置

被试件装夹装置主要由电动分度盘及气动夹紧工装、力加载垂直升降装置组成。通过计算机软件系统，实现远程驱动步进电机对被试件进行自动连续加载，并具有一定的加载分辨率。其中：电动分度盘及气动夹紧工装负责被试件的装载与夹紧，并根据被试件的测量要求，实现被试件460度任意角度的测量需求，满足被试件圆周各方向的刚度测量以及圆周各方向刚度一致性检测；力加载垂直升降装置带动力加载及其测量装置和弹性变形精确测量装置组合沿垂直导轨进行运动，精确对准被试件的施力点，以满足不同长度被试件测量的要求，从而保证悬臂梁力臂的准确性。

2)力加载及其测量装置

力加载及其测量装置采用具有高分辨率的直线电机位置闭环系统，并在直线电机的输出端加装力传感器，经力传感器及其前端顶针作用于被试件上实施加载。力传感器及其变送器将作用于被试件上的力转换为电信号，用于力的测量。

测量加载过程中每个测量点处的力，首先通过自动加载系统使得被测弹性元件先固定在一个高度，然后，借助计算机软件系统控制直线执行器施加力于被试件上，然后将测量结果通过力传感器调理电路和数据采集系统，将数据传输到计算机中进行力测量结果的处理和存储。

本发明的测量方案中，直线电机的位移最小分辨率小于被试件最大变形量的某一百分比。通过加载直线电机的连续位移闭环输出，可以得到被试件从0到最大变形的位移数据。

3)弹性元件变形及其测量装置

本发明将激光测微位移传感器安装在加载直线电机上，用来测量力传感器由于受力所引起的弹性形变。通过加载直线电机闭环系统得到加载相对位移、力传感器所测力以及激光测微测量传感器所测得的力传感器形变，可以精确地得到被试件力、位移的关系。由于弹性元件在受力情况下发生形变，导致测量到的位移量会存在偏差，为解决这一问题，引入了竖直挡板，提出了力传感器变形修正的位移检测方法，根据竖直挡板的位移量以及力传感器的变形量，计算得到被试件的位移量，消除了由于力传感器变形以及弹性元件在受力情况下发生形变所引起的被试件变形测量误差，进一步提高了被试件刚度测量的精确度。

4)计算机控制采集及测量数据处理

要实现刚度值的检测，除了上述的硬件系统之外，还需要计算机软件系统来支持，实现对各个部分的驱动控制、对检测到的结果进行数据采集，调理和处理，计算机软件实现的功能还有输出刚度曲线和刚度值，并存档，软件界面友好，人性化，能适应不同型号反馈杆、弹簧管等弹性元件刚度的检测。

计算机控制采集及测量数据处理系统是刚度测量系统的中心枢纽，承担对刚度测量装置各部件的控制、测量信号的采集、数据分析和处理的功能，是实现精密弹性元件刚度自动测量的必不可少的环节。计算机控制采集及测量数据与处理部分负责：1.电动分度盘、气动夹紧工装、力加载垂直升降装置、加载直线电机位置闭环系统等驱动与控制；2.负责电动分度盘角度反馈测量、加载直线电机位置闭环系统位置测量、激光测微测量传感器的输出测量等，这些测量值通过数字总线或模数转换传输到计算机中；3.对采集的力值数据和位移数据进行处理与运算，得到被试件的刚度值以及刚度曲线。

计算机数据处理的方法直接关系到刚度测量的精度，为满足测量的重复误差小于±1％，系统测量误差不大于1μm的测量精度要求，本发明采用建模与最小二乘线性回归相结合，对力传感器的变形进行补偿的数据处理方法。同时添加在线智能校准功能，实现被试件变形量及力的同步测量进一步提高了被试件测量的精度。

5)CCD摄像机观察装置

基于CCD摄像机的测量观察装置采用具有一定放大倍数的CCD摄像机，便于试验时观察传感器前端顶针与被试件的接触情况。本发明中，利用CCD的成像具有一定放大倍数的原理，定焦于被试件与顶针接触点，达到在线观察被试件的变形情况以及施力点的对准情况的目的。

本发明提供的悬臂梁类弹性元件刚度的测试系统的操作流程如图2所示，基于本发明提供的悬臂梁类弹性元件刚度的测试系统，在测试时，如图3所示，检测系统的软件系统主要包括前期准备环节、自动测量环节、数据处理环节。首先，将被测件放置于工作台上，并用气动夹紧工装夹紧，选择电动分度盘的初始参数、垂直升降导轨的初始高度，并确保顶针对准被试件；然后点击操作界面的开始测量按钮，开始对被测件的刚度进行自动加载，测量力值与位移值，完成力信号、位移信号的采集读取，计算刚度值并描点绘图，显示输出被测件的平均刚度值和处理得到的刚度曲线；测量完成后，点击数据保存按钮，对测量结果进行保存，并可通过外接打印机将测量结果打印出来。如要继续测量，只需重复上述操作步骤即可。

