一种应变足结构和一种力矩测量平台

技术领域

本发明涉及微振动测量领域，尤其涉及一种应变足结构和一种力矩测量平台。

背景技术

随着空间望远镜技术的不断发展，对其指向稳定度的要求更高，从而对微振动的指标也更为严苛。为了探究微振动对望远镜系统等大型设备的影响，研究其振源的扰振特性就显得尤为重要。空间望远镜加上其工装质量可达一吨以上，因此需要一种力矩测量平台，能在精度、尺寸、负载能力上满足测量大型航天设备振源的要求。

目前，对于振源的地面测量多采用压电结构进行扰振力测试，其中以Stewart构型最为常用，但其松散的结构会明显降低平台的刚度，此外压电陶瓷在低频处的动态特性非常不好，难以对低频振动有较好的测量，且Stewart构型对力矩存在耦合，在测量过程中需要解耦，这难免会引入维间耦合误差。

因此，如何提高测量平台的负载能力和刚度、减少力的维间耦合、并在低频有较好的动态特性是当前微振动测量领域亟需要解决的问题。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，提出了一种应变足结构和一种力矩测量平台，该测量平台具有较低的维间耦合和较高的灵敏度，能够在较大程度上减少测量的误差，提高测量的可靠性，并且能够以较好的特性测量大质量设备的低频扰振力，可应用在空间望远镜等质量大、精度要求高的设备的地面振动检测之中。

为实现上述目的，本发明提供如下具体技术方案：

在第一方面，本发明提供了一种应变足结构，包括加载块、连接块、固定块和底座；

加载块的顶面设置有至少一个第一定位孔；

连接块的形状呈L型，包括水平连接部和竖直连接部，水平连接部和竖直连接部垂直设置，水平连接部通过水平应变梁与加载块的一侧连接；水平应变梁的上下两侧分别设置有第一应变片；

固定块设置于竖直连接部的下方，并通过竖直应变梁与竖直连接部的底面连接；竖直应变梁在沿厚度方向的两侧分别设置有第二应变片；固定块上还设置有第二定位孔；

底座上设置有与第二定位孔相适配的第三定位孔，第三定位孔的位置与第二定位孔的位置相对应。

作为一种可选的实施例，连接块、水平应变梁、竖直应变梁、固定块的数量分别为4个；

4个连接块环形设置于加载块的四周，每个连接块的水平连接部通过一个水平应变梁与加载块的一侧边连接，相邻的水平应变梁沿其长度方向上的夹角为90°；

每一固定块沿竖直方向通过一个竖直应变梁与一个连接块的竖直连接部连接，相邻的竖直应变梁沿其长度方向上的夹角为90°。

作为一种可选的实施例，水平应变梁的厚度小于水平连接部的厚度，和/或竖直应变梁的厚度小于竖直连接部的厚度。

作为一种可选的实施例，第一应变片设置于水平应变梁沿其长度方向上的中点位置，和/或第二应变片设置于竖直应变梁沿其长度方向上的中点位置。

作为一种可选的实施例，还包括过载保护结构；

过载保护结构包括支撑柱和圆状保护结构，支撑柱设置于底座的顶面，圆状保护结构设置在支撑柱上，圆状保护结构与加载块、连接块、固定块、水平应变梁、竖直应变梁之间均间隙配合。

在第二方面，本发明还提供了一种力矩测量平台，包括至少两个应变足结构和置物台；

至少两个应变足结构为如本发明第一方面的应变足结构；

置物台设置于两个应变足结构的上方，置物台的底面在第一定位孔的对应位置设置有第四定位孔。

作为一种可选的实施例，应变足结构的数量为4个，置物台的形状为矩形；4个应变足结构分别设置于置物台的4个边角位置。

作为一种可选的实施例，置物台的底面还设置有减重槽，减重槽内还设置有多根垂直于置物台的底面的加强筋。

作为一种可选的实施例，置物台的中心位置还设置有沿厚度方向贯穿置物台的沉孔，沉孔的形状为圆形。

作为一种可选的实施例，置物台的顶面还设置有用于固定振源的第五定位孔。

本发明能够取得以下技术效果：

本发明提供了一种应变足结构和一种力矩测量平台，力矩测量平台包括多个应变足结构和置物台，通过多个应变足结构来支撑置物台，提高了置物台的负载能力。每一应变足结构包括加载块、连接块和固定块；连接块包括水平连接部和竖直连接部，水平连接部和竖直连接部垂直设置，水平连接部通过水平应变梁与加载块的一侧连接；固定块设置于竖直连接部的下方，并通过竖直应变梁与竖直连接部的底面连接。通过应变足结构中设置的水平应变梁和竖直应变梁，减少了维间耦合，提高力矩测量平台的测量精度，在水平应变梁和竖直应变梁上分别设置应变片，使得力矩测量平台具有较好的低频动态特性。

