CN102087157B - 双杠杆式力标准机及其校准与标定方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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W_B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W_B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

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k_p代替，

k_p＝W_B/p₁，其中p1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ΔP；

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梁回复水平状态，记下并计算移动距离ΔL₀，测得比例系数

ΔL₀可以用脉冲数p₀表示，比例系数

也可以用单位脉冲的力值表示，

式中：ΔL₀.砝码位移变化量，ΔP.改变Δ(W₁S₁)引起的力值变化。

利用重力砝码W_B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：

1.校准时将反向架与动横梁分离，即

中的P＝0；

2.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L₀，此时差动变压器显示在±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。

附图说明

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，即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小；零点平衡杠杆横梁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24组成。

偏心轴20一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24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24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24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W₀₁，质心位置L₀₁，上下立杆和反向架的重力为W₀₂，零点平衡杠杆横梁6的自重为W₀₃，质心位置L₀₃，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

$P=\frac{W}{S}L+\frac{1}{S}({\mathrm{WL}}_0+W_{01}{L}_{01}+W_{02}S+W_{03}{L}_{03}-W_1{S}_1)---\left(0\right)$

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：

$\frac{1}{S}({\mathrm{WL}}_0+W_{01}{L}_{01}+W_{02}S+W_{03}{L}_{03}-W_1{S}_1)=0$

于是得

$P=\frac{W}{S}L---\left(1\right)$

$L_0=\frac{1}{W}(W_1{S}_1-(W_{01}{L}_{01}+W_{02}S+W_{03}{L}_{03}))---\left(2\right)$

即力P正比于主杠杆横梁9上的砝码10(重力为W)的大小和杠杆比设S不变，改变砝码10在横梁上的位置(L)和砝码10(重力为W)的大小都可以达到改变力值P的目的。因作为力源的砝码10(重力为W)可以沿着主杠杆横梁9移动，故称为游码式力标准机。

主杠杆横梁9的零点平衡条件L₀是个定值，只与配重砝码19、砝码10和主杠杆横梁9几何尺寸有关，与被测试件(例如测力传感器)无关。

实际上双杠杆游码式力标准机各个构件不是刚性的，但是只要构件刚度足够大，构件的弹性不会对系统正常工作造成影响。

II.双杠杆游码式力标准机的力值标定方法

1.双杠杆游码式力标准机的零点平衡的校准方法

参阅图8-a，根据公式(2)，因为影响零点平衡的因素不变，因此可以实现自然零点平衡，使用时无需调整零点。

实现自然零点平衡的基本条件公式(1)中L＝0。对于图1所示的双杠杆游码式力标准机，使用时可以随时进行校准。

1)校准时将矩形的反向架与动横梁5分离，确保不接触，即公式(1)中的P＝0。

2)然后使砝码10(重力为W)移动至主杠杆横梁9左端零点左右位置，然后微调砝码10的位置，使其正好在零点位置L₀(此时型号为LVDT的差动变压器11显示在±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)零点的记忆由记录砝码10在横梁上位置的位移传感器完成。位移传感器可以是光栅、磁栅，也可以是绝对式编码器，或者增量式编码器。采用增量式编码器具有结构简单、成本低廉、精度高的优点。

按照上述平衡方法进行零点平衡后，只要机器切断电源前停在一个确定的位置，开机后即可以找到零点，无需重新调整。对于非正常断电状态，或者出现故障，则可以重新调平衡。

对于通过改变砝码10在主杠杆横梁9上的位置以达到改变施加不同载荷目的的双杠杆游码式力标准机，公式(1)中的W即为加载杠杆系统的自身重力。根据公式(2)，可以通过改变W₁S₁达到零点平衡目的。

2.双杠杆游码式力标准机的力值标定方法

1)工件安装位置

参阅图3与图4，实际安放被施加力值的试件时难以保证其受力中心线和反向架上下立杆的中心线一致，设偏心距为e。根据力学原理，其等效受力状态如图4所示，静力平衡关系如下：

W(L+L₀)-P(S-e)-W₁S₁-T₁H＝0(3)

T＝T₁

将公式(1)与(2)代入公式(3)可得

Pe＝T₁H    (4)

