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专利名称：可调式测力仪标定加载台的布局方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于传感测控技术领域，特别涉及测力仪的布局和标定检测。
背景技术：
工程中应用的测力仪可以把力或力矩载荷转换为相应的电信号从而便于测量出 载荷的大小和分布规律。测力仪按其测量原理可分为压电式，电阻应变式，压阻式，压磁式， 电容式等；按测量方向个数又有单向和多向之分，广泛应用于机械、材料、航空、航天、测试 技术等领域。在测力仪的研制中需要专用的加载和标定设备。它应有足够的刚度、精度，合 适的加载工作范围，可靠的自锁性和简便的操作性。 根据发表在《现代机械》2003 (6) :45-46上的"一种多功能测力仪加载器"，以及专 利"三向力传感器标定装置"(公开号CN101109670，
公开日期2008年01月23日)的介绍 情况看，所设计的加载器或标定装置都是采取固定加载点的结构，即设计X， Y， Z三向加载 器作用点要正交成固定一点，在实际使用中受到多种限制，也不便加载力矩载荷，这是因为 在多种机床切削力测力仪中，除了车削测力仪的力作用点固定外，铣削、钻削和磨削等切削 力测力仪都具有切削力作用点位置移动的特点，使用中要求其测力仪针对相同方向上的非 定点的相同载荷所测量的值也应相同。要想在固定加载点结构的加载装置上实现非定点标 定，只有频繁移动被标定测力仪的位置，这势必会带来多次安装误差和操作不便，降低标定 精度。此外在固定加载点结构的加载装置上进行力矩加载比较困难，需要复杂的附加装置； 在目前设计的加载器中螺旋增力机构都采用加载螺杆与单一加载螺母滑动配合形式，若两 者之一的螺纹磨损都将造成轴向配合间隙过大，势必影响加载精度。

发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明了可调式测力仪标定加载 台布局方法及装置，它不但能进行多种测力仪的非定点三向力的加载标定，还可进行三向 力矩的加载标定，而且可保证标定精度。 本发明采用的技术方案是可调式测力仪加载台的布局和标定方法，其特征在于 在工作台2上沿X和Y两个方向布置的四个水平加载器13采用两两相对、相邻垂直的布 局，每个加载器都可左右和上下连续调整，其中导向键39保证支架42可以相对底板40滑 动从而使水平加载器左右可调，调整时先松开螺栓41，再调整加载器左右位置，之后用螺栓 41固定；支架与水平导向套37之间也有上下滑动副，调整高低位置时可先松开螺栓27，摇 动小手轮31带动螺杆30旋转调节加载器水平导向套37等螺旋增力组件到所需高度，再拧 紧螺母27固定位置，以得到准确的水平加载位置。在工作台上加工了多组安装孔，以便在 水平加载器前后方向调整位置。沿Z向布置的铅垂加载器9也可沿横架6上的滑道11水平 连续调整，调整时需要先松开压块24上的螺栓，通过摇动横架一侧丝杠的手柄10可把铅垂 加载器调整到合适的加载位置，调整后再拧紧压块24上的螺栓使铅垂加载器9与横架固定 成一体，便于加载铅垂力。铅垂加载器9高低位置由横架6的高度决定，横架6可利用提升
