阅读说明：本技术 基于应变片的同轴度调整系统及同轴度降维调整方法 (Coaxiality adjusting system and coaxiality dimension reduction adjusting method based on strain gauge ) 是由 赵宏伟 孟凡越 张建海 陈俊先 刘长宜 李世超 秦学志 侯伟光 石成玉 靖旭 赵 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于应变片的同轴度调整系统及同轴度降维调整方法,属于同轴度校准领域。整体安装在立式拉伸试验机上,包括主轴加载链、同轴度调整装置、检测及反馈装置、机架,所述同轴度调整装置安装在主轴加载链上,主轴加载链安装在机架上,检测及反馈机构安装在机架上检测和控制调整量。可实现五个自由度的调整,同时对调整螺栓进行分度。应用不同种类的对中传感器取长补短,也可只用五维对中传感器实现加载链的五个自由度的检测及调整；对中装置直接连接加载链中并采用法兰连接提高强度,提高装置的强度与刚度；本发明装置适配性强,可匹配多种夹具,空间占用小,操作简单,可重复调整；可以提高实验精度,使测量数据更加精确。(The invention relates to a coaxiality adjusting system and a coaxiality dimension reducing adjusting method based on a strain gauge, and belongs to the field of coaxiality calibration. The whole installation is on vertical tensile testing machine, including main shaft loading chain, axiality adjusting device, detection and feedback device, frame, axiality adjusting device installs on main shaft loading chain, and main shaft loading chain installs in the frame, detects and feedback mechanism installs and detects and control the adjustment volume in the frame. The adjustment of five degrees of freedom can be realized, and the adjusting bolt is indexed simultaneously. Different types of centering sensors are applied to make up for the deficiencies, and five-dimensional centering sensors can be used for detecting and adjusting five degrees of freedom of the loading chain; the centering device is directly connected with the loading chain and is connected by a flange to improve the strength and the rigidity of the device; the device has strong adaptability, can be matched with various clamps, occupies small space, is simple to operate and can be repeatedly adjusted; the experimental precision can be improved, and the measured data is more accurate.)

基于应变片的同轴度调整系统及同轴度降维调整方法

技术领域

本发明涉及同轴度校准领域，特别涉及一种基于应变片的同轴度调整系统及同轴度降维调整方法。安装在试验机上对加载链的同轴度进行调整。

背景技术

随着经济的发展、科技的进步，试验机行业如雨后春笋一样，蓬勃发展，各种不同用途的试验机不断涌现，试验机可测量材料的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量等方面，并在机械工业等领域应用越来越广泛。传统试验机同轴度调整方式是人工调配，但人工调配效率低，而且标准不一，调整量有限，易造成试验机损坏、精度不达标、稳定性差等结果，由此为解决上述问题设计了一种基于应变片的同轴度调整系统及调整方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于应变片的同轴度调整系统及同轴度降维调整方法，解决了现有试验机加载链同轴度需要拆卸加载链，不能实时调整的问题，且在一定程度上填补了现有技术的空白。本发明可安装在其他种类的试验机例如压缩试验机、扭转试验机、弯曲试验机、万能试验机等；可匹配夹具种类多样，空间占用小，操作简单，可重复调整；对中装置和夹具支撑座组合可实现五个自由度的调整；同时对调整螺栓进行分度，使调整量达到0.01mm，调整范围大（±0.5mm），调整角度（±0.5°）；本发明的降维调整法，应用不同种类对中传感器的功能不同取长补短，首先五维用于调整两加载链夹具夹持方向同时保证同轴误差及角度误差的不变，然后四维对中传感器用于调整两加载链的角度方向误差缩小同时保证同轴误差不变，最后二维对中传感器用于调整两加载链同轴度误差，同时也可只用五维对中传感器实现加载链的五个自由度的检测及调整；调整装置内部易损件及定位精度要求高的零件都是标准化设计，采用销套等易加工件和标准件；装置适配性强，通过调整母体及其他部件的尺寸用以安装不同轴径的加载链；对中装置直接连接加载链中并采用法兰连接提高强度，消除间隙同时调整模块与机架固联，使调整装置所受的外力由整机承担，提高了该装置的强度并且调整模块安装在同一母体上增加了装置的刚度使其加载过程中更稳定与安全；本发明安装在试验机上，不仅可以实现在单轴拉伸试验机上进行单向拉伸，而且还可以再增设一套调整装置实现双向拉伸，可以提高实验精度，使测量数据更加精确。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于应变片的同轴度调整系统，整体安装在立式拉伸试验机上，包括主轴加载链、同轴度调整装置、检测及反馈装置、机架，所述同轴度调整装置安装在主轴加载链上，主轴加载链安装在机架上，检测及反馈机构安装在机架上检测和控制调整量；

