專利名稱：扭矩加載控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是應(yīng)用于工業(yè)控制中，實現(xiàn)扭矩加載、測量及其控制。
背景技術(shù)：
在機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域中，工程研究、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制和性能試驗等都離不開測量和控制技術(shù)。其中扭矩的測量與控制是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、質(zhì)量檢驗、 安全和優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容，扭矩測量的核心技術(shù)就是扭矩傳感技術(shù)。目前測扭矩主要采用兩種方法一、在被測機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸(彈性元件)上粘貼應(yīng)變片，因轉(zhuǎn)矩作用而產(chǎn)生應(yīng)變片應(yīng)變，再通過相應(yīng)的應(yīng)變公式計算出傳遞的扭矩大小。這種在軸上貼應(yīng)變片的傳統(tǒng)方法簡單，易于操作，然而，粘貼應(yīng)變片的方法在工程上使用受到很多因素的影響，它的測量結(jié)果為應(yīng)變片產(chǎn)生變形后電阻的變化，能否正確反映扭矩的大小要求一定的條件，比如粘貼蠕變和滑移，應(yīng)變電阻增量與應(yīng)力關(guān)系穩(wěn)定性，溫度影響等，這使得扭矩的測量存在一定的誤差；二 使用扭矩傳感器，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優(yōu)點。但是它價格昂貴，而且體積較大，如華嘉信達(dá)的NH-901扭矩傳感器(500NM)尺寸為 134mmX 238mm,重量為6. 1KG，適合安裝固定使用，不適合作為便攜式扭矩測試儀器用。在扭矩加載控制方面，一般方法是在扭矩加載器輸出軸上另外安裝扭矩傳感器，由扭矩傳感器所測得數(shù)據(jù)經(jīng)過PC處理后，反饋給扭矩加載器，改變扭矩的輸出，這樣無疑增加了設(shè)備的成本，不僅不方便攜帶，而且也不適合作為大批量扭矩加載測試儀器來使用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的小體積扭矩加載控制器。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是該扭矩加載控制器包括步進(jìn)電機(jī)、相互嚙合的主動輪和從動輪、渦輪、蝸桿、第一滾動軸承、第一軸承座、第二滾動軸承、第二軸承座、固定支架、力傳感器、一對接近式傳感器，渦輪軸、單片機(jī)控制電路、第三滾動軸承、第三軸承座和聯(lián)結(jié)器；第一滾動軸承和第二滾動軸承分別安裝在蝸桿的兩端；主動輪與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸聯(lián)接，從動輪安裝于蝸桿上，渦輪與蝸桿嚙合，從動輪和渦輪位于在第一滾動軸承和第二滾動軸承之間；聯(lián)結(jié)器安裝于渦輪的渦輪軸的端部，第三滾動軸承安裝于渦輪軸上，第三滾動軸承位于聯(lián)結(jié)器和渦輪之間；第一滾動軸承與第一軸承座固定聯(lián)接， 第二滾動軸承與第二軸承座固定聯(lián)接，第三滾動軸承與第三軸承座固定聯(lián)接；第一軸承座、 第二軸承座、第三軸承座分別與支架固定聯(lián)接；力傳感器固定安裝于第二軸承座或支架上并與第二軸承座和支架緊密接觸，蝸桿的中心軸線穿過力傳感器的幾何中心；一對接近式傳感器固定于支架上并位于渦輪的上方；單片機(jī)控制電路的信號輸出端與步進(jìn)電機(jī)的輸入端相連，單片機(jī)控制電路的信號輸入端分別與力傳感器的信號輸出端、一對接近式傳感器的信號輸出端相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是一、使用渦輪蝸桿及齒輪組傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)扭矩的傳遞，可以實現(xiàn)大的傳動比，而且由于蝸輪蝸桿及齒輪組結(jié)構(gòu)緊湊，因此可以讓整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易于裝配。二、使用高精度的力傳感器來測算輸出扭矩，避免了使用大體積的扭矩傳感器，進(jìn)一步縮減了整個系統(tǒng)體積，而且力傳感器精度高、頻響快、可靠性好，從而保證整個測量系統(tǒng)精度高、頻響快、可靠性好。三、使用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)控制，有數(shù)碼管實時顯示、小型4X4鍵盤輸入，易于觀察、操作簡單方便，使用可調(diào)位置的接近式傳感器限定渦輪的轉(zhuǎn)動范圍，可防止扭矩輸出超出被測器件的轉(zhuǎn)動范圍。