可见，由于偏心安装引起的力偶由水平方向力T抵消，作用于被施加力值的试件上的力P不变。

2)双杠杆游码式力标准机的力值标定方法

(1)首先按照上述(即第1个问题的)方法对双杠杆游码式力标准机进行零点平衡的校准；

(2)然后在主杠杆横梁9的施力点D与零点平衡杠杆横梁6的右端点连接的杆件和反向架的几何中心部位，图2或图5中反向架下横梁的上端面，即A点处放置重力砝码12(重力为W_B)；

(3)再次按照上述(即第1个问题的)方法对双杠杆游码式力标准机进行零点平衡的校准；

(4)记住砝码10位移(设为L₁，一般用脉冲数表述，应为负值)，则单位位移的作用力

根据偏心安装不影响作用于被施加力值的试件上的力P大小的原理，A点处放置的重力砝码12(重力为W_B)对位置要求并不严格。

为了提高标定准确度，应尽量增大重力砝码W_B的重力，并且在使砝码10移动接近平衡点时，应按照同方向移近原则移动砝码。记录获得的数据，按下式计算和确定k的大小：

读取零位时型号为LVDT的差动变压器11读数，记为δh；记录n次L₁，和每次相应的差动变压器的读数δh_i，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\δh}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δh}}_i---\left(5\right)$

$L_1=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{1i}+(\stackrel{\‾}{\mathrm{\δh}}-\mathrm{\δh})L/h---\left(6\right)$

其中L/h为零点附近差动变压器单位变化所需要的砝码10位移量。确定方法为在零点平衡处移动10个位移分辨率单位(位移分辨率为0.5μm)，记录位移值，反复做三次以上取平均值。

(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可用单个脉冲的作用力k_p代替。

k_p＝W_B/p₁，其中p₁是砝码移动L₁距离编码器输出的脉冲数。

3.力值标定的重力砝码的确定与安装方法

1)根据力值计量精度要求和位移分辨率确定重力砝码12重力大小。设最小位移单位的作用力k，计量精度要求δ，则按下式计算砝码重力

$W_B>\frac{k}{\mathrm{\δ}}---\left(7\right)$

其中k^*为单位位移的作用力k的预估值，W^*和S^*分别为砝码10重力W与短臂长度S的设计值。

用单位脉冲的作用力k_p代替单位位移的作用力k，

$W_B>\frac{k_p}{\mathrm{\δ}}$

W_B除了满足上述条件外，还应当保证图2中N₁＞0。为此，根据静力学关系，得

$W_B<\frac{W_1{S}_1}{S}-(W_1+W_{02}+W_{03})-\frac{W_{03}{L}_{03}}{S}---\left(8\right)$

2)标定时安装的重力砝码12的重力作用于图2中主杠杆横梁9的施力点D与零点平衡杠杆横梁6的右端点的连接件上，当主杠杆横梁9处于水平状态时，主杠杆横梁9的施力点D与零点平衡杠杆横梁6的右端点的连线为铅垂线，与重力砝码12重力方向线重合。

为便于标定使用，结构上设计使重力砝码12安装在图2中反向架下横梁的上部和与零点平衡杠杆横梁6右端点连接的立杆上。

III.利用配重W₁对双杠杆游码式力标准机进行标定的方法

根据公式

$L_0=\frac{1}{W}(W_1{S}_1-(W_{01}{L}_{01}+W_{02}S+W_{03}{L}_{03}))---\left(2\right)$

设W₁S₁可以改变，变化量Δ(W₁S₁)，则下式成立

${\mathrm{\&Delta;L}}_0=\frac{\mathrm{\&Delta;}\left(W_1{S}_1\right)}{W}---\left(9\right)$

ΔL₀为L₀的变化量。

若Δ(W₁S₁)为常数，当测得ΔL₀和Δ(W₁S₁)引起的力值变化ΔP，根据零点平衡杠杆横梁6静力平衡关系

$\mathrm{\&Delta;P}=\frac{\mathrm{\&Delta;}\left(W_1{S}_1\right)}{S}---\left(10\right)$

得

$\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;}{L}_0}=\frac{W}{S}---\left(11\right)$

即可以测得比例系数

只要保持Δ(W₁S₁)为常数，因为S为常数，所以Δ(W₁S₁)引起的力值变化ΔP即为常数，因此则可以随时根据需要对比例系数

进行校准。

一般Δ(W₁S₁)和ΔL₀均为负值，即L₀和W₁S₁均减小。

利用配重W₁对双杠杆游码式力标准机进行标定，也应确保图2中N₁＞0，为此根据静力学关系可得条件

Δ(W₁S₁)＜W₁S₁-(W₁+W₀₂+W₀₃)S-W₀₃L₀₃(12)

