專利名稱：電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計量測試技術(shù)，涉及一種電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置。
背景技術(shù)：
力值是力學(xué)計量領(lǐng)域的基礎(chǔ)量值之一。力值測量廣泛地應(yīng)用于航 空、航天、船舶、兵器等國防科技領(lǐng)域，在民用工業(yè)如汽車工業(yè)等制造 工業(yè)中也扮演著重要的角色。近些年來，隨著納米計量和微納米機電系 統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)的快速發(fā)展，在其科研和生產(chǎn)中進行了大量的小力值的測 量，如納米硬度、薄膜機械性能測試、納米材料彈性模量測試等試驗過 程中，都需要對微小力值進行準(zhǔn)確的測試，才能保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確。
在納米硬度的測量中，其力值最大僅為10mN，在一些硅薄膜、復(fù)合硅薄 膜等薄膜材料的機械性能測試過程中使用的負荷傳感器，其量程范圍為 0 4. 5N，其分辨率要達到0.005N (5mN)，力值測量誤差一般要求在1% 以內(nèi)。這么小的力值測量的準(zhǔn)確與否直接影響著科研和生產(chǎn)過程，影響 武器型號的順利完成，這就對小力值的計量提出了新的更高的要求。
目前常見的力標(biāo)準(zhǔn)裝置有靜重式結(jié)構(gòu)的力標(biāo)準(zhǔn)機、杠桿放大結(jié)構(gòu)的 力標(biāo)準(zhǔn)機和液壓放大結(jié)構(gòu)的力標(biāo)準(zhǔn)機。由于結(jié)構(gòu)和功能的限制，這些校 準(zhǔn)設(shè)備的力值范圍均不能實現(xiàn)1N以下量程范圍的力值校準(zhǔn)。目前常用 于較小量程范圍的力值校準(zhǔn)的設(shè)備為靜重式機構(gòu)的力標(biāo)準(zhǔn)機，而這類設(shè) 備中均需要有反向器機構(gòu)，且這一機構(gòu)需作為裝置的第一級力值，而由 于結(jié)構(gòu)和材料的限制，這一級力值不可能做到很小，所以當(dāng)力值足夠小 時，此種結(jié)構(gòu)不再具有可行性。對于杠桿放大結(jié)構(gòu)的力標(biāo)準(zhǔn)機和液壓放 大結(jié)構(gòu)的力標(biāo)準(zhǔn)機均適用于較大力值校準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于較小力值校準(zhǔn)的電磁天平式小力 值標(biāo)準(zhǔn)裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，裝置主要包括力臂杠桿、小砝 碼組及小砝碼加載機構(gòu)、大砝碼組及大砝碼加載機構(gòu)、步進電機、減速箱、伺服電機、彈性平臺、反向器、配平機構(gòu)、電磁平衡器、電磁平衡 指示器、砝碼吊掛及反向器吊掛組成，力臂杠桿為等臂杠桿，在力臂杠 桿一端的吊掛的下方安裝大砝碼及大砝碼加載機構(gòu)，掛臂安裝在吊掛下 部外側(cè)，小砝碼及小砝碼加載機構(gòu)與掛臂相連；步進電機和減速箱位于 大砝碼及大砝碼加載機構(gòu)的下方；力臂杠桿另一端的吊掛下產(chǎn)端掛裝反 向器，反向器包括四個工作橫梁和兩對立柱；伺服電機置于彈性平臺的 上方，伺服電機與滾珠絲杠螺母相連，滾珠絲杠螺母與反向器的下工作 橫梁相連；電磁平衡器安裝在力臂杠桿中部的下方，電磁平衡指示器與 電磁平衡器相連；配平機構(gòu)安裝在吊掛下部的外側(cè)。
所述的配平機構(gòu)包括三組配平砝碼和三組配平掛臂組成，三組配平 砝碼各為三個不同質(zhì)量的砝碼組，每組配平砝碼的前端各安裝一個配平 拔盤，三個配平拔盤分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置反向器一側(cè)的外立柱上，每個 配平拔盤的中心軸上掛接一組配平砝碼。
所述的彈性平臺為一個電子天平，安裝在地基上，安裝平板置于彈 性平臺與伺服電機之間，安裝平板上裝有抬升機構(gòu)。
所述的小砝碼組及小砝碼加載機構(gòu)前端為一拔盤，拔盤安裝在標(biāo)準(zhǔn) 裝置砝碼一側(cè)的外立柱上，小砝碼組掛接在拔盤的中心軸上，大砝碼組 及大砝碼加載機構(gòu)的上方與砝碼吊掛相連，大砝碼組及大砝碼加載機 構(gòu)的下方與減速箱相連，減速箱安裝在與地基相連的平臺上。
每組配平砝碼由質(zhì)量相同或不同的砝碼組成。
