技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004] C＝M/Φ(单位：mN·m/rad)
[0005] 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。
[0006] 1.动态测量法：
[0007] 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：
[0008]
[0009] 其中：ωn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。
[0010] 2.静态测量法：
[0011] 主要包含下述两类：
[0012] 1)机械(力传感)测量法：
[0013] 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：
[0014]
[0015] 其中：L为测量半径。
[0016] 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。
[0017] 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：
[0018] C＝M/Φ(单位：mN·m/rad)；
[0019] 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。
[0020] 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：
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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
[0024] 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。
[0025] 本发明的技术方案是：一种刚度检测仪，包括底座，其特征在于所述底座上设有用于夹持被测
工件的夹持机构、用于对被测工件施加外力矩的加载机构和用于测量被测工件受载时力矩角变化量的光学测量装置；其中：
[0026] 所述夹持机构是带有双轴旋转功能的旋转夹持机构，其包括支撑架、Y轴
气缸、与Y轴气缸前端转动连接并可绕Y轴旋转的旋转套和固定至旋转套上的弹性夹头，被测工件藉由弹性夹头夹紧固定；所述支撑架通过沿Z轴向布置的旋
转轴安装在底座上；
[0027] 所述加载机构为与被测工件抵紧且两端加力的杠杆砝码机构；
[0028] 所述光学测量装置包括准直仪、双面反射镜、正弦规和千分尺；所述准直仪沿X轴向布置并与夹持机构相对，所述双面反射镜固定于所述旋转套上，所述准直仪设于正弦规上，而正弦规的底部一侧设置有用于调节其角度的千分尺；
[0029] 所述X、Y、Z轴成空间
正交分布，其中Z轴垂直于底座。
[0030] 需要指出本发明中的杠杆砝码机构即常规技术中的吊挂砝码机构，其结构形式多样，但核心均是借助杠杆原理来为待测细径零件的两端增加载荷(加力)，而产生力矩。在优选的结构设计中，本发明中的所述杠杆砝码机构包括杠杆臂，所述杠杆臂的中心枢转设于支撑架上并与被测工件抵紧，而杠杆臂两侧的支撑架上分别设置有
滑轮，杠杆臂的两端均固定有受力线，所述受力线绕过对应的滑轮并设置用于固定砝码的线钩。借助滑轮能够提高整个杠杆砝码机构加力时的顺畅性和稳定性。
[0031] 进一步的，本发明还包括双面反射镜零位校准装置，该装置包括设于底座上的反射板和辅助校准
光源，当双面反射镜位于误差允许范围内的零位时，所述辅助校准光源射出的光线经双面反射镜反射后落在反射板上的区域即为预设的零位校准区域；校准时，需校验辅助校准光源射出并经由双面反射镜反射的光线是否落于反射板的上述预设的零位校准区域内。
[0032] 更进一步的，本发明中所述双面反射镜位于所述反射板和准直仪之间。
[0033] 进一步的，本发明中所述正弦规的底部设有千分尺压
块，而所述千分尺的顶部与千分尺压块相抵。需指出本发明设计中的正弦规参见
现有技术，其具有正弦板和旋转设于其底部的两个正弦规转轴，其中前部的正弦规转轴通过设计在底座上的枢转
支架支撑，并借助转轴压块压紧固定，而后部的正弦规转轴则恰位于千分尺正上方。
[0034] 进一步的，本发明中所述底座上设有供
旋转轴穿入的轴孔，孔内设有与旋转轴配合的Z轴
轴承。
[0035] 进一步的，本发明中所述支撑架上设有供旋转套与Y轴气缸相连的开孔，孔内设有与旋转套配合的Y轴轴承。
