专利名称：高低温箱内被测件的三维变形测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三维微小变形的测量系统，尤其是一种高低温箱内被测件的三维形变的测量装置。
背景技术：
弯刚度刚度试验时需要对被测件某方向施加作用力，在力或扭矩作用下，被测件产生变形，通过测量作用力方向的变形来计算刚度。但是被测件形状不规则，在外力作用下除了产生用于刚度计算方向的变形外，还可能会产生x、y、z三个方向的转动和其余两个方向的变形。即使作用力或力矩未发生变化，但由于被测点的变形造成力臂的变化，从而影响到加载的力矩值。由于被测件本身的变形量很小，受力后其它方向的微小变形会对刚度试验结果产生影响，只有对三方向变形同时进行高精度高分辨率测量，通过后续数据处理获取用于刚度计算所需方向的变形量，才能得到准确的刚度测量结果。由于被测件处在一个无法直接安装传感器的高低温箱体内，因此首先要被测件运动转移到高低温箱外。
发明内容为了克服已有高低温箱内被测件的三维形变的测量装置的测量精度较差的不足， 本实用新型提供一种测量精度较高的高低温箱内被测件的三维变形测量装置。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种高低温箱内被测件的三维变形测量装置，所述测量装置包括细绳、三维气浮组件和三个方向的带编码器的信号采集模块，所述三维气浮组件包括固定板、X向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元，各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套，所述三个方向的带编码器的信号采集模块分别安装在X向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；所述 X向气浮轴安装在固定板上，X向气浮套可滑动地安装在X向气浮轴上,所述X向气浮套与 y向气浮轴固定连接，y向气浮套可滑动地安装在I向气浮轴上，所述I向气浮套与z向气浮套固定连接，所述z向气浮轴可滑动地安装在所述z向气浮套上；所述细绳的上端与被测件连接，所述细绳的下端与所述三维气浮组件的z向气浮轴连接。进一步，所述带编码器的信号采集模块包括光栅尺、光栅信号采集转换装置和信号接收器，所述光栅尺位于所述光栅信号采集转换装置的采集视觉范围内，所述光栅信号采集转换装置与所述信号接收器正对。再进一步,所述X向气浮套与X向气浮套连接板固定连接,所述X向气浮套连接板与y向安装板连接，所述y向气浮轴安装在所述y向安装板上，所述y向气浮套与y向气浮套连接板固定连接，所述y向气浮套连接板与z向固定挡板连接，所述z向气浮套安装在所述z向固定挡板上，所述z向气浮轴与z向气浮轴连接板固定连接，所述z向气浮轴的上端安装与细绳连接的连接头；[0010]z向光栅尺安装在z向光栅尺固定板上，z向光栅尺固定板安装在所述气浮轴连接板上，z向光栅信号采集转换装置安装在所述气浮轴连接板上，z向信号接收器安装在与三维气浮组件外正对z向光栅信号采集转换装置的地方；x向光栅尺安装在X向气浮套上，X 向光栅信号采集转换装置安装在X向气浮套连接板上，X向信号接收器安装在与三维气浮组件外正对X向光栅信号采集转换装置的地方；y向光栅尺分别安装在y向气浮套上，I向光栅信号采集转换装置安装在y向气浮套上，y向信号接收器安装在与三维气浮组件外正对y向光栅信号采集转换装置的地方。更进一步，各个气浮单元均包括两根气浮轴和两个气浮套，所述两根气浮轴平行设置。本实用新型的技术构思为通过细绳连接被测件，细绳下悬挂小质量块保证绳子竖直向下。