扭矩標準機全平衡加載系統的製作方法

2023-10-11 22:36:29 2

扭矩標準機全平衡加載系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種扭矩標準機全平衡加載系統，包括槓桿，特徵是：所述槓桿的中心通過聯軸器與旋轉電機輸出軸連接，旋轉電機輸出軸上安裝被檢扭矩傳感器，旋轉電機上安裝旋轉角度編碼器，在槓桿端部的下方設置雷射位移傳感器；在所述槓桿的兩端部連接砝碼舉升組件，砝碼舉升組件包括砝碼舉昇平臺和負荷砝碼組，砝碼舉昇平臺一側設置砝碼位置傳感器；所述負荷砝碼組包括依次堆疊的砝碼，砝碼內部為空腔，空腔上下為設有通孔的擋板，相鄰砝碼之間通過設置在通孔中的連接杆連接，連接杆的兩端具有圓盤，最上端的砝碼通過懸掛鋼帶與槓桿連接；連接杆在砝碼空腔內具有上下的行程距離。本發明保證在砝碼加卸載過程中的力臂平衡狀態，提高扭矩值的測量精度。
【專利說明】扭矩標準機全平衡加載系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種扭矩標準機全平衡加載系統，尤其是一種在砝碼加卸載過程中保證力臂全平衡的加載系統。

【背景技術】
[0002]扭矩標準機在國民經濟建設中，起到量值傳遞和量值溯源的作用，是扭矩計量檢定工作中不可缺少的關鍵設備。從某種程度上講，扭矩標準裝置的技術水平反映出一個國家和地區的扭矩測量水平的高低。
[0003]扭矩作為一個力學的主要參數，其重要性已經為各發達國家所重視，以德國為主的發達國家(美國、英國、法國等)，在九十年代後期，大力發展先進的高精度扭矩計量標準裝置，以滿足國內日益增長的民用及軍用工業部門的需求。目前國際上先進的工業國家，如德國、英國、日本等相繼建立了採用各類新型技術的高準確度扭矩標準機，完成了設備的更新換代，實現了裝置檢測校準工作的半自動化或全自動化。
[0004]扭矩標準機根據其設計原理可大致分為靜重式扭矩標準裝置、槓桿放大式扭矩標準裝置、參考式扭矩標準裝置和其他類型的扭矩標準裝置。我國扭矩標準機的類型比較單一，以靜重式扭矩標準機為主要類型。靜重式扭矩標準機是以砝碼的質量作為標準負荷，通過力臂槓桿的作用產生標準力矩，藉助適當的機構按預定順序自動、平穩、準確地把作用力矩和平衡力矩施加到被檢扭矩(扭轉)傳感器上。這種扭矩標準機的計量學性能取決於砝碼質量、槓桿長度、槓桿的水平控制程度，砝碼的加卸載方式等重要技術指標。
[0005]與國際上先進國家的扭矩標準機比較，我國扭矩標準機的準確性、可靠性和自動化程度尚有較大的差距。分析目前我國現有型式的扭矩標準機，由於砝碼加卸載不平穩，在加載過程中對被檢傳感器產生扭矩過衝。扭矩標準機的加載形式一般以槓桿平衡一砝碼加載(或卸載)一槓桿失穩一槓桿再平衡這樣一種循環方式工作，整個加載和槓桿平衡所用時間過長，同時由於槓桿反覆失衡且失衡角度過大,對槓桿支撐刀口產生較大的摩擦和破壞，不僅降低了槓桿平衡的靈敏度，也降低了扭矩標準機的準確度。總結現有扭矩標準機所存在的主要問題可以歸納為:
1、槓桿水平控制方式有缺陷，控制精度和抗幹擾能力差，且控制能力無法進行明確量化；
2、砝碼加卸載不平穩，砝碼定位系統可靠性較差，不能準確的確定加卸載的位置；
3、砝碼加卸載後完全失衡，力臂平衡時間長,工作效率低。


【發明內容】

[0006]本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種扭矩標準機全平衡加載系統，保證扭矩標準機在砝碼加卸載過程中的力臂平衡狀態，提高扭矩值的測量精度；同時可以避免扭矩衝擊，減少力臂的平衡時間，提高檢測效率。