检测系统中对测量的数据进行处理是必不可少的环节，数据处理直接关系到检测系统的精度，这个过程需要大量的函数模型，进而以线性回归模型的方式呈现出来，最小二乘法是最为经典的回归系数解算方法。它通过最小误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，数据处理的流程图如图4所示。

设测得的一系列数据点为(x_i,y_i)(i＝1,2,…,m)，建模与线性回归结合的数据处理步骤为：

步骤1：建立模型：

线性回归函数模型为：y＝a₀+a₁x₀+a₂x₁+…+a_nx_n-1

步骤2：相对应的总体最小二乘平差模型(EIV模型)和误差期望和方差为：

Y+e＝(B+E_β)β

式中，Y为m×1阶观测向量，e为Y的误差向量，B为m×n阶系数矩阵，E_β为B的误差矩阵，β为n×1阶待估参数。vec(E_β)是将矩阵列向量化，I_m为m阶单位矩阵，I_n为n阶单位矩阵。

步骤3：将平差模型展开后引入总体最小二乘平差准则并构造目标函数：

对目标函数进行求解，通过迭代法求得模型中的系数值。

参数求解就是根据最小二乘原理求得回归函数模型中的估值a₀,a₁,a₂,…,a_n，即可得到多个参数值的测量结果曲线，如图5所示。

本发明通过电动分度盘及气动夹紧工装、力加载垂直升降装置组成的被试件自动装夹装置，实现了圆周方向不同角度的力加载，并满足不同长度被试件测量的要求；采用具有高分辨率的直线电机位置闭环系统的力加载及其测量装置，实现对施加力的测量；通过搭载激光测微位移传感器的弹性元件变形及其精确测量装置，测量力传感器由于受力所引起的弹性形变，精确地得到被试件力、变形量的关系；计算机控制采集及测量数据处理系统完成被试件自动装夹装置、力加载及其测量装置驱动与控制，以及电动分度盘角度反馈测量、加载直线电机位置闭环系统位置测量、激光测微测量传感器的输出测量等，并将结果输出到计算机中进行处理，得到被试件的刚度值以及刚度曲线；基于CCD的测量观察装置采用具有一定放大倍数的CCD摄像机，观察传感器前端顶针与被试件的接触情况，便于试验时观察。本发明中提供的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统及方法，可以降低作业人员的劳动强度，并从源头减少人为因素引起的误差，从而提高测量的一致性和精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：装夹装置、力加载装置、测量装置和计算机，所述装夹装置包括电动分度盘、气动夹紧工装和垂直升降装置，所述电动分度盘和气动夹紧工装将被试件竖直固定，所述力加载装置和所述测量装置安装在所述垂直升降装置上，所述力加载装置包括直线电机和顶针，所述测量装置包括力传感器和测距传感器，所述直线电机的输出端刚性安装所述力传感器，所述力传感器上安装有与所述直线电机输出轴同轴的所述顶针，所述顶针的轴线与被试件的轴线垂直，所述测距传感器测量力传感器的变形量，所述力传感器测量被试件的受力，所述计算机根据所述测量装置测量的被试件的受力值、直线电机的位移及力传感器的变形量对被试件的刚度进行确定。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，其特征在于，所述直线电机具有位置闭环系统，用于对所述直线电机的位移量进行闭环控制，并将直线电机的位移实时传输至计算机。

3.根据权利要求2所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，其特征在于，所述直线电机闭环控制系统的位移最小分辨率的数量级比被试件的最大变形量的数量级小两个数量级。

4.根据权利要求1所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，其特征在于，所述测距传感器为激光微测量传感器，用于测量力传感器的变形量。

5.根据权利要求4所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括横杆，所述横杆安装在所述垂直升降装置上，所述力加载装置和所述测量装置安装在所述横杆上。

6.根据权利要求5所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，其特征在于，所述横杆上设置有竖直挡板，所述激光微测量传感器测量所述竖直挡板的距离变化来得到力传感器的变形量，所述计算机根据所述竖直挡板的位移的变化量得到力传感器的变形量，结合直线电机的输出位移计算得到被试件的位移量，根据被试件的位移量以及力传感器测得的被试件的受力值得到被试件的力与变形的关系。

7.根据权利要求1所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括CCD摄像机，所述CCD摄像机用于观测顶针与被试件是否对准。

8.一种悬臂梁类弹性元件的刚度测试方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-7任一项所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试系统，所述方法包括：

采用装夹装置将被试件加紧；

将顶针与被试件对准；

力加载装置向被试件施加连续增大的加载力；

测量装置测量各加载力所对应的挡板的位移变化进而得到的力传感器形变量、直线电机输出位移以及被试件的受力；

计算机根据直线电机输出的位移量以及力传感器的形变量计算被试件的变形量；

计算机根据被试件的变形量以及被试件的受力计算得到被试件的刚度特性。

9.根据权利要求8所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算机采用建模与最小二乘线性回归相结合的方法对采集到的位移数据以及受力数据进行处理。

10.根据权利要求8或9所述的悬臂梁类弹性元件的刚度测试方法，其特征在于，所述方法还包括：通过所述电动分度盘旋转被试件，以实现对被试件圆周上各方向的力的加载及刚度测试。