附图说明

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；

图2是本发明一实施例涉及的应变足结构的结构示意图；

图3是本发明一实施例涉及的置物台的俯视图；

图4是本发明一实施例涉及的置物台的仰视图；

图5是本发明另一实施例涉及的应变足结构的结构示意图；

图6是本发明一实施例涉及的应变足结构的仰视结构示意图；

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；

图8是本发明一实施例涉及的底座的结构示意图；

图9是本发明一实施例涉及的某一个应变足结构上的应变片的分布示意图；

图10是本发明一实施例涉及的全桥电路示意图；

图11是本发明实施例一实施例涉及的某一个应变足结构受第一方向上力的有限元分析图；

图12是本发明实施例一实施例涉及的某一个应变足结构受第二方向上力的有限元分析图；

图13是本发明实施例一实施例涉及的某一个应变足结构受第三方向上力的有限元分析图。

附图标记：

1、置物台；

11、沉孔；

12、第五定位孔；

13、第四定位孔；

14、减重槽；

15、加强筋；

2、应变足结构；

21、十字应变单元；

211、加载块；

2110、第一竖直应变梁；

2111、第二竖直应变梁；

2112、第三竖直应变梁；

2113、第四竖直应变梁；

2114、第一固定块；

2115、第二固定块；

2116、第三固定块；

2117、第四固定块；

2118、第一定位孔；

21141、第二定位孔；

212、第一水平应变梁；

213、第二水平应变梁；

214、第三水平应变梁；

215、第四水平应变梁；

216、第一连接块；

217、第二连接块；

218、第三连接块；

219、第四连接块；

221、支撑定位孔；

222、圆状保护结构；

231、第三定位孔；

232、第六定位孔；

233、第七定位孔；

22、过载保护结构；

23、底座；

24、应变片；

241、第一应变片；

242、第二应变片；

243、第三应变片；

244、第四应变片；

245、第五应变片；

246、第六应变片；

247、第七应变片；

248、第八应变片；

249、第九应变片；

2410、第十应变片；

2411、第十一应变片；

2412、第十二应变片；

2413、第十三应变片；

2414、第十四应变片；

2415、第十五应变片；

2416、第十六应变片。

具体实施方式

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。

如图2、图5和图6所示，在第一方面，本发明提供了一种应变足结构2，包括加载块211、连接块、固定块和底座23。

加载块211的顶面设置有至少一个第一定位孔2118；

连接块的形状呈L型，包括水平连接部和竖直连接部，水平连接部和竖直连接部垂直设置，水平连接部通过水平应变梁与加载块211的一侧连接；水平应变梁的上下两侧分别设置有第一应变片；

固定块设置于竖直连接部的下方，并通过竖直应变梁与竖直连接部的底面连接；竖直应变梁在沿厚度方向的两侧分别设置有第二应变片；固定块上还设置有第二定位孔21141；

底座23上设置有与第二定位孔21141相适配的第三定位孔231，第三定位孔231的位置与第二定位孔21141的位置相对应。

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。

在本实施方式中，同一应变足结构2内的水平应变梁的厚度方向与竖直应变梁沿厚度方向相互垂直。通过设置相互垂直的应变梁，实现减少维间耦合的效果，提高测量精度。

应变足结构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，通过在应变梁(水平应变梁或竖直应变梁)上设有应变片使得测量平台具有较好的低频动态特性。