校准的实施方法：

1.第一次标定时运用测力传感器确定Δ(W₁S₁)即ΔP，

1)在改变配重即加上Δ(W₁S₁)的情况下，按照上述(即第II个问题中第1个问题的)方法进行零点校准。

2)然后在图1中被施加力值的试件安装位置处安装一高精度测力传感器，并去掉Δ(W₁S₁)。

3)通过移动动横梁5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。

4)读取测力传感器的数据，以确定Δ(W₁S₁)引起的力值变化ΔP。

2.然后再通过移动动横梁5使测力传感器与加载反向架脱离接触，接着移动砝码10使主杠杆横梁9回复水平状态，记下并计算移动距离ΔL₀，测得比例系数

以后可以随时进行校准，方法是分别在加上和去掉Δ(W₁S₁)的情况下按照上述方法进行零点校准，保证主杠杆横梁9水平状态一致，记录砝码10位移变化量即ΔL₀。根据第一次利用传感器测得的Δ(W₁S₁)引起的力值变化ΔP，标定出ΔP/ΔL₀，即根据公式(11)校对比例系数

该方法的额外好处是可以减小砝码10的重力W和(或者)砝码10移动有效距离L。原因是初始平衡点由L₀减小了ΔL₀，根据公式(0)，增加的力值ΔP，

$\mathrm{\&Delta;P}=\frac{1}{S}\mathrm{W\&Delta;}{L}_0$

ΔL₀可以用脉冲数p₀表示，比例系数

也可以用单位脉冲的力值

表示。

意味着，在最大载荷相同的条件下，WL可以减小，也即减小了体积。

实施例

一种50kN双杠杆游码式力标准机，加载主杠杆横梁9的长度2000mm，最大放大比18，加载范围500N-50kN，S₁＝285mm，L₀＝240mm，S＝95mm，H＝1000mm，加载砝码10重力W＝2800N，零点平衡杠杆横梁6的配重砝码19重力W₁＝1600N，伺服电机2功率750W，额定转速2000rpm，砝码10在主杠杆横梁9移动的位移分辨率0.5μm。

图1中表示50kN双杠杆游码式力标准机的结构组成，其包括有：

力点刀承1、伺服电机2、支点刀承3、动横梁5、零点平衡杠杆横梁6、电控柜7、滚珠丝杠8、主杠杆横梁9与砝码10。图5中表示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，其中：附加配重砝码15与原配重砝码16共同构成零点平衡杠杆横梁6的配重砝码19(重力为W₁)。附加配重砝码15与原配重砝码16通过两个结构相同的定位销17定位，通过紧固螺钉18紧固在一起。当取下原配重砝码16时，符合Δ(W₁S₁)＜W₁S₁-(W₁+W₀₂+W₀₃)S-W₀₃L₀₃公式的关系。加上原配重砝码16相当于零点平衡杠杆横梁6增加了Δ(W₁S₁)。零点平衡杠杆横梁6的附加配重砝码15也可以是上下放置，如图6中所示，附加配重砝码15与原配重砝码16共同构成零点平衡杠杆横梁6的配重砝码19(重力为W₁)。附加配重砝码15与原配重砝码16通过两个结构相同的定位销17定位，通过紧固螺钉18紧固在一起。当取下原配重砝码16时，符合公式Δ(W₁S₁)＜W₁S₁-(W₁+W₀₂+W₀₃)S-W₀₃L₀₃的关系。加上原配重砝码16相当于零点平衡杠杆横梁6增加了Δ(W₁S₁)。

双杠杆游码式力标准机按照前述方法和规则，设计选取合适的参数使其处于零位自然平衡。平衡的标志是公式

中的P＝0，主杠杆横梁9处于水平状态。水平状态通过差动变压器11检测，以差动变压器11偏离零位±0.015mm以内视为杠杆水平。结构上采用伺服电机2经同步带驱动滚珠丝杠8转动，通过螺母带动砝码10沿主杠杆横梁9上的滚动导轨移动。为简便起见，借用伺服电机2自带的增量式编码器测量砝码10(重力为W)的位移，且运用伺服放大器的细分功能将编码器输出细分，达到提高分辨率的目的。伺服电机2自带编码器的脉冲数为2500，8倍频，经细分后变为20000。