[0007]按照本發明提供的技術方案，一種扭矩標準機全平衡加載系統，包括槓桿，特徵是:所述槓桿的中心通過聯軸器與旋轉電機的輸出軸連接，在旋轉電機的輸出軸上安裝被檢扭矩傳感器，在旋轉電機上安裝用於測量旋轉電機輸出軸轉動角度的旋轉角度編碼器；在所述槓桿的一端或兩端的下方設置用於測量槓桿水平狀態的雷射位移傳感器；在所述槓桿的兩端部分別通過懸掛鋼帶連接砝碼舉升組件，砝碼舉升組件包括砝碼舉昇平臺，在砝碼舉昇平臺上設置負荷砝碼組，在砝碼舉昇平臺一側設置用於檢測砝碼舉昇平臺高度的砝碼位置傳感器；所述負荷砝碼組包括多個從下至上依次堆疊的砝碼，砝碼的內部設置空腔，空腔的上下為擋板，擋板上設置通孔；每個砝碼與相鄰的砝碼的之間通過設置在通孔中的連接杆連接，連接杆的兩端具有凸出於連接杆外圓周面的圓盤；最上端的砝碼通過懸掛鋼帶與槓桿連接；每個砝碼內的連接杆在砝碼空腔內具有可上下活動的行程距離。
[0008]進一步的，所述雷射位移傳感器、砝碼位置傳感器和旋轉角度編碼器的輸出端分別與CPU處理器連接，CPU處理器的輸出端連接砝碼加載電機控制器和旋轉電機控制器，砝碼加載電機控制器連接砝碼加載電機驅動器，砝碼加載電機驅動器驅動砝碼加載電機動作，旋轉電機控制器連接旋轉電機驅動器，旋轉電機驅動器驅動旋轉電機動作。
[0009]進一步的，所述CPU處理器連接鍵盤和顯示器以及數據存儲器。
[0010]進一步的，在所述槓桿的兩端的下方分別對稱設置槓桿擺動限位器。
[0011]進一步的，所述砝碼舉昇平臺與砝碼加載電機的動力輸出端連接。
[0012]本發明為扭矩(扭轉)傳感器的檢定/校準提供了快速、高效、準確的解決方案和技術基礎，為進一步提高傳感器的產品質量，降低企業的檢測成本，提升產品的綜合競爭力，提高整個傳感行業的水平，促進我國自動化設備製造業的發展和進入世界先進行列提供了有利條件。同時，傳感器製造業的提升，將間接帶動各個行業技術的發展，安全性能的增加，工作效率的提高，將會產生極好的經濟和社會效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明所述全平衡加載系統的結構示意圖。
[0014]圖2為圖1的A向視圖。
[0015]圖3為所述全平衡加載系統的原理框圖。
[0016]圖4為所述負荷砝碼組在加載過程中高度坐標變化示意圖。
[0017]圖5為採用步進式加載方式的流程圖。
[0018]圖6為採用連續式加載方式的流程圖。

【具體實施方式】
[0019]下面結合具體附圖對本發明作進一步說明。
[0020]如圖1?圖4所示:所述扭矩標準機全平衡加載系統包括槓桿1、雷射位移傳感器
2、負荷砝碼組3、砝碼位置傳感器4、砝碼舉升組件5、旋轉角度編碼器6、旋轉電機7、被檢扭矩傳感器8、聯軸器9、槓桿擺動限位器10、懸掛鋼帶11、砝碼12、連接杆13、擋板14、砝碼加載電機15、CPU處理器16、破碼加載電機控制器17、旋轉電機控制器18、破碼加載電機驅動器19、旋轉電機驅動器20、鍵盤和顯示器21、數據存儲器22、砝碼舉昇平臺23等。
[0021 ] 如圖1、圖2所示，本發明包括槓桿I，槓桿I的中心通過聯軸器9與旋轉電機7的輸出軸連接，在旋轉電機7的輸出軸上安裝被檢扭矩傳感器8，在旋轉電機7上安裝用於測量旋轉電機7輸出軸轉動角度的旋轉角度編碼器6 ;在所述槓桿I的一端或兩端的下方設置雷射位移傳感器2，雷射位移傳感器2用於測量槓桿I的水平狀態；在所述槓桿I的兩端部分別通過懸掛鋼帶11連接砝碼舉升組件5，砝碼舉升組件5包括砝碼舉昇平臺23，砝碼舉昇平臺23與砝碼加載電機15的動力輸出端連接，砝碼加載電機15用於提供砝碼舉昇平臺23上升或下降運動的動力，在砝碼舉昇平臺23上設置負荷砝碼組3，在砝碼舉昇平臺23一側設置砝碼位置傳感器4，砝碼位置傳感器4用於檢測砝碼舉昇平臺23的高度；
