一种霍普金森压杆轴的倾斜标定方法

1.本发明公开了一种霍普金森压杆轴的倾斜标定方法，属于测量与校准技术领域，特别适用于霍普金森压杆实验装置的轴对中倾斜角测量与调整。


背景技术：

2.在机械装配过程中，许多轴类零件安装时常存在角度倾斜问题，如两轴对中安装倾斜、轴孔对中安装倾斜等。若轴类等结构未实现对中，则连接处可能会出现磨损、应力集中、振动等问题，影响零件的正常工作。因此，在机械装配过程中，有必要对轴类等零件进行对中测量和校准。霍普金森压杆实验装置是以一维弹性应力波理论为理论基础，用于获取常温和高温下各种金属、非金属和复合材料在不同应变率下的动态力学性能的实验装置。该装置由操作台、压杆主体和数据采集器三部分组成，其中压杆主体部分由撞击杆、入射杆、透射杆、支撑台、能量吸收器、高温炉和气压装置等组成。实验时，由气压装置产生的高气压推动撞击杆，撞击杆撞击入射杆并通过试件传递给透射杆，之后传递给能量吸收器。实验过程中，三根杆的碰撞试验依据应力波原理，各杆碰撞时应当保证良好的对中性，若使用对中性差的压杆碰撞，则不能保证实验数据的准确性，会存在较大的误差乃至错误，并且压杆倾斜未对中时发生的碰撞会产生应力集中，损坏压杆端面。
3.目前霍普金森压杆实验装置测量校准压杆倾斜的方法主要有两种：一种是传统调节方法，在试验前使用工具调节螺栓进行初步调高与对齐组合，而后根据肉眼初步判断并通过进行多次预撞击实验，得出撞击数据作细调以实现调节压杆对中性。这种方法步骤繁琐、费时费力，调整后的结果主观性较强，精度较低。另一种方法是使用激光及测距仪测量偏差，如cn202110389116.9所述方法，该类方法虽能保证一定精度并实现实验装置的快速调节，但其需要测量多个数据且结构复杂、需要大量激光仪及测距仪等电子设备、造价成本高。本方法公开了一种霍普金森压杆轴的倾斜标定方法，可以极大的减少调节时间与步骤，并且不需要大量激光仪、测距仪等设备，方法简单且经济实惠，且在原有技术的基础上，可以实现依据给定的轴倾斜测量精度进行测量与调节。


