专利名称：高g值土工离心试验四维机械手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械手，特别是涉及两种高g值土工离心试验四维机械手。
技术背景理论研究与工程实践中，常应用相似模型来研究某一物体的属性。在土工模型试验中，以非线性弹塑性的土体为对象，用惯性离心力来模拟重力，改善模型的相似性，可克服理论计算中土性指标与简化假定不符实际的影响，也可减少耗资，费时的原型观测。这样的模型试验，称之为土工离心模型试验，产生惯性力的设备就是离心机。土工离心模型试验范围相当广泛，如边坡稳定，坝体渗流、管涌、心墙裂缝、挡土墙压力、隧洞岩土压力、以及地基承载力等的静力和动力问题。也可利用离心机研究土工建筑物的各类问题，如加筋土、混凝土连续墙、粧基、铺粧、饱和砂基液化等。土工离心模型试验中，传统的方法一般是采用预埋传感器及其它试验装置进行测试，无法实现动态工程试验。随着模拟技术、测试仪器和数据采集系统极为迅速的发展。土工离心模型能否再现原型特性，以及能否从试验中取得更多信息和可靠的数据，成为土工离心模型试验技术发展和应用的关键。岩土工程的性状在很大程度上与施工、运行过程有关。也就是说工程施工中诸如入桩方式、开挖顺序、分层填筑、受荷水位变化等因素将直接影响土体的应力历史、应力水平和应力路径。为了更真实的反映实际工程的运行情况，很多离心模型试验要求能在离心机高速运行的条件下进行动态过程模拟。土工离心机机械手正是为了满足完成土工离心试验中各种动态施工过程模拟的专用设备，机械手在试验过程中可携带不同的工具，完成不同的过程模拟，并且可在规定的作业范围内实现不停机操作。操作人员只需通过远程的计算机输入指令对机械手实施控制。这样就大大提高了土工离心模型实验的准确性和可靠性。为土木工程的设计、投标评估和开发新的施工技术研究提供可靠的技术支持。由于在离心场下需要模拟的动态过程种类繁多，有些需要用专门的设备来进行模拟，但一些具有普遍性的工程模拟过程能够采用通用的运行机构配以不同的工具及控制来完成。这种通用的运行机构即是离心机四维运行机械手。这种机械手具备三轴平动和一轴转动的基本功能。土工离心机机械手的出现是最近二十多年的事情，主要为了满足动态离心模型试验要求，随着动态离心模型试验技术的逐渐成熟并广泛应用，离心机机械手在结构功能上也得到了很快的发展。离心机机械手最早应用于桩基础的模型试验中。早期的机械手功能较单一。随着试验的发展要求，离心机机械手逐渐发展为一种能在离心机高速运行过程中连续完成多种试验操作的多功能四轴机械手系统或针对某些专门的试验要求开发的专用设备。现在的离心机机械手一般能被远程控制，在操纵方面实现了完全自动化。典型的四轴机械手系统有四个自由度，分别是沿X、Y、Z轴的线位移和垂直于X、Y平面的角位移。这种机械手能够执行多种试验动作，而且更灵活有力。目前应用比较成熟的离心机四维机械手多采用电动机驱动，X、Y、Z方向的平动经过丝杆螺母或齿轮齿条过行转换，角位移直接采用电动机输出或气动马达等。这种电动机驱动的四维运行机械手具有结构紧凑，安装配置相对方便，驱动简单，运行精度高，空间利用率大(相对整体结构，有效行程大)等优点。成熟的电动机驱动四维机械手由于受到结构空间和使用条件(高g值)限制，这类机械手不可能不受限制选用大尺寸电动机，这样就大大限制了此类机械手的动作力度(各方向出力)，另外，由于电动机本身以及复杂的传动结构对变形的要求等，不能满足Z方向一定角度可以变动调节要求使得此类机械手的离心场适应能力有限