如圖3所示，所述雷射位移傳感器2、砝碼位置傳感器4和旋轉角度編碼器6的輸出端分別與CPU處理器16連接，CPU處理器16的輸出端連接砝碼加載電機控制器17和旋轉電機控制器18，砝碼加載電機控制器17連接砝碼加載電機驅動器19，砝碼加載電機驅動器19驅動砝碼加載電機15動作，旋轉電機控制器18連接旋轉電機驅動器20，旋轉電機驅動器20驅動旋轉電機7動作；所述CPU處理器16連接鍵盤和顯示器21以及數據存儲器22 ；
如圖4所示，所述負荷砝碼組3包括多個從下至上依次堆疊的砝碼12，砝碼12的內部設置空腔，空腔的上下為擋板14，擋板14上設置通孔；每個砝碼12與相鄰的砝碼12的之間通過設置在通孔中的連接杆13連接，連接杆13的兩端分別連接凸出於連接杆13外圓周面的圓盤；最上端的砝碼12通過懸掛鋼帶11與槓桿I連接；每個連接杆13在砝碼12空腔內具有可上下活動的行程距離；
如圖2所示，在所述槓桿I的兩端的下方分別對稱設置槓桿擺動限位器10，用以限制槓桿I的擺動幅度；所述槓桿I的擺動幅度一般控制在連接杆13上下活動的行程距離以內，從而在工作時，槓桿I 一端的砝碼舉升組件使用時，另一端的砝碼舉升組件不會造成影響，也不工作；
如圖4所示，x=0> x=xn> x=x12> X=X21 > X=X22為破碼舉升組件3處於不同狀態時的坐標；
(I)坐標值x=0時，槓桿I處於初始水平狀態，砝碼12依次堆疊在下側的砝碼12上，與懸掛鋼帶11連接的連接杆13下端的圓盤懸於最上端砝碼12空腔內；當砝碼舉升組件5下降時，坐標值由O向xn、x12、x21、x22遞增；(2)當坐標值x=xn時，負荷破碼組3最上端的破碼12空腔內上部的擋板14與和懸掛鋼帶11連接的連接杆13下端的圓盤接觸，即X11為最上端砝碼12的空行程距離，此時最上端的砝碼12堆疊在第二個砝碼12上，沒有移動距離，空行程距離的目的是為了使槓桿I具有自由上下擺動留有空間；(3)當坐標值X=X12時，最上端的砝碼12在懸掛鋼帶11的牽引下與第二個砝碼12脫離，最上端的砝碼12的重量完全加載在槓桿I上，連接最上端砝碼12和第二個砝碼12的連接杆13下端的圓盤懸於第二個砝碼12的空腔內，為第二個砝碼12留有空行程距離；(4)當砝碼舉升組件5繼續下降，由坐標X12達到坐標值X21時，連接最上端砝碼12和第二個砝碼12的連接杆13下端的圓盤與第二個砝碼12空腔內上部的擋板14接觸，此時第二個砝碼12仍然堆疊在第三個砝碼12上，即X21為第二個砝碼12的空行程距離；(5)當坐標值X=X22時，由連接第二個砝碼12和最上端砝碼12的連接杆13的牽引下，第二個砝碼12與第三個砝碼12脫離，最上端的砝碼12和第二個砝碼12的重理完全加載在槓桿I上，連接第二個砝碼12和第三個砝碼12的連接杆13下端的圓盤懸於第三個砝碼12的空腔內，為第三個砝碼12留有空行程距離；(6)砝碼舉升組件5進一步下降時，砝碼會依次加載在槓桿I上。
[0022]本發明的工作過程:(1)當扭矩負荷空載，槓桿I處於平衡狀態下，將被檢扭矩傳感器8固定在旋轉電機7輸出軸上，對槓桿進行平衡；通過鍵盤和顯示器21輸入平衡指令，雷射位移傳感器2檢測槓桿I的水平狀態參數+y或_y (槓桿I向上時為+y，槓桿I向下時為1)，並將該參數發送給CPU處理器16，CPU處理器16根據該參數控制旋轉電機7向左旋或向右旋(槓桿I水平狀態參數為+y時，旋轉電機向左旋轉，角度為_α ;槓桿I水平狀態參數為_y時，旋轉電機向左旋轉，角度為+α )，使槓桿I重新回到平衡位置，並將旋轉角度編碼器6置零；