所述的主轴加载链是：电动作动缸1安装在上顶盖11上，电缸连接轴2安装在电动作动缸1的输出轴上，力传感器3安装在电缸连接轴2上，所述力传感器3通过圆柱销在电缸连接轴2上定位；夹具连接轴4安装在力传感器3下，上夹具14安装在夹具连接轴4上，对中传感器由盖板6压紧安装在上夹具14内，下夹具16通过法兰安装在支撑座7上，所述支撑座7通过法兰安装在对中角度调整盘18上，所述对中角度调整盘18通过角度调整螺栓23安装在对中同轴调整盘8上。

所述的同轴度调整装置是：对中装置母体9通过母体连接螺栓24安装在下平台20上，对中同轴调整盘8通过角度调整螺栓23安装在对中装置母体9内，对中角度调整盘18通过角度调整螺栓23安装在对中角度调整盘18上，同轴度调整螺栓19安装在对中同轴调整盘8上，支撑座7安装在对中装置母体9上，下夹具16通过连接螺栓安装在支撑座7上。

所述的检测及反馈系统是：力传感器3安装在主轴加载链上，主机及处理器通过USB数据线连接力传感器3，并分别安装在机架上，电动作动缸1输出位移信息传输给主机，对中传感器5安装在上夹具14上。

所述的对中传感器5为二维对中传感器25、四维对中传感器26或五维对中传感器27。

所述的电动作动缸1采用折返式电缸CDJ2D16-100Z-M9B-B，电缸的行程为100mm。

所述的机架是：上顶盖11通过上顶盖锁紧螺母10安装在四根导柱12上，所述导柱12安装在下平台20上，所述下平台20安装在隔振台21上。

本发明的另一目的在于提供一种同轴度降维调整方法，包括以下步骤：

步骤（1）、将导柱12安装在下平台20上，下平台20安装在隔振台21上，将上顶盖11安装在四根导柱12上，利用锁紧螺母10拧紧导柱12，电动作动缸1安装到机架上顶盖11上，通过电缸连接轴2连接力传感器3，通过夹具连接轴4连接上夹具14与力传感器3、将对中传感器安装在上夹具14上；将对中装置母体9通过母体连接螺栓24安装在下平台20上，将组装好的对中装置安装在下平台20上，将支撑座7通过连接螺栓安装在对中角度调整盘18上，将上夹具14通过法兰连接安装在支撑座7上，安装上夹具的盖板6压紧对中传感器，完成上部加载链的安装；

步骤（2）、同轴度调整装置各组件组装：

2.1、通过六个内六角螺栓将对中装置母体9安装在下平台20上；

2.2、将对中装置母体9安装表面擦拭干净，将对中同轴调整盘8放在对中装置母体9中间调平，同时拧入同轴度调整螺栓19，预紧同轴调整盘连接螺栓22，再次调平；

2.3、安装对中装置母体9端面四个方向上的角度调整螺栓23，对中装置母体9放置在对中同轴调整盘8上，利用角度调整螺栓23调整对中角度调整盘18的平面度，拧紧角度调整盘连接螺栓；

