一种基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算方法技术

一种基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算方法，包括以下步骤：第一步，将压入过程中传动部件平衡方程减去接触零点处传动部件平衡方程，可得本发明专利技术所用差分表达式；第二步，拟合悬挂弹簧刚度等效电流系数α；第三步，校准移动线圈在不同位置处的载荷灵敏度系数D；第四步，校准加载段与卸载段摩擦力差值2ft；第五步，将上述校准得到的参数代入式(2)即计算压入载荷。本发明专利技术计算精度较高、成本低廉，可以显著提高压入仪机架刚度，进而精确测量压入载荷与压入深度，为进一步识别材料力学参数提供准确的试验数据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算方法
本专利技术涉及一种电磁驱动式压入仪的压入载荷计算方法，尤其适用于电磁驱动且电机内部有悬挂弹簧和导轨的压入仪。
技术介绍
在基于导轨式电磁驱动的压入仪中，为精确计算材料力学性能，需要精确测量压入载荷F(t)与压入深度h(t)。在压头压入材料时，接触零点以材料表面为参考基准，压入深度为压头垂直试样表面压入材料的位移，压入载荷为压入仪传动部件作用于材料的输出力。电机内部含有光栅尺，可精确测量传动部件位移z(t)。当传动部件刚度较大时，加载过程中其变形可忽略，则可用光栅尺精确计量压入深度。为精确测量压入载荷，可在传动部件上串联载荷传感器，但载荷传感器柔度过大，将显著降低传动部件刚度，导致无法用光栅尺精确测量压入深度。线圈输出载荷Fe(t)为电流I(t)与载荷灵敏度系数D的乘积。若去除载荷传感器，直接用电流I(t)与载荷灵敏度系数D计算压入载荷，可显著提高传动部件刚度，进而精确测量压入深度。由于线圈输出载荷需要克服悬挂弹簧拉力、传动部件与导轨的摩擦力、电流测量电路累积误差后，才是真正作用于材料的压入载荷，因此，压入载荷可使用以下公式计算：式(1)中，F(t)为压入载荷，Fe(t)为线圈输出载荷，Fs为悬挂弹簧拉力，ft为传动部件与导轨之间的摩擦力，Ferror为电流测量累积误差导致的线圈输出载荷计算误差。由于加载与卸载时，ft方向不同，因此，ft前的正负号不同。然而，当传动部件位于导轨上限时，悬挂弹簧处于预拉伸状态，即悬挂弹簧已经伸长未知长度，而光栅尺测量位移z(t)为传动部件相对导轨上限位移，因此，不能直接使用悬挂弹簧刚度系数Ks与z(t)的乘积计算悬挂弹簧拉力Fs。此外，电流测量累积误差导致的线圈输出载荷计算误差Ferror也无法直接测量。基于上述原因，无法直接使用式(1)计算压入载荷。
技术实现思路
为了克服现有基于导轨式电磁驱动的压入仪的无法直接计算压入载荷的不足，本专利技术提出一种使用差分表达式计算压入载荷方法，成功消去式(1)中不可测量参量，从而精确计算压入载荷。该方法适用基于导轨式电磁驱动且电机内部带有悬挂弹簧的压入仪，具有计算精度较高、成本低廉的优点，可以显著提高压入仪机架刚度，进而精确测量压入载荷与压入深度，为进一步识别材料力学参数提供准确的试验数据。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算方法，包括以下步骤：第一步，将压入过程中传动部件平衡方程减去接触零点处传动部件平衡方程，可得式(2)中，F(t)为压入载荷；D为载荷灵敏度系数；I(t)为测量电流；I0为接触零点处测量电流；α为悬挂弹簧刚度等效电流系数，其定义为悬挂弹簧伸长单位长度所需电流；h(t)为压入深度；ft为传动部件与导轨之间的摩擦力，式(2)与式(1)相比，只需测量弹簧相对接触零点的增量拉力，并消除了测量电路导致的电流累积误差对计算压入载荷造成的影响；第二步，校准悬挂弹簧刚度等效电流系数α，由于悬挂弹簧在导轨上限已经产生预拉力，即悬挂弹簧已经伸长未知长度，因此，在初始时需要缓慢施加电流，使导杆轻微偏离导轨上限位；然后，让传动部件从导轨上限位准静态运动至导轨下限位，记录传动部件运动中电流I(t)与位置z(t)，采用最小二乘法线性拟合I(t)与z(t)的斜率，便得悬挂弹簧刚度等效电流系数α；第三步，校准载荷灵敏度系数D，由于磁缸磁场不均匀，因此，需要校准移动线圈在不同位置处的载荷灵敏度系数D；将工作行程分成n个区间，每个区间选取一个校准点，在每个校准点上，单次校准原理如下：首先，把压头去掉，换成高精度载荷传感器串联在传动杆上，然后，控制载荷传感器缓慢接近载物台，直至接触；接着，把梯形波载荷作用于8载物台；校准过程中，加载段压入载荷F(t)由高精度载荷传感器直接测量得到，采用最小二乘法拟合加载过程中压入载荷F(t)与[I(t)-αh(t)]之间的斜率，便得到载荷灵敏度系数D；第四步，校准加载段与卸载段摩擦力差值2ft，由于加载段与卸载段摩擦力方向相反，选取加载段任意一点处的压入载荷表达式与卸载段中任意一点处的压入载荷表达式相减可得2ft＝F2-F1+D(I1-αh1)+D(αh2-I2)(3)式(3)中，F1与F2分别是加载段点1处与卸载段点2处的载荷传感器测量载荷，I1与I2是分别是加载段点1处与卸载段点2处的测量电流，h1与h2分别是加载段点1处与卸载段点2处的压入深度，载荷灵敏度系数D、悬挂弹簧刚度等效电流系数α已在上述步骤校准完成，带入式(3)计算，得到2ft；第五步，将上述校准得到的载荷灵敏度系数D、悬挂弹簧刚度等效电流系数α、加载段与卸载段摩擦力差值2ft，测量得到的电流I(t)、接触零点处电流I0与压入深度h(t)代入式(2)即计算压入载荷。