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A-A剖視放大圖；圖3為單片機(jī)控制電路原理框圖；1.第一軸承座，2.第一滾動軸承，3.蝸桿，4.從動輪，5.第二滾動軸承，6.第二軸承座，7.力傳感器，8.固定支架，9.渦輪，10.第一接近式傳感器，11.渦輪軸，12.第二接近式傳感器，13.主動輪，14.步進(jìn)電機(jī)，15.單片機(jī)控制電路，16.第三軸承座，17.第三滾動軸承，18.聯(lián)結(jié)器，19.第一套筒，20.第二套筒，21.第三套筒。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步描述。如圖1所示，由于主動輪13與步進(jìn)電機(jī)14的輸出軸聯(lián)接，使用平鍵將從動輪4安裝固定于蝸桿3上，蝸桿3將隨著從動輪4 一起旋轉(zhuǎn)，并由平鍵將扭矩從從動輪4傳遞到蝸桿3上，渦輪9與蝸桿3嚙合安裝，扭矩即可從蝸桿3上傳遞到渦輪9上，在蝸桿3的兩端分別安裝有第一滾動軸承2和第二滾動軸承5，從動輪4和渦輪9位于在第一滾動軸承2 和第二滾動軸承5之間。渦輪軸11與渦輪9采用平鍵固定，保證渦輪軸11與渦輪9無相對轉(zhuǎn)動，并且扭矩可從渦輪9上傳遞到渦輪軸11上，由此，步進(jìn)電機(jī)14即可將扭矩傳遞給渦輪軸11實現(xiàn)扭矩輸出。渦輪9采用的是部分渦輪，當(dāng)有意外情況發(fā)生，渦輪轉(zhuǎn)動一定角度后就和蝸桿軸分離，可以實現(xiàn)自我保護(hù)。在渦輪9上方安裝有一對接近式傳感器第一接近式傳感器10和第二接近式傳感器12。所述接近式傳感器可以是光電傳感器、電渦流式傳感器等。當(dāng)渦輪3轉(zhuǎn)動到第一接近式傳感器10和第二接近式傳感器12下方時，第一接近式傳感器10和第二接近式傳感器12即可檢測到并通過信號輸出線傳送信號到單片機(jī)控制電路15，由此第一接近式傳感器10和第二接近式傳感器12的檢測信號可以確定渦輪9的起始位置和終點位置；通過調(diào)整第一接近式傳感器10和第二接近式傳感器12相對于渦輪 9的位置，就可以調(diào)整渦輪9的起始位置和終點位置，以限制渦輪9的轉(zhuǎn)動范圍。第一滾動軸承2與第一軸承座1固定聯(lián)接，第二滾動軸承5與第二軸承座6固定聯(lián)接。將第一套筒19安裝在蝸桿3上并緊密貼合第一滾動軸承2右側(cè)內(nèi)圈，將第二套筒 20安裝在蝸桿3上并緊密貼合第二滾動軸承5左側(cè)內(nèi)圈，這樣可以保證第一滾動軸承2和第二滾動軸承5與蝸桿3在軸向方向上均無相對位移，將第一軸承座1、第二軸承座6安裝于固定支架8上，保證蝸桿只做轉(zhuǎn)動而不會有軸向運動。由這些結(jié)構(gòu)，蝸桿3與第二軸承座 6在軸向上不會發(fā)生滑動，當(dāng)蝸桿3軸向受力時，便可將力傳遞到第二軸承座6上。將力傳感器7安裝于第二軸承座6或固定支架8上，使力傳感器7位于第二軸承座6和固定支架 8之間并與第二軸承座6和固定支架8緊密貼合，并使蝸桿3的中心軸線可穿過力傳感器7 的幾何中心，那么當(dāng)蝸桿3軸向受力時，力傳感器7將受到第二軸承座6的擠壓，就有相應(yīng)的電壓信號輸出。由此當(dāng)步進(jìn)電機(jī)14有扭矩輸出時，力傳感器7即可測量到蝸桿3的軸向力F，通過力傳感器7的信號輸出線將軸向力F傳遞給單片機(jī)控制電路15。力傳感器7可使用美國interface公司的LBS超小墊片單壓型力傳感器、德國HBM公司的C2壓式力傳感器等。如圖2所示，渦輪9的渦輪軸11的端部安裝有聯(lián)結(jié)器18，渦輪軸11上安裝有第三滾動軸承17，第三滾動軸承17位于聯(lián)結(jié)器18和渦輪9之間，第三滾動軸承17與第三軸承座16固定聯(lián)接；第三套筒21安裝在渦輪軸11上，且位于第三滾動軸承17和聯(lián)結(jié)器18 之間，第三套筒21與第三滾動軸承17內(nèi)圈緊密貼合，第三軸承座16與支架8固定安裝，在聯(lián)結(jié)器18的上端與渦輪軸11使用平鍵固定，保證渦輪軸11與聯(lián)結(jié)器18同軸心并只能轉(zhuǎn)動，而且可拆卸，方便安裝各種尺寸的聯(lián)結(jié)器，聯(lián)結(jié)器18的下端即作為扭矩輸出用，可安裝需要扭矩輸入的器件，聯(lián)結(jié)器18可根據(jù)實際需要，定制各種外形和尺寸。如圖3所示，單片機(jī)控制電路15包括自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)、數(shù)碼管、 4X4鍵盤、存儲器及與步進(jìn)電機(jī)14配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)，可使用STC公司的STC12C5A60S2、ATMEL公司的AT89C51AC2等；存儲器一般是EEPR0M、 FLASH存儲器等；步進(jìn)電機(jī)及配套的驅(qū)動器，可使用思科賽公司的57步進(jìn)電機(jī)及兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器HB-5030M，雷賽公司的57步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器M415B等。