2.4、将支撑座7安装在对中角度调整盘18上，对准孔位，拧紧螺栓，另一方向连接下夹具16，使夹具正面方向与对中装置调整方向一致；

2.5、安装完下成夹具16后，预紧螺栓，微调方向后拧紧连接螺栓；

2.6、安装试样，安装上夹具的盖板6；

2.7、微调角度调整螺栓23，检查无误后将对中装置母体朝向与机架正向重合、摆正后拧紧角度调整螺栓，完成对中装置各零件组装。

步骤（3）、安装完成同轴度调整装置后，安装盖板6，压紧五维对中传感器27；

步骤（4）、夹具方向安装校准，降维调整五维-四维：调整四个方向上的角度调整螺栓，查看力传感器3及五维对中传感器27的各组应变值，首先确定上下夹具的朝向是否有偏差，通过旋转支撑座7以及电缸输出轴来统一同轴度调整装置朝向，各个角度调整螺栓轴向对应的力值和扭矩是否单一变化，否则需要转动支撑台7和对中环的方向，直至上下夹具朝向对应，使五维对中传感器27中间扭转区数值不变，则完成上下夹具朝向对应安装校准；

步骤（5）、同轴度调整装置安装校准，降维调整四维-二维：安装四维对中传感器26，同时调整对中装置母体9的四个方向上的角度调整螺栓23，查看四维对中传感器26中的各处应变分布确定调整轴向对应的力值和扭矩是否单一变化，锁紧对中装置母体9角度调整的四个方向，完成同轴度调整装置角度安装校准；同理进行同轴度调整装置的同轴度校准，安装二维对中传感器25，调整对中同轴调整盘8的四个方向上的同轴度调整螺栓19，查看二维对中传感器25中的各处应变分布确定调整轴向对应的力值和扭矩是否单一变化，完成同轴度调整装置的同轴度校准，完成二维调整；

步骤（6）、然后对对中传感器进行预拉伸，在弹性形变内加载，并记录对中传感器数据，将力保持在屈服极限的5%力值下，并记录对中传感器5数据，查看力值分布，先调整对中角度调整盘18的角度调整螺栓23，使对中传感器5应变分布转变为s形应变分布状态，应变值减小为极小值或者小于加载力的5%，并且不随加载力增大而增加，再调整对中同轴调整盘8的调整螺栓，使对中传感器5应变分布转变为等应变分布状态，应变值变为极小值或者小于加载力的5%，并且不随加载力增大而增加，然后将力保持在屈服极限的10%和15%力值下，重复进行上述步骤，达到标准后，将力值加载至弹性极限，偏置力应一致保持其加载力5%以内或者变化量很小，或采集电动作动缸1光栅尺输出的位移量计算对应应变和应力查看偏置力是否合格范围内，完成同度度调整装置的调试；

步骤（7）、对加载链进行仿真，根据应变分布与传感器对应方向力值计算偏置量，然后计算分配到各个轴向的调整量，调整对应调整螺栓，最后同轴度调整装置加载校准完成。

本发明的有益效果在于：

1、本发明解决了现有试验机加载链同轴度需要拆卸加载链，不能实时调整的问题，且在一定程度上填补了现有技术的空白。

2、本发明的对中装置和夹具支撑座组合可实现五个自由度的调整（除了加载方向的其余五个自由度方向）。

3、本发明中的对中装置对调整螺栓进行分度，使调整量达到0.01mm，调整范围大（±0.5mm），调整角度（±0.5°）。

4、本发明的降维调整法，应用不同种类对中传感器的功能不同取长补短，首先五维用于调整两加载链夹具夹持方向同时保证同轴误差及角度误差的不变，然后四维对中传感器用于调整两加载链的角度方向误差缩小同时保证同轴误差不变，最后二维对中传感器用于调整两加载链同轴度误差，同时也可只用五维对中传感器实现加载链的五个自由度的检测及调整。

5、本发明中的调整装置内部易损件及定位精度要求高的零件都是标准化设计，采用销套等易加工件和标准件。

6、本发明中对中装置适配性强，对中传感器易于获取，通过调整母体及其他部件的尺寸用以安装不同轴径的加载链。

7、本发明中的对中装置直接连接加载链中并采用法兰连接提高强度，消除间隙同时调整模块与机架固联，使调整装置所受的外力由整机承担，提高了该装置的强度并且调整模块安装在同一母体上增加了装置的刚度使其加载过程中更稳定与安全；

