一种二力杆测量足结构和一种力矩测量平台

1.本发明涉及微振动测量领域，尤其涉及一种二力杆测量足结构和一种力矩测量平台。


背景技术：

2.随着光学设施精度的不断提高，振动对其影响也愈加显著，微小的振动会对其指向、成像等造成严重干扰，因而对其进行地面的振动检测必不可少。光学设施需要被测量的力从几牛到几千牛不等，使得测量设备需要兼具高精度、大负载、大尺寸的特点。
3.目前，对振源大多采用压电结构进行扰振力测量，且以stewart构型为代表最为常见，但stewart松散的结构难免会降低测量平台的基频，压电陶瓷虽然具有较好的高频动态特性与高灵敏度，但其低频动态特性往往表现不佳。由于目前没有哪种测量方式兼顾良好的高低动态特性，若想精确测量高、低频振源的扰振力，就不得不使用两套设备进行。
4.因此，亟需设计一种力矩测量平台，具有较高的基频与负载能力，能够满足对低频振源进行测量的同时，在对测量平台的部件稍作调整后又能满足用于高频振源的测量的需要。


技术实现要素：

5.本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，提出了一种二力杆测量足结构和一种力矩测量平台，该力矩测量平台能够用于测量高、低频大质量振源的扰振力，具有较低的维间耦合和较高的灵敏度，可在很大程度上减少测量的误差，提高测量精度，可应用在光学设施等测量精度要求高、质量大的设备的地面振动检测之中。
6.为实现上述目的，本发明提供如下具体技术方案：
7.在第一方面，本发明提供了一种二力杆测量足结构，包括加载块、转动机构、底座和测量单元：
8.加载块的顶面设置有至少一个第一定位孔；
9.转动机构包括第一转动结构和第二转动结构，第一转动结构设置于加载块的底面；
10.底座设置于加载块的下方，第二转动结构设置于底座的顶面；
11.测量单元为弹性材质，设置于第一转动结构和第二转动结构之间。
12.作为一种可选的实施例，转动机构和测量单元的数量为多个，一个转动机构对应一个测量单元，一个转动机构包括一个第一转动结构和一个第二转动结构；
13.多个第一转动结构环形分布于加载块的底面，相邻的第一转动结构之间的夹角相同；
14.多个第二转动结构环形分布于底座的顶面，相邻的第二转动结构之间的夹角相同。
15.作为一种可选的实施例，第一转动结构、第二转动结构、测量单元的数量为3个。
16.作为一种可选的实施例，第一转动结构为第一球铰轴承，第二转动结构为第二球铰轴承，测量单元与第一球铰轴承通过第一螺纹锁固，测量单元与第二球铰轴承通过第二螺纹锁固，第一螺纹和第二螺纹的设置方向相反。
17.作为一种可选的实施例，测量单元为应变式测量单元，应变式测量单元上设置有4n个应变片，4n个应变片以每4个一组组成一个全桥电路；n为正整数。
18.作为一种可选的实施例，测量单元的厚度小于预设厚度值，测量单元的形状为s型、o型或口字型中的任一项。
19.作为一种可选的实施例，测量单元为压电式测量单元，压电式测量单元包括压电陶瓷、第一夹紧块和第二夹紧块，第一夹紧块与第二夹紧块分设于压电陶瓷的上下两侧，用于夹紧压电陶瓷。
20.作为一种可选的实施例，加载块的底面还设置有限位槽；二力杆测量足结构还包括过载保护结构；
21.过载保护结构包括支撑柱和限位件，支撑柱设置于底座的顶面；限位件置于限位槽内，且与限位槽的槽壁间隙配合。
22.在第二方面，本发明还提供了一种力矩测量平台，该力矩测量平台包括至少两个二力杆测量足结构和置物台；
23.二力杆测量足结构为本发明第一方面描述的二力杆测量足结构；
24.置物台设置于两个以上的二力杆测量足结构的上方，置物台的底面在第一定位孔的对应位置设置有第二定位孔。