在某些实施例中，连接块、水平应变梁、竖直应变梁、固定块的数量分别为4个；4个连接块环形设置于加载块的四周，每个连接块的水平连接部通过一个水平应变梁与加载块的一侧边连接，相邻的水平应变梁沿其长度方向上的夹角为90°；每一固定块沿竖直方向通过一个竖直应变梁与一个连接块的竖直连接部连接，相邻的竖直应变梁沿其长度方向上的夹角为90°。通过设置多个应变梁，在每一应变梁上都布置有至少两个应变片，当受到不同方向的外力时相应位置的应变梁发生形变，通过采集该应变梁上的应变片输出的信号变化就可以进行精准判断，从而提升测量进度。

优选的，如图8所示，底座的形状为长方体，在长方体底座的4个侧面上均设置有第三定位孔231，分别与4个固定块上的第二定位孔进行配合固定，从而通过一个底座实现对4个固定块的固定，防止底座与4个固定块之间相对滑动。固定的方式可以采用螺栓锁固等。

在某些实施例中，水平应变梁的厚度小于水平连接部的厚度，和/或竖直应变梁的厚度小于竖直连接部的厚度。水平应变梁和竖直应变梁优选呈薄板状，这样可以使得应变梁的微小变形能够更加容易，提升测量的精度。

在实际应用场景中，可以通过设计应变梁的厚度、高度和宽度尺寸，改变应变梁的应变效果，从而影响应变足的灵敏度。通常，应变梁的宽度越小、厚度越小、高度越大，其对于受力后的形变变化的灵敏度就越高，但因放置振源的置物台需要依靠应变足结构进行支撑，应变梁的高度较高且宽度厚度较小将导致测量平台整体的刚度下降，即负载能力减小，因而对于应变梁的设计尺寸需要根据刚度和测量平台的分辨率要求通过仿真模拟计算得到。

优选的，第一应变片设置于水平应变梁沿其长度方向上的中点位置，和/或第二应变片设置于竖直应变梁沿其长度方向上的中点位置。通过将第一应变片设置于水平应变梁的中心位置以及通过将第二应变片设置于竖直应变梁的中心位置，能够使相应应变梁任意位置发生形变时应变片采集的信号变化更加均匀，提升测量的准确性。

在某些实施例中，如图7、图8所示，应变足结构还包括过载保护结构22，过载保护结构22包括支撑柱和圆状保护结构，支撑柱设置于底座的顶面，圆状保护结构设置在支撑柱上，圆状保护结构与加载块、连接块、固定块、水平应变梁、竖直应变梁之间均间隙配合。间隙配合是指设置的过程中不直接接触。圆状保护结构可为圆饼状、圆柱状或圆台状结构，例如图7中的圆状保护结构为圆饼状结构。

当应变足结构上方安装有置物台时，通过应变足结构的过载保护结构22可以起到限位保护作用，防止因载荷过大损坏应变足结构。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，此时圆状保护结构222的顶面或侧面与加载块211、连接块、固定块、水平应变梁、竖直应变梁之间均不接触。当置物台上放置的物体过载时，圆状保护结构222的顶面和侧面会与加载块211、连接块相接触，起到限位保护的作用，防止载荷过大损坏应变足。为了达到更好的保护作用在置物台未过载情况下，圆状保护结构与加载块、连接块、固定块、水平应变梁、竖直应变梁之间的间距小于应变梁能够发生的最大形变所移动的位移量。

支撑柱的端面上设置有支撑定位孔221，底座23的顶面上还设置有第七定位孔233，第七定位孔233的设置位置与支撑定位孔221的位置相对应，两者可以通过螺栓进行锁定，使得过载保护结构22能够固定于底座23上。为了增强过载保护结构的牢固性，支撑定位孔221和第七定位孔233的数量优选为多个。

在某些实施例中，底座23的顶面上还设置有第六定位孔232，第六定位孔232设置于第七定位孔233的外沿位置，与第七定位孔233互不重叠。第六定位孔232可以用于将应变足结构2固定于隔振台上。

如图2、图5-图9所示，假设x轴所在方向为第一方向，y轴所在方向为第二方向，z轴所在方向为第三方向，z轴与x轴和y轴正交。

应变足结构2包括十字应变单元21、过载保护结构22、底座23和应变片24。

其中，十字应变单元21包括加载块211、水平应变梁、连接块、竖直应变梁和固定块，水平应变梁包括第一水平应变梁212、第二水平应变梁213、第三水平应变梁214、第四水平应变梁215；连接块包括第一连接块216、第二连接块217、第三连接块218、第四连接块219；竖直应变梁包括第一竖直应变梁2110、第二竖直应变梁2111、第三竖直应变梁2112、第四竖直应变梁2113；固定块包括第一固定块2114、第二固定块2115、第三固定块2116、第四固定块2117。