其中， 自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)的普通IO管腳分別與數(shù)碼管輸入端、4X4鍵盤輸出端、存儲器的IO管腳、步進(jìn)電機(jī)配套驅(qū)動器的控制端、控制脈沖輸入端、方向信號輸入端及第一接近式傳感器10的信號輸出端及第二接近式傳感器12的信號輸出端相連接；步進(jìn)電機(jī)配套驅(qū)動器的信號輸出端與步進(jìn)電機(jī)14的信號輸入端相連；力傳感器7的信號輸出端與自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)模數(shù)信號輸入IO管腳相連接。力傳感器7測量到蝸桿3的軸向力F后，輸出的是電壓信號，這個信號需要經(jīng)過自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量。自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的力-電壓比例關(guān)系得到軸向力F的數(shù)字量，再根據(jù)扭矩公式計算，即可得到步進(jìn)電機(jī)14所輸出的扭矩M，再通過數(shù)碼管顯示出來。4X4鍵盤輸出信號經(jīng)過自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)解碼后得到相應(yīng)的命令，用來啟動或停止步進(jìn)電機(jī)14，加大或減少步進(jìn)電機(jī)14的扭矩輸出，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)通過第一接近式傳感器10 及第二接近式傳感器12的輸出信號來判斷出渦輪9的起始位置及終點位置，通過對步進(jìn)電機(jī)14的控制，防止渦輪9超出所設(shè)定的起始位置及終點位置。存儲器存儲的數(shù)據(jù)為扭矩與步進(jìn)電機(jī)14控制脈沖對應(yīng)數(shù)據(jù)，自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的8051型單片機(jī)通過調(diào)用這些數(shù)據(jù)可以按照要求輸出相應(yīng)的扭矩。
權(quán)利要求1. 一種扭矩加載控制器，其特征在于包括步進(jìn)電機(jī)(14)、相互嚙合的主動輪(13)和從動輪、渦輪(9)、蝸桿(3)、第一滾動軸承O)、第一軸承座(1)、第二滾動軸承(5)、第二軸承座(6)、固定支架(8)、力傳感器(7)、一對接近式傳感器、渦輪軸(11)、單片機(jī)控制電路(15)、第三滾動軸承(17)、第三軸承座(16)、聯(lián)結(jié)器(18)；第一滾動軸承( 和第二滾動軸承( 分別安裝在蝸桿C3)的兩端；主動輪(1 與步進(jìn)電機(jī)(14)的輸出軸聯(lián)接，從動輪 ⑷安裝于蝸桿⑶上，渦輪(9)與蝸桿(3)嚙合，從動輪⑷和渦輪(9)位于在第一滾動軸承(2)和第二滾動軸承(5)之間；聯(lián)結(jié)器(18)安裝于渦輪(9)的渦輪軸(11)的端部，第三滾動軸承(17)安裝于渦輪軸(11)上，所述第三滾動軸承(17)位于聯(lián)結(jié)器(18)和渦輪 (9)之間；第一滾動軸承( 與第一軸承座(1)固定聯(lián)接，第二滾動軸承( 與第二軸承座 (6)固定聯(lián)接，第三滾動軸承(17)與第三軸承座(16)固定聯(lián)接；第一軸承座(1)、第二軸承座(6)、第三軸承座(16)分別與固定支架(8)固定聯(lián)接；力傳感器(7)固定安裝于第二軸承座(6)或固定支架(8)上并與第二軸承座(6)和固定支架(8)緊密接觸，所述蝸桿(3)的中心軸線穿過所述力傳感器(7)的幾何中心；所述一對接近式傳感器固定于固定支架(8) 上并位于渦輪(9)的上方；單片機(jī)控制電路(15)的信號輸出端與所述步進(jìn)電機(jī)(14)的輸入端相連，單片機(jī)控制電路(1 的信號輸入端分別與所述力傳感器(7)的信號輸出端、一對接近式傳感器的信號輸出端相連。
專利摘要本實用新型公開一種扭矩加載控制器，其第一、第二滾動軸承分別安裝在蝸桿兩端；主動輪與步進(jìn)電機(jī)輸出軸聯(lián)接，從動輪安裝于蝸桿上，從動輪和渦輪位于在第一、第二滾動軸承之間；聯(lián)結(jié)器安裝于渦輪軸端部，第三滾動軸承安裝于渦輪軸上，第三滾動軸承在聯(lián)結(jié)器和渦輪之間；第一、第二、第三滾動軸承分別與對應(yīng)的軸承座固定聯(lián)接；各軸承座分別與固定支架固定聯(lián)接；力傳感器固定于第二軸承座或固定支架上并與兩者緊密接觸，蝸桿中心軸線穿過力傳感器幾何中心；一對接近式傳感器固定于固定支架上并在渦輪上方；單片機(jī)控制電路信號輸出端與步進(jìn)電機(jī)輸入端相連，單片機(jī)控制電路信號輸入端分別與力傳感器信號輸出端、一對接近式傳感器信號輸出端相連。
文檔編號G05B19/042GK201945843SQ2010206077
公開日2011年8月24日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者陳則煌, 黃克強(qiáng) 申請人:浙江大學(xué)