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述问题而提供一种动作力度大、液压驱动、能满足高离心场试验条件、有效行程更长、空间利用率大的的高g值土工离心试验四维机械手。本实用新型是通过以下技术方案实现的一种高g值土工离心试验四维机械手，包括支撑架和油缸，所述支撑架包括X支架、Y支架和Z支架，所述Y支架位于所述X支架上方，所述Z支架位于所述Y支架的下方，所述油缸包括X油缸、Y油缸和Z油缸，所述X油缸和Y油缸均为双出杆液压油缸，所述X油缸的活塞杆固定于所述X支架上部，所述X油缸缸身的下侧与所述X支架上部的X向导轨滑动连接，所述X油缸缸身的上侧与所述Y支架的下部固定连接，所述Y油缸的活塞杆与所述Y支架的上部固定连接，所述Y油缸缸身下侧与所述Y支架上部的Y向导轨滑动连接，所述Z支架与所述Y支架下部的Y向导轨滑动连接，所述Z油缸的上端与所述Y油缸固定连接，所述Z油缸缸身的下端与所述Z支架固定连接，所述液压驱动的高g值土工离心试验四维机械手还包括液压马达，所述液压马达与所述Z油缸下端的活塞杆连接。通过将Y油缸与Y支架上部Y向导轨滑动连接，X油缸的下侧与X支架上部X向导轨滑动连接，X油缸的上侧固定安装于Y支架的下部，这样实现Y支架沿X方向被X油缸驱动。Z油缸的上端与Y油缸固定连接，Z支架与Y支架下部Y向滑轨滑动连接，通过将油缸安装在Z支架上，Z支架安装在Y支架下部Y向导轨上，Z油缸上端与Y油缸缸身固定连接，当X油缸和Y油缸同时驱动时，Z油缸沿XY平面角位移动作，通过在Z油缸活塞头部安装液压马达，机械手能够沿XY平面转动。本实用新型的目的是为了解决现有的四维机械手不能在Z方向一定角度能够变动调节，还提供一种高g值土工离心试验四维机械手。一种高g值土工离心试验四维机械手，包括支撑架和油缸，所述支撑架包括X支架、Y支架和Z支架，所述Y支架位于所述X支架上方，所述Z支架位于所述Y支架的下方，所述油缸包括X油缸、Y油缸和Z油缸，所述X油缸和Y油缸均为双出杆液压油缸，所述X油缸的活塞杆固定于所述X支架上部，所述X油缸缸身的下侧与所述X支架上部的X向导轨滑动连接，所述X油缸缸身的上侧与所述Y支架固定连接，所述Y油缸的活塞杆与所述Y支架的上部固定连接，所述Y油缸缸身下侧与所述Y支架上部的Y向导轨滑动连接，所述Z支架与所述Y支架下部的Y向导轨铰链连接，所述四维机械手还包括扇形分度板，所述扇形分度板的下端固定在所述Z支架上，所述Z支架与所述Y支架的Y向导轨铰链连接，所述Z油缸缸身的上端与扇形分度板固定连接。[0017]将Z支架与Y支架的Y向导轨之间的固连改变成了由能够转动的铰链连接，Z油缸安装在Z支架上，Z油缸能够绕铰链销轴转动。将Z油缸与Y油缸缸身之间的连接部件改为扇形分度板，Z油缸上端调整好角度后固定连接在扇形分度板上,扇形分度板与Y油缸缸身固定连接，这样来实现Z油缸的倾斜安装。作为本实用新型的进一步改进是，所述扇形分度板上均匀分布有多个安装孔，所述Z油缸的上端通过安装孔与扇形分度板固定连接。作为本实用新型的进一步优选是，所述扇形分度板的安装孔均匀分布在与垂直方向呈45°夹角的分布板上。本实用新型的有益效果是采用双出杆液压缸，活塞杆固定安装，合理利用了有限空间，增大了机械手的有效 行程。采用液压驱动方式，满足了土工试验要求出力大的要求。将Z油缸上端通过联接部件与Y油缸缸身固定连接，当X油缸和Y油缸同时驱动时，机械手能够沿XY平面角位移动作，通过在Z油缸活塞头部安装液压马达，机械手还能沿XY平面转动。将Z支架与Y支架的Y向导轨变成能够转动的铰链连接，Z油缸能够绕铰链销轴转动，Z油缸上端调整好角度后固定连接在扇形分度板上，采用专门的分度装置机构，能够实现Z油缸的倾斜安装，能够使机械手能够倾斜一定角度满足不同试验要求。
