微载荷下精密弹性元件刚度测量装置研究
发布时间：2021-10-22 16:38
弹簧管作为一种精密弹性元件,是航天、航海、航空领域常用的控制导航器件电液伺服阀的关键零件,其刚度参数对相应器件的控制性能影响较大,因此,在弹簧管生产加工过程中,不仅对其尺寸和几何形状有很高的精度要求,而且对其刚度性能也有较高的要求。随着制造技术水平的提高以及航空航天技术发展的需要,原有的传统刚度测量方法已经不能满足测量精度要求,所以,研究新型精密弹性元件刚度测量技术有重要的现实意义。本课题旨在设计一套装夹工件迅速便捷、加载和测量精度高、数据可自动采集分析处理、可靠性高的精密弹性元件刚度测量装置。本文通过弹性力学理论,推导出横力弯曲下弹簧管的位移公式,并将弹性力学位移公式、材料力学位移公式、有限元仿真所计算的弹簧管变形量进行了对比,为误差分析提供了依据。其次,通过分析位移公式的使用条件以及课题要求,对刚度测量装置提出了数点设计要求,由此设计出刚度测量系统总体方案。根据设计的刚度测量系统总体方案,结合生产实际,完成了刚度测量装置的研发。该装置以蜗轮减速机配套步进电机作为加载装置,实现了微载荷的加载;通过选择合适的测控硬件设备,开发了相应的测控软件,实现了刚度测量装置的自动化测量;装置设计的...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电液伺服阀的典型结构[4]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-电液伺服阀的工作原理如下：由于力矩马达左右是对称的，所以当有电控信号通过时，衔铁发生偏转，挡板向相应方向发生偏摆，导致通过对应喷嘴的液压加大，另一个减小，使两喷嘴前腔形成压力差，从而推动了阀芯移动；反馈杆的头部与阀芯的槽啮合在一起，由于反馈杆是一根具有特定刚度的金属杆，阀芯的旋转使之发生变形。之后，反馈杆头部对阀芯的反作用力和阀芯旋转后的液动力平衡了阀芯两端的压力，并且，弹簧管变形和反馈干变形产生的力矩与力矩马达在电信号控制下产生的力矩达到了力平衡，这时，阀芯停止运动而保持其位移量。1.3.2国内研究现状及分析（1）传统手工吊砝码法[6]图1-3手工吊砝码法原理图Fig.1-3Schematicdiagramofmanualliftingweightmethod目前国内多家生产精密弹性元件的单位仍然采用传统的手工吊砝码方法作为弹簧管的刚度测量技术。其刚度测量装置示意图如图1-3所示，使用夹具将弹簧管固定在刚度测量装置的基面上，将一个工艺测杆插入弹簧管的内圆，用细线将弹簧管的自由端与一个托盘连接，在托盘内放入所需要质量的砝码[7]。通过托盘、砝码和滑轮可以给弹簧管自由端部一个侧向的集中力，使用读数显微镜测量出被观测点的位移，最后通过梁的纯弯曲位移公式计算弹簧管的刚度值。这种方法的优点是原理清晰易懂、方式方法简单，但该方法的问题在于相应的刚度计算公式并没有考虑剪力对位移的影响；此外，刚度测量时，需要工人手动加载、人工读数并记录计算，数据的收集和处理以及数据库的整理都需
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-要手动处理，极为不方便，同时，测量过程中大量的人工操作会带来很多人为误差，减少了刚度测量的结果的准确性;另外，弹簧管的体积较小导致安装定位十分复杂，测量效率很低；最后，由于工人必须反复通过光学显微镜读取细杆的位移值，过高的劳动强度也会对工人的视力造成很大的伤害。（2）电容测头测位移法1996年国防科技大学研究出了电容测头测位移法，如图1-4，能有效的减少操作步骤、提高弹簧管刚度测量的自动化程度。该测量方法是将弹簧管固定在一个固定基座上，使用压电陶瓷推动测力试件的基座发生微小移动直至与弹簧管端部接触。此时，测力试件继续向上移动S距离，对弹簧管端部加力，通过非接触的方式，使用电容测头位移传感器测量测力试件和弹簧管自由端产生的变形量和，并有S-。将所测得的位移值和变形量代入下列公式便可求得刚度值。