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专利名称：双杠杆式力标准机及其校准与标定方法
技术领域：
本发明涉及一种杠杆式精密力值加载装置及其校准与标定方法，更具体地说，本 发明涉及一种双杠杆式力标准机及其校准与标定方法。
背景技术：
力值计量是国民经济建设中起着重要作用的基本计量技术。在力值计量领域最基 本的设备和仪器之一是力标准机，其中杠杆式力标准机在测力仪研制、生产、使用的各种场 合应用极其广泛。在火炮等武器生产中，利用塑性变形测压法测量膛内压力，应用广泛，它 需要精密的力值施加装置。已有的用于上述目的的杠杆式力标准机(或者加载装置)，存在如下缺点结构复 杂，施加力值级数有限，效率低，成本高，自动化程度低，使用不便等。为解决上述技术问题，需要新的力标准机及新的技术方法。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种双杠杆式 力标准机。同时也提供了双杠杆式力标准机的校准与标定方法。为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的所述的双杠杆式力标 准机包括加载杠杆系统与平衡杠杆系统，加载杠杆系统包括同步带、平板与偏心轮张紧机 构，平衡杠杆系统包括配重砝码与零点平衡杠杆横梁。所述的配重砝码为上下或左右双体 拆卸结构，配重砝码由附加配重砝码、原配重砝码、定位销与紧固螺钉组成。原配重砝码固定在零点平衡杠杆横梁的左端，附加配重砝码通过定位销与原配重 砝码左端面或底面相接触，再用紧固螺钉固定。技术方案中所述的偏心轮张紧机构包括偏心轴、2个弹簧挡圈、N个轴承、隔套与 螺钉。所述的偏心轴一端设置成台阶或四方柱体或六方柱体，在偏心轴的中心线偏离距离 为e处开有通孔，该通孔的回转轴线与偏心轴的中心线平行，采用螺钉将偏心轴紧固在平 板上。偏心轴上依次套装有弹簧挡圈、轴承、第N个所述的轴承与所述的弹簧挡圈。N个轴 承的轴承外环与同步带无齿面相接触，N个轴承的内孔与偏心轴之间是小过盈配合，当N个 轴承的宽度小于同步带宽度时，在轴承之间加一个隔套使N个轴承与隔套的宽度之和大于 等于同步带的宽度，N取大于等于1的自然数。一种所述的双杠杆式力标准机的利用重力砝码Wb的校准与标定方法，包括如下步 骤1.首先对双杠杆式力标准机进行零点平衡校准；2.在反向架下横梁的上端面放置重力为Wb的重力砝码；3.再次实施零点平衡校准；
4.记住砝码位移L1，则单位位移的作用力&二 "^；
5.为了使用方便，位移L1直接用编码器的脉冲数表示，于是k用单个脉冲的作用 力&代替，kp = WB/Pl，其中pi是砝码移动L1距离编码器输出的脉冲数。一种所述的双杠杆式力标准机的利用配重W1的校准与标定方法，包括如下步骤1.运用测力传感器确定Δ (W1S1)；2.在改变配重即加上Δ (W1S1)的情况下进行零点平衡的校准；3.去掉Δ (W1S1)，在被施加力值的试件安装位置安装一个测力传感器；4.通过移动动横梁使测力传感器与加载的反向架接触，直至主杠杆横梁处于水平 状态；5.读取测力传感器的数据，以确定Δ (W1S1)引起的力值变化ΔΡ ；6.通过移动动横梁使测力传感器与加载的反向架脱离接触，移动砝码使主杠杆横
W AP
梁回复水平状态，记下并计算移动距离Δ Ltl，测得比例系数j = ‘，ALtl可以用脉冲数P(l
表示，比例系数！也可以用单位脉冲的力值、=^表示， SPo式中ALtl.砝码位移变化量，ΔΡ.改变Δ (W1S1)引起的力值变化。利用重力砝码Wb与利用配重W1两种校准与标定方法的技术方案中所述的零点平 衡的校准包括如下步骤