本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果，本發(fā)明主要采用等臂杠桿的原理， 相當(dāng)于一臺杠桿比為1: 1的杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機。在杠桿一端施加標(biāo)準(zhǔn)力 值砝碼，通過加載機構(gòu)調(diào)節(jié)杠桿的水平，在杠桿另一端就產(chǎn)生相同的力 值。這一力值再通過反向器施加到被校的力傳感器或測力儀上。本發(fā)明 通過對一般杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機結(jié)構(gòu)的借鑒，對高精度的電磁天平進行了改 造，從而實現(xiàn)了小力值的計量和校準(zhǔn)。在電磁天平的砝碼端通過步進電 機實現(xiàn)砝碼的準(zhǔn)確加載。當(dāng)砝碼加載完畢后，通過伺服控制系統(tǒng)來驅(qū)動 精密的螺母絲杠來作為精密的調(diào)節(jié)機構(gòu)來使天平達到平衡，從而實現(xiàn)天 平兩端的力值相等。本發(fā)明采用高精度的電磁天平作為力標(biāo)準(zhǔn)裝置的杠 桿，通過調(diào)節(jié)電磁天平的等臂性來實現(xiàn)杠桿兩端力值相等，調(diào)節(jié)方便， 可以達到很高的準(zhǔn)確度。本發(fā)明增加了一套配平裝置，提高了配平效率，保證了天平長期使 用的精度。本發(fā)明設(shè)計了抑制天平失穩(wěn)機構(gòu)，保證了力標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確 快速讀數(shù)。當(dāng)不同型號、不同質(zhì)量的被測傳感器與本裝置連接時，可通 過減碼裝置迅速實現(xiàn)天平的平衡。


圖1是本發(fā)明電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置原理圖。
具體實施例方式
電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要由加載裝置、控制系統(tǒng)、連接件 和指示儀表構(gòu)成。其加載裝置主要采用等臂杠桿的原理，相當(dāng)于一臺杠 桿比為1: 1的杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機。其工作原理為對高精度電磁天平進 行改造，增加砝碼及砝碼加載機構(gòu)、精密調(diào)節(jié)機構(gòu)、反向器和配平裝置 等。在杠桿一端施加標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼，通過精密調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)杠桿的水平， 在杠桿另一端就產(chǎn)生相同的力值。這一力值再通過反向器施加到被校的 力傳感器或測力儀上。
本發(fā)明將砝碼產(chǎn)生的重力通過杠桿機構(gòu)產(chǎn)生力值，它比靜重式力標(biāo) 準(zhǔn)裝置多了一級杠桿比為1: 1的杠桿機構(gòu)，因此，在杠桿一端施加一 定力值的力值砝碼，并調(diào)節(jié)杠桿平衡之后，在杠桿另一端可得到與砝碼 力值相同的力值。當(dāng)杠桿保持平衡狀態(tài)時，力值的計算公式為
F4附g(li) (1)
式中 F——力；
《杠桿放大比，本發(fā)明采用的是等臂杠桿，《=1; m^~砝碼質(zhì)量； g——重力加速度
A——空氣密度；
&——砝碼密度；
加載機構(gòu)由于有反向器、砝碼吊桿和配重盤等機構(gòu)的存在，以及在 試驗過程中的標(biāo)準(zhǔn)負荷，整個杠桿部分承受的總載荷為
K《+^+疋 (2) 式中F6——杠桿承受的總載荷；&?！軛U承受的初始載荷(包括反向器、砝碼吊
桿和配重盤等的重量)；
Fmt——力傳感器本身重量產(chǎn)生的載荷；
《——試驗時施加在杠桿上的載荷。 砝碼的加載主要是通過手動加載片碼和自動加載兩部分完成。砝碼 加載完成后，通過伺服控制系統(tǒng)和精密的滾珠絲杠螺母進行天平平衡的 微調(diào)，借助電磁天平的平衡顯示儀表來判斷最終天平的平衡。此時傳感 器所受力值即為加載砝碼所產(chǎn)生的力值。