技术实现要素：

4.本发明公开一种霍普金森压杆轴的倾斜标定方法，目的是弥补霍普金森压杆对中现有方法的不足，实现对压杆调节步骤简单化、时间与成本节约以及精度提高。本发明除用于霍普金森压杆实验装置之外，亦可用于其他需要保证轴类零件同轴度对中的场合。
5.本方法包括激光仪、测光通道和ccd成像装置组成。其中，测光通道由两部分组成：测光管a一侧为中心开有一小孔的封闭端面，另一侧为未封闭的普通管面，其外壁有螺纹；测光管b一侧为开有一半径为r的圆的封闭端面，另一侧为未封闭的普通管面，其内壁有螺纹。测光管b内壁螺纹可以与测光管a外壁螺纹实现连接，测量时可以通过调节螺纹调整测光通道的长度来实现精度的调节。ccd成像装置是一种现今被广泛运用的电光学装置，它可以精准测量激光点所在的位置并传递给计算机。本发明的原理是：位于一侧的激光仪发射
激光束，激光束通过测光管a的小孔进入测光通道，通过测光管b的小圆射出，在ccd成像装置上成像。该过程的实现具体包括：
6.i.测量预校准:
7.a)对测量轴进行初步预调平，降低轴倾斜偏差；
8.b)调整轴在水平及竖直方向上的位置，确保激光仪发出的激光束能顺利射入测光通道内；
9.ii.获取测量数据：
10.a)开启测量激光仪，测量激光仪发出的激光束射入测光通道，激光束通过测光通道由另一侧的半径为r的小圆射出，成像于ccd成像装置；
11.b)ccd成像装置记录成像位置并采集数据，将采集到的数据转化为信号，传输该信号至计算机；
12.iii.倾斜偏差计算：
13.a)在装置调试后，定义激光仪发出激光束成像的位置为成像原点，以预定义的成像原点为基准，以竖直方向为y轴，以水平方向垂直于轴线为x轴，以水平方向平行于轴线为z轴建立调整参考坐标系；
14.b)读取ccd成像装置采集数据，与预定义的成像原点对比；对于倾斜轴，激光仪发射的激光束在ccd成像装置上成像产生位移矢量，记坐标变化量为(δx，δy)；
15.iv.调整偏差并验证：
16.a)按照下式，记：
17.x＝δx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
18.y＝δy
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(2)
19.b)调整轴的安装位置，调整水平方向的量为x，竖直方向的量为y，使激光束的像点位置位于ccd成像装置的指定点(0，0)；
20.c)再次开启测量激光仪，记录本次位移矢量的(δx，δy)核实是否满足δx＝0、δy＝0，如果满足，则表明对安装位置调整(x，y)后，激光仪的激光束与ccd成像装置的成像面指定位置对准，即完成标定；
21.v.对于实现实际要求精度的调节方法如下：
22.a)测量测光通道的长度l，测光通道入射端端面和ccd成像装置靶面之间的距离为l，其实际存在偏差r计算如下：
[0023][0024]
b)计算实际存在倾斜角θ如下式：
[0025][0026]
c)比较r、θ与精度要求z、的大小，当r、θ不满足精度要求，计算对应的差值δr，δθ，并算出对应要调节的长度δl1和δl2，取大值并记为δl，按下式计算：
[0027]
δr＝r-z (5)
[0028]
[0029][0030][0031]
δl＝max(δl1，δl2) (9)
[0032]
d)调整测光通道的螺纹，改变长度
△
l，即可实现按实际要求的精度调节轴的倾斜。
[0033]
本发明具有以下优点：
[0034]
a)本方法极大的简化了测量与校准的步骤，与传统方法相比，本方法无需多次进行预碰撞实验，极大的节省了时间与精力，提高了测量效率。
[0035]
b)本方法只需要一个激光仪和一个ccd成像装置，减少了测量时所需要的测量元件，降低了本方法的成本，同时，还兼顾了快速测量并获取准确数据的特点。
[0036]
c)本方法在测量与校准轴对中问题时，可以实现对于测量精度的调节，其适用范围更广，对于一些需要调整测量精度的环境可以实现有效测量。
附图说明
[0037]
图1为本发明的测量原理图
[0038]
图2为ccd成像装置测量图
[0039]
图3为霍普金森压杆实验装置图
[0040]
图4为测量过程流程图
[0041]
图中，1、激光仪，31、测光管a，32、测光管b，4、ccd成像装置，5、撞击杆，6、入射杆，7、试件，8、透射杆，9、撞击杆支座，10-13、霍普金森杆调节支座。
具体实施方式
[0042]