[0036] 通过增设Z轴轴承能够极大的提升旋转套旋转时的稳定性，从而提高检测时的调节精度。同样的增设Y轴轴承能够极大的提升旋转轴(支撑架)旋转时的稳定性，从而同样能够提高检测时的调节精度。并且在具体实施时，本仪器中的Z轴轴承和Y轴轴承都优选
滑动轴承，兼顾考虑到旋转套装夹时沿轴向运动的情况，以及支撑架可能的高度调节(此时旋转轴相对轴承上下活动)对于滑动平稳性的要求。
[0037] 进一步的，本发明中所述底座底部设有若干用于调节底座水平度的水平调节螺钉。水平调节螺钉为现有技术，其螺杆上部螺接有拼紧螺帽与底座底部接触，用于底座水平度的调节。
[0038] 进一步的，本发明中所述支撑架上固定有用于控制支撑架绕Z轴旋转的Z轴向旋转调节杆，方便对于支撑架的转动调节控制。
[0039] 进一步的，本发明中所述旋转套上固定有用于控制旋转套绕Y轴旋转的Y轴向旋转调节杆，方便对于旋转套(也即待测的细径成型零件)的转动调节控制。
[0040] 本发明的工作原理如下(以扭杆为例)：
[0041] 初始时，先利用弹性夹头将扭杆夹紧，然后驱动Y轴气缸将扭杆顶紧至杠杆臂上，随即开始双面反射镜X向的零位校准，期间需要转动旋转套以及借助正弦规来调节准直仪；
[0042] 当双面反射镜调节至误差允许范围内的零位时，准直仪射出的光束经双面反射镜反射回来后记录下此时双面反射镜的角度值(也即零位值)；与此同时，打开辅助校准光源，射出光线经双面反射镜反射后落在反射板上的区域即为预设的零位校准区域(供下一零件测试时校准用)；
[0043] 通过杠杆砝码机构为扭杆施加力，使扭杆产生相对自身轴线的扭矩载荷M，并产生绕其轴线的角变形，然后转动旋转套，利用准直仪再次对准双面反射镜片射出并反射光线，记录下此时的角度值，两次角度值之差，就是扭杆在力矩载荷M下的转角值Φ，最后利用公式：
[0044] C＝M/Φ(单位：mN·m/rad)，计算出扭杆刚度C；
[0045] 当更换下一零件检测，并需重新校准双面反射镜零位时，只需开启辅助校准光源，同时转动旋转套，校验辅助校准光源射出并经由双面反射镜反射的光线是否落于反射板上预设的零位校准区域内即可，零位校准及其方便。
[0046] 当然除了扭杆之外，本发明亦可实现其他细径成型零件的刚度检测。
[0047] 本发明的优点是：
[0048] 1.本发明提供的这种刚度检测仪，其针对常规的光学刚度检测仪器做出了重要改进，通过设计带有双轴旋转功能的旋转夹持机构，使得检测时能够对于双面反射镜(及零件)实现Y、Z两个自由度的旋转调节，突破原先校准调节的局限性，从而有助于提高校准精度和校准便利性。并且因夹持机构带有Y、Z双自由度调节，可以省略针对准直仪的
横向位移调节机构的设计，节约成本，减少校准操作，提高作业效率。
[0049] 2.本发明提供的这种刚度检测仪，其准直仪底部利用正弦规原理设计正弦规调节机构，并通过借助千分尺来精细调节正弦规角度，大大提高了准直仪的校准精度和调节便利性，从而有助于提升最终零件刚度检测的
质量。
[0050] 3.本发明提供的这种刚度检测仪，其夹持机构中利用气缸和弹性夹头来固定零件，提高了零件的装夹便利性和稳定性，有助于提高刚度检测的工作效率和工作质量。
[0051] 4.本发明提供的这种刚度检测仪，其杠杆砝码机构中通过增设滑轮，使得砝码的受力线通过滑轮来支撑和升降，能够提高整个杠杆砝码机构加力时的顺畅性和稳定性，确保加载荷过程的准确和可靠。
[0052] 5.本发明提供的这种刚度检测仪，因设计有单独的双面反射镜零位校准装置，专
门用于新装夹的被测零件的零位重新校准和对位，故借助该装置无需像常规技术那样对准直仪进行重新校正，简化的操作工序，降低了操作难度，大大提高了校准效率。
附图说明
[0053] 下面结合附图及
实施例对本发明作进一步描述：
[0054] 图1为本发明的结构主视图；
[0055] 图2为图1的结构俯视图。
[0056] 其中：1、辅助校准光源；2、反射板；3、杠杆臂；4、Z轴轴承；5、旋转轴；6、双面反射镜；7、砝码；8、线钩；9、受力线；10、滑轮；11、正弦规转轴；12、准直仪；13、水平调节螺钉；14、拼紧螺帽；15、正弦规；16、千分尺压块；17、千分尺；18、转轴压块；19、底座；20、Z轴向旋转调节杆；21、被测工件；22、支撑架；23、旋转套；24、Y轴气缸；25、Y轴轴承；26、弹性夹头；27、Y轴向旋转调节杆。
具体实施方式
[0057] 实施例：结合图1和图2所示，为本发明刚度检测仪的一种具体实施方式，其主要用于航天陀螺仪内的关键零件扭杆的刚度检测，该仪器的构成如下：具有底座19，所述底座19上设有用于夹持被测工件21的夹持机构、用于对被测工件21施加外力矩的加载机构和用于测量被测工件21受载时力矩角变化量的光学测量装置；其中：