8、本发明安装在试验机上，不仅可以实现在单轴拉伸试验机上进行单向拉伸，而且还可以再增设一套调整装置实现双向拉伸，可以提高实验精度，使测量数据更加精确。

9、本发明可应用在其他种类的试验机例如压缩试验机、扭转试验机、弯曲试验机、万能试验机等，也可匹配不同种类夹具，空间占用小，操作简单，可重复调整，能够提高实验精度，使测量数据更加精确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的中传感器r形应变分布图；

图2为本发明的对中传感器s形应变分布图；

图3为本发明的四维多边形对中传感器轴测图与主视图；

图4为本发明的对中装置***图；

图5为本发明的对中装置剖视图；

图6为本发明的对中装置主视图与俯视图；

图7为本发明的四维矩形对中传感器轴测图；

图8为本发明的五维对中装置主视图与轴测图；

图9为本发明的五维对中装置侧向弯曲状态图；

图10为本发明的五维对中装置扭转弯曲状态图；

图11为本发明的五维对中装置正向弯曲状态图；

图12为本发明的圆柱状四维对中传感器轴测图与主视图；

图13为本发明的二维对中传感器轴测图；

图14为本发明的整机剖视图；

图15为本发明的整机侧视图；

图16为本发明的整机主视图；

图17为本发明的整机轴测图。

图中：1、电动作动缸；2、电缸连接轴；3、力传感器；4、夹具连接轴；5、对中传感器；6、盖板；7、支撑座；8、对中同轴调整盘；9、对中装置母体；10、上顶盖锁紧螺母；11、上顶盖；12、导柱；13、传感器连接螺栓；14、上夹具；15、夹具盖板螺栓；16、下夹具；17、夹具支撑座连接螺栓；18、对中角度调整盘；19、同轴度调整螺栓；20、下平台；21、隔振台；22、同轴调整盘连接螺栓；23、角度调整螺栓；24、母体连接螺栓；25、二维对中传感器；26、四维对中传感器；27、五维对中传感器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图17所示，本发明的基于应变片的同轴度调整系统及同轴度降维调整方法，解决了现有试验机加载链同轴度需要拆卸加载链，不能实时调整的问题，且在一定程度上填补了现有技术的空白；本发明的对中装置可实现五个自由度的调整，同时对调整螺栓进行分度，使调整量达到0.01mm，调整范围大（±0.5mm），调整角度（±0.5°）；本发明的降维调整法，应用不同种类的对中传感器取长补短，也可只用五维对中传感器实现加载链的五个自由度的检测及调整；对中装置直接连接加载链中并采用法兰连接提高强度，消除间隙同时调整模块（对中装置、加载链的一部分）与机架固联都安装在同一母体上，使其所受的外力由整机承担，提高装置的强度与刚度；本发明装置适配性强，通过调整母体及其他部件的尺寸用以安装不同轴径的加载链，也可安装再其他种类的试验机，可匹配多种夹具，空间占用小，操作简单，可重复调整；可以提高实验精度，使测量数据更加精确。

参见图1及图2所示，图1介绍的是两加载链因角度不同轴，产生的r形弯曲应变分布，图中“+”代表此处的应变高于平均应变，“-”代表此处的应变低于平均应变；图2介绍的是两加载链因同轴度误差，产生的s形弯曲应变分布，图中“+”代表此处的应变高于平均应变，“-”代表此处的应变低于平均应变。

参见图14至图17所示，本发明的基于应变片的同轴度调整系统，整体安装在立式拉伸试验机上，包括主轴加载链、同轴度调整装置、检测及反馈装置、机架，所述同轴度调整装置安装在主轴加载链上，主轴加载链安装在机架上，检测及反馈机构安装在机架上，用于检测和控制调整量。