裝置主要包括力臂杠桿1、小砝碼組及小砝碼加載機構(gòu)2、大砝碼 組及大砝碼加載機構(gòu)3、步進電機4、減速箱5、伺服電機6、彈性平臺 7、反向器8、配平機構(gòu)9、電磁平衡器10、電磁平衡指示器11、砝碼 吊掛12及反向器吊掛14組成，力臂杠桿l為等臂杠桿，在力臂杠桿l 一端的吊掛12的下方安裝大砝碼及大砝碼加載機構(gòu)3，掛臂13安裝在 吊掛12下部外側(cè)，小砝碼及小砝碼加載機構(gòu)2與掛臂13相連；步進電 機4和減速箱5位于大砝碼及大砝碼加載機構(gòu)3的下方；力臂杠桿1另 一端的吊掛14下產(chǎn)端掛裝反向器8，反向器8包括四個工作橫梁15、 16、 17、 18和兩對立柱19、 20;彈性平臺7安放在與地基相接的支座 24上；安裝平板21置于彈性平臺7與伺服電機6之間；伺服電機6與 滾珠絲杠絲母23相連，滾珠絲杠絲母23與反向器8的下工作橫梁18 相連；電磁平衡器10安裝在力臂杠桿1中部的下方，電磁平衡指示器 11與電磁平衡器10相連；配平機構(gòu)9安裝在吊掛14下部的外側(cè)。
所述的力臂杠桿1采用了高精度電磁天平的等臂杠桿，在杠桿一端 施加標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼，通過加載機構(gòu)調(diào)節(jié)杠桿的水平，在杠桿另一端就產(chǎn) 生相同的力值。較小的力值采用常規(guī)的砝碼通過串接的方式無法實現(xiàn)， 因此設(shè)計了小砝碼組及小砝碼加載機構(gòu)2來實現(xiàn)較小力值的加載，小砝 碼組及小砝碼加載機構(gòu)2前端為一拔盤，拔盤安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置砝碼一側(cè) 的外立柱上，小砝碼組掛接在拔盤的中心軸上，通過小砝碼撥盤可將小 砝碼依次施加在杠桿的砝碼端吊掛12之上。對于較大力值的加載則通 過大砝碼組及大砝碼加載機構(gòu)3來實現(xiàn)。大砝碼組及大砝碼加載機構(gòu)3 的上方與砝碼吊掛12相連，大砝碼組及大砝碼加載機構(gòu)3的下方與減 速箱5相連，減速箱5安裝在與地基相連的平臺上22。大砝碼的自動加 載可通過步進電機4和減速箱5組成的機構(gòu)拖動大砝碼加載機構(gòu)來實現(xiàn)，步進電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的步長可完成不同力值砝碼的依次加載。
所述的配平機構(gòu)9包括三組配平砝碼和三組配平掛臂組成，三組配 平砝碼各為三個不同質(zhì)量的砝碼組，每組配平砝碼的前端各安裝一個配 平拔盤，三個配平拔盤分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置反向器一側(cè)的外立柱上，每 個配平拔盤的中心軸上掛接一組配平砝碼。當(dāng)被校的傳感器置于反向器
8上后，杠桿會失去平衡，此時撤除與傳感器質(zhì)量相同的配平砝碼后再
打開天平，即可重新恢復(fù)杠桿的平衡。這種配平方式一方面減少了配平 所用的時間，另一方面不至于使天平杠桿有突然大角度的傾斜，同時也 省去了傳統(tǒng)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機中所用的配平砝碼托盤等結(jié)構(gòu)。因此，這種 配平方式既提高了效率，又保證了力臂杠桿的靈敏度，也使天平的精度 經(jīng)過長時間的使用后不會有較大的變化。
所述的反向器8是安裝傳感器，將力值施加到被測儀器上的部件， 因此選擇輕便的硬鋁材料，使之具有足夠的剛度、同軸度以及水平度。 其中反向器8的上部兩個工作橫梁15、 16主要用于安放拉向測量的傳 感器，反向器8的下部兩個工作橫梁17、 18主要用于安放壓向測量的 傳感器。
所述的彈性平臺7為一個電子天平，安裝在地基上，安裝平板21 置于彈性平臺7與伺服電機6之間，安裝平板21上裝有抬升機構(gòu)。伺 服電機6和精密滾珠絲杠絲母23構(gòu)成了精密調(diào)節(jié)加載機構(gòu)，用來調(diào)節(jié) 杠桿的水平，以保證兩端力值的一致。不采用彈性平臺7時，在精密調(diào) 節(jié)加載機構(gòu)起作用的條件下，天平很難達到平衡。分析其原因，我們認 為是本機械天平機構(gòu)和普通的天平用法存在較大差異造成的。普通的天 平上加掛砝碼，砝碼處于自由狀態(tài)，通過數(shù)次震蕩后天平達到平衡狀態(tài)。 現(xiàn)在的天平結(jié)構(gòu)實際上破壞了天平的這種動態(tài)平衡，而是天平一直處于 一種失穩(wěn)狀態(tài)而難以達到平衡。為了使天平的兩臂都處于相對自由的狀 態(tài)，本發(fā)明在精密調(diào)節(jié)機構(gòu)的下方設(shè)計的彈性平臺7，這樣實際上就模 擬了一般天平的狀態(tài)，達到了控制天平平衡的目的。為了避免彈性平臺 7長時間承受壓力，還設(shè)計了安裝平板21，通過一個與地基相連的抬升 機構(gòu)可將安裝平板21托起，這樣，當(dāng)力標(biāo)準(zhǔn)機不用時，可將彈性平臺7 上方的所有機構(gòu)和彈性平臺7脫開，達到了保護彈性平臺的目的。本發(fā) 明的采用的精密滾珠絲杠絲母23分辨力很高，可使系統(tǒng)實現(xiàn)平穩(wěn)、微 量的調(diào)節(jié)，避免了加載過程中會出現(xiàn)的跳動現(xiàn)象。