对双杠杆游码式力标准机进行的零位校准，是通过移动砝码10在主杠杆横梁9上的位置，使主杠杆横梁9处于要求的水平位置，此时公式

中的P＝0。

对双杠杆游码式力标准机进行的标定，是确定当公式

中P不为零时单位脉冲变化引起的力值变化，用k_p表示，k_p是k的脉冲表示形式。

参阅图5，采用重力砝码12的重力进行标定，取W_B＝77.45N，以差动变压器11偏离零位±0.015mm以内视为主杠杆横梁9水平，采用增量式编码器测量砝码10(重力为W)的位移，测得对应L₁距离的脉冲数p₁＝22275，标定得系数k_p＝0.00685N/p。根据公式(7)，设δ＝0.01％，则计算得W_B的计算值为68.5N，满足要求。

采用配重进行力值校准，取Δ(W₁S₁)＝190000Nmm，S＝95mm。首先利用高精度测力传感器标定，在安装有Δ(W₁S₁)的情况下进行零位校准，然后取下Δ(W₁S₁)，安装测力传感器，移动动横梁5使主杠杆横梁9处于水平，以差动变压器11偏离零位±0.015mm以内视为杠杆水平。标定得系数ΔP＝2000N；移动砝码10，在没有安装Δ(W₁S₁)的情况下进行零位校准。记录从安装有Δ(W₁S₁)的情况下的零位起，砝码10移动走过的脉冲数，即为ΔL₀对应的脉冲数，得p₀＝291600，于是k_p＝0.00685N/p。

其中W₁＝2200N，W₀₂＝200N，W₀₃＝100N，L₀₃＝47mm，S₁＝200mm

计算得

Δ(W₁S₁)+(W₁+W₀₂+W₀₃)S+W₀₃L₀₃≈432200Nmm

W₁S₁＝440000

满足条件

Δ(W₁S₁)＜W₁S₁-(W₁+W₀₂+W₀₃)S-W₀₃L₀₃

Claims (4)

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、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)、第一砝码(10)、平板(25)与偏心轮张紧机构；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)下端穿出并安装有第一同步带轮，滚珠丝杠(8)的左端从平板(25)上端穿出并安装有第二同步带轮，伺服电机(2)通过同步带来带动滚珠丝杠(8)转动，第一砝码(10)由滚珠丝杠(8)上的丝杠螺母带动，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；零点平衡杠杆横梁(6)的中间支点固定，左端为配重砝码(19)，所述配重砝码(19)的重力为W₁，零点平衡杠杆横梁(6)的右端点起着对主杠杆横梁(9)施加平衡力的作用，所述右端点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；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(15)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(20)、2个弹簧挡圈(21)、N个轴承(22)、隔套(23)与螺钉(24)；

所述的偏心轴(20)一端设置成台阶或四方柱体或六方柱体，在偏心轴(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(24)将偏心轴(20)紧固在平板(25)上，偏心轴(20)上依次套装有第一个弹簧挡圈(21)、第一个轴承(22)、第二个轴承......第N个轴承(22)与第二个弹簧挡圈(21)，第二个弹簧挡圈(21)与第一个弹簧挡圈(21)结构相同，N个轴承的结构相同，N个轴承(22)的轴承外环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，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(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，N取大于等于1的自然数。

3.一种权利要求1所述的双杠杆式力标准机的利用重力砝码W_B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W_B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W_B的重力砝码(12)；

3)再次实施零点平衡校准；

4)记住第一砝码(10)的位移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k_p代替，

k_p＝W_B/p₁，其中p₁是第一砝码(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W₁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为W₁的配重砝码(19)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)，在反向架下横梁上端面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(5)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Δ(W₁S₁)引起的力值变化ΔP；

6)通过移动动横梁(5)使测力传感器与加载的反向架脱离接触，移动第一砝码(10)使主杠杆横梁(9)回复水平状态，记下并计算移动距离ΔL₀，测得比例系数ΔL₀可以用脉冲数p₀表示，比例系数也可以用单位脉冲的力值

表示，

式中：S₁为第2支点刀承(14)到配重砝码(19)作用线距离，W为第一砝码(10)重力值，S为支点刀承(3)到第2支点刀承(14)水平距离，ΔL₀为第一砝码(10)位移变化量，ΔP为改变Δ(W₁S₁)引起的力值变化。

Images