图I是本实用新型中Z油缸直立安装的高g值土工离心试验四维机械手的主视图；图2是本实用新型中Z油缸直立安装的高g值土工离心试验四维机械手的俯视图；图3是本实用新型中Z油缸直立安装的高g值土工离心试验四维机械手的右视图；图4是本实用新型中Z油缸倾斜安装的高g值土工离心试验四维机械手的局部结构结构图。图中I-X支架，2-X油缸，3-Y支架，4-Y油缸，5-Z支架，6-Z油缸，7-液压马达，8-扇形分度板，9-安装孔，101-X支架上部X向导轨，301-Y支架上部Y向导轨，302-Y支架下部Y向导轨。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明高g值土工离心试验四维机械手的实施例一如图I至图3所示，本实用新型高g值土工离心试验四维机械手，包括X支架1、Y支架3、2支架5、乂油缸2、￥油缸4和2油缸6，￥支架3位于乂支架I上方，Z支架5位于Y支架3的下方，X油缸2和Y油缸4均为双出杆液压油缸，X油缸2的活塞杆固定于X支架I上部，X油缸2缸身的下侧与X支架I上部X向导轨101连接，X油缸2缸身的上侧与Y支架3的下部固定连接，Y油缸4的活塞杆与Y支架3的上部固定连接，Y油缸4缸身下侧与Y支架3上部Y向导轨301连接，Z支架5与Y支架3下部Y向导轨302滑动连接，Z油缸6的上端与Y油缸4固定连接，Z油缸6缸身的下端与Z支架5固定连接，所述液压驱动的高g值土工离心试验四维机械手还包括液压马达7，液压马达7与Z油缸6下端的活塞杆连接。通过将Y油缸4与Y支架上部Y向导轨301滑动连接，X油缸2的下侧与X支架上部X向导轨101滑动连接，X油缸2的上侧固定安装于Y支架3的下部，这样实现Y支架3沿X方向被X油缸2驱动。Z油缸6的上端与Y油缸4固定连接，Z支架5与Y支架下部Y向滑轨301滑动连接，通过将Z油缸6安装在Z支架5上，Z支架5安装在Y支架下部Y向导轨302上，Z油缸6上端与Y油缸4缸身固定连接，当X油缸2和Y油缸4同时驱动时，Z油缸6沿XY平面角位移动作，通过在Z油缸6活塞头部安装液压马达7，机械手能够沿XY平面转动。高g值土工离心试验四维机械手的实施例二 如图4所示，本实用新型高g值土工离心试验四维机械手包括X支架1、Y支架3、Z支架5、X油缸2、Y油缸4和Z油缸6，Y支架3位于X支架I上方，Z支架5位于Y支架3的下方，X油缸2和Y油缸4均为双出杆液压油缸，X油缸2的活塞杆固定于X支架I上部，X油缸2缸身的下侧与X支架上部X向导轨101连接，X油缸2缸身的上侧与Y支架3的下部固定连接，Y油缸4的活塞杆与Y支架3的上部固定连接，Y油缸4缸身下侧与Y支架上部Y向导轨301连接，Z支架5与Y支架下方Y向导轨302铰链连接，Z向可调高g值土工离心试验四维机械手还包括扇形分度板8,扇形分度板8的下端固定在Z支架5上,扇形分度板8的上端固定在Y支架3上，Z支架5与Y支架下部Y向导轨302铰链连接，Z油缸6缸身的上端与扇形分度板8固定连接。将Z支架5与Y支架下部Y向导轨302上之间的固定连接改变成了能够转动的铰链连接，Z油缸6安装在Z支架5上，Z油缸6能够绕铰链销轴转动。将Z油缸6与Y油缸4活动缸身之间的连接部件改为扇形分度板8，扇形分度板8上均匀分布有多个安装孔9，扇形分度板8的安装孔9均匀分布在与垂直方向呈45°夹角的扇形分度板8上。