[0058] 所述夹持机构是带有双轴旋转功能的旋转夹持机构，该机构的构成为：支撑架22、Y轴气缸24、与Y轴气缸24前端转动连接并可绕Y轴旋转的旋转套23和固定至旋转套23上的弹性夹头26，被测工件21藉由弹性夹头26夹紧固定；所述支撑架22通过沿Z轴向布置的旋转轴5安装在底座19上；
[0059] 所述加载机构为与被测工件21抵紧且两端加力的杠杆砝码机构；
[0060] 所述光学测量装置的构成为：准直仪12、双面反射镜6、正弦规15和千分尺17；所述准直仪12沿X轴向布置并与夹持机构相对，所述双面反射镜6固定于所述旋转套23上，所述准直仪12设于正弦规15上，而正弦规15的底部一侧设置有用于调节其角度的千分尺17。
[0061] 所述X、Y、Z轴成空间正交分布，其中Z轴垂直于底座。
[0062] 本实施例中所述杠杆砝码机构具体构成如下：具有杠杆臂3，所述杠杆臂3的中心枢转设于支撑架22上并与被测工件21抵紧，而杠杆臂3两侧的支撑架22上分别设置有滑轮10，杠杆臂3的两端均固定有受力线9，所述受力线9绕过对应的滑轮10并设置用于固定砝码
7的线钩8。借助滑轮10能够提高整个杠杆砝码机构加力时的顺畅性和稳定性。
[0063] 结合图1和图2所示，本实施例中还设计有双面反射镜零位校准装置，该装置的构成为：具有设于底座19上的反射板2和辅助校准光源1，所述双面反射镜6位于所述反射板2和准直仪12之间。当双面反射镜6位于误差允许范围内的零位时，所述辅助校准光源1射出的光线经双面反射镜6反射后落在反射板2上的区域即为预设的零位校准区域；校准时，需校验辅助校准光源1射出并经由双面反射镜6反射的光线是否落于反射板2的上述预设的零位校准区域内。
[0064] 本实施例中所述正弦规15的底部还设有千分尺压块16，而所述千分尺17的顶部与千分尺压块16相抵。需指出本发明设计中的正弦规15参见现有技术，其具有正弦板(未标出)和旋转设于其底部的两个正弦规转轴11，其中前部的正弦规转轴11通过设计在底座19上的枢转支架(未标出)支撑，并借助转轴压块18(见图2)压紧固定，而后部的正弦规转轴(未标出)则恰位于千分尺17正上方。
[0065] 本实施例中所述底座19上设有供旋转轴5穿入的轴孔，孔内设有与旋转轴配合的Z轴轴承4。而所述支撑架上设有供旋转套23与Y轴气缸24相连的开孔，孔内设有与旋转套23配合的Y轴轴承25。
[0066] 通过增设Z轴轴承4能够极大的提升旋转套23旋转时的稳定性，从而提高检测时的调节精度。同样的增设Y轴轴承25能够极大的提升旋转轴5(支撑架22)旋转时的稳定性，从而同样能够提高检测时的调节精度。并且在具体实施时，本仪器中的Z轴轴承4和Y轴轴承25都优选滑动轴承，兼顾考虑到旋转套23装夹时沿轴向运动的情况，以及支撑架22可能的高度调节(此时旋转轴5相对轴承上下活动)对于滑动平稳性的要求。
[0067] 本实施例中所述底座19底部设有若干(具体是六个)用于调节底座19水平度的水平调节螺钉13，水平调节螺钉13为现有技术，其螺钉上部螺接有拼紧螺帽14与底座19底部接触，用于底座19水平度的调节。
[0068] 本实施例中所述支撑架22上固定有用于控制支撑架22绕Z轴旋转的Z轴向旋转调节杆20，而所述旋转套23上固定有用于控制旋转套23绕Y轴旋转的Y轴向旋转调节杆27。
[0069] 本发明的工作原理如下(用于被测工件21为扭杆时的刚度检测)：
[0070] 初始时，先利用弹性夹头26将被测工件21即扭杆夹紧，然后驱动Y轴气缸24将被测工件21顶紧至杠杆臂3上，随即开始双面反射镜6的X向零位校准，期间需要转动旋转套23以及借助正弦规15来调节准直仪12；
[0071] 当双面反射镜6调节至误差允许范围内的零位时，准直仪12射出的光束经双面反射镜6反射回来后记录下此时双面反射镜6的角度值(也即零位值)；与此同时，打开辅助校准光源1，射出光线经双面反射镜6反射后落在反射板2上的区域即为预设的零位校准区域(供下一零件测试时校准用)；
[0072] 通过杠杆砝码机构为扭杆施加力，使扭杆产生相对自身轴线的扭矩载荷M，并产生绕其轴线的角变形，然后转动旋转套23，利用准直仪12再次对准双面反射镜6的镜片射出并反射光线，记录下此时的角度值，两次角度值之差，就是扭杆在力矩载荷M下的转角值Φ，最后利用公式：
[0073] C＝M/Φ(单位：mN·m/rad)，计算出扭杆刚度C；
[0074] 当更换下一零件检测，并需重新校准双面反射镜6零位时，只需开启辅助校准光源1，同时转动旋转套23，校验辅助校准光源1射出并经由双面反射镜6反射的光线是否落于反射板2上预设的零位校准区域内即可，零位校准及其方便。
[0075] 当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