W1.校准时将反向架与动横梁分离，即尸=7丄中的P = 0 ；
O2.使砝码移至差动变压器指示主杠杆横梁处于水平状态的零点左右位置，然后微 调砝码在零点位置Ltl，此时差动变压器显示在士0. 015mm范围之内即主杠杆横梁处于水平 状态，此后，只要记住零点则无需再实施零点平衡；3.由位移传感器记录砝码在主杠杆横梁上零点的位置。与现有技术相比本发明的有益效果是1.本发明所述的双杠杆式力标准机通过采用固定质量的砝码沿杠杆横梁移动改 变杠杆比达到改变施加力值大小的目的，省去了传统杠杆式力标准机复杂的砝码加卸系 统，使机器结构简化。在此基础上采用双杠杆结构，即采用平衡杠杆，通过调整平衡杠杆的 配重实现双杠杆式力标准机零点自然平衡，无需在使用时因被测试件的改变使零点变化而 不得不进行实施零点平衡。2.本发明所述的双杠杆式力标准机中的平衡杠杆的配重做成双体可拆卸结构，可 以同时起到减小设备体积和兼做标定的作用。3.本发明所述的双杠杆式力标准机的零点可以随时进行校准，校准方法简单，通 过自动改变砝码在横梁上的位置即可以实现。4.本发明所述的双杠杆式力标准机的标定方法简便、可靠，可以采用重力砝码进 行标定。将重力砝码放置在反向架下横梁上端面上，只要测出施加重力砝码前后平衡状态 下主杠杆横梁上砝码移动的距离即可以实现对本发明所述的双杠杆式力标准机的标定。5.试样在本发明所述的双杠杆式力标准机的安装位置对力值的影响不敏感。6.本发明所述的双杠杆式力标准机中移动砝码的同步带传动采用偏心轮张紧机构，结构紧凑，使用方便可靠。


下面结合附图对本发明作进一步的说明图1为本发明所述的双杠杆游码式力标准机的沿主杠杆横梁纵向对称面剖切的 结构组成的轴测投影图(没有剖电控柜)；图2为本发明所述的双杠杆式力标准机的机构模型和静力平衡原理图；图3为本发明所述的双杠杆式力标准机当试件安装偏心时的工作原理图；图4为本发明所述的双杠杆式力标准机当试件安装偏心时等效工作原理图；图5-a为本发明所述的50kN双杠杆游码式力标准机零位校准与力值校准结构示 意图；图5-b为本发明所述的50kN双杠杆游码式力标准机中的配重砝码左右放置的结 构组成的分解表示的轴测投影图；图6_a为本发明所述的双杠杆游码式力标准机中的配重砝码上下放置的结构组 成的轴测投影图；图6_b为本发明所述的双杠杆游码式力标准机中的配重砝码上下放置的结构组 成的分解表示的轴测投影图；图7_a为本发明所述的双杠杆游码式力标准机中的偏心轮张紧机构的结构组成 的轴测投影图；图7_b为本发明所述的双杠杆游码式力标准机中的偏心轮张紧机构的结构组成 的分解表示的轴测投影图；图8_a为本发明所述的双杠杆游码式力标准机的零点平衡校准方法的流程框图；图8_b为本发明所述的双杠杆游码式力标准机的重力砝码标定方法的流程框图；图8-c为本发明所述的双杠杆游码式力标准机的配重标定方法的流程框图；图中1.力点刀承，2.伺服电机，3.支点刀承，4.工件，5.动横梁，6.零点平衡杠 杆横梁，7.电控柜，8.滚珠丝杠，9.主杠杆横梁，10.砝码，11.差动变压器，12.重力砝码， 13.杠杆第2力点刀承，14.杠杆第2支点刀承，15.附加配重砝码，16.原配重砝码，17.定 位销，18.紧固螺钉，19.配重砝码，20.偏心轴，21.弹簧挡圈，22.轴承，23.隔套，24.螺钉， 25.平板。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细的描述一 ·双杠杆游码式力标准机参阅图1，双杠杆游码式结构的力标准机由加载杠杆系统、平衡杠杆系统、主机架、 反向架和电控柜7组成。加载杠杆系统包括偏心轮张紧机构、力点刀承1、伺服电机2、支点 刀承3、滚珠丝杠8、主杠杆横梁9、砝码10与差动变压器11。