Z油缸6上端调整好角度后固定连接在扇形分度板8上,扇形分度板8与Y油缸4缸身固定连接,这样来实现Z油缸6的倾斜安装，采用专门的分度装置机构，能够实现Z油缸的倾斜安装，能够使所述机械手能够倾斜一定角度满足不同试验要求。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.一种高g值土工离心试验四维机械手，包括支撑架和油缸，所述支撑架包括X支架、Y支架和Z支架，所述Y支架位于所述X支架上方，所述Z支架位于所述Y支架的下方，所述油缸包括X油缸、Y油缸和Z油缸，其特征在于所述X油缸和Y油缸均为双出杆液压油缸，所述X油缸的活塞杆固定于所述X支架上部，所述X油缸缸身的下侧与所述X支架上部的X向导轨滑动连接，所述X油缸缸身的上侧与所述Y支架的下部固定连接，所述Y油缸的活塞杆与所述Y支架的上部固定连接，所述Y油缸缸身下侧与所述Y支架上部的Y向导轨滑动连接，所述Z支架与所述Y支架下部的Y向导轨滑动连接，所述Z油缸的上端与所述Y油缸固定连接，所述Z油缸缸身的下端与所述Z支架固定连接，所述液压驱动的高g值土工离心试验四维机械手还包括液压马达，所述液压马达与所述Z油缸下端的活塞杆连接。
2.一种高g值土工离心试验四维机械手，包括支撑架和油缸，所述支撑架包括X支架、Y支架和Z支架，所述Y支架位于所述X支架上方，所述Z支架位于所述Y支架的下方，所述油缸包括X油缸、Y油缸和Z油缸，其特征在于所述X油缸和Y油缸均为双出杆液压油缸，所述X油缸的活塞杆固定于所述X支架上部，所述X油缸缸身的下侧与所述X支架上部的X向导轨滑动连接，所述X油缸缸身的上侧与所述Y支架固定连接，所述Y油缸的活塞杆与所述Y支架的上部固定连接，所述Y油缸缸身下侧与所述Y支架上部的Y向导轨滑动连接，所述Z支架与所述Y支架下部的Y向导轨铰链连接，所述四维机械手还包括扇形分度板，所述扇形分度板的下端固定在所述Z支架上,所述Z支架与所述Y支架的Y向导轨铰链连接，所述Z油缸缸身的上端与扇形分度板固定连接。
3.根据权利要求2所述的高g值土工离心试验四维机械手，其特征在于所述扇形分度板上均匀分布有多个安装孔，所述Z油缸的上端通过安装孔与扇形分度板固定连接。
4.根据权利要求3所述的高g值土工离心试验四维机械手，其特征在于所述扇形分度板的安装孔均匀分布在与垂直方向呈45°夹角的分布板上。
专利摘要本实用新型公开了两种高g值土工离心试验四维机械手，一种液压驱动的高g值土工离心试验四维机械手包括X油缸、Y油缸、Z油缸、X支架、Y支架、Z支架和液压马达，所述X油缸和Y油缸均为双出杆液压油缸，所述Z支架与所述Y支架的Y向导轨活动连接，所述Z油缸缸身的下端与所述Z支架固定连接，所述Z油缸下端的活塞杆伸出所述Z支架并与所述液压马达连接，一种Z向可调高g值土工离心试验四维机械手还包括扇形分度板，所述Z支架与所述Y支架的Y向导轨铰链连接，所述Z油缸缸身的上端与扇形分度板固定连接。采用液压驱动方式，满足了土工试验要求出力大的要求。采用专门的分度装置机构，能够使机械手能够倾斜一定角度满足不同试验要求。
文档编号E02D33/00GK202577376SQ20122016280
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者杨永生, 刘小刚, 宋琼, 黎启胜, 冯英伟, 林明, 彭丽琼, 赵宝忠 申请人:中国工程物理研究院总体工程研究所