基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置的製作方法

2023-08-22 11:00:16

本發明涉及力值測量領域，具體地，涉及一種基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置。

背景技術：

力標準機可分為靜重式、槓桿式、液壓式和疊加式四種型式。本發明類屬於靜重式力標準機。靜重式力標準機是由砝碼的重力作為標準負荷，通過適當的機構按預定順序自動平穩地把負荷直接施加到被檢測力儀上的裝置。靜重式力標準機通常由靜重砝碼、砝碼吊掛系統、砝碼加卸系統、加荷框架、電氣控制系統等組成，其最小力值一般由砝碼吊掛系統和加荷框架產生的重力得到，最大力值與最小力值之比通常不超過100：1。為了擴展力值測量範圍的下限，一些新型的靜重式力標準機採用平衡機構平衡掉砝碼吊掛系統和加荷框架的重量，其初級負荷即為第一級砝碼復現的力值。目前，採用這種平衡機構的靜重式力標準機，通常採用刀口支撐方式支撐主梁。但刀口支撐方式的摩擦力較大，並且刀子、刀承間的自由度較大，不利於靜重式力值標準機砝碼的準確定位和微小力值的復現。

因此有必要研發一種測量更為準確的，基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置。

技術實現要素：

本發明提出了一種基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置，測量範圍為1mn-10n，最大力值與最小力值之比為10000：1，力值不確定度達到u＝0.01％(k＝2)，在國內屬於首創，解決了高準確度微小力值傳感器的量值溯源問題。

為了實現上述目的，本發明提出了一種基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置，包括：

機架，所述機架固定在底座上；

主梁，所述主梁設置在所述機架的頂部；

氣浮軸承，所述氣浮軸承支撐所述主梁；

加荷框架，所述加荷框架懸掛在所述主梁的一端；

砝碼吊掛系統，所述砝碼吊掛系統連接於所述加荷框架底部；

內置式配重平衡機構，所述內置式配重平衡機構設置在所述主梁的另一端。

優選地，所述主梁通過主軸與所述氣浮軸承連接，所述主梁通過所述氣浮軸承的轉子和定子間的氣膜支撐。

優選地，所述加荷框架包括：加荷框架上橫梁、多個吊杆、加荷框架下橫梁及升降工作檯，所述多個吊杆連接所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁，所述升降工作檯設置在所述吊杆上，位於所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁之間。

優選地，所述加荷框架還包括：刀口式萬向節，所述刀口式萬向節設置在所述升降工作檯底部及所述加荷框架下橫梁上。

優選地，所述加荷框架通過薄鋼帶懸掛於所述主梁一端，所述薄鋼帶中部設置有90°換向機構。

優選地，還包括平衡微調機構，所述平衡微調機構設置在所述主梁中部。

優選地，所述砝碼吊掛系統包括：吊掛杆及多個託盤，所述多個託盤沿所述吊掛杆豎直方向依次設置，所述吊掛杆的頂部連接於所述加荷框架底部。

優選地，還包括砝碼加卸載系統，所述砝碼加卸載系統包括：砝碼支架、水平旋轉機構、水平移動機構及垂直移動機構，所述砝碼支架設置在水平旋轉機構上，所述水平旋轉機構設置在水平移動機構的一端，所述水平移動機構的另一端設置在所述垂直移動機構上，所述垂直移動機構固定在所述底座上。

優選地，還包括間隙夾緊機構，所述間隙夾緊機構對稱設置於所述主梁兩側。

優選地，還包括雷射位移傳感器，所述雷射位移傳感器設置在所述基座上，位於所述氣浮軸承兩側。

本發明的有益效果在於：通過使用氣浮軸承支撐主梁為主梁提供了一個單一自由度的支撐，實現了主軸方向自由旋轉，限制了主梁其它方向的自由度，減小了摩擦力，確保了砝碼加卸時的準確定位。基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置的測量範圍為1mn-10n，最大力值與最小力值之比為10000：1，力值不確定度達到u＝0.01％(k＝2)，在國內屬於首創，解決了高準確度微小力值傳感器的量值溯源問題。

本發明的其它特徵和優點將在隨後具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

通過結合附圖對本發明示例性實施方式進行更詳細的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優勢將變得更加明顯。

