一种间隙铰链力学特性测试系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种间隙铰链力学特性测试系统，包括执行机构组件、驱动系统、光信号采集系统、电信号采集系统和控制记录系统，执行机构组件包括由摩擦起电材料加工的铰链轴和由具有摩擦发光效应的材料加工的铰链轴套组合而成的含间隙的铰链机构，该铰链机构作为摩擦起电和摩擦发光传感器，激励信号直接来源于间隙铰链内部的动态力学响应，将动力学过程中的机械信号转变成对应的电信号、光信号，控制记录系统获取光信号采集系统采集的铰链机构光信号，获取电信号采集系统采集的铰链机构电信号，利用这些光、电信号即可原位实时动态研究间隙铰链的动力学行为。可见，本实用新型专利技术无需额外的传感器，可原位实时测量间隙铰链的动态力学特性。动态力学特性。动态力学特性。

【技术实现步骤摘要】
一种间隙铰链力学特性测试系统


[0001]本技术涉及机构铰链力学特性测试
，特别是一种间隙铰链力学特性测试系统。

技术介绍

[0002]随着工业机器人需求的增长迅猛，机器人机构通过构件和铰链实现运动、动力学传递，对精度、速度和可靠性等要求也日益提高。然而，由于铰链间隙不可避免，机构在运行时容易因铰链间隙而产生复杂的力学现象，发生剧烈振动和磨损，特别是在多个铰链间隙的耦合作用下，导致铰链力学特性存在强烈的非线性特征，这是影响机构运动与动力性能的重要因素之一，成为高端精密机构性能提升的瓶颈。深入研究铰链间隙机构的动力学基础理论，降低间隙对机构性能的影响，已成为目前机构学研究的前沿和热点方向之一。
[0003]机构运行过程中，运动副元素在间隙铰链内发生接触、碰撞、摩擦、分离等一系列动力学过程，其受力、变形、速度、加速度和运动轨迹等参数瞬息万变(参见图2)。目前，国内外主要通过理论计算方法研究含铰链间隙机构的动力学，对运动副元素的运动状态进行建模求解和特性分析。然而，由于运动副元素的动力学状态转变过程难以确定，非解析形式的动力学方程具有高度非线性和强耦合等特点，导致数值求解过程对初值和系统参数十分敏感、计算不稳定且无法直接计算运动副的冲击力等问题。相对于理论研究而言，由于铰链间隙尺寸较小且在机构运行过程中发生实时变化，难以确定运动副元素的运动状态和测量相关参数，导致含间隙铰链机构的动力学实验研究工作较少。
[0004]目前，相关实验研究大部分基于含一个球铰、旋转铰、滑移铰、圆柱铰等间隙的四杆机构、曲柄滑块机构等平面闭环机械系统。通过测量含间隙机构的速度和加速度响应，间接分析间隙运动副对机构动态特性的影响。同时，通过测量含间隙机构运行过程中的电流通断，间接分析间隙运动副元素间的碰撞特性，从而验证理论建模和数值仿真结果的正确性。常用的实验方法包括：1、通过高速拍摄间隙铰链元素间的相对运动过程。但该方法对高速相机要求苛刻，难以在动态环境下拍摄间隙铰链各元素的接触情况。2、通过传感器、激光跟踪仪等测量含间隙铰链机构的末端动态性能。该方法虽然易实现，但无法检测间隙铰链各元素间的接触碰撞情况。3、通过在间隙铰链元素间布置电路测量电流通断分析其接触分离特性。然而该方法无法分析间隙尺寸的大小、轴心轨迹等。可见，有必要探索新的实验方案，以解决含间隙铰链机构动力学状态判断与动力学参数测量的问题。
[0005]材料科学相关研究中发现：某些固体材料在接触、碰撞、摩擦过程中的压力、张力、冲击力、剪切力等外来机械刺激作用下，直接对外发射荧光或/和磷光，光的颜色、强度和寿命等随机械刺激的状态变化而灵敏地响应。这一奇特现象称为摩擦发光(Triboluminescence,TL)。