4机构5的钢丝绳提拉沿支撑螺柱3上下调整，再用支撑螺柱3上的四个螺母4锁定横架位 置，以使铅垂加载器得到合适的加载高度。由任意相邻两个水平加载器及一个铅垂加载器 可方便形成非定点XYZ三向交于一点的正交力组；对于体积更大的待标定测力仪，还可以 拆除横架一端相邻的两个水平加载器，将铅垂加载器9沿横架6调整到远离两个剩下的水 平加载器的另一端处，将两个水平加载器向工作台面外侧方向调整，由这三个加载器也可 以形成非定点XYZ三向交于一点的正交力组，满足大尺寸测力仪的三向力的标定要求。适 当调整水平加载器的位置还可以形成三向力矩载荷，其中两相对水平加载器适当左右错开 后可产生绕Z轴的力矩载荷，X方向的两相对的水平加载器适当上下错开调整后可形成绕Y 轴的力矩载荷，Y方向的两相对的水平加载器适当上下错开调整后可形成绕X轴的力矩载 荷。通过摇动大手轮7或手轮35，经减速器减速后使铅垂或水平加载螺杆旋转驱动滑动推 套缓慢伸出实现增力作用，滑动螺旋副的自锁作用可保持住加载载荷，在滑动螺旋增力机 构中靠近加载螺母都设计了调节螺母组件，调节螺母在压縮弹簧的作用下，可以消除滑动 螺旋副轴向配合回程间隙，可以提高标定精度。在各加载器滑动推套上安装适当的标准测 力计组件12后，在基座15上安装待标定测力仪14及加载附件，调整好加载位置，通过记录 和分析标准测力计组件12的读数及待标定测力仪的输出数值就可进行非定点三向力及力 矩的加载标定。 该方法所采用的装置该加载台由一个工作台2、四个可调式水平加载器13、两个 支撑螺柱3、一个横架6、一个可调式铅垂加载器9及一个横架提升机构5构成。工作台2 上安装有支撑螺柱3、水平加载器13和测力仪安装基座15，铅垂加载器9通过六个调节螺 钉组件25与横架6上的滑道11接触定位，横架6两端的导套与两支撑螺柱3间隙配合，支 撑螺柱3与横架6配合处上下各有两个锁紧螺母4，横架一端装有提升机构5，另一端设有 铅垂加载器位置调整丝杠机构的手柄10。铅垂加载器包括滑动螺旋增力机构、蜗轮蜗杆减 速器16及大手轮7，滑动螺旋增力机构主要由导向套、压縮弹簧18、螺钉17、调节螺母19、 导向键20、铅垂推套21、加载螺母22和铅垂加载螺杆26组成，固定在导向套上的导向键20 与铅垂推套21之间滑动配合，铅垂推套21与加载螺母22通过螺钉固定在一起，加载螺母 22与调节螺母19通过压縮弹簧18及螺钉17浮动连接并都与铅垂加载螺杆26配合。每个 水平加载器13主要由支架42、底板40、水平导向套37、调节螺母33、水平滑动推套28、加 载螺母32和水平加载螺杆38、行星减速器36及手轮35组成，其中支架42与底板40之间 通过导向键39及螺栓41连接，支架42与水平导向套37之间有上下滑动副并用螺栓27连 接，水平滑动推套28及加载螺母32用螺钉固定一体并都与水平导向套37间隙配合，加载 螺母32与调节螺母33也通过压縮弹簧浮动连接并都与水平加载螺杆38配合，水平加载螺 杆38与行星减速器36的输出端连接起来，行星减速器36的输入端安装了手轮35。
本发明的显著效果是提供了非定点三向加载力及力矩，方便了多种测力仪的三 向非定点标定工作，提高了工作效率，保证了标定工作精度。该加载台具有适用范围广，操 作方便、结构简单、性能稳定可靠等特点。


图1为该标定加载台的外形轴测图；图2为该标定加载台的铅垂加载器剖视图； 图3为该标定加载台的水平加载器剖视图。
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其中l-台面支撑柜，2-工作台，3-支撑螺柱，4-锁紧螺母，5-提升机构，6-横 架，7-大手轮，8-横梁，9-铅垂加载器，10-调节丝杠机构，11-滑道，12-测力组件，13-水 平加载器，14-被标定的测力仪，15-基座，16-蜗轮蜗杆减速器，17-螺钉，18-弹簧，19-调 节螺母，20-导向键，21-铅垂推套，22-加载螺母，23-下托板，24-上压块，25-调节螺钉组 件，26-铅垂加载螺杆，27-上下调节锁紧螺栓，28-水平滑动推套，29-导向键，30-提升螺 杆，31-小手轮，32-加载螺母，33-调节螺母，34-推力轴承，35-手轮，36-行星齿轮减速 器，37-水平导向套，38-水平加载螺杆，39-导向键，40-连接底板，41-左右调节锁紧螺栓， 42-支架。