8
權(quán)利要求
1. 電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，其特征是，裝置主要由力臂杠桿[1]、小砝碼組及小砝碼加載機構(gòu)[2]、大砝碼組及大砝碼加載機構(gòu)[3]、步進電機[4]、減速箱[5]、伺服電機[6]、彈性平臺[7]、反向器[8]、配平機構(gòu)[9]、電磁平衡器[10]、電磁平衡指示器[11]、砝碼吊掛[12]及反向器吊掛[14]組成。力臂杠桿[1]為等臂杠桿，在力臂杠桿[1]一端的吊掛[12]的下方安裝大砝碼及大砝碼加載機構(gòu)[3]，掛臂[13]安裝在吊掛[12]下部外側(cè)，小砝碼及小砝碼加載機構(gòu)[2]與掛臂[13]相連；步進電機[4]和減速箱[5]位于大砝碼及大砝碼加載機構(gòu)[3]的下方；力臂杠桿[1]另一端的吊掛[14]下端掛裝反向器[8]，反向器[8]包括四個工作橫梁[15]、[16]、[17]、[18]和兩對立柱[19]、[20]；彈性平臺[7]安放在與地基相接的支座[24]上；安裝平板[21]置于彈性平臺[7]與伺服電機[6]之間；伺服電機[6]與滾珠絲杠絲母[23]相連，滾珠絲杠絲母[23]與反向器[8]的下工作橫梁[18]相連；電磁平衡器[10]安裝在力臂杠桿[1]中部的下方，電磁平衡指示器[11]與電磁平衡器[10]相連；配平機構(gòu)[9]安裝在吊掛[14]下部的外側(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，其特征是， 所述的配平機構(gòu)[9]包括三組配平砝碼和三組配平掛臂組成，三組配平 砝碼各為三個不同質(zhì)量的砝碼組，每組配平砝碼的前端各安裝一個配平 拔盤，三個配平拔盤分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置反向器一側(cè)的外立柱上，每個 配平拔盤的中心軸上掛接一組配平砝碼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，其特征是， 所述的彈性平臺[7]為一個電子天平，安放在與地基相接的支座[24]上， 彈性平臺[7]上方放置有安裝平板[21]，安裝平板[21]上裝有抬升機構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，其特征是， 所述的小砝碼組及小砝碼加載機構(gòu)[2]前端為一拔盤，拔盤安裝在標(biāo)準(zhǔn) 裝置砝碼一側(cè)的外立柱上，小砝碼組掛接在拔盤的中心軸上，大砝碼組 及大砝碼加載機構(gòu)[3]的上方與砝碼吊掛[12]相連，大砝碼組及大砝碼 加載機構(gòu)[3]的下方與減速箱[5]相連，減速箱[5]安裝在與地基相連的 平臺[22]上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，其特征是，每組配平砝碼由質(zhì)量相同或不同的砝碼組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于計量測試技術(shù)，涉及一種電磁天平式小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置。裝置主要由力臂杠桿、小砝碼組及小砝碼加載機構(gòu)、大砝碼組及大砝碼加載機構(gòu)、步進電機、減速箱、伺服電機、彈性平臺、反向器、配平機構(gòu)、電磁平衡器、電磁平衡指示器、砝碼吊掛及反向器吊掛組成。本發(fā)明通過對一般杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機結(jié)構(gòu)的借鑒，對高精度的電磁天平進行了改造，從而實現(xiàn)了小力值的計量和校準(zhǔn)。在電磁天平的砝碼端通過步進電機實現(xiàn)砝碼的準(zhǔn)確加載。當(dāng)砝碼加載完畢后，通過伺服控制系統(tǒng)來驅(qū)動精密的滾珠絲杠螺母來作為精密的調(diào)節(jié)機構(gòu)來使天平達到平衡，從而實現(xiàn)天平兩端的力值相等。
文檔編號G01L25/00GK101451897SQ20081024052
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者劉永錄, 秦海峰 申請人:中國航空工業(yè)第一集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所