SkFK式中k——测力试件的刚度系数（N/m）——测力试件的变形量（m）——弹簧管的变形量（m）S——测力试件基座的移动距离（m）F——弹簧管和测力试件之间的相对作用力（N）图1-4电容测头测位移法原理图Fig.1-4Schematicdiagramofdisplacementmeasurementmethodofcapacitiveprobe这种测量方法提高了刚度测量的自动程度，但有几个问题：一是实际工作中，弹簧管所承受的实际载荷为纯弯矩，而在刚度测量过程中，弹簧管受到的是横向荷载，并且测量公式计算出的刚度与弹簧管抗弯刚度EI存在较大区别，因此刚度测量公式存在原理性误差；二是电容位移传感器易受振动影响，抗干扰能力较弱，并且测力弹簧的标定易出现人为误差。（3）压电晶体刚度测量装置同济大学万德安教授[8][9]等人设计出了一种新型的刚度测量装置，类似于电容测头测位移法，该设备使用压电晶
【参考文献】：
期刊论文
[1]电液伺服阀衔铁组件过盈配合参数设计[J]. 熊美,李超,陈琪,胡莹,鲍秀惠. 飞控与探测. 2019(04)
[2]扭杆弹簧独立悬架刚度仿真分析[J]. 朱光耀,张宝,邹亮. 轻型汽车技术. 2019(Z2)
[3]电液伺服阀滑阀级饱和理论及其应用[J]. 郭江峰. 机床与液压. 2019(03)
[4]基于MFC的地势起伏度计算程序设计与实现[J]. 赵强. 科技创新导报. 2017(25)
[5]CCD图像传感器的现状及未来发展[J]. 孙莉,邓敏. 现代制造技术与装备. 2017(08)
[6]轨道车辆弯扭杆整杆刚度分析及计算[J]. 舒标,刘文松,杜方孟,倪世锋,邹敏佳,程海涛. 铁道机车车辆. 2017(01)
[7]挠性接头角刚度静态测量方法研究[J]. 黄永超,谭小群,张晓宇,朱力敏,王战玺. 河北科技大学学报. 2016(05)
[8]材料力学与弹性力学异同点对比分析[J]. 卢小雨,董春亮. 内江科技. 2016(08)
[9]一种基于图像的薄壁圆管拉扭应变测量方法[J]. 张伟列,刘宇杰,卢福聪,孙轶君. 中国测试. 2016(07)
[10]最小二乘法和迭代法圆曲线拟合[J]. 陈明晶,方源敏,陈杰. 测绘科学. 2016(01)
博士论文
[1]电液伺服阀中弹簧管刚度精密测量技术的研究[D]. 李云峰.哈尔滨工业大学 2007
[2]基于CCD光电式两车相对空间位置测量技术研究[D]. 付芸.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2006
硕士论文
[1]衔铁组件综合刚度测量技术的研究[D]. 刘海茹.哈尔滨工业大学 2019
[2]线束开关压旋检测工作台控制系统设计研究[D]. 徐晨.扬州大学 2018
[3]基于CCD的电液伺服阀精密弹性元件刚度测量仪的研制[D]. 林茹.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3451483
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电液伺服阀的典型结构[4]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-电液伺服阀的工作原理如下：由于力矩马达左右是对称的，所以当有电控信号通过时，衔铁发生偏转，挡板向相应方向发生偏摆，导致通过对应喷嘴的液压加大，另一个减小，使两喷嘴前腔形成压力差，从而推动了阀芯移动；反馈杆的头部与阀芯的槽啮合在一起，由于反馈杆是一根具有特定刚度的金属杆，阀芯的旋转使之发生变形。之后，反馈杆头部对阀芯的反作用力和阀芯旋转后的液动力平衡了阀芯两端的压力，并且，弹簧管变形和反馈干变形产生的力矩与力矩马达在电信号控制下产生的力矩达到了力平衡，这时，阀芯停止运动而保持其位移量。1.3.2国内研究现状及分析（1）传统手工吊砝码法[6]图1-3手工吊砝码法原理图Fig.1-3Schematicdiagramofmanualliftingweightmethod目前国内多家生产精密弹性元件的单位仍然采用传统的手工吊砝码方法作为弹簧管的刚度测量技术。其刚度测量装置示意图如图1-3所示，使用夹具将弹簧管固定在刚度测量装置的基面上，将一个工艺测杆插入弹簧管的内圆，用细线将弹簧管的自由端与一个托盘连接，在托盘内放入所需要质量的砝码[7]。通过托盘、砝码和滑轮可以给弹簧管自由端部一个侧向的集中力，使用读数显微镜测量出被观测点的位移，最后通过梁的纯弯曲位移公式计算弹簧管的刚度值。这种方法的优点是原理清晰易懂、方式方法简单，但该方法的问题在于相应的刚度计算公式并没有考虑剪力对位移的影响；此外，刚度测量时，需要工人手动加载、人工读数并记录计算，数据的收集和处理以及数据库的整理都需