具体实施例方式结合技术方案和附图详细说明本发明的
具体实施例方式
附图1为本发明的一个实施例，在图1中，工作台2是台面面积为1平米的铸铁平 台，在最大载荷作用下可以保证使用刚度和位置精度。工作台上面装有两个支撑螺柱3、测 力仪安装基座15、四个可调水平加载器。工作台下部的支架柜1支撑加载台并得到合适的 操作高度。两个支撑螺柱3上的梯形螺纹，可承受铅垂加载器的自重和施加的拉压载荷，满 足刚度和稳定性要求。支撑螺柱的下端通过支座及螺栓固定在工作台2上。它的上端固定 在横梁8上。中间螺纹段外径与支撑铅垂力加载器的横架两边的导套间隙配合。导套上下 的螺母4用于锁定铅垂载荷加载机构的高度并可借助安装在横梁上的水平尺微调横架的 水平程度。 横架上面还装有两个水平的滑道11。在松开压块24上的螺栓后，通过摇动横架一 侧调节机构10的手柄带动丝杠旋转，可以使铅垂加载器在其上水平滑动调整到合适的加 载位置。横架的另一侧装有用来升降横架的提升机构5，以适应不同加载对象的要求。提升 机构是由一蜗轮蜗杆减速器、钢丝绳及滑轮等组成。升降时先松开铅垂力加载机构上面或 下面两个锁定螺母4，再摇动提升机构5的摇把使实现横架及铅垂力加载器沿支撑螺柱升 降。 与滑道11接触的调节螺钉组件25有六个，其中三个轴线为水平方向的组件负责 调节与滑道侧面的间隙及铅垂加载器相对横架宽度方向的位置。而三个轴线为铅垂方向的 组件负责调节下托板23与横架6底面的间隙以及铅垂加载器主轴线的铅垂方向。
在附图2中可以看出，铅垂加载器9是由一个蜗轮蜗杆减速器16和一个滑动螺旋 增力机构等组成，带有梯形螺纹的加载螺杆26与加载螺母22和调节螺母19配合，通过弹 簧18和螺钉17使调节螺母19与加载螺母22浮动连接，在弹簧力作用下可消除螺旋副轴 向配合回程间隙，提高加载重复性精度。导向键20限制滑套21的转动，使其只能沿轴向移 动。加载时需要先拧紧压块24上的螺栓后，将铅垂加载器与横架固定上成一体。成年操作 者通过摇动手轮7使蜗轮蜗杆减速器驱动加载螺杆26，可在铅垂推套21下端部产生约10 吨铅垂加载力。在铅垂推套的前端安装测力计组件12或其它标准测力传感器后就可边加 载边观察载荷大小。 附图3是一个水平加载器的主要结构，水平加载器也采用梯形滑动螺旋副产生推 力，加载螺母32和调节螺母33都与螺杆38配合，调节螺母33用于消除螺旋副轴向回程间 隙。导向键29限制滑套28的转动，使其只能沿轴向移动。导向键39保证支架42与底板40只能平动，以便调整加载器左右位置，之后用左右调节锁紧螺栓41固定，高低位置通过 松开上下调节锁紧螺栓27，摇动小手轮31，通过螺杆30带动水平导向套37等加载部件上 下移动，在调节到准确的高度后，再拧紧螺栓27。加载时通过摇动手轮35带动的行星减速 器36增大扭矩，再经过螺旋副将手轮的转动转变为滑套28的直线移动并输出推力，而且有 可靠的自锁性，轴承34承受输出推力的反力。 四个水平力加载器采用两两相对，相邻垂直的布局，加载方向分别为X向和Y向， 每个加载器的加载位置都可左右和上下连续调整，前后方向还有三个可选位置，加上位置 可调的铅垂方向推力就可在多处位置形成交于一点的三向正交力组。此外，两相对的水平 力加载器适当左右平移错开后可在水平面内形成绕Z轴的力矩载荷，两相对的水平力加载 器适当上下错开后又可在铅垂面内形成绕X轴或Y轴的力矩载荷，在四个加载机构配上适 当的标准测力计组件或其它标准测力传感器后就可对固定在安装基座15上的多种机床切 削力测力仪进行加载标定。