所述的主轴加载链包括电动作动缸1、电缸连接轴2、力传感器3、夹具连接轴4、上夹具14、盖板6、对中传感器5、下夹具16、支撑座7、对中装置母体9、对中角度调整盘18、对中同轴调整盘8、母体连接螺栓24、同轴调整盘连接螺栓22、传感器安装螺栓13；所述的电动作动缸1通过外六角螺栓安装在上顶盖11上，电缸连接轴2通过螺纹连接安装在电动作动缸1的输出轴上，力传感器3通过六个传感器安装螺栓13安装在电缸连接轴2上，所述力传感器3通过圆柱销在电缸连接轴2上定位；夹具连接轴4安装在力传感器3下，上夹具14通过六个内六角螺栓安装在夹具连接轴4上，将对中传感器5用盖板6压紧拧紧夹具盖板螺栓15安装在上夹具14内，下夹具16通过法兰安装在支撑座7上，所述支撑座7通过夹具支撑座连接螺栓17安装在对中角度调整盘18上，其中对中同轴调整盘8通过同轴调整盘连接螺栓22安装在对中装置母体9上，然后对中装置母体9通过母体连接螺栓24安装在下平台20上。

参见图4至图6所示，所述的同轴度调整装置包括对中装置母体9、对中角度调整盘18、对中同轴调整盘8、母体连接螺栓24、同轴调整盘连接螺栓22、角度调整螺栓23、同轴度调整螺栓19；所述的对中装置母体9通过母体连接螺栓24安装在下平台20上，对中同轴调整盘8通过角度调整螺栓23安装在对中装置母体9内，对中角度调整盘18通过角度调整螺栓23安装在对中角度调整盘18上，同轴度调整螺栓19安装在对中同轴调整盘8上，支撑座7安装在对中装置母体9上。

参见图3、图7至图13所示，所述的检测及反馈系统包括力传感器3、主机、处理器、对中传感器5；所述的力传感器3安装在主轴加载链上，主机及处理器通过USB数据线连接力传感器3，并分别安装在机架上接受和处理数据，电动作动缸1输出位移信息传输给主机，对中传感器5安装在上夹具14上。

所述的对中传感器5为二维对中传感器25、四维对中传感器26（方形、圆形、多边形）或五维对中传感器27。二维对中传感器25用于调整两加载链同轴误差，安装在夹具14上；四维对中传感器26用于调整两加载链同轴误差与角度误差（四个自由度），根据应变分布及数值确定调整量，同样安装在夹具14上；五维对中传感器27用于调整两加载链的同轴、角度及方向误差，根据应变分布及数值确定调整量，安装在夹具14上使用。

所述的电动作动缸1采用折返式电缸CDJ2D16-100Z-M9B-B，电缸的行程为100mm。所述的力传感器采用HBM-U10M，力传感器最大量程为125KN。所述的光栅尺采用Heidenhain-Aelb-382c，光栅尺最大量程为250mm。

所述的对中传感器5采用不同应变片布置组成，应变片型号BX120-1AA与BX120-05AA，应变花型号BX120-2CA。

所述的机架包括四根导柱12、上顶盖锁紧螺母10、上顶盖11、下平台20、隔振台21；所述的上顶盖11通过上顶盖锁紧螺母10安装在四根导柱12上，所述导柱12安装在下平台20上，所述下平台20安装在隔振台21上。

本发明的同轴度降维调整方法，包括以下步骤：

步骤（1）、将导柱12安装在下平台20上，下平台20安装在隔振台21上，将上顶盖11安装在四根导柱12上，利用锁紧螺母10拧紧导柱12，电动作动缸1安装到机架上顶盖11上，通过电缸连接轴2连接力传感器3，通过夹具连接轴4连接上夹具14与力传感器3、将对中传感器安装在上夹具14上；将对中装置母体9通过母体连接螺栓24安装在下平台20上，将组装好的对中装置安装在下平台20上，将支撑座7通过连接螺栓安装在对中角度调整盘18上，将下夹具16通过法兰连接安装在支撑座7上，安装上夹具的盖板6（依次预紧对向两个螺栓，防止盖板6压不平），压紧对中传感器，完成上部加载链的安装；