25.作为一种可选的实施例，置物台上还设置有沉孔、减重槽和多根加强筋；
26.沉孔沿置物台的厚度方向贯穿置物台，设置于置物台的底面；
27.减重槽环绕沉孔设置于置物台的底面；
28.多根加强筋设置于减重槽内且垂直于置物台的底面，每根加强筋沿长度方向设置于减重槽的两个不同槽壁之间或者设置于减重槽的槽壁与沉孔的外侧边缘之间。
29.本发明能够取得以下技术效果：
30.本发明提供了一种二力杆测量足结构和一种力矩测量平台，力矩测量平台包括多个二力杆测量足结构和置物台，通过多个二力杆测量足结构来支撑置物台，提高了置物台的负载能力。每一二力杆测量足结构包括加载块、转动机构、底座和测量单元，转动机构包括第一转动结构和第二转动结构，第一转动结构设置于加载块的底面；底座设置于加载块的下方，第二转动结构设置于底座的顶面；测量单元为弹性材质，设置于第一转动结构和第二转动结构之间。由于测量单元与第一转动结构和第二转动结构之间是可拆卸锁固的，通过更换不同的测量单元使得力矩测量平台能够满足低频或高频振源的测量需要，拓宽了力矩测试平台的测试能力。
附图说明
31.图1是本发明一实施例涉及的力矩测量平台的结构示意图；
32.图2是本发明一实施例涉及的二力杆测量足结构的结构示意图；
33.图3是本发明一实施例涉及的置物台的顶面示意图；
34.图4是本发明一实施例涉及的置物台的底面示意图图；
35.图5是本发明一实施例涉及的加载块的结构示意图；
36.图6是本发明一实施例涉及的底座的结构示意图；
37.图7是本发明一实施例涉及的过载保护结构的结构示意图；
38.图8是本发明一实施例涉及的转动机构和s型测量单元结构示意图；
39.图9是本发明一实施例涉及的转动机构和o型测量单元结构示意图；
40.图10是本发明一实施例涉及的转动机构和口字型测量单元结构示意图；
41.图11是本发明一实施例涉及的压电式测量单元结构示意图；
42.图12是本发明一实施例涉及的全桥电路示意图。
43.附图标记：
44.1、置物台；
45.11、沉孔；
46.12、第五定位孔；
47.13、第二定位孔；
48.14、减重槽；
49.15、加强筋；
50.2、二力杆测量足结构；
51.21、加载块；
52.211、第三定位孔；
53.212、限位槽；
54.213、第一定位孔；
55.22、转动机构；
56.221、第四定位孔；
57.23、测量单元；
58.231、s型测量单元；
59.232、o型测量单元；
60.233、口字型测量单元；
61.234、压电式测量单元；
62.2341、压电陶瓷；
63.2342、第一夹紧块；
64.2343、第二夹紧块；
65.24、底座；
66.241、第六定位孔；
67.242、第七定位孔；
68.243、第八定位孔；
69.25、过载保护结构；
70.251、限位件；
71.252、第九定位孔。
具体实施方式
72.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
73.如图2所示，在第一方面，本发明提供了一种二力杆测量足结构2，该二力杆测量足结构2包括加载块21、转动机构22、底座24和测量单元23：
74.加载块21的顶面设置有至少一个第一定位孔213；
75.转动机构22包括第一转动结构和第二转动结构，第一转动结构设置于加载块21的底面；
76.底座24设置于加载块21的下方，第二转动结构设置于底座的顶面；
77.测量单元23为弹性材质，设置于第一转动结构和第二转动结构之间。
78.在本实施方式中，第一定位孔2118的数量为多个，均匀分布于加载块211的顶面。例如加载块211的顶面的形状为矩形，第一定位孔2118的数量为4个，分别设置于加载块211的顶面的4个边角位置。