如果要标定更大尺寸的测力仪，还可以拆去横架一端相邻的两 个水平加载器，将铅垂加载器沿横架移动到远离两个剩下的水平加载器的另一端处，将两 个水平加载器向工作台面外侧方向调整，由这三个加载器也可以形成非定点X、Y、Z三向交 于一点的正交力组，满足更大尺寸测力仪的三向力的标定要求。 在利用该设备进行测力仪加载标定时，要将被标定测力仪用螺栓固定在安装基座 上，在测力仪的上面一般还要安装加载块，加载块可以是立方体形或长条形，立方体形加载 块用于三向力载荷加载标定；长条形加载块用于力矩载荷的加载标定，加载块上有正交的 局部加载平面，加载时与测力组件的球面顶头接触。下面以标定压电式三向铣削测力仪为 例加以说明，由于铣削加工时，根据使用的铣刀不同，工件会受到Z向力，X向或Y向力，有 时还会受到绕Z轴的力矩作用。因此标定时需要提供非定点的Z向力，X向力，Y向力及绕 Z轴的力矩。 标定前先将铣削测力仪水平放置在加载台的基座上，用四个螺钉固定。将测力仪 与电荷放大器组及检测仪表或采样计算机连接起来。在该测力仪的上平面一处通过螺钉安 装一个立方体加载块，使该加载块的表面分别垂直于Z向，X向和Y向加载方向，并在使用的 加载器上配装适当量程的标准测力计组件。之后调整水平加载器的高度和左右位置对准加 载块，调整铅垂加载器的位置也对准加载块。这样摇动铅垂加载器和水平加载器的手轮就 可以对第一组加载点按额定载荷逐级加载，观察记录测力计读数及测力仪输出的电信号数 值就可对测力仪当前加载点的性能进行标定。同理，调整加载点的位置再进行同样的加载 标定，可以实现非定点标定。如果要标定测力仪的扭矩测量性能，需要使用长条形加载块， 水平安装在测力仪上面，使用相对的两个水平加载器错开加载以获取绕Z轴的纯扭矩。通
过分析各不同点之间的测量误差及横向干扰程度，得到测力仪的各项性能参数。 本发明方便了多种测力仪的X、Y、Z三个方向非定点力及力矩的标定工作，提高了
工作效率，保证了标定精度。该加载台具有适用范围广，操作方便、结构简单、性能稳定可靠
的特点。
权利要求
可调式测力仪标定加载台的布局方法，其特征在于布局采用在工作台(2)上沿X和Y两个方向布置了两两相对、相邻垂直的四个水平加载器(13)的形式，在工作台上加工了多组安装孔，以便水平加载器在前后方向调整位置；每个水平加载器(13)用导向键(39)相对滑动来实现加载器的左右调整，每个水平加载器用水平导向套(37)与支架(42)之间的滑动能上下调整；Z向的铅垂加载器(9)沿横架(6)上的滑道(11)水平连续调整，铅垂加载器(9)上下位置由横架(6)的高度决定，横架(6)可利用提升机构(5)的钢丝绳提拉沿支撑螺柱(3)上下调整；标定时调整任意相邻两个水平加载器及一个铅垂加载器的位置能形成非定点XYZ三向交于一点的正交力组，满足测力仪的三向力的标定要求；进行水平加载器的左右调整需先松开螺栓(41)，再调整加载器左右位置，之后用螺栓(41)固定；调整上下位置需先松开螺栓(27)，支架(42)与水平导向套(37)之间组成上下滑动副，摇动小手轮(31)带动螺杆(30)旋转调节加载器水平导向套(37)的所需高度，再拧紧螺母(27)固定位置，以得到准确的水平加载上下位置；铅垂加载器调整时需要先松开压块(24)上的螺栓，通过摇动横架一侧丝杠的手柄(10)可把铅垂加载器调整到合适的加载位置，调整后再拧紧压块(24)上的螺栓使铅垂加载器(9)与横架固定成一体，便于加载Z向力；用支撑螺柱(3)上的四个螺母(4)锁定横架位置，以使铅垂加载器得到合适的加载高度；对于体积更大的待标定测力仪，拆除横架一端相邻的两个水平加载器(13)，将铅垂加载器(9)沿横架(6)调整到远离两个剩下的水平加载器(13)的另一端处，将两个水平加载器(13)向工作台面外侧方向调整，由这三个加载器也可以形成非定点XYZ三向交于一点的正交力组，