本方法用于霍普金森压杆实验装置，具体为：激光仪固定于撞击杆支座上，在入射杆和透射杆上选取一个支座替换为带有测光通道的支座，透射杆另一个支座选取为装有ccd成像装置的支座，测量时，激光仪发出激光束通过两个测光通道，ccd成像装置接受激光点信号。
[0043]
根据激光束的特点，在装置安装、调试完毕后，激光束在ccd成像装置靶面成像位置记为初始点。当压杆位置发生偏移或者压杆发生倾斜时，激光束在ccd成像装置的位置就会发生变化，即为压杆产生的误差，测量时记录像点的位置变化即可，如图中的δx和δy。
[0044]
下面结合附图对一种霍普金森压杆轴的倾斜标定方法进行进一步说明。当然，本实施例只是本方法的一种具体运用，并不是全部实施例。这里以运用于霍普金森压杆实验装置为例进行说明。
[0045]
如图1所示，一种霍普金森压杆轴的倾斜标定方法，包括激光仪(1)、测量轴(2)、测光管a(31)和测光管b(32)组成的测光通道(3)、ccd成像装置(4)和若干支座组件；
[0046]
所述的测光管a(31)外壁和测光管b(32)内壁有螺纹，可以用螺纹连接实现组装，测量时可以通过螺纹调节测光通道长度实现精度调节。测光管a(31)一侧为小孔，测光管b
(32)一侧有半径为r的小圆可以实现激光的射入与射出。
[0047]
一种霍普金森压杆轴的倾斜标定方法：
[0048]
i.进行仪器和调节装置的组装:将激光仪(1)、测光通道(3)、ccd成像装置(4)通过螺栓固定在支座组件上，其中测光管a(31)通过螺栓固定在支座上，测光管b(32)与测光管a(31)通过螺纹连接在一起。测量轴(2)通过支座固定在测量位置。
[0049]
ii.进行装置的对中调节：
[0050]
a)测量轴(2)初调平：通过调节固定测量轴(2)的各支座，实现测量轴(2)的初步调平；
[0051]
b)打开激光仪(1)，调整测光通道(3)所在支座，改变激光仪(1)发出的激光束的入射位置，确保激光束顺利由测光管a(31)射入测光通道内；
[0052]
c)测量ccd成像装置(4)与测光通道(3)远端的距离l，依据给定的精度要求z、φ的要求计算测光通道(3)的长度l1，l2，
[0053][0054][0055]
比较l1和l2之间的大小，选取二者的大值，调整测光通道(3)的长度l为二者的最大值。
[0056]
iii.读取ccd成像装置(4)采集数据，与预定义的成像原点对比；对于存在倾斜的测量轴(2)，激光仪(1)发射的激光束在ccd成像装置(4)上成像产生位移矢量，记
[0057]
坐标变化量为(δx，δy)；
[0058]
iv.调整偏差并验证：
[0059]
a)按照下式，记：
[0060]
x＝δx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0061]
y＝δy
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(13)
[0062]
b)调整测量轴(2)的安装位置，调整水平方向的量为x，竖直方向的量为y，使激光束的像点位置位于ccd成像装置(4)的指定点(0，0)；
[0063]
c)再次开启测量激光仪(1)，记录本次位移矢量的(δx，δy)核实是否满足δx＝0、δy＝0，如果满足，则表明对安装位置调整(x，y)后，激光仪(1)的激光束与ccd成像装置(4)的成像面指定位置对准，即完成标定；
[0064]
如图2所示为ccd成像装置(4)激光束成像点与基准位置存在偏差的测量图。
[0065]
如图3所示，将本发明用于霍普金森压杆实验装置，包括激光仪(1)、由测光管a(31)和测光管b(32)组成的测光通道(3)、ccd成像装置(4)、撞击杆(5)、入射杆(6)、试件(7)、透射杆(8)、撞击杆支座(9)、霍普金森杆调节支座(10)、(11)、(12)、(13)。
[0066]
将本发明运用于霍普金森压杆实验装置，步骤如下：
[0067]
(a)将装置进行组装并进行初步调平，将激光仪(1)装于撞击杆支座(9)上，ccd成像装置(4)装于霍普金森杆调节装置(13)上，测光通道(3)装于霍普金森杆调节装置(10)、(12)上。
[0068]
(b)依据可调精度的轴倾斜标定方法的步骤，对入射杆(6)和透射杆(8)进行测量标定，调整各霍普金森调节装置实现杆的对中调节。
[0069]
依照上述方法对霍普金森压杆实验装置进行对中调节相比传统方法要简单方便且更为精准，与现有技术相比也无需过多的测量仪器，经济实惠且可实现精度调节。