圖1示出了根據本發明的一個實施例的基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置主視圖。

圖2示出了根據本發明的一個實施例的基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置左視圖。

圖3示出了根據本發明的一個實施例的氣浮軸承的連接結構放大示意圖。

圖4示出了根據本發明的一個實施例的升降工作檯及加荷框架放大示意圖。

附圖標記說明：

1、氣浮軸承；2、主梁；3、加荷框架；4、機架；5、砝碼吊掛系統；6、砝碼加卸載系統；7、大理石平臺；8、內置式配重平衡機構；9、平衡微調機構；10、間隙夾緊機構；11、雷射位移傳感器；12、吊杆；13、升降工作檯；14、精密直線運動模組；15、加荷框架基座；16、加荷框架支座。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本發明。雖然附圖中顯示了本發明的優選實施方式，然而應該理解，可以以各種形式實現本發明而不應被這裡闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了使本發明更加透徹和完整，並且能夠將本發明的範圍完整地傳達給本領域的技術人員。

根據本發明的一種基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置，包括：

機架，所述機架固定在底座上；

主梁，所述主梁設置在所述機架的頂部；

氣浮軸承，所述氣浮軸承支撐所述主梁；

加荷框架，所述加荷框架懸掛在所述主梁的一端；

砝碼吊掛系統，所述砝碼吊掛系統連接於所述加荷框架底部；

內置式配重平衡機構，所述內置式配重平衡機構設置在所述主梁的另一端。

具體地，通過使用氣浮軸承支撐主梁為主梁提供了一個單一自由度的支撐，實現了主軸方向自由旋轉，限制了主梁其它方向的自由度，減小了摩擦力，確保了砝碼加卸時的準確定位。基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置的測量範圍為1mn-10n，最大力值與最小力值之比為10000：1，力值不確定度達到u＝0.01％(k＝2)，在國內屬於首創，解決了高準確度微小力值傳感器的量值溯源問題。

具體地，主梁的一端懸掛一個加荷框架和一個砝碼吊掛系統，另一端是一個內置式配重平衡機構。在標準裝置空載狀態下，通過調節內置式配重平衡機構內的平衡砣將加荷框架和砝碼吊掛系統的重量平衡掉。

在一個示例中，所述主梁通過主軸與所述氣浮軸承連接，所述主梁通過所述氣浮軸承的轉子和定子間的氣膜支撐。

具體地，氣浮軸承採用靜壓軸承原理，通過穩定、乾燥、清潔的高壓氣源和節流器，在轉子和定子之間產生厚度極小的均勻的高強度氣膜，減小了摩擦力，實現對所述主梁及負載的支撐。

在一個示例中，所述加荷框架包括：加荷框架上橫梁、多個吊杆、加荷框架下橫梁及升降工作檯，所述多個吊杆連接所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁，所述升降工作檯設置在所述吊杆上，位於所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁之間。

在一個示例中，所述加荷框架還包括：刀口式萬向節，所述刀口式萬向節設置在所述升降工作檯底部及所述加荷框架下橫梁上。

具體地，被測壓向力傳感器設置在所述升降工作檯上部；被測拉向力傳感器設置在所述升降工作檯下部，通過設置在所述工作檯下部及加荷框架下橫梁上的刀口式萬向節連接於加荷框架下橫梁。

更優選地，多個吊杆的個數為四個。

具體地，本發明採用一個四吊杆框架結構的加荷框架，在框架的上下橫梁間設置一個由精密直線運動模組帶動的升降工作檯。升降工作檯與四吊杆框架上橫梁組成壓向力試驗空間；升降工作檯與四吊杆框架下橫梁組成拉向力試驗空間。被測壓向力傳感器設置在工作平臺上部；被測拉向力傳感器設置在工作平臺下部，並通過上下兩個刀口式萬向節與標準裝置相連。升降工作檯由伺服電機精確控制位移，伺服電機設置在機架上，調整壓向力或拉向力試驗空間。當砝碼的加卸及被測力傳感器的變形使主梁偏離其平衡位置時，雷射位移傳感器測量該位移，並通過伺服電機驅動調整工作檯移動，使主梁重新回到其初始平衡位置。本發明在加荷框架下部的拉向力試驗空間，採用微型刀口式萬向節，確保拉向力傳感器受力軸線與重力軸線的一致。這種萬向節型式首次在力標準機中採用。

