[发明专利]基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置

说明书

本发明涉及一种基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置，挠性支承的下端与基座固定连接，上端与标准扭矩梁固定连接，挠性支承的旋转中心“O”与标准扭矩梁的中心轴线“Y”重合，且与标准扭矩梁的质心重合；激光位移传感器连接到信号控制测量电路；信号控制测量电路驱动电磁力矩器动作把标准扭矩梁拉平；电磁力矩器输出的电信号通过信号控制测量电路采集，并根据采集到的电信号计算出实时扭矩载荷。本发明采用“X”型挠性支承作为标准扭矩梁的旋转、支撑部件来承受变化的扭矩值，通过负刚度调整组件与标准扭矩梁、挠性支承进行组合，实现对外呈现挠性支承旋转零刚度特性的扭矩校准测量，从而提高扭矩校准测量的灵敏度，特别是微小量程的扭矩校准测量。

技术领域

本发明涉及一种扭矩校准测量装置，特别涉及一种基于零刚度挠性支承来实现扭矩校准测量装置。

背景技术

挠性支承利用材料本身的弹性变形传递运动、力或能量，具有无摩擦、无间隙、灵敏度高、分辨率高、动态性能好和一体化加工等优点，被广泛应用于精密定位、MEMS加工、航天航空导航系统等领域。

与传统刚性结构相比，挠性支承动作过程中的弹性变形产生功能方向正刚度，一定程度上阻碍了系统的运动、降低了能量传递效率，成为其应用范围扩展的桎梏所在。为了克服挠性支承功能方向正刚度带来的不利影响，有些学者将零刚度理念引入到柔性机构中，利用负刚度抵消正刚度的原理，得到刚度为零的机构，此种系统可在运动范围内任何一点获得静平衡状态，因此又被称作柔性静平衡机构。其突出优点是：灵敏度高、力传递性能好，驱动力小，能量传递效率高等。

挠性支承应用于扭矩标准装置作为装置的旋转支撑部件，设计的主要目标是尽可能的提高其灵敏度，即尽量降低挠性支承运动方向的扭转角刚度，同时其它方向则要求刚度足够大，以提高抗交叉干扰的能力。然而，由于挠性支承是利用弹性体的弹性变形来实现运动的，当挠性支承受到外力矩作用弯曲变形时，势必会产生一个反方向的恢复力矩，从而阻碍挠性支承的进一步运动，这就需要系统的驱动单元提供一个较大的输出力矩以驱动并保持挠性支承的运动。虽然通过减小挠性支承细颈的厚度可以降低挠性支承运动方向的扭转角刚度，但这种方法只能有限程度的降低扭转角刚度，达不到理想的零刚度特性，无法最大程度提高系统或装置的灵敏度，而且会同时影响其它方向功能刚度。因此，如何大幅降低挠性支承运动方向的扭转角刚度或者直接构造一种零刚度挠性支承系统，以大幅提高装置的灵敏度，同时不降低其它方向刚度，是挠性支承应用于扭矩校准测量装置的关键难点。

经对现有技术的文献检索发现，目前有关零刚度或准零刚度的概念多应用于隔振器、隔振系统的研究。有关准零刚度的研究，国内以湖南大学徐道临教授的研究成果最具代表性，如湖南大学硕士学位论文“一种准零刚度隔振系统及其在车载精密仪器隔振中的应用”、“准零刚度的非线性磁力隔振器的设计和特性分析”、“准零刚度隔振器的特性分析及实验研究”提出了准零刚度隔振系统使用正刚度和负刚度的组合来实现准零刚度特性的方法。有关零刚度概念的研究，以北京航空航天大学最具代表性，如毕树生等人申请的发明专利“一种零刚度柔性轴承”通过在广义三交叉簧片柔性轴承上串联一个负刚度组件而构成的零刚度柔性轴承，可以大幅缩小柔性轴承的旋转变形刚度，从而降低对电机等驱动单元的输出扭矩要求。如张雷、毕树生等发表的论文《零刚度交叉簧片柔性铰链的设计与仿真》，基于正负刚度并联思想，提出一种基于交叉簧片的零刚度概念模型，对转动副形成了负刚度以抵消物体的转动或旋转趋势。

上述提到的零刚度或准零刚度概念的研究及应用均是以使系统稳定、减弱系统的运动为目的。基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量方法是上述方法的逆向应用，目的是通过零刚度挠性支承系统的研究加速系统的运动，在保证装置其它方向刚度的同时最大程度提高装置的灵敏度和分辨力。

发明内容

本发明提出了一种基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置，通过“X”型挠性支承作为装置的旋转支撑部件传递扭转变形，通过负刚度组件与扭矩标准扭矩梁、挠性支承进行组合，实现对外呈现零刚度特性的扭矩校准测量。