平衡杠杆系统包括配重砝码19、零点平衡杠杆横梁6、杠杆第2力点刀承13与杠 杆第2支点刀承14。加载杠杆系统与平衡杠杆系统分别通过支点刀承3与杠杆第2支点刀承14 一上一下地安装在主机架上，加载杠杆系统中的主杠杆横梁9与平衡杠杆系统中的零点平衡杠 杆横梁6水平放置，且处于同一垂直平面内，S卩加载杠杆系统位于平衡杠杆系统的上方。加 载杠杆系统根据第二类杠杆原理工作，其支点位于杠杆的左端，力点位于杠杆的中部。平衡 杠杆系统根据第一类杠杆原理工作，其支点位于杠杆的中部，力点位于杠杆的右端。主杠杆 横梁9的力点与零点平衡杠杆横梁6的力点通过力点刀承1、一根中间有反向架的杆与杠 杆第2力点刀承13连接，主杠杆横梁9与零点平衡杠杆横梁6的支点与力点之间的距离相 等，主杠杆横梁9的支点与零点平衡杠杆横梁6的支点位于同一铅垂线上。加载杠杆系统 的砝码10可以沿着主杠杆横梁9精确移动位置，从而改变杠杆比的大�。涣愕闫胶飧芨撕� 梁6可以平衡主杠杆横梁9和砝码10的重力，零点平衡杠杆横梁6的左端装置有固定质量 可调的配重砝码19。运用杠杆平衡原理实现力标准机零点自然平衡；通过改变砝码10在主杠杆横梁9 上的位置，重现零点平衡状态完成零位校准；利用较小的重力砝码达到对力标准机进行力 值标定的目的。参阅图5与图6，配重砝码19是双体可拆卸结构，它既可以做成上下可拆卸结构 的配重砝码19，也可以做成左右可拆卸结构的配重砝码19，即配重砝码19由附加配重砝码 15、原配重砝码16、定位销17与紧固螺钉18组成。原配重砝码16采用螺钉固定在零点平 衡杠杆横梁6的左端，附加配重砝码15通过定位销17与原配重砝码16左端面或底面定位 接触，再用紧固螺钉18固定。其中附加配重砝码15可以根据需要取下或更换，改变自然平 衡零点位置，达到减小设备体积的目的。参阅图7，沿主杠杆横梁9纵向安装有滚珠丝杠8，主杠杆横梁9的左端安装有伺 服电机2，主杠杆横梁9的左端面上安装有平板25，伺服电机2输出轴从平板25下端穿出 并安装有同步带轮，滚珠丝杠8的左端从平板25上端穿出并安装有同步带轮，伺服电机2 通过同步带来带动滚珠丝杠8转动。砝码10由滚珠丝杠8上的丝杠螺母带动并沿主杠杆 横梁9上的滚动导轨移动，伺服电机2通过同步带改变砝码10在主杠杆横梁9上的位置， 同步带的张紧采用偏心轮张紧机构。该偏心轮张紧机构根据一偏心轴绕中心线回转时其外 表面的径向尺寸发生变化的原理工作。偏心轮张紧机构由偏心轴20、弹簧挡圈21、N个结 构相同的轴承22、隔套23与螺钉M组成。偏心轴20 —端端面是非光滑表面用于增加摩擦力，另一端制作有可以使用扳手 工具的台阶或四方柱体或六方柱体。和偏心轴20的中心线偏离距离为e处开有通孔，该通 孔的回转轴线与偏心轴20的中心线平行，采用螺钉M将偏心轴20紧固在平板25上，螺钉 24在偏心轴20转动时起到中心定位的作用。当轴承22是一个时，偏心轴20外缘(外圆 柱面)上依次套装有弹簧挡圈21、轴承22与另一个结构相同的弹簧挡圈21，轴承22轴承 内环的内孔与偏心轴20外缘(外圆柱面)是小过盈配合。偏心轮张紧机构装配完成后，轴 承22的轴承外环的外圆柱面与同步带无齿面相接触，轴承22轴承外环的宽度不小于同步 带宽度。当偏心轴20绕螺钉M中心轴线回转时，同步带向内(有齿一例)的最大位移量 等于偏心轴20的偏心距e的两倍。轴承22可以是一个，也可以是大于等于2个，当轴承22 的数量为大于等于2个时，偏心轴20外圆柱面上依次套装有弹簧挡圈21、轴承22、另一个
结构相同的轴承22、第3个轴承22......与另一个结构相同的弹簧挡圈21，也就是说，偏