其中，加载块211上设有第一定位孔2118，与置物台1上的第四定位孔13相配合，并通过螺栓固定连接。过载保护结构22的支撑定位孔221和底座23的第七定位孔233相配合，十字应变单元21的第二定位孔21141与底座23的第三定位孔231相配合，均通过螺栓固定连接。

第一水平应变梁212、第二水平应变梁213、第三水平应变梁214、第四水平应变梁215在加载块211周围环形分布。第一水平应变梁212连接于载块211的第一侧边和第一连接块216之间，第二水平应变梁213连接于载块211的第二侧边和第二连接块217之间，第三水平应变梁214连接于载块211的第三侧边和第三连接块218之间，第四水平应变梁215连接于载块211的第四侧边和第四连接块219之间。其中，第一水平应变梁212、第三水平应变梁214分布在第一方向上，第二水平应变梁213、第四水平应变梁215分布在第二方向上。

第一竖直应变梁2110连接在第一连接块216和第一固定块2114之间，第二竖直应变梁2111连接在第二连接块217和第二固定块2115之间，第三竖直应变梁2112连接在第三连接块218和第三固定块2116之间，第四竖直应变梁2113连接在第四连接块219和第四固定块2117之间。

具体的，每个十字应变单元21中的第一水平应变梁212、第二水平应变梁213、第三水平应变梁214、第四水平应变梁215和第一竖直应变梁2110、第二竖直应变梁2111、第三竖直应变梁2112、第四竖直应变梁2113均呈薄板状，使得应变梁的微小变形能够更加容易。其中，第一水平应变梁212、第二水平应变梁213、第三水平应变梁214、第四水平应变梁215在受到第三方向上的力时会发生较大应变，第一竖直应变梁2110、第三竖直应变梁2112在受到第一方向上的力时会发生较大应变，第二竖直应变梁2111、第四竖直应变梁2113在受到第二方向上的力时会发生较大应变。

具体的，第一水平应变梁212上贴有第一应变片241和第三应变片243，第二水平应变梁213上贴有第六应变片246和第八应变片248，第三水平应变梁214上贴有第二应变片242和第四应变片244，第四水平应变梁215上贴有第五应变片245和第七应变片247。每个水平应变梁上的2个应变片以水平应变梁沿第三方向上的中心面对称分布，由图13可得，当应变足结构受到第三方向上的力时4个水平应变梁的应变最大且形变相同，竖直应变梁上贴应变片处的应变可以忽略不计，即其他维度上的耦合较小，此外，4个水平应变梁上应变片设置位置优选为形变最大处。

具体的，第一竖直应变梁2110上贴有第九应变片249和第十一应变片2411，第三竖直应变梁2112上贴有第十应变片2410和第十二应变片2412，每个竖直应变梁上的2片应变片以每个竖直应变梁沿第一方向上的中心面对称分布。由图11可得，当应变足结构受到第一方向上的力时第一竖直应变梁2110、第三竖直应变梁2112的应变最大且形变相同，且四个水平应变梁、第二竖直应变梁2111、第四竖直应变梁2113上贴应变片处的应变可以忽略不计，即其他维度上的耦合较小，此外，两个竖直应变梁上应变片设置位置应于形变最大处。

具体的，第二竖直应变梁2111上贴有第十四应变片2414和第十六应变片2416，第四竖直应变梁2113上贴有第十三应变片2413和第十五应变片2415，每个竖直应变梁上的2片应变片以每个竖直应变梁沿第二方向上的中心面对称分布。由图12可得，当应变足受第二方向上的力时第二竖直应变梁2111、第四竖直应变梁2113的应变最大且形变相同，且四个水平应变梁、第一竖直应变梁2110、第三竖直应变梁2112上贴应变片处的应变可以忽略不计，即其他维度上的耦合较小，此外，两个竖直应变梁上应变片设置位置应于形变最大处。