满足大尺寸测力仪的三向力的标定要求；适当错开水平加载器(13)的位置还可以形成三向力矩载荷，其中两相对水平加载器适当左右错开后可施加绕Z轴的力矩载荷，X方向的两相对的水平加载器适当上下错开后可施加绕Y轴的力矩载荷，Y方向的两相对的水平加载器适当上下错开后可施加绕X轴的力矩载荷；通过摇动手轮(7)及(35)，经减速器(16)及(36)减速后使铅垂及水平加载螺杆(26)及(38)旋转驱动滑动推套(21)及(28)缓慢伸出实现增力作用，滑动螺旋副的自锁作用可保持住加载载荷，在滑动螺旋增力机构中靠近加载螺母都设计了调节螺母组件，调节螺母(19)及(33)在压缩弹簧的作用下，可以消除滑动螺旋副轴向配合回程间隙，可以提高标定精度；在各加载器滑动推套上安装适当的标准测力计组件(12)后，在基座(15)上安装待标定测力仪(14)及加载附件，调整好加载位置，通过记录和分析标准测力计组件(12)的读数及待标定测力仪的输出数值就可进行非定点三向力及力矩的加载标定；
2. 如权利要求1所述可调式测力仪标定加载台的布局方法，方法采用的装置其特征 是工作台(2)上安装有两个支撑螺柱(3)、四个可调式水平加载器(13)和测力仪安装基 座(15)，铅垂加载器(9)通过六个调节螺钉组件(25)与横架(6)上的滑道(11)接触定位， 横架(6)两端的导套与两支撑螺柱(3)间隙配合，支撑螺柱(3)与横架(6)配合处上下各 有两个锁紧螺母(4)，横架一端装有提升机构(5)，另一端设有铅垂加载器位置调整丝杠机 构的手柄(10);每个水平加载器(13)主要由支架(42)、底板(40)、水平导向套(37)、调节螺母(33)、 水平滑动推套(28)、加载螺母(32)和水平加载螺杆(38)、行星减速器(36)及手轮(35)组成，其中支架(42)与底板(40)之间通过导向键(39)及螺栓(41)连接，支架(42)与水平 导向套(37)之间有上下滑动副并用螺栓(27)连接，水平滑动推套(28)及加载螺母(32) 用螺钉固定一体并都与水平导向套(37)间隙配合，加载螺母(32)与调节螺母(33)也通过 压縮弹簧浮动连接并都与水平加载螺杆(38)配合，水平加载螺杆(38)与行星减速器(36) 的输出端连接起来，行星减速器(36)的输入端安装了手轮(35);铅垂加载器包括螺旋增力机构、蜗轮蜗杆减速器(16)及大手轮(7)，螺旋增力机构主 要由导向套、压縮弹簧(1S)、螺钉(17)、调节螺母(19)铅垂推套(21)、加载螺母(22)和 铅垂加载螺杆(26)组成，铅垂推套(21)与加载螺母(22)通过螺钉固定在一起，加载螺母 (22)与调节螺母(19)通过压縮弹簧(18)及螺钉(17)浮动连接并都与铅垂加载螺杆(26) 配合。
全文摘要
本发明可调式测力仪标定加载台的布局方法及装置，特别涉及测力仪的布局和标定检测。布局方法采用在工作台上布置了两两相对、相邻垂直的四个水平加载器，每个水平加载器可左右上下及前后调整，工作台上安装两个支撑螺柱，横架可沿支撑螺柱上下调整，铅垂加载器可沿横架上的滑道水平调整。加载台的布局方法可同时提供非定点正交三向力，通过错开相对的水平加载器可提供非定点正交三向力矩载荷，满足多种测力仪的非定点加载标定要求。本加载台利用滑道及导向键实现位置可调，在水平及铅垂加载器中采用的带有调节螺母的螺旋增力机构，可消除螺纹配合轴向间隙，保证了加载标定精度，本加载台具有使用范围广，操作方便、结构简单、性能稳定可靠的特点。
文档编号G01L25/00GK101750186SQ20101010062
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者康仁科, 张军, 戴恒震, 郭东明, 钱敏 申请人:大连理工大学