由于绳子受力保持不变，因此认为绳子长度在整个过程中不发生变化。利用气浮组件连接绳子下悬挂的质量块，让小质量块能够在x、y和z三个方向无摩擦地跟随被测件运动，通过测量小质量块的运动轨迹来得到被测件的微小运动轨迹。专利《不受气管扰动影响的组合气浮装置》(申请号201010165949. 9，已授权)应用气浮技术具有摩擦阻力小、运动精度高、清洁无污染等特点，提供了一种有效避免摩擦力的附加影响、适应高精度场合的三维气浮随动装置。本实用新型在该专利的基础上，对气浮组件结构进行改动，克服使其适应当前测量要求。本实用新型的有益效果主要表现在通过细绳连接被测件，以悬挂在细绳上的小质量块的运动轨迹代替被测件受力后的运动轨迹，设计了一套适用于高低温环境下被测件刚度测量的系统，有效克服了测量过程中附加摩擦力和元器件附加运动的影响，实现了高精度测量。
图I是三维气浮组件的主视图。图2是三维气浮组件的左视图。图3是三维气浮组件的轴侧视图。图4是信号采集模块通讯图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图I 图3，一种高低温箱内被测件的三维变形测量装置，所述测量装置包括细绳、三维气浮组件和三个方向的带编码器的信号采集模块，所述三维气浮组件包括固定板19、x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元,各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套, 所述三个方向的带编码器的信号采集模块分别安装在X向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；x向气浮轴20安装在固定板19上，X向气浮套25可滑动地安装在X向气浮轴 20上，所述X向气浮套25与y向气浮轴8固定连接，y向气浮套13可滑动地安装在y向气浮轴8上，所述y向气浮套13与z向气浮套1、4固定连接，所述z向气浮轴16、3可滑动地安装在所述z向气浮套1、4上；所述细绳的上端与被测件连接，所述细绳的下端与所述三维气浮组件的z向气浮轴16、3连接。所述带编码器的信号采集模块包括光栅尺、光栅信号采集转换装置和信号接收器，所述光栅尺位于所述光栅信号采集转换装置的采集视觉范围内，所述光栅信号采集转换装置与所述信号接收器正对。所述X向气浮套与X向气浮套连接板9固定连接,所述X向气浮套连接板9与y 向安装板10连接,所述y向气浮轴8安装在所述y向安装板10上,所述y向气浮套13与y 向气浮套连接板24固定连接，所述y向气浮套连接板24通过Z向气浮套固定板22与z向固定挡板5连接,所述z向气浮套1、4安装在所述z向固定挡板5上,所述z向气浮轴16、 3与z向气浮轴连接板7固定连接，所述z向气浮轴的上端安装与细绳连接的连接头2 ；z向光栅尺21安装在z向光栅尺固定板6上，z向光栅尺固定板6安装在所述气浮轴连接板7上，z向光栅信号采集转换装置23安装在与所述气浮轴连接板7上，z向信号接收器18安装在与三维气浮组件外正对z向光栅信号采集转换装置的地方；x向光栅尺 26分别安装在X向气浮套25上，X向光栅信号采集转换装置11安装在X向气浮套连接板 9上，X向信号接收器17安装在与三维气浮组件外正对X向光栅信号采集转换装置的地方； I向光栅尺15分别安装在y向气浮套13上，y向光栅信号采集转换装置14安装在y向气浮套13上，y向信号接收器12安装在与三维气浮组件外正对y向光栅信号采集转换装置的地方。各个气浮单元均包括两根气浮轴和两个气浮套，所述两根气浮轴平行设置。