心轴20上依次套装有弹簧挡圈21、轴承22、第N个结构相同的轴承22与所述的弹簧挡圈
7
21，N个轴承22轴承外环的圆柱面与同步带无齿面相接触，N个轴承22的内孔与偏心轴20 之间是小过盈配合，N取大于等于1的自然数。大于等于1个结构相同的轴承22的总宽度 不小于同步带宽度。如果大于等于1个结构相同的轴承22的宽度略小于同步带宽度，可在 任何两个轴承22之间加装一个隔套23，使N个轴承22与隔套23的宽度之和大于等于同步 带的宽度。大于等于1个的轴承22与隔套23在偏心轴20上的轴向位置由两端的弹簧挡 圈21实现。轴承22选用深沟式球轴承，实施例中e = 3mm。使用时使套装在偏心轴20外缘上的轴承22外环的外圆柱面与同步带无齿面接 触，用扳手工具扳动偏心轴20上的台阶(或四方柱体或六方柱体)使偏心轴20绕螺钉M 中心轴线回转，调整偏心轴20外缘与被张紧皮带垂直方向的位移量即调整偏心轴20外缘 与被张紧皮带垂直方向的径向尺寸，偏心轮张紧机构通过偏心轴20上的轴承22将同步带 压紧实现同步带的有效传动。偏心轴20外缘与被张紧同步带垂直方向的最大位移量等于 偏心轴20的偏心距e的两倍。二 .双杠杆式力标准机的标定方法基于杠杆放大原理的双杠杆式力标准机零点平衡、零位校准与标定对力标准机工 作性能具有重要影响。本发明同时提供了一种双杠杆游码式力标准机的标定方法，它有效 解决双杠杆游码式力标准机的零点平衡、零位校准与力值标定问题。I.双杠杆式力标准机的基本原理参阅图2，图中所示为双杠杆游码式力标准机结构模型和静力平衡原理。其中上 部杠杆为主杠杆横梁9，起着直接对试件施加载荷的作用，依据第二类杠杆原理工作，它左 端支点固定，中间点D为对试件的施力点，可以移动的砝码10(重力为W)作为力源在右侧 且位置可变。下部杠杆为零点平衡杠杆横梁6，依据第一类杠杆原理工作，它的中间支点固 定，左端为配重砝码19 (重力为W1)，右端点起着对主杠杆横梁9施加平衡力的作用，通过一 根中间有反向架的立杆与主杠杆横梁9的施力点D连接。主杠杆横梁9与零点平衡杠杆横 梁6平行且水平放置，主杠杆横梁9的施力点D与零点平衡杠杆横梁6的右端点连接，两个 杠杆系统的固定支点位于同一铅垂线上，且两个臂长相等为S。主杠杆横梁9水平状态由安 装于主杠杆横梁9上的型号为LVDT的差动变压器11检测。被施加力值的试件(例如测力传感器)放置在一个矩形的反向架内，由安装在主 机架上的动横梁5支承即试件放置在动横梁5的上工作面上。反向架的上下立杆与被施加 力值的试件轴线共线。根据杠杆的静力平衡原理，不考虑固定支点处(支点刀承3)的摩擦， 各杆件的重力和位置在主杠杆横梁9处于平衡时是确定的，设主杠杆横梁9的自重为Wtll， 质心位置Ltll，上下立杆和反向架的重力为Wtl2，零点平衡杠杆横梁6的自重为Wtl3，质心位置 Lc ，分析时视作刚性件，则可得作用于被施加力值的试件上的力P为P = ^L + hwLQ+ WoxLm + W02S + W0iL03 - WiSl)(0)设当P = 0时L = 0，且主杠杆横梁9处于水平，此时状态设为双杠杆游码式力标 准机的零点，其平衡条件^(JVl0+ W01L01 + W02S + W03L03 — W1S1) = 0
O于是得

权利要求
1.一种双杠杆式力标准机，包括加载杠杆系统与平衡杠杆系统，加载杠杆系统包括同 步带、平板0 与偏心轮张紧机构，平衡杠杆系统包括配重砝码(19)与零点平衡杠杆横梁 (6)，其特征在于，所述的配重砝码(19)为上下或左右双体拆卸结构，配重砝码(19)由附加 配重砝码(15)、原配重砝码(16)、定位销(17)与紧固螺钉(18)组成；原配重砝码(16)固定在零点平衡杠杆横梁(6)的左端，附加配重砝码(1 通过定位 销(17)与原配重砝码(16)左端面或底面相接触，再用紧固螺钉(18)固定。