在某些实施例中，第一应变片241、第二应变片242、第三应变片243、第四应变片244组成如图10所示的应变桥路A，应变桥路A用于测量Fz，Fz表示第三方向上的受力情况。第一应变片241、第二应变片242、第三应变片243、第四应变片244分别对应桥路A中的R1、R2、R3、R4。

第五应变片245、第六应变片246、第七应变片247、第八应变片248组成如图10所示的桥路B，应变桥路B用于测量Fz，第五应变片245、第六应变片246、第七应变片247、第八应变片248分别对应桥路B中的R1、R2、R3、R4。应变桥路B同样用于测量Fz，Fz表示第三方向上的受力情况。

第九应变片249、第十应变片2410、第十一应变片2411、第十二应变片2412组成如图10所示的应变桥路C，应变桥路C用于测量Fx，Fx表示第一方向上的受力情况。第九应变片249、第十应变片2410、第十一应变片2411、第十二应变片2412分别对应桥路C中的R1、R2、R3、R4。

第十三应变片2413、第十四应变片2414、第十五应变片2415、第十六应变片2416组成如图10所示的应变桥路D，应变桥路D用于测量Fy，Fy表示第二方向上的受力情况。第十三应变片2413、第十四应变片2414、第十五应变片2415、第十六应变片2416分别对应桥路D中的R1、R2、R3、R4。

在上述各实施方式的基础上，十字应变单元21可以为一体成型结构，如可以采用一整块料整体加工，这样可以避免存在组合装配带来的间隙和迟滞现象，提高应变足的使用寿命和测量精度。

在上述各实施方式的基础上，每个应变足结构2通过其上设置的4根水平应变梁和4个竖直应变梁均可测得两个Fz、一个Fx和一个Fy(若为动态扰振力，力为时间的函数，采样后为离散数据点)，在实际应用过程中，可以设置4个应变足结构2同时进行数据采样，得8个Fz、4个Fx和4个Fy，而后通过实验采集数据和优化算法可从8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：

F(ω)＝D(ω)V(ω)；

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。

在第二方面，如图1、图3和图4所示，本发明还提供了一种力矩测量平台，包括至少两个应变足结构2和置物台1；至少两个应变足结构为如本发明第一方面的应变足结构2；置物台1设置于两个应变足结构的上方，置物台1的底面在第一定位孔的对应位置设置有第四定位孔13。第四定位孔13用于与应变足结构2上的加载块211上的第一定位孔2118相配合，实现将应变足结构2固定于置物台1的底部，以对置物台1起到支撑作用。

优选的，应变足结构的数量为4个，置物台的形状为矩形；4个应变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)。

如图4所示，置物台1的底面还设置有减重槽14，减重槽14内还设置有多根垂直于置物台1的底面的加强筋15。优选的，置物台1的中心位置还设置有沿厚度方向贯穿置物台的沉孔11，沉孔11的形状为圆形。加强筋15可以设置于减重槽14的两个槽壁之间，也可以设置于减重槽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，在加强测量平台整体刚度的同时有效减轻测量平台整体的质量。

在某些实施例中，置物台1的顶面还设置有用于固定振源的第五定位孔12。第五定位孔12的数量优选为多个，环绕沉孔11分布，定位定位孔12的设置位置与振源上的定位孔的位置相对应，两者可以通过螺栓进行锁固。振源可以是动量轮、飞轮之类的振源等。

本发明提供一种应变足结构和力矩测量平台，该力矩测量平台主要包括置物台和4个应变足结构；应变足结构包括十字应变单元、过载保护结构、底座和应变片；十字应变单元包括加载块、水平应变梁、连接块、竖直应变梁和固定块；应变足结构与置物台固定连接；过载保护结构和十字应变单元固定连接在底座上；加载块用于连接置物台和应变足结构，水平应变梁连接于加载块和连接块之间，竖直应变梁连接于连接块与固定块之间，固定块与底座连接；通过4个应变足结构支撑置物台，提高了测量平台的负载能力；通过设置相互垂直的应变梁，实现减少维间耦合的效果，提高平台的测量精度，在应变梁上设有应变片使得平台具有较好的低频动态特性；将应变梁设计成薄板状，且应变片安装位置设为应变足结构在三个方向上受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，并通过实验和优化算法，从4个应变足结构冗余的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；过载保护结构保证了的设计保证了测量平台在测量过程中整体的安全性。

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。

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。

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。