具體地，刀口式萬向節包括：萬向節拉頭、刀口、十字頭、萬向節座，萬向節拉頭、刀口及十字頭依次連接固定在萬向節座上。刀口萬向節設置在加荷框架下部的拉力試驗空間，在進行拉向力傳感器力值測量時，確保傳感器受力軸線與重力軸線的一致，解決了拉向力傳感器受力軸線與重力軸線同軸調整的問題。

在一個示例中，所述加荷框架通過薄鋼帶懸掛於所述主梁一端，所述薄鋼帶中部設置有90°換向機構。

在一個示例中，還包括平衡微調機構，所述平衡微調機構設置在所述主梁中部。

具體地，主梁中部固定安裝一個平衡微調機構，通過調節其內置螺釘，微調主梁左右及上下位置，使主梁達到隨遇平衡。

在一個示例中，所述砝碼吊掛系統包括：吊掛杆及多個託盤，所述多個託盤沿所述吊掛杆豎直方向依次設置，所述吊掛杆的頂部連接於所述加荷框架底部。

更優選地，砝碼吊掛系統採用鋁合金及鈦合金材料製作，分為多層，每層兩邊開口，便於砝碼加卸載系統從兩邊放入或取出砝碼。砝碼吊掛系統下端是一套間隙夾緊機構，防止掛架晃動，砝碼加載時間隙夾緊，測量讀數時打開。

在一個示例中，還包括砝碼加卸載系統，所述砝碼加卸載系統包括：砝碼支架、水平旋轉機構、水平移動機構及垂直移動機構，所述砝碼支架設置在水平旋轉機構上，所述水平旋轉機構設置在水平移動機構的一端，所述水平移動機構的另一端設置在所述垂直移動機構上，所述垂直移動機構固定在所述底座上。水平移動機構由高精度直線自動滑臺驅動，垂直移動機構由高精度直線運動模組驅動，水平旋轉機構由高精度旋轉模組驅動，從而保證了砝碼加卸載系統的高精度可靠運行。

具體地，砝碼加卸載系統由砝碼支架及三維運動機構組成。砝碼加卸載系統共有2套，分布在砝碼吊掛系統的兩側。砝碼支架分為10層，每層5個均勻分布在圓周上，砝碼不加載時就安裝在砝碼支架上。砝碼和砝碼支架之間的定位採用錐形間隙配合、錐面導向、圓柱面定位，間隙不大於0.1mm。當進行砝碼加載時，水平旋轉機構將砝碼支架上選定的砝碼組旋轉到正對於砝碼吊掛系統的位置；水平移動機構將砝碼組送進砝碼吊掛系統；垂直移動機構將砝碼逐個順序施加到砝碼吊掛系統的託盤上。採用與上述相反的過程，實現砝碼的卸載。

在一個示例中，還包括間隙夾緊機構，所述間隙夾緊機構對稱設置於所述主梁兩側。

具體地，間隙夾緊機構為在主梁兩側對稱分布的移動直線模組，用於實現主梁的間隙夾緊。

在一個示例中，還包括雷射位移傳感器，所述雷射位移傳感器設置在所述基座上，位於所述氣浮軸承兩側。用來監控主梁的位置。

更優選地，整套裝置固定在機架上，並採用玻璃罩密封防止氣流對基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置的影響。

更優選地，機架設置在大理石平臺上。

實施例1：

圖1示出了根據本發明的一個實施例的基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置主視圖。圖2示出了根據本發明的一個實施例的基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置左視圖。

如圖1-2所示，該基於氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標準裝置，包括：

氣浮軸承1、主梁2、帶升降工作檯的加荷框架3、機架4、砝碼吊掛系統5、砝碼加卸載系統6、大理石平臺7。

裝置採用h型氣浮軸承1來支撐主梁2，減小了摩擦力，提高裝置的靈敏度；同時氣浮軸承1為主梁2提供了一個單一自由度的支撐，實現了主軸方向自由旋轉，限制了主梁2其它方向的自由度，確保了砝碼加卸時的準確定位。