2.按照权利要求1所述的双杠杆式力标准机，其特征在于，所述的偏心轮张紧机构包 括偏心轴O0)、2个弹簧挡圈(21)、Ν个轴承(22)、隔套03)与螺钉Q4)；所述的偏心轴OO) —端设置成台阶或四方柱体或六方柱体，在偏心轴OO)的中心线 偏离距离为e处开有通孔，该通孔的回转轴线与偏心轴OO)的中心线平行，采用螺钉04) 将偏心轴OO)紧固在平板0 上，偏心轴OO)上依次套装有弹簧挡圈(21)、轴承(22)、 第N个所述的轴承0 与所述的弹簧挡圈01)，N个轴承0 的轴承外环与同步带无齿 面相接触，N个轴承0 的内孔与偏心轴OO)之间是小过盈配合，当N个轴承的宽度小于 同步带宽度时，在轴承之间加一个隔套03)使N个轴承02)与隔套03)的宽度之和大于 等于同步带的宽度，N取大于等于1的自然数。
3.—种权利要求1所述的双杠杆式力标准机的利用重力砝码Wb的校准与标定方法，其 特征在于，所述的双杠杆式力标准机的利用重力砝码Wb的校准与标定方法包括如下步骤1)首先对双杠杆式力标准机进行零点平衡校准；2)在反向架下横梁的上端面放置重力为Wb的重力砝码(12)；3)再次实施零点平衡校准；W4)记住砝码(10)位移L1,则单位位移的作用力&=5)为了使用方便，位移L1直接用编码器的脉冲数表示，于是k用单位脉冲的作用力kp 代替，kp = WB/Pl，其中P1是砝码(10)移动L1距离编码器输出的脉冲数。
4.一种权利要求1所述的双杠杆式力标准机的利用配重巧的校准与标定方法，其特征 在于，所述的双杠杆式力标准机的利用配重W1的校准与标定方法包括如下步骤1)运用测力传感器确定Δ(W1S1)；2)在改变配重即加上Δ(W1S1)的情况下进行零点平衡的校准；3)去掉△(W1S1),在被施加力值的试件安装位置安装一个测力传感器；4)通过移动动横梁( 使测力传感器与加载的反向架接触，直至主杠杆横梁(9)处于 水平状态；5)读取测力传感器的数据，以确定
5.按照权利要求4或5所述的双杠杆式力标准机的校准与标定方法，其特征在于，所述 的零点平衡的校准包括如下步骤W1)校准时将反向架与动横梁(5)分离，即Ρ= 中的P = O;2)使砝码(10)移至差动变压器(11)指示主杠杆横梁(9)处于水平状态的零点左右位 置，然后微调砝码(10)在零点位置L。，此时差动变压器(11)显示在士0.015mm范围之内即 主杠杆横梁(9)处于水平状态，此后，只要记住零点则无需再实施零点平衡；3)由位移传感器记录砝码(10)在主杠杆横梁(9)上零点的位置。
全文摘要
本发明公开了一种双杠杆式力标准机及其校准与标定方法，旨在克服现有技术存在的结构复杂、施加力值级数有限与效率低等问题。力标准机包括加载杠杆系统与平衡杠杆系统。加载杠杆系统包括同步带与偏心轮张紧机构。平衡杠杆系统包括配重砝码。所述的偏心轮张紧机构包括偏心轴、弹簧挡圈、轴承、隔套与螺钉。所述的配重砝码为上下或左右双体拆卸结构，配重砝码由附加配重砝码、原配重砝码、定位销与紧固螺钉组成。校准与标定方法包括进行零点平衡的校准；在反向架下横梁的上端面放置重力砝码；再次实施零点平衡的校准；记住砝码位移与位移直接用编码器的脉冲数表示等步骤。本发明还提供了一种利用配重砝码对双杠杆式力标准机进行校准与标定的方法。
文档编号G01L25/00GK102087157SQ201010544380
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者张学成, 张晟, 赵恒喜, 郑烨炜 申请人:吉林大学