测试技术大作业
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
测试技术与仪器大作业
课程名称：机械工程测试技术基础
设计题目：工件刚度测量
院系：实验学院
班级：0836105
设计者：沈孝通
学号：6080810523
指导教师：邵东向
设计时间：2011.6.27
哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学课程设计任务书
一、 题目要求
工件如图所示，要求测量出工件的刚度值，在力F 的作用下球头部将向下变形，力的大小不应超过500N ，球头位移量约200微米。刚度测量结果要满足1%的精度要求。
图1 工件图
任务要求如下：
（1）根据被测物理量选用适合的传感器系列；例如尺寸量测量传感器，电阻应变式传感器，电感式传感器，电容传感器，磁电传感器、CCD 图像传感器等等。
（2）分析所给任务的测量精度，并根据精度指标初选适合该精度的传感器系列；测量精度一般根据被测量的公差带利用的是误差不等式来确定，例如公差带达到10μm 时测量精度一般应达到公差带的1/5，即小于2μm 。满足此精度的传感器有电阻应变式传感器，电感式传感器等，但考虑精度的同时还要考虑量程等其它方面的因素，参考第3章传感器的选用原则一节。
（3）选择合理的测量方法。根据被测量的特点及题目要求，综合考虑测量方便，适合于批量测量的特点，确定合理的测量方案，并画出测量方案简图，可以配必要的文字说明。
二、 方案设计
因需要测量工件的刚度，由工件的刚度公式： F K y
式中K 为工件的刚度；
F 为施加在工件上的作用力；
y 为在力F 作用下的位移；
根据上式，测定刚度的方式有两种，一种是在恒力的作用下测定工件头部的变形量；一种是在一定变形量的作用下测定力的大小。考虑到后种方法，需要控制工件的位移量一定是比较困难的，因为按照后种方法仍需采用位移传感器去检测工件的位移的量，因而无论从测试方法还是从测试成本上都是不合理的。因而采用前种方法，给工件施加一定大小的力是比较容易做到的，只需要测定该力的作用下位移的大小即可求出工件的刚度。
为了给工件施力，必须对工件定位和夹紧。设计了如图2所示的末端支撑部件。
图2支撑零件
F
为了对工件进行定位，考虑到工件的对称性，设计了如图3所示的定位元件，可以确保工件的伸出的长度为一定值。
图3 定位零件
因内孔带锥度，当左右两块该零件配合时，可以确保工件从支撑部件伸出一定长度，从而准确测量，其定位及支撑原理如图4所示。
图4 定位及支撑
根据题目中第（3）条要求，适合批量测量。待测工件放在V 型槽中，左右两块锥形孔对合，通过推杆机构推到支撑孔中，直到工件与锥形孔配合，这样就能够保证工件伸出的长度是一定的，只有这样测定的刚度才是准确的。同时通过图2所示的支撑零件，能够保证工件的尾部固定，消除了工件尾部的移动对工件头部的位移的影响。测量时，左右两块定位元件分开，避免对工件的测量造成影响。
三、 传感器的选择
按照题目要求（2），传感器的选择应该能够满足精度的要求。因实际测量的为位移，精度要求为刚度的要求，因而需要进行转换。
2F K y y ?=-? 相对精度误差为 2()/(/)K F y y F y K y y
??=-?=- 刚度相对误差为1%，根据上式，测量位移的相对误差要控制在1%，因位移约为200um ，因而位移传感器的误差要控制在2um 内。因位移约为200um ，为使测量值约为满量程的2/3，因而选择传感器的满量程为300um 。综上分析，传感器的满量程为300um ，传感器的相对误差控制在1%，传感器的分辨率应低于2um 。
因工件上不好安装传感器，因而应该根据测量头的纵向位移来判断工件头部的变形量。因而当从刚开始接触工件开始，到加载到450N （小于500N ）结束，此过程中测量头的位移。
根据参考文献[1]P81介绍，可选择电涡流位移传感器，其测量范围0-15mm ，分辨率达1um ，因而满足上述的精度要求。综上分析，采用电涡流位移传感器。
四、 总体测量方案
图5 总体方案
如图5所示，在圆柱形测量头上施加一定的恒力450N ，通过电涡流位移传感器测量测量头的位移，为减小本身的测量头的伸缩的影响，测量头的刚度必须很大。定位元件用来控制工件伸出的长度一定。支撑元件用来固定工件的尾部。待测元件放置在V 型槽里，用于大批量的检测。 五、 参考文献
[1]. 邵东向，李良主编. 机械工程测试技术基础. 哈尔滨工业大学出版社，2003 F 定位元件
支撑元件
待测工件
测量头