79.二力杆测量足结构2在使用过程中可以将其置于置物台的底部，用于支撑置物台，并通过加载块211的顶面的第一定位孔213与置物台的底面相互配合，实现两者间的固定。置物台上可以放置振源，通过二力杆测量足结构2上的测量单元23对扰振力进行测量，使得测量平台具有较好的低频动态特性。
80.在某些实施例中，如图2所示，转动机构22和测量单元23的数量为多个，一个转动机构22对应一个测量单元23，一个转动机构22包括一个第一转动结构和一个第二转动结构；多个第一转动结构环形分布于加载块21的底面，相邻的第一转动结构之间的夹角相同；多个第二转动结构环形分布于底座24的顶面，相邻的第二转动结构之间的夹角相同。优选的，第一转动结构、第二转动结构、测量单元的数量为3个，相邻的第一转动结构的连接线的夹角为120
°
，相邻的第二转动结构的连接线的夹角为120
°
。通过设置多个环形分布的转动机构，并将多个测量单元分别置于其中，能够使得各个测量单元所受到的力尽可能为单纯的轴向力，提升测量精度。
81.在某些实施例中，第一转动结构为第一球铰轴承，第二转动结构为第二球铰轴承，测量单元与第一球铰轴承通过第一螺纹锁固，测量单元与第二球铰轴承通过第二螺纹锁固，第一螺纹和第二螺纹的设置方向相反。通过将第一球铰轴承和第二球铰轴承上的螺纹方向设置为相反，使得转动测量单元时可以与两端的球铰轴承紧固或脱离，便于测量单元的安装或更换操作。当然，在另一些实施例中，第一转动结构和第二转动结构还可以采用其他能够释放自由度的连接方式。
82.在某些实施例中，如图8-图10所示，测量单元23为应变式测量单元，应变式测量单元上设置有4n个应变片，4n个应变片以每4个一组组成一个全桥电路；n为正整数。
83.例如二力杆测量足结构包括3个转动机构和3个测量单元，每个测量单元上可以设置4个应变片，3个测量单元在设置方向上相互垂直，可以分别用于测量来自空间坐标系中x、y、z三个方向的应变力情况。通过将同一个二力杆测量足结构2中的3个测量单元23设置为互相垂直，可以使得测量时不同测量单元的耦合更少，解耦方便，测量精度更高。每个应变式测量单元上的4个应变片可组成一个全桥电路，用以提高测量的灵敏度，一个二力杆测
量足结构对应可以组成三个全桥电路，可对作用在加载块上且来自x、y、z三个方向上的力分别进行测量。全桥电路的连接示意图如图12所示，同一测量单元上的4个应变片分别对应全桥电路中的r1、r2、r3、r4。
84.优选的，测量单元的厚度小于预设厚度值，测量单元的形状为s型、o型或口字型中的任一项。应变式测量单元由于其具有较好的低频特性适用于测量低频振源，如图8所示的s型测量单元231适用于测量质量相对较小的低频振源，在测量应变力时具有更高的灵敏度；如图9所示的o型测量单元232和如图10所示的口字型测量单元233适用于测量质量相对较大的低频振源。
85.s型测量单元231、o型测量单元232和口字型测量单元233上均采用薄板设计(即测量单元的厚度小于预设厚度值)，预设厚度值的数值可以根据对力矩测量平台整体的刚度(基频)、灵敏度等要求通过仿真模拟确定。通过薄板设计，可以使得应变式测量单元在受到轴向力时能够发生较大形变，提升测量的灵敏度。优选的，可以在应变式测量单元形变较大的区域粘贴应变片。
86.在某些实施例中，如图11所示，测量单元23为压电式测量单元234，压电式测量单元234包括压电陶瓷2341、第一夹紧块2342和第二夹紧块2343，第一夹紧块2342与第二夹紧块2343分设于压电陶瓷2341的上下两侧，用于夹紧压电陶瓷2341。第一夹紧块2342和第二夹紧块2343可以通过螺栓进行连接，这样可以通过两个夹紧块向压电陶瓷2341施加一定预紧力，使得压电陶瓷2341在测量受力程度的过程中不会随意窜动，避免对测量结果产生干扰。