技术实现思路

[0006]本技术围绕提高工业机器人精度、效率和寿命等性能的迫切需求，针对间隙
铰链机构动力学理论计算复杂、实验研究困难的现状，提出一种新的间隙铰链力学特性测试系统，利用铰链元素动力学过程引起的摩擦起电和摩擦发光效应来检测动力学状态和参数，可为机构动力学的理论研究提供了新思路，为控制间隙对机构动力学性能的影响提供了新途径。
[0007]本技术采用如下技术方案：
[0008]一种间隙铰链力学特性测试系统，包括执行机构组件、驱动系统、光信号采集系统、电信号采集系统和控制记录系统，其中，
[0009]执行机构组件包括已采用摩擦起电材料加工过的铰链轴，已采用具有摩擦发光效应的材料加工过的铰链轴套，铰链轴和铰链轴套组合成含间隙的铰链机构，该铰链机构作为摩擦起电传感器和摩擦发光传感器，以运行的铰链机构的动力学过程为激励源，生成与动力学过程中的机械信号相对应的电信号、光信号的；
[0010]其中，运行过程中的铰链轴和铰链轴套会因间隙而发生接触、碰撞、摩擦、分离；
[0011]铰链机构在铰链轴与铰链轴套接触、碰撞、摩擦的过程中，以该过程激励发光作为内光源，产生与该过程中的机械信号相对应的光信号；铰链机构在铰链轴与铰链轴套分离的过程中，产生与该过程中的机械信号相对应的摩擦起电电流信号；
[0012]铰链机构在铰链轴与铰链轴套处于接触、碰撞或摩擦状态时，电信号为0，光信号不为0；在铰链轴与铰链轴套由接触状态转变为分离状态时，光信号为0，电信号不为0，铰链轴与铰链轴套之间构成电容结构并产生电流信号；
[0013]控制记录系统通过驱动系统连接执行机构组件，并通过驱动系统控制执行机构组件的运动；
[0014]光信号采集系统设置在铰链机构周围，控制记录系统连接光信号采集系统，并获取光信号采集系统所采集的由铰链机构产生的光信号，以得出铰链机构接触、碰撞、摩擦过程中的速度、位移、受力和加速度动态响应参数；
[0015]电信号采集系统连接铰链机构，控制记录系统连接电信号采集系统，并获取电信号采集系统所采集的由铰链机构产生的电信号，以得出铰链机构分离过程中的速度、位移、受力和加速度动态响应参数。
[0016]优选的，电信号采集系统为电桥电路，或者为电桥电路、示波器和电化学工作站；
[0017]电桥电路连接铰链机构和控制记录系统，并将其从铰链机构导出的摩擦起电电流信号传输给控制记录系统；
[0018]示波器连接电桥电路和控制记录系统，并将其记录的电桥电路的开路电压信号传输给控制记录系统；
[0019]电化学工作站连接电桥电路和控制记录系统，并将其记录的电桥电路的短路电流信号传输给控制记录系统。
[0020]优选的，光信号采集系统包括光谱仪、光子计数器和相机，其中，光谱仪连接控制记录系统，并向控制记录系统发送由自身的光电探测器所记录的间隙铰链的摩擦发光光谱；光子计数器连接控制记录系统，并将其收集的摩擦发光光强发送给控制记录系统；相机连接控制记录系统，并将其摄录的光轨传输给控制记录系统。
[0021]优选的，相机数量为多台，且分布在不同的位置以360度全方位摄录光轨。
[0022]优选的，控制记录系统采用电脑或工控机。
[0023]本技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0024]1、本技术以间隙铰链作为摩擦起电和摩擦发光传感器，利用摩擦起电和摩擦发光效应，将间隙铰链运动过程中的机械信号转变成光、电信号，利用这些光、电信号即可原位实时动态研究间隙铰链的动力学行为，无需额外的传感器。并且，摩擦起电与摩擦发光效应分别对应非接触和接触状态，电、光信号错峰互补，因此利用光、电信号来研究间隙铰链的动力学行为可以非常直观清晰。
[0025]2、与传统的压力传感器相比，本技术所构建的摩擦电传感器具有以下优势：(1)既可以使用开路电压信号进行静态测量，又可以使用短路电流信号测量机械触发的尖峰信号动态过程；(2)静态和动态传感的迅速响应使其能揭示加载压力的细节；(3)由于电输出高，动态感测的检测极限低、灵敏度高；(4)除了简单的压力刺激外，还可以检测剪切、拉伸、弯曲和扭曲等其他动态机械刺激的多个力分量。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，包括执行机构组件、驱动系统、光信号采集系统、电信号采集系统和控制记录系统，其中，执行机构组件包括已采用摩擦起电材料加工过的铰链轴，已采用具有摩擦发光效应的材料加工过的铰链轴套，铰链轴和铰链轴套组合成含间隙的铰链机构，该铰链机构作为以运行的铰链机构的动力学过程为激励源，生成与动力学过程中的机械信号相对应的电信号、光信号的摩擦起电传感器和摩擦发光传感器；控制记录系统通过驱动系统连接执行机构组件，并通过驱动系统控制执行机构组件的运动；光信号采集系统设置在铰链机构周围，控制记录系统连接光信号采集系统，并获取光信号采集系统所采集的由铰链机构产生的光信号；电信号采集系统连接铰链机构，控制记录系统连接电信号采集系统，并获取电信号采集系统所采集的由铰链机构产生的电信号。2.根据权利要求1所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，运行过程中的铰链轴和铰链轴套会因间隙而发生接触、碰撞、摩擦、分离；铰链机构在铰链轴与铰链轴套接触、碰撞、摩擦的过程中，以该过程激励发光作为内光源，产生与该过程中的机械信号相对应的光信号；铰链机构在铰链轴与铰链轴套分离的过程中，产生与该过程中的机械信号相对应的摩擦起电电流信号。3.根据权利要求2所述的间隙铰链力学特性测试系统，其特征在于，铰链机构在铰链轴与铰链轴套处...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽新，张宪民，方立明，汤绮雯，钟伟健，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：