基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

本发明的技术方案为：一种基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置，包括挠性支承、标准扭矩梁、负刚度组件、砝码加载机构、电磁力矩器、激光位移传感器以及信号控制测量电路，所述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；砝码加载机构的两个砝码盘分别安装在标准扭矩梁的两侧，实现砝码的加挂；标准扭矩梁上通过螺杆安装负刚度组件的配重质量块，激光位移传感器安装在基座上对标准扭矩梁的偏转位移进行测量；标准扭矩梁的两侧对称安装一个电磁力矩器；激光位移传感器电信号输出端连接到信号控制测量电路上；信号控制测量电路对激光位移传感器输出的电信号进行功率放大，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。

所述挠性支承为“X”型结构，“X”型结构的挠性支承采用SZK或3J58高弹性合金钢制作，工作时，“X”型结构的挠性支承在扭矩载荷作用下发生弯曲变形，带动标准扭矩梁转动。

所述配重质量块的重量W₃及配重质量块质心到旋转中心的距离R，满足挠性支承零刚度的特性，使标准扭矩梁在挠性支承零刚度状态下迅速偏转，其中：

使标准扭矩梁和挠性支承偏转到θ角的外力矩表示为：

M＝(W₁-W₂)Lcosθ (1)

由挠性支承产生的弹性恢复力矩

M_-＝K₊θ (2)

由配重质量块的重量W₃产生的力矩

M₊＝W₃Rsinθ (3)

式中：M为施加扭矩载荷；W₁、W₂为重量不等的砝码质量块；L为标准扭矩梁长度的一半；θ为挠性支承偏转角度；M_-为挠性支承弹性恢复力矩；K₊为挠性支承的扭转角刚度系数；M₊为配重质量块的重量w₃产生的力矩；W₃为配重质量块的重量；R为配重质量块质心到支承旋转中心“O”点的中心距；

由于变形角θ非常小，并令

K_-＝W₃R

(3)式可写为

M₊＝W₃Rsinθ＝W₃Rθ＝K_-θ

若要达到零刚度，需满足

K₊＝K_-＝W₃R。

本发明的有益效果在于：本发明基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置，在“X”型挠性支承作为扭矩标准装置旋转支承的基础上引入零刚度的理念，通过负刚度组件抵消挠性支承的正刚度，加速系统的运动，实现信号快速跟踪测量。由于无需改变挠性支承的结构尺寸，这种装置不会降低挠性支承在其它方向，主要是承载方向的刚度和强度。同时装置配以自动控制系统和数据采集系统，通过对电磁力矩器输出电信号测量的方法可实现对施加扭矩的自动快速校准测量。

本发明零刚度挠性支承的优点在于：

1)本发明设计的零刚度挠性支承是在“X”型挠性支承的标准扭矩梁上串接一负刚度组件，大幅降低了挠性支承运动方向的扭转角刚度，对外输出扭转角刚度几乎为零，加速系统的运动，提高装置的灵敏度，并使测量值与施加扭矩唯一对应。

2)本发明设计的负刚度组件(配重质量块)能够与多种不同结构形式的挠性支承相组合构成零刚度挠性支承系统。

3)本发明涉及的挠性支承采用“X”型弹性支承，材料为高弹性合金钢SZK或3J58，结构简单，易于整体加工。

附图说明

图1为本发明零刚度挠性支承系统原理示意图；

图2为本发明基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量方案示意图；

图3为本发明“X”型挠性支承结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明零刚度挠性支承系统原理示意图，如果重量不等的砝码W₁和W₂放在左、右砝码盘4，6上，标准扭矩梁1和挠性支承8由于受到力矩M的作用，偏转角度θ。由于挠性支承本身的弹性，挠性支承同时会产生一个恢复力矩M_-阻碍标准扭矩梁1和挠性支承8的偏转。若在与标准扭矩梁刚性连接的螺杆10上安装一配重质量块9，配重质量块9的重量为W₃，通过合理设计，使标准扭矩梁1在偏转的一定角度范围内，由配重质量块9的重量W₃产生的力矩M₊的大小与挠性支承产生的弹性恢复力矩M_-的大小相等。由于M₊与M_-的大小相等，方向相反，因此由配重质量块9的重量W₃产生的力矩M₊刚好抵消挠性支承的恢复力矩M_-，从而使标准扭矩梁1的偏转只受到施加外力矩M的作用，而不受挠性支承8弹性恢复力矩M_-的作用。对于标准扭矩梁1而言，在偏转过程中，若认为挠性支承8的刚度为正，则配重质量块9对偏转中心起到负刚度的作用，通过配重质量块9的负刚度抵消挠性支承的正刚度，使系统的刚度对外体现为零，即系统具有零刚度特性，从而使系统不受偏转方向正刚度的影响而加速标准扭矩梁1的运动，提高装置灵敏度。