本专利技术能够消除悬挂弹簧拉力、传动部件与导轨摩擦带来的物理误差，并消除测量测量电路带来的电流累积误差，从而精确计算压入载荷。本专利技术方法具有精度较高、成本低廉的优点，有助于显著提高机架刚度，精确测量压入深度。附图说明图1是压入仪示意图。其中，1是机架，2是悬挂弹簧，3是导轨上限位，4是导轨与磁缸，5是线圈，6是导轨下限位，7是光栅尺读头，8是载物台，9是压头，10是传动杆。其中，5线圈与10传动杆统称为传动部件。图2是校准载荷灵敏度系数示意图。与图1不同的是，9是高精度载荷传感器。即把压头替换成高精度载荷传感器串联在10传动杆上。在压入试验时，把9载荷传感器卸掉，仍使用图1所示仪器进行试验。图3是实例中拟合悬挂弹簧刚度等效电流系数α时，传动部件以1μm/s从0.2mm运动至6mm过程中，I(t)与z(t)之间的关系。图4是实例中校准载荷灵敏度系数D时，不同校准点最终校准结果。图5是实例中校准加载段与卸载段摩擦力差值2ft时，不同校准点校准结果。图6是传动部件向8载物台施加梯形波载荷过程中，本专利技术方法计算的压入载荷与9高精度载荷传感器测量压入载荷结果对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参照图1～图6，一种基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算方法，以基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算为例，描述本专利技术使用方法，所述方法包括以下步骤：第一步，校准悬挂弹簧刚度等效电流系数α。初始化时，缓慢施加电流，使传动部件运动至0.2mm处。然后，让传动部件以1μm/s的速度从0.2mm运动至6mm处，记录传动部件运动中电流I(t)与位置z(t)。采用最小二乘法线性拟合电流I(t)与位移z(t)的斜率，便得悬挂弹簧刚度等效电流系数α。电流I(t)与位移z(t)的关系参见附图3，最终得到α＝0.01785mA/μm。第二步，校准不同位置处载荷灵敏度系数D。将导轨工作段0.2mm至6mm分为23段，即每隔约0.25mm选取一个校准点。单次校准时，将图1中压头替换成图2所示高精度载荷传感器，用于测量压入载荷F(t)。让载荷传感器缓慢运动，直到接触校准点。然后，施加梯形波载荷于载物台，记录压入载荷F(t)、电流I(t)与压入深度h(t)。采用最小二乘法拟合加载段压入载荷F(t)与[I(t)-αh(t)]的斜率，便得到单次校准载荷灵敏度系数D。对所有位置校准结果进行处理后，即得到不同位置处的载荷灵敏度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，将压入过程中传动部件平衡方程减去接触零点处传动部件平衡方程，可得

【技术特征摘要】
1.一种基于导轨式电磁驱动压入仪的压入载荷计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，将压入过程中传动部件平衡方程减去接触零点处传动部件平衡方程，可得式(1)中，F(t)为压入载荷；D为载荷灵敏度系数；I(t)为测量电流；I0为接触零点处测量电流；α为悬挂弹簧刚度等效电流系数，其定义为悬挂弹簧伸长单位长度所需电流；h(t)为压入深度；ft为传动部件与导轨之间的摩擦力；第二步，校准悬挂弹簧刚度等效电流系数α，首先，缓慢施加电流，使导杆轻微偏离导轨上限位；然后，让传动部件从导轨上限位准静态运动至导轨下限位，记录传动部件运动中电流I(t)与位置z(t)，采用最小二乘法线性拟合I(t)与z(t)的斜率，便得悬挂弹簧刚度等效电流系数α；第三步，校准载荷灵敏度系数D，由于磁缸磁场不均匀，因此，需要校准移动线圈在不同位置处的载荷灵敏度系数D；将工作行程分成n个区间，每个区间选取一个校准点，在每个校准点上，单次校准原理如下：首先，把压头去掉，换成高精度载荷传感器串联在传动杆上，然后，控制载荷传感器缓慢接近载物...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭光健，徐风雷，孙义恒，严奇，张泰华，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33