步骤（2）、同轴度调整装置各组件组装：

2.1、通过六个内六角螺栓将对中装置母体9安装在下平台20上，依次预紧对向两个螺栓（防止装置卡死）；

2.2、将对中装置母体9安装表面擦拭干净，将对中同轴调整盘8放在对中装置母体9中间调平，同时拧入同轴度调整螺栓19，预紧同轴调整盘连接螺栓22，再次调平；

2.3、安装对中装置母体9端面四个方向上的角度调整螺栓23，对中装置母体9放置在对中同轴调整盘8上，利用角度调整螺栓23调整对中角度调整盘18的平面度，拧紧角度调整盘连接螺栓；

2.4、将支撑座7安装在对中角度调整盘18上，对准孔位，拧紧螺栓，另一方向连接下夹具16，使夹具正面方向与对中装置调整方向一致；

2.5、安装完下成夹具16后，预紧螺栓，微调方向后拧紧连接螺栓；

2.6、安装试样，安装上夹具的盖板6（依次预紧对向两个螺栓，防止盖板6压不平）；

2.7、微调角度调整螺栓23，查看是否发生不顺畅或卡死等问题，检查无误后将对中装置母体朝向与机架正向重合、摆正后拧紧角度调整螺栓，完成对中装置各零件组装。

步骤（3）、安装完成同轴度调整装置后，安装盖板6（依次预紧对向两个螺栓，防止盖板6压不平），压紧五维对中传感器27。

步骤（4）、夹具方向安装校准（降维调整五维-四维）：调整四个方向上的角度调整螺栓，查看力传感器3及五维对中传感器27的各组应变值，首先确定上下夹具的朝向是否有偏差，通过旋转支撑座7以及电缸输出轴来统一同轴度调整装置朝向，各个角度调整螺栓轴向对应的力值和扭矩是否单一变化，否则需要转动支撑台7和对中环的方向，直至上下夹具朝向对应，使五维对中传感器27中间扭转区数值不变，则完成上下夹具朝向对应安装校准；

步骤（5）、同轴度调整装置安装校准（降维调整四维-二维）：安装四维对中传感器26，同时调整对中装置母体9的四个方向上的角度调整螺栓23，查看四维对中传感器26中的各处应变分布确定调整轴向对应的力值和扭矩是否单一变化（对应图1中的r形应变转变为等应变状态或s形应变状态）锁紧对中装置母体9角度调整的四个方向，完成同轴度调整装置角度安装校准；同理进行同轴度调整装置的同轴度校准，安装二维对中传感器25，调整对中同轴调整盘8的四个方向上的同轴度调整螺栓19，查看二维对中传感器25中的各处应变分布确定调整轴向对应的力值和扭矩是否单一变化（对应附图2中的s形应变转变为等应变状态），完成同轴度调整装置的同轴度校准，完成二维调整；

步骤（6）、然后对对中传感器进行预拉伸，在弹性形变内加载，并记录对中传感器数据，将力保持在屈服极限的5%力值下，并记录对中传感器5数据，查看力值分布，先调整对中角度调整盘18的角度调整螺栓23，使对中传感器5应变分布转变为s形应变分布状态，应变值减小为极小值（或者小于加载力的5%），并且不随加载力增大而增加，再调整对中同轴调整盘8的调整螺栓，使对中传感器5应变分布转变为等应变分布状态，应变值变为极小值（或者小于加载力的5%），并且不随加载力增大而增加，然后将力保持在屈服极限的10%和15%力值下，重复进行上述步骤，达到标准后，将力值加载至弹性极限，偏置力应一致保持其加载力5%以内或者变化量很小，或采集电动作动缸1光栅尺输出的位移量计算对应应变和应力查看偏置力是否合格范围内，完成同度度调整装置的调试；

步骤（7）、利用abqus仿真软件对加载链进行仿真，根据应变分布与传感器对应方向力值计算偏置量，然后计算分配到各个轴向的调整量，调整对应调整螺栓，最后同轴度调整装置加载校准完成。

整机同轴度调整完成，进行正式拉伸试验。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。