87.在某些实施例中，如图7所示，加载块21的底面还设置有限位槽212；二力杆测量足结构2还包括过载保护结构25；过载保护结构25包括支撑柱和限位件251，支撑柱设置于底座的顶面；限位件251置于限位槽212内，且与限位槽212的槽壁间隙配合。间隙配合是指限位件置于限位槽所围成的空间范围内但不与限位槽212的槽壁直接接触。限位槽212的形状优选为圆形，限位件251的形状也为圆形，限位件251套设于支撑柱的顶面。当然，在另一些实施例中，限位槽212和限位件251还可以为其他形状，只需满足两者之间间隙配合即可。
88.当二力杆测量足结构的上方安装有置物台时，通过过载保护结构25以起到限位保护作用，防止测量单元因发生过大形变而损坏。工作原理如下：当置物台上未放置物体或者放置的物体重量没有达到过载的要求时，此时限位件251与限位槽212的槽壁之间不接触。当置物台上放置的物体过载时，限位槽212的槽壁对限位件251的移动区域起到限位作用，进而防止测量单元23发生更大的形变。限位槽212和限位件251之间的间隙可依据测量平台负载能力通过有限元法获得。
89.如图5、图8-图10所示，加载块21的底面上还设置有第三定位孔211，第一转动结构(如图8-图10中位于上方的球铰轴承)未与测量单元连接的端面设置有第四定位孔221，第三定位孔211与第四定位孔221的设置位置相对应，两者可以通过螺栓进行固定，以使得第一转动结构能够固定于加载块21的底面。当第一转动结构的数量为多个时，如3个时，如图5所示，第四定位孔221共有三组，环形分布于限位槽的外边缘，每组第四定位孔221用于固定一个第一转动结构。每组第四定位孔221所包含的数量可以为一个，也可以为多个，例如图5中每组第四定位孔221的数量为四个。
90.如图6所示，底座24上设有第六定位孔241，用于将二力杆测量足结构固定在隔振
台上。如图6和图7所示，底座24上设有第八定位孔243，过载保护结构25的支撑柱在与底座24连接的端面上设置有第九定位孔252。第八定位孔243优选设置于底座的中部位置，第九定位孔252的设置位置与第八定位孔243的设置位置相对应，两者可以通过螺栓进行锁固，以使得支撑柱能够固定于底座24的顶面。第九定位孔252与第八定位孔243的数量优选为多个，如图6和图7中的4个，4个第八定位孔243均匀分布于底座24的顶面的中间位置，4个第九定位孔252均匀分布于支撑柱的端面上。
91.底座24上还设置有第七定位孔242，第二转动结构(如图8-图10中位于下方的球铰轴承)未与测量单元连接的端面设置有第十定位孔(图8-图10中未标出)，第七定位孔242在底座24上的设置位置与第十定位孔的设置位置相对应，两者可以通过螺栓进行固定，以使得第二转动结构能够固定于底座24的顶面。当第二转动结构的数量为多个时，如3个时，如图6所示，第七定位孔242共有三组，环形分布于第八定位孔243的外边缘，每组第七定位孔242用于固定一个第二转动结构。每组第七定位孔242所包含的数量可以为一个，也可以为多个，例如图6中每组第七定位孔242的数量为四个。优选的，第六定位孔241、第七定位孔242、第八定位孔243在底座24的顶面上的设置位置互不重叠。
92.如图1、图3和图4所示，在第二方面，本发明还提供了一种力矩测量平台，该力矩测量平台包括至少两个二力杆测量足结构2和置物台1；每个二力杆测量足结构2为本发明第一方面描述的二力杆测量足结构；置物台1设置于两个以上的二力杆测量足结构2的上方，置物台1的底面在第一定位孔213的对应位置设置有第二定位孔13。第二定位孔13用于与加载块21上的第一定位孔213相配合，将二力杆测量足结构2固定于置物台1的底部，一方面对置物台1起到支撑作用，另一方面通过二力杆测量足结构2中的测量单元对于受力数据进行采集。