使标准扭矩梁和挠性支承偏转到θ角的外力矩可以表示为：

M＝(W₁-W₂)Lcosθ (1)

由挠性支承产生的弹性恢复力矩

M_-＝K₊θ (2)

由配重质量块W₃产生的力矩

M₊＝W₃Rsinθ (3)

式中：M为施加扭矩载荷；W₁、W₂为重量不等的质量块；L为标准扭矩梁长度的一半；θ为挠性支承偏转角度；M_-为挠性支承弹性恢复力矩；K₊为挠性支承的扭转角刚度系数；M₊为配重质量块W₃产生的力矩；W₃为配重质量块的重量；R为配重质量块质心到支承旋转中心“O”点的中心距。

由于变形角θ非常小，并令

K_-＝W₃R

(3)式可写为

M₊＝W₃Rsinθ＝W₃Rθ＝K_-θ

若使系统达到零刚度，需满足

K₊＝K_-＝W₃R

通过合理设计配重块的重量W₃及配重质量块质心到旋转中心的距离R，可使系统具有零刚度的特性，使标准扭矩梁在挠性支承零刚度状态下迅速偏转。

在此原理指导下，图2给出了基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置的方案示意图，本发明的基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置，包括挠性支承8、标准扭矩梁1、负刚度组件、砝码加载机构、电磁力矩器、激光位移传感器3以及信号控制测量电路5。

挠性支承8的下端面与基座固定连接，上端面与标准扭矩梁1固定连接；砝码加载机构的左、右砝码盘4、6分别安装在标准扭矩梁1的两侧，实现砝码的加挂；挠性支承8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1的质心重合；有扭矩加载时，标准扭矩梁1随同挠性支承8一起绕旋转中心“O”转动；配重质量块9通过螺杆10装在标准扭矩梁1上，通过合理设计配重质量块的重量W₃、与旋转中心的中心距R实现系统的零刚度；激光位移传感器3安装在基座上，激光探头对准标准扭矩梁1的下端面；当有扭矩载荷时，激光位移传感器3输出与位移成比例关系的电压信号，该电信号经信号控制测量电路5处理后送给第一电磁力矩器2或第二电磁力矩器7作为力矩器的控制信号实现对标准扭矩梁的拉平；电磁力矩器的输出信号经信号控制测量电路5采集并显示。

在没有扭矩加载的情况下，支承及标准扭矩梁1不偏转；标准扭矩梁1在外加力矩载荷产生偏转时，支承由于运动方向正刚度的存在产生一个弹性恢复力矩，该力矩与系统运动方向力矩相反，阻碍系统的运动；与标准扭矩梁1固联的配重质量块9在偏转过程中产生一个与系统运动方向相同的力矩，对挠性支承8而言，相当于一个负刚度组件，抵消挠性支承8的正刚度，使系统对外整体刚度体现为零，加速系统的运动。因此系统运动过程中，电磁力矩器输出值只与外加力矩有关，而与挠性支承本身产生的弹性恢复力矩无关，即测量值只与被测量有关。

为了提高装置的灵敏度和承载力，采用如图3所示的挠性支承8，形状上采用“X”型的结构。该结构的挠性支承8采用高弹性合金钢SZK或3J58制作，由于细颈t的特点可以达到很高的灵敏度，并具有一定的承载力。工作时挠性支承8在扭矩载荷作用下发生弯曲变形，带动标准扭矩梁1转动。