(2)根據檢測的需要，假設測試點分別為Μ1=20Ν.m、M2=40N.m、M3=60N.m、M4=80N.m和M5=10N-m五個扭矩測量點，且每個砝碼12加載後產生的扭矩值均為20N-m ;採用槓桿I左端的砝碼舉升組件5，槓桿I右端的砝碼舉升組件5不工作。
[0023]第一個測量點M1的加載過程如圖5所示:初始狀態時，y=0、x=0、α =0>η=1,η為破碼加載次數；砝碼加載電機15工作，將砝碼舉昇平臺23平穩地下降實現步進式加載三次，每次加載後砝碼舉昇平臺23的坐標值x=xn+na (a為砝碼加載一次的位移量)，當n=3時，χ=χ12 ;當破碼舉升組件位置由X11向X12下降時，槓桿I水平狀態參數y發生變化趨向_y，CPU處理器16通過雷射位移傳感器2不斷採集槓桿I的水平狀態參數，經CPU處理器16運算後，發生指令使旋轉電機7向+ α方向旋轉，使水平狀態參數y向O變化；當砝碼位置傳感器4的讀數值為X12時，即最上端的砝碼12處於完全加載位置，砝碼舉昇平臺23停止下降；同時，雷射位移傳感器2採集的槓桿I水平狀態參數符合槓桿I的平衡條件時，旋轉電機7停止旋轉；此時，第一個測量點M1加載完成，通過最上端砝碼12的加載和旋轉角度編碼器6數據的採集，CPU處理器16得到了與該被檢扭矩傳感器8相關的扭轉角度α 10
[0024]第二個測量點M2、第三個測量點M3、第四個測量點M4和第五個測量點M5的測量，採用和第一個測量點相同的方法，依次加載砝碼12，並通過旋轉電機7的轉動保持槓桿I的平衡狀態。
[0025]鑑於扭矩傳感器是利用金屬材料的彈性變形特性設計製造，故具有很好的線性特徵，因此為了達到使槓桿快速平衡的目的，在第二個測試點至第五個測試點的加載過程中，採用旋轉電機連續旋轉再補償調整的加載控制方法。在連續旋轉中又分為慢速、快速(與慢速比較相對快速)再慢速旋轉的步驟，第一次的慢速旋轉角度一般控制在預定扭轉角度α的15?20%，快速旋轉角度一般控制在預定扭轉角度α的80?90%，再慢速旋轉角度一般控制在預定扭轉角度α的90?98%左右。經連續旋轉後再補償調整直至槓桿符合平衡條件。具體如圖6所示,初始狀態時，y=0、x=x (」_1)2、α =a，其中，j為測量點的序號，j幸I ；砝碼加載電機15工作，進行連續旋轉，加載後砝碼舉昇平臺23的坐標為X=\2第一次慢速旋轉角度為α π= (0.15?0.20) XMjX a，第二次快速旋轉角度為α 12= (0.80?0.90)XMjX QjVM η，第三次慢速旋轉角度為α13=(0.95?0.98)ΧΜ」Χ a，其中，Mj為第j次測量點的扭矩值；在砝碼舉昇平臺23停止下降後，旋轉電機7再進行補償調整，當-y > +y時，旋轉電機7向+ α方向旋轉；當_y < +y，旋轉電機7向- α方向旋轉，以使y趨向於0，旋轉電機停止旋轉；此時測量點Mj加載完成，通過砝碼的加載和旋轉角度編碼器的採集，CPU處理器得到了新的與該被檢扭矩傳感器的相關的扭轉角度a JO
[0026]影響扭矩標準機的不確定度的主要因素之一是槓桿(力臂)水平度引起的不確定度。對於高精度的扭矩標準機而言，為提高槓桿平衡的靈敏度，槓桿支承軸承摩擦扭矩非常小，使得槓桿的平衡過程緩慢。不具備全平衡加載系統的扭矩標準機，由於槓桿上下擺動反覆失衡且失衡角度過大，也容易造成旋轉電機不停地左右旋轉，平衡時間更長。因此，本發明所述加載系統採用兩種控制方式:一是在第一個測量點的加載中，砝碼舉升組件從坐標X11到坐標X12為步進加載，步進的目的既是避免砝碼加載引起槓桿失衡角度過大，對被檢測扭矩傳感器的扭矩衝擊，也是便於槓桿水平狀態參數的讀取和與前參數的比較判斷，控制旋轉電機以一定的角度旋轉累進，直到水平參數I趨向O (此時狀態為槓桿水平預調整)，當幾次步進加載後，接著砝碼連續加載到坐標X12，此時旋轉電機進行最終調整直至槓桿符合平衡條件；二是在後續的加載中，砝碼舉升組件在連續平穩的加載中(如從X12?X22，X22?X32,…)，旋轉電機採用了慢速、快速、慢速組合方式旋轉至預定扭轉角度值的(95?98) %左右，再補償調整直至槓桿符合平衡條件。