93.优选的，二力杆测量足结构的数量为4个，置物台的形状为矩形；4个二力杆测量足结构分别设置于置物台的4个边角位置。这样的分布方式可以有效提高测量平台的基频(刚度)。在使用过程中，可以通过旋转各个二力杆测量足结构中的测量单元与转动机构之间的螺纹来调整加载块顶面的高度，使得4个二力杆测量足结构的加载块顶面位于同一平面上。
94.如图3和图4所示，置物台1上还设置有沉孔11、减重槽14和多根加强筋15。沉孔11沿置物台1的厚度方向贯穿置物台1，设置于置物台1的底面；减重槽14环绕沉孔设置于置物台的底面；多根加强筋15设置于减重槽14内且垂直于置物台1的底面，每根加强筋15沿长度方向设置于减重槽14的两个不同槽壁之间或者设置于减重槽14的槽壁与沉孔11的外侧边缘之间。多个加强筋15可以阵列排布，也可以交错排布，在加强力矩测量平台整体刚度的同时有效减轻测量平台整体的质量。
95.在上述各实施方式的基础上，假设置物台下方设置有4个二力杆测量足结构2，每个二力杆测量足结构2以环形分布的方式设置有3个测量单元，则通过4个二力杆测量足结构2分布可以得到4个x、y、z方向上的力，一共可输出12个力，而后通过实验采集数据和优化算法可从4个fz、4个fx、4个fy中选出几个最优的力组合，用于解算振源的扰振力，使得解算的扰振力与实际振动误差最小，计算公式如下：
96.f(ω)＝d(ω)v(ω)；
97.此式子为解算空间六维力的式子，需要通过实验来对d(ω)进行标定，标定时，f(ω)和v(ω)是已知的，f(ω)是输入的空间六维力，v(ω)是选择的6个通道输出(大于六个
也可以，但是会引入系统误差)，现在有12个冗余输出力，选择不同的6个通道组合得到解算的精度是不同的，精度的判断标准如下：将得到d(ω)和v(ω)代入式子得到的f(ω)和原输入力的误差最小，则此时6个通道输出为最优组合，此后就用这六个通道的输出用于六维力的解算。
98.本发明提供一种二力杆测量足结构和力矩测量平台，主要包括置物台和4个二力杆测量足结构。二力杆测量足结构包括加载块、球铰轴承、测量单元、底座和过载保护结构；4个二力杆测量足结构与置物台固定连接；加载块与置物台连接，加载块上固定连接3个球铰轴承；3个球铰轴承分别与3个测量单元的一端通过螺纹连接，底座上同样设置有3个球铰轴承，用于与测量单元的另一端连接；过载保护结构固定连接在底座上；通过使用4个二力杆测量足结构支撑置物台，提高了置物台的负载能力；通过设置相互垂直的测量单元，减少力的维间耦合，提高力矩测量平台的测量精度；通过更换不同的二力杆测量单元，可以满足高、低频振源的测量需求，拓宽了平台的测试能力；在应变式二力杆测量单元上设计薄板处，且将应变片安装位置设为二力杆测量单元在受轴向力时形变最大的区域，除此之外，用惠斯通全桥电路进行后续处理，提高了平台的测量灵敏度；通过实验和优化算法，从平台冗余的12个输出力中选择最优的某几个力用于振源扰振力的解算，提高了平台的测量精度；通过设置过载保护结构保证了测试平台的测量安全。
99.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
100.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
101.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。