主梁2的一端懸掛一個加荷框架3和一個砝碼吊掛系統5，另一端是一個內置式配重平衡機構8。在標準裝置空載狀態下，通過調節內置式配重平衡機構8內的平衡砣將加荷框架3和砝碼吊掛系統5的重量平衡掉。主梁2中部固定安裝一個平衡微調機構9，通過調節其內置螺釘，微調主梁2左右及上下位置，從而使主梁2達到隨遇平衡。主梁2兩側對稱分布兩套由移動直線模組構成的間隙夾緊機構10，用於實現主梁2的間隙夾緊。主梁2的位置由雷射位移傳感器11監測。

主梁2的一端用薄鋼帶(未示出)懸掛加荷框架3和砝碼吊掛系統5，薄鋼帶中間採用90°換向機構使薄鋼帶上下兩部分成90°懸掛，實現無附加力的萬向節功能，使加荷框架3和砝碼吊掛系統5自由懸掛在中心位置。

本實施例採用一個四吊杆框架結構的加荷框架3，在框架3的上下橫梁間設置一個由精密直線運動模組14帶動的升降工作檯13。加荷框架3通過加荷框架基座15及加荷框架支座16固定在機架4上，升降工作檯13與四吊杆框架上橫梁組成壓向力試驗空間；升降工作檯13與四吊杆框架下橫梁組成拉向力試驗空間。被測壓向力傳感器設置在工作平臺13上部；被測拉向力傳感器設置在工作平臺13下部，並通過上下兩個刀口式萬向節與標準裝置相連。升降工作檯13由伺服電機精確控制位移，調整壓向力或拉向力試驗空間。當砝碼的加卸及被測力傳感器的變形使主梁2偏離其平衡位置時，雷射位移傳感器11測量該位移，並通過伺服電機驅動調整工作檯移動，使主梁2重新回到其初始平衡位置。

本實施例在加荷框架3下部的拉向力試驗空間，採用微型刀口式萬向節，確保拉向力傳感器受力軸線與重力軸線的一致。

砝碼吊掛系統5採用鋁合金及鈦合金材料製作，以提高裝置靈敏度；分為10層，每層兩邊開口，便於砝碼加載系統從兩邊放入砝碼。砝碼吊掛系統下端是一套間隙夾緊機構，防止掛架晃動，砝碼加卸載時間隙夾緊，測量讀數時打開。

裝置的靜重砝碼共有100支，分為10個量程段，每個量程段10支，分別是：1mn×10、2mn×10、5mn×10、10mn×10、20mn×10、50mn×10、100mn×10、200mn×10、500mn×10、1n×10。其中1mn、2mn、5mn砝碼採用鋁合金材料製造；10mn、20mn、50mn、100mn、200mn、500mn、1n採用不鏽鋼材料製造，砝碼最大允許誤差不超過其標稱質量的±1×10-5，磁化率較小，滿足力標準機的測量要求。

本實施例可以配置兩套砝碼加卸載系統6，對稱分布在砝碼吊掛系統5的兩側。砝碼加卸載系統6由砝碼支架、三維運動機構組成。每套砝碼加卸載系統6有五排支架臂，分別放置五種砝碼，每種十支。當進行砝碼加載時，水平旋轉機構將選定的砝碼組旋轉到正對於砝碼吊掛系統5的位置；水平移動機構將砝碼組送進砝碼吊掛系統5；垂直移動機構將砝碼逐個順序施加到砝碼吊掛系統5的託盤上。採用與上述相反的過程，實現砝碼的卸載。採用這種方式進行加卸載，使砝碼依次加卸，避免了逆程現象。

整套裝置固定在機架4上，機架4固定在一個大理石平臺7上。整套裝置採用玻璃罩密封防止氣流對微小力值精密測量的影響。

本發明可採用全自動和手動兩種操作模式。全自動模式為：按照pc程序的設定，完成全自動加卸載及力傳感器的檢定、校準及數據處理過程；手動模式為：使用者通過手動設定，也可完成全部操作過程。

本領域技術人員應理解，上面對本發明的實施例的描述的目的僅為了示例性地說明本發明的實施例的有益效果，並不意在將本發明的實施例限制於所給出的任何示例。

以上已經描述了本發明的各實施例，上述說明是示例性的，並非窮盡性的，並且也不限於所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的範圍和精神的情況下，對於本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術語的選擇，旨在最好地解釋各實施例的原理、實際應用或對市場中的技術改進，或者使本技術領域的其它普通技術人員能理解本文披露的各實施例。