[发明专利]刚度检测仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种刚度检测仪，属于细径成型零件(例如航空陀螺仪中的扭杆)的精密刚度检测设备。

背景技术

目前对于尺寸精度较高的细径成型零件的刚度测量除采用传统的检测手法之外均需配置刚度检测仪。而刚度检测仪的设计优劣往往直接关系到零件最终的检测精度及生产效率。

扭杆是航空陀螺仪中的关键零件，也是较具代表性的一种细径成型零件，它是由高弹性合金制成的细径为0.1mm的精密敏感器件。扭杆的细径成型技术在航天领域里应用的非常广泛。它的重要性在于，既要在陀螺仪中起到弹性支撑作用，又要符合脱离的要求和特性指标。它最重要的特性指标是“扭杆刚度”。“扭杆刚度”可定义为在外力矩的作用下，扭杆产生的弹性力与扭杆角度成正比的反作用力矩M和扭转角Φ的比值，用C表示，即：

C＝M/Φ(单位：mN·m/rad)

已知对于刚度的测量按测试原理划分，分为静态测量法和动态测量法两大类，对应两种类型的刚度检测仪器。

1.动态测量法：

即细径零件角刚度动态测量法，其基本原理是将细径零件固定在测量夹具中通过对它施加弯矩激励，使其产生一定的振动响应，继而通过测振动传感器测出零件振动的响应特性，通常为位移函数的时间历程，然后通过一定的方法计算出振动系统的固有频率，再根据下式，进一步求出零件的角刚度K：

其中：ω_n为振动系统的固有频率；J为振动系统的等效转动惯量。动态测量仪器具有操作方便、测试效率高、重复性好等特点，但是由于振动系统中等效转动惯量为计算值，而且谐振频率的精确测量尚不能很好解决，因此，测量精度还不能令人满意。

2.静态测量法：

主要包含下述两类：

1)机械(力传感)测量法：

一种是由力传感器、位移传感器和单片机系统构成的刚度自动测试装置，细径零件固定在测量夹具中，上部连一测量环，力传感器有传动机构带动上升，与测量环接触，记录此时力传感器和位移传感器的读数F0、S0，继续上升力传感器，得到F1、S1，则接头角刚度K可以表示为：

其中：L为测量半径。

另一种是基于微型计算机的刚度测量装置，其将待测零件固定在测量夹具中，通过微位移机构和标准弹簧片经测头对零件施加微力从而使其产生角位移并通过位移传感器间接得到此角位移，所施加的力则由标准弹簧片的变形计算间接得到。还有利用微动台架和薄片弹簧实现微量弯矩加载，通过微位移的测量间接得到转矩和转角的自动测量方法，该方法在原理上与前述装置一致，只是结构形式发生了变化。但由于测量环、标准弹簧或者薄片弹簧都是弱刚度弹性件，且属于间接测量，故系统地稳定性和精度就受到局限。

2)光学测量法：依据的主要思路即先测出施加在细径成型零件(扭杆)上的反作用力矩M和扭转角Φ的大小，直接利用下式计算出刚度值C：

C＝M/Φ(单位：mN·m/rad)；

光学测量沿用吊挂砝码法，目前的相关仪器设备在测量时，把待测零件固定在基座上，基座通过锥体安装在光学分度头(反射镜)上，用准直光管(准直仪)对准反射镜片(分度头)反射光线，记录光学分度头的角度值；通过吊挂砝码(施加力M)实现零件相对自身轴线的扭矩载荷，使零件产生绕其轴线的角变形；转动光学分度头，用准直光管再次对准镜片反射光线，记录光学分度头的角度值；两次角度值之差，就是接头在力矩载荷下的转角值Φ。

上述光学刚度测量仪器在稳定性和精度方面虽然都比机械(力传感)刚度测量设备来的优越，但依旧存在问题如下：

1)准直光管的零位校准一直是个难题，已知的仪器中光学分度头(反射镜)通常只具有绕自身轴线的一个自由度，无法绕垂直于水平工作台的纵轴线左右旋转微调，造成校准作业时的调节范围局限性。目前应对的措施是在准直仪器的底部设计横向的位移调节机构(丝杠)，但此类粗调机构的精度不够(μ级)，且无法提供给准直仪更高的自由度(例如前后摆角)，造成校准困难，校准精度低，且操作费时费力。

2)零件纵向装夹并采用螺栓拧紧固定，拆卸更换不便，导致检测效率低下。

另一方面，已知的光学刚度测试设备并未设计有独立的辅助分度头零位校准设备，当前一零件检测完毕而装夹更换新零件时，需要重新进行校准操作，非常繁琐，极大的降低了工作效率。

发明内容

本发明目的是：提供一种校准方便、检测精度高且稳定性好，同时结构简单，操作方便，装夹便捷，检测效率更高的刚度检测仪。