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-9-要手动处理，极为不方便，同时，测量过程中大量的人工操作会带来很多人为误差，减少了刚度测量的结果的准确性;另外，弹簧管的体积较小导致安装定位十分复杂，测量效率很低；最后，由于工人必须反复通过光学显微镜读取细杆的位移值，过高的劳动强度也会对工人的视力造成很大的伤害。（2）电容测头测位移法1996年国防科技大学研究出了电容测头测位移法，如图1-4，能有效的减少操作步骤、提高弹簧管刚度测量的自动化程度。该测量方法是将弹簧管固定在一个固定基座上，使用压电陶瓷推动测力试件的基座发生微小移动直至与弹簧管端部接触。此时，测力试件继续向上移动S距离，对弹簧管端部加力，通过非接触的方式，使用电容测头位移传感器测量测力试件和弹簧管自由端产生的变形量和，并有S-。将所测得的位移值和变形量代入下列公式便可求得刚度值。SkFK式中k——测力试件的刚度系数（N/m）——测力试件的变形量（m）——弹簧管的变形量（m）S——测力试件基座的移动距离（m）F——弹簧管和测力试件之间的相对作用力（N）图1-4电容测头测位移法原理图Fig.1-4Schematicdiagramofdisplacementmeasurementmethodofcapacitiveprobe这种测量方法提高了刚度测量的自动程度，但有几个问题：一是实际工作中，弹簧管所承受的实际载荷为纯弯矩，而在刚度测量过程中，弹簧管受到的是横向荷载，并且测量公式计算出的刚度与弹簧管抗弯刚度EI存在较大区别，因此刚度测量公式存在原理性误差；二是电容位移传感器易受振动影响，抗干扰能力较弱，并且测力弹簧的标定易出现人为误差。（3）压电晶体刚度测量装置同济大学万德安教授[8][9]等人设计出了一种新型的刚度测量装置，类似于电容测头测位移法，该设备使用压电晶
【参考文献】：
期刊论文
[1]电液伺服阀衔铁组件过盈配合参数设计[J]. 熊美,李超,陈琪,胡莹,鲍秀惠. 飞控与探测. 2019(04)
[2]扭杆弹簧独立悬架刚度仿真分析[J]. 朱光耀,张宝,邹亮. 轻型汽车技术. 2019(Z2)
[3]电液伺服阀滑阀级饱和理论及其应用[J]. 郭江峰. 机床与液压. 2019(03)
[4]基于MFC的地势起伏度计算程序设计与实现[J]. 赵强. 科技创新导报. 2017(25)
[5]CCD图像传感器的现状及未来发展[J]. 孙莉,邓敏. 现代制造技术与装备. 2017(08)
[6]轨道车辆弯扭杆整杆刚度分析及计算[J]. 舒标,刘文松,杜方孟,倪世锋,邹敏佳,程海涛. 铁道机车车辆. 2017(01)
[7]挠性接头角刚度静态测量方法研究[J]. 黄永超,谭小群,张晓宇,朱力敏,王战玺. 河北科技大学学报. 2016(05)
[8]材料力学与弹性力学异同点对比分析[J]. 卢小雨,董春亮. 内江科技. 2016(08)
[9]一种基于图像的薄壁圆管拉扭应变测量方法[J]. 张伟列,刘宇杰,卢福聪,孙轶君. 中国测试. 2016(07)
[10]最小二乘法和迭代法圆曲线拟合[J]. 陈明晶,方源敏,陈杰. 测绘科学. 2016(01)
博士论文
[1]电液伺服阀中弹簧管刚度精密测量技术的研究[D]. 李云峰.哈尔滨工业大学 2007
[2]基于CCD光电式两车相对空间位置测量技术研究[D]. 付芸.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2006
硕士论文
[1]衔铁组件综合刚度测量技术的研究[D]. 刘海茹.哈尔滨工业大学 2019
[2]线束开关压旋检测工作台控制系统设计研究[D]. 徐晨.扬州大学 2018
[3]基于CCD的电液伺服阀精密弹性元件刚度测量仪的研制[D]. 林茹.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3451483
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