本实施例中，三维气浮组件从下往上三层分别对应于x、y和z三个方向，其中细绳与被测件相连，细绳下面悬挂小质量块，绳子的长度根据测量的误差范围进行设计，保证被测对象与小质量块的位移偏差在所需测量精度范围内；三个方向的气浮组件均包括气浮轴和气浮套，x、y方向气浮轴相对不动,气浮套运动，z方向气浮轴运动,气浮套不动；x方向的气浮轴固定在机架上，y方向的气浮轴与X方向的气浮套通过安装座、安装板固连,z方向的气浮套通过z向气浮套固定板与y方向的气浮套固连，z向的气浮轴通过一连接头与细绳相连，z向的气浮轴起到了小质量块的作用。x、y、z三个方向分别设有两根气浮轴和两个气浮套，同一方向的气浮轴(套)固定在同一块固定板上，有效克服了小质量块受外力作用发生扭转的影响。气浮组件通气装置结构参考同专利《不受气管扰动影响的组合气浮装置》(申请号201010165949. 9，已授权)， 能够有效避免通气管对测量产生附加扰动。常规测量中，一般采用非接触式光电编码器来测量被测件的位移变化量。非接触式光电编码器由读数头由读数头和光栅尺组成。光栅尺无需供电也无导线连接，读数头必须由电源供电并通过导线将测量信号传输出去，读数头与光栅尺必须在所要求的间距下保证相对运动，从而获取位移信号。具体为，z方向的读数头安装在气浮套上，光栅尺安装在气浮轴(小质量块)上，z方向运动时气浮套相对不动，气浮轴运动。y方向的读数头安装在 y方向的气浮轴上，光栅尺装在y方向的气浮套上，y方向读数头外接导线，y方向运动时， 气浮套运动，气浮轴和导线相对不运动。X方向的读数头安装在X方向的气浮轴上，光栅尺装在X方向的气浮套上，X方向读数头外接导线，X方向运动时，气浮套运动，气浮轴和导线相对不运动。但是，由于测量信号通过导线传输，被测点移动导致导线一头跟随运动，而另一头因固定在测试仪器上，因此导线绕动会对被测小质量块的运动带来附加力的影响，从而改变小质量块的位置而产生测量误差。具体为除X方向因为读数头外接的导线相对机架无运动外，由于y向气浮轴与X向的气浮套固连，当小质量块沿X向运动时，安装在y向气浮轴上的I向读数头上的导线将相对机架运动。同理，由于z向气浮套与y向气浮套固连，当 X向和y向运动时,安装在Z向气浮套上的Z向读数头的导线会相对机架和y向气浮轴运动。y、Z方向读数头外接导线的附加运动会对测量带来干扰，产生测量误差。为了解决导线的附加扰动，提高测量精度，本实用新型在x、y和z轴所在层上设计了用电池供电、带编码信号采集和红外传输的单片机系统，具体包括光栅尺、光栅信号采集转换装置和信号接收器。其中，Z向光栅尺安装在Z向光栅尺固定板上，Z向光栅尺固定板安装在与z向气浮轴联动的气浮轴连接板上，z向光栅信号采集转换装置安装在z向固定挡板上，z向信号接收器安装在与三维气浮组件外正对z向光栅信号采集转换装置的地方； X、y向光栅尺安装在对应的气浮套上，光栅信号采集转换装置安装在相应方向安装板上，信号接收器安装三维气浮组件外部正对相应方向光栅信号采集转换装置的地方。其工作过程为X、y、z轴上的编码器采集信号，主机同时对X轴、y轴和z轴发送数据传输指令，X轴、y轴和Z轴在接收到指令后由光栅信号采集转换装置将当前采集的数据转变为红外信号发送给信号接收器，再传回上位机，从而保证X轴、y轴和z轴的数据始终保持同步，避免三个轴数据在时间上错位和导线的附加扰动。本实用新型以小质量块(z向气浮轴)的位移代替被测件受力后的变形，当被测件受外力作用发生微小变形时，小质量块会相应的发生微小位移，并将该微小位移传递到三维气浮组件中。测量时，发生在z方向的微小位移通过小质量块直接传递到z向气浮轴上， Z向气浮轴相对Z向气浮套运动，Z向光栅信号采集转换装置将当前采集的位移值转变为红外信号发送给Z向信号接收器，再传回上位机。同理，发生在x、y向的微小位移通过小质量块直接传递到在X、I向气浮套上，气浮套相对气浮导轨运动，相应方向光栅信号采集转换装置将当前采集的位移值转变为红外信号发送给对应的信号接收器，再传回上位机，从而实现测量X、y、z三个方向微小变形的功能。实用新型中的红外信号传输装置可用其他无线通讯方式代替。
