[实用新型]六维加载材料力学试验机

说明书

(一)技术领域

本发明专利涉及一种材料力学性能试验检测设备，特别涉及一种适于对标准材料力学试件进行多维加载力学性能试验测定设备。属于力学实验技术领域。

(二)背景技术

目前，力学试件的测试形式基本是单纯的拉伸、压缩、弯曲、扭曲等形式。但实际构件的实际受力情况与标准测试力(单纯拉伸、压缩、弯曲、扭曲等)相差很大，往往是多种单纯测试力的组合，即目前材料使用环境与设计依据间存在非常大的差距。这种差距造成强度设计出现误差，使结构出现早期破坏。在一般产品设计中总是采用加大安全系数的方法使得零件的工作应力远离极限条件，以应对上述设计误差，但这样又造成结构的笨大和材料浪费。目前非常需要一种能够模拟实际受力情况的测试装置，在模拟实际受力环境下，测试材料承载能力数据，为结构优化、轻量化、安全可靠性设计提供依据。

本发明基于并联运动机构运动原理，发明一种以标准力学试件为测试对象的多自由度并联力学试验机。模拟材料在使用过程中的实际受力情况，测定标准材料力学试件的动、静态承载能力。本发明的力学试验机可以实现三维力和三维力矩的动、静态材料力学性能测试。

并联机构曾于60年代用于飞行模拟器，70年代用于机器人手臂。在1993年至1994年间，美国、瑞士、俄罗斯先后推出了最初的并联机床产品。在1996年至1998年间又先后有十几家公司和大学展出了各自研制的并联机床，并呈现出多样化的趋势。除六杆六自由度结构外，出现了多种少自由度结构、串并联混合结构等。当前，并联机构在数控机床、装配机器人等领域中得到一定程度的应用。并联运动机构在切削机床上的成功应用证明该机构有足够的承载能力、运动自由度和定位精度，完全可以满足试件力学性能测试的要求。当前的新型材料力学试验机已广泛以伺服电机驱动代替液压驱动，以获得更高的位置伺服精度，所以将并联运动结构应用于试件力学性能测试的构想具有充分的依据和可行性。

(三)发明内容

本发明的内容是提出一种针对标准材料力学试件进行六维力加载的力学性能测量试验机结构，以及试验机运动实现方法。将并联运动结构应用于结构件力学性能测试，以解决目前单向力学试验机的不足。

本发明一种六维加载材料力学试验机，采用并联加载机构对被测力学试件施加单独或组合的六维载荷(沿X、Y、Z三方向的力和绕三方向的力矩)，可以真实地模拟试件在工作状态下的受力状况，更准确的测定试件的承载能力，为实现精确结构设计提供依据。由以下几部分组成。

1.并联加载机构

六维加载材料力学试验机的并联加载机构共由这样几部分组成：基础平台、虎克铰(共6件)、伸缩杆(共6件)、六维力传感器、夹具(共2件)、试件、球铰(共6件)、活动平台。虎克铰、伸缩杆、夹具、球铰，均为组件，分别由多个零件或子部件组成。虎克铰和球铰采用通常结构标准组件，伸缩杆分为电机驱动和油缸驱动两种形式。夹具分为上夹具和下夹具，两者结构相同，采用虎钳式丝杠结构夹紧。基础平台和活动平台均为三角形，各有六个关节轴承-虎克铰和球铰。试件被装夹在上下两个夹具上。上夹具与活动平台固定连接，随活动平台移动。下夹具固定在六维力传感器上，而六维力学传感器和基础平台固定连接。试件通过上下两个夹具接受载荷，可以实现三维力和三维力矩的动、静态材料力学性能测试。活动平台的移动由六个伸缩杆带动实现。伸缩杆部件在自身伺服主机的驱动下，实现精确的轴向伸缩。六个伸缩杆的伸缩组合，实现对上夹具的各种运动驱动，进而对试件施加各种单个或组合载荷。

伸缩杆可采用以电机为伺服主机的伸缩杆或以液压油缸为伺服主机的伸缩杆。

基础平台和活动平台由六根并联连杆(即伸缩杆)连接，每根并联连杆球铰一端与活动平台通过球铰座连接，虎克铰一端与基础平台通过虎克铰座连接，形成6-UPS机构(即6个虎克铰-移动副-球铰组成的运动链机构)。

其工作原理是：每根并联连杆通过电机-丝杠驱动或者液压缸驱动产生伸缩运动，六根连杆的运动组合使得活动平台产生六自由度的加载运动，可以对被测试件施加六维载荷(三维力和三维力矩)。六根连杆的运动由计算机控制，可以根据所需的载荷谱产生给定的运动组合及其变化规律。

2.控制系统

如图4所示，控制系统组成包括：

1)加载运动控制器：包括控制计算机和多轴运动控制卡，多轴运动控制卡插在控制计算机的I/O扩展槽中，在计算机控制下向各运动轴发出运动控制指令。多轴运动控制卡通过驱动器与伺服电机相连，通过伺服阀与伺服油缸相连。

其中，控制计算机可选用486以上工控机，