採用慢速、快速、再慢速旋轉的目的，是考慮負荷砝碼剛處於加荷狀態，砝碼位置傳感器的讀數值在X21或略大於X21時，旋轉電機突然快速旋轉，會產生扭矩衝擊，故採用與砝碼舉升組件協調同步的慢速旋轉；第二次的慢速旋轉是為減小槓桿的上下擺動，為後續儘快補償調整至平衡狀態提供條件。
[0027]本發明具有以下特點:(1)配置砝碼加載電機和被檢測傳感器旋轉電機，採用編碼器與控制系統，以力臂處於水平狀態為目的，在加載砝碼的過程中，控制砝碼的舉升高度和被檢測傳感器的旋轉角度，實現砝碼的全伺服加載；(2)採用雷射位移傳感器和伺服電機形成閉環控制，不斷檢測力臂的平衡狀態，並通過對扭矩電機的伺服控制，使力臂的定位精度控制微米級範圍內，實現槓桿全伺服平衡，提高了扭矩值的測量精度；(3)加卸載與平衡同時進行，使力臂始終處於水平狀態，避免扭矩衝擊，減少力臂的平衡時間，提高了檢測效率。
【權利要求】
1.一種扭矩標準機全平衡加載系統，包括槓桿(1)，其特徵是:所述槓桿(I)的中心通過聯軸器(9)與旋轉電機(7)的輸出軸連接，在旋轉電機(7)的輸出軸上安裝被檢扭矩傳感器(8 )，在旋轉電機(7 )上安裝用於測量旋轉電機(7 )輸出軸轉動角度的旋轉角度編碼器(6);在所述槓桿(I)的一端或兩端的下方設置用於測量槓桿(I)水平狀態的雷射位移傳感器(2);在所述槓桿(I)的兩端部分別通過懸掛鋼帶(11)連接砝碼舉升組件(5)，砝碼舉升組件(5)包括砝碼舉昇平臺(23)，在砝碼舉昇平臺(23)上設置負荷砝碼組(3)，在砝碼舉昇平臺(23)—側設置用於檢測砝碼舉昇平臺(23)高度的砝碼位置傳感器(4);所述負荷砝碼組(3)包括多個從下至上依次堆疊的砝碼(12)，砝碼(12)的內部設置空腔，空腔的上下為擋板(14)，擋板(14)上設置通孔；每個砝碼(12)與相鄰的砝碼(12)的之間通過設置在通孔中的連接杆(13)連接，連接杆(13)的兩端具有凸出於連接杆(13)外圓周面的圓盤；最上端的砝碼(12)通過懸掛鋼帶(11)與槓桿(I)連接；每個砝碼(12)內的連接杆(13)在砝碼(12)空腔內具有可上下活動的行程距離。
2.如權利要求1所述的扭矩標準機全平衡加載系統，其特徵是:所述雷射位移傳感器(2 )、砝碼位置傳感器(4 )和旋轉角度編碼器(6 )的輸出端分別與CPU處理器(16 )連接，CPU處理器(16)的輸出端連接砝碼加載電機控制器(17)和旋轉電機控制器(18)，砝碼加載電機控制器(17)連接砝碼加載電機驅動器(19)，砝碼加載電機驅動器(19)驅動砝碼加載電機(15)動作，旋轉電機控制器(18)連接旋轉電機驅動器(20)，旋轉電機驅動器(20)驅動旋轉電機(7)動作。
3.如權利要求2所述的扭矩標準機全平衡加載系統，其特徵是:所述CPU處理器(16)連接鍵盤和顯示器(21)以及數據存儲器(22)。
4.如權利要求1所述的扭矩標準機全平衡加載系統，其特徵是:在所述槓桿(I)的兩端的下方分別對稱設置槓桿擺動限位器(10)。
5.如權利要求1所述的扭矩標準機全平衡加載系統，其特徵是:所述砝碼舉昇平臺(23)與砝碼加載電機(15)的動力輸出端連接。
【文檔編號】G01L25/00GK104266793SQ201410580042
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】費明輝, 趙曉兵, 周政 申請人:無錫市計量檢定測試中心