权利要求1.一种高低温箱内被测件的三维变形测量装置，其特征在于所述测量装置包括细绳、三维气浮组件和三个方向的带编码器的信号采集模块，所述三维气浮组件包括固定板、 X向气浮单元、y向气浮单元和Z向气浮单元,各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套,所述三个方向的带编码器的信号采集模块分别安装在X向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；X向气浮轴安装在固定板上，X向气浮套可滑动地安装在X向气浮轴上,所述X向气浮套与I向气浮轴固定连接，y向气浮套可滑动地安装在I向气浮轴上，所述y向气浮套与z 向气浮套固定连接，所述z向气浮轴可滑动地安装在所述z向气浮套上；所述细绳的上端与被测件连接，所述细绳的下端与所述三维气浮组件的z向气浮轴连接。
2.如权利要求I所述的高低温箱内被测件的三维变形测量装置，其特征在于所述带编码器的信号采集模块包括光栅尺、光栅信号采集转换装置和信号接收器，所述光栅尺位于所述光栅信号采集转换装置的采集视觉范围内，所述光栅信号采集转换装置与所述信号接收器正对。
3.如权利要求2所述的高低温箱内被测件的三维变形测量装置，其特征在于所述X 向气浮套与X向气浮套连接板固定连接,所述X向气浮套连接板与y向安装板连接,所述y 向气浮轴安装在所述Y向安装板上，所述Y向气浮套与Y向气浮套连接板固定连接，所述 I向气浮套连接板与z向固定挡板连接，所述z向气浮套安装在所述z向固定挡板上，所述 Z向气浮轴与Z向气浮轴连接板固定连接，所述Z向气浮轴的上端安装与细绳连接的连接头;Z向光栅尺安装在Z向光栅尺固定板上,Z向光栅尺固定板安装在与所述Z向气浮轴连接板上，Z向光栅信号采集转换装置安装在与所述Z向气浮轴连接板上，Z向信号接收器安装在与三维气浮组件外正对Z向光栅信号采集转换装置的地方；X向光栅尺安装在X向气浮套上，X向光栅信号采集转换装置安装在X向气浮套连接板上，X向信号接收器安装在与三维气浮组件外正对X向光栅信号采集转换装置的地方；y向光栅尺分别安装在y向气浮套上，I向光栅信号采集转换装置安装在I向气浮套上，I向信号接收器安装在与三维气浮组件外正对y向光栅信号采集转换装置的地方。
4.如权利要求I 3之一所述的高低温箱内被测件的三维变形测量装置，其特征在于 各个气浮单元均包括两根气浮轴和两个气浮套，所述两根气浮轴平行设置。
专利摘要一种高低温箱内被测件的三维变形测量装置，测量装置包括细绳、三维气浮组件和三个方向的带编码器的信号采集模块，各个气浮单元均包括气浮轴和气浮套，三个方向的带编码器的信号采集模块分别安装在x向气浮单元、y向气浮单元和z向气浮单元上；x向气浮轴安装在固定板上，x向气浮套可滑动地安装在x向气浮轴上，x向气浮套与y向气浮轴固定连接，y向气浮套可滑动地安装在y向气浮轴上，y向气浮套与z向气浮套固定连接，z向气浮轴可滑动地安装在z向气浮套上；细绳的上端与被测件连接，细绳的下端与三维气浮组件的z向气浮轴连接。本实用新型提供一种测量精度较高的高低温箱内被测件的三维变形测量装置。
文档编号G01B11/16GK202350751SQ201120462869
公开日2012年7月25日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者单晓杭, 孙建辉, 彭廷红, 郑欣荣 申请人:浙江工业大学