一種可雙向加載的機電式力源裝置制造方法
【專利摘要】一種可雙向加載的機電式力源裝置，是一套利用位移的變化對受載物體施加力的加載裝置，包括驅(qū)動部件、導(dǎo)向部件、監(jiān)測元件和精密傳力部件。驅(qū)動部件由伺服馬達(dá)和螺旋升降機組成，負(fù)責(zé)驅(qū)動傳力部件做定向位移。導(dǎo)向部件用來保證加載力的方向在所需要加載的方向上。監(jiān)測元件可以實時監(jiān)測輸出的力值。精密傳力部件由傳力桿、連接法蘭以及對稱配置在法蘭兩端的柔性梁組成，精密傳力部件可以消除其他方向的力對加載力的干擾并且能夠?qū)崿F(xiàn)拉力和壓力兩個方向的力的加載。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快，克服了傳統(tǒng)力源裝置機構(gòu)龐大、加載效率低和后期維護(hù)麻煩等缺點，可以廣泛應(yīng)用于大尺寸六分量天平的原位校準(zhǔn)和其他天平的自動加載系統(tǒng)中。
【專利說明】—種可雙向加載的機電式力源裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可雙向加載的機電式高精度力源裝置，應(yīng)用于固體火箭沖壓發(fā)動機試車臺六分量測力天平的原位校準(zhǔn)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，在固體火箭沖壓發(fā)動機地面試車和進(jìn)行彈發(fā)匹配驗證試驗時，單純的推力測量已經(jīng)不能完全反映受試產(chǎn)品的空氣動力學(xué)特性，因此產(chǎn)生了應(yīng)用于固體火箭沖壓發(fā)動機試車臺的大尺寸、大載荷的六分量測力天平。任何天平在使用過程中都要在一定時間內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測力天平的可靠性。要對如此大尺寸、大載荷的天平進(jìn)行校準(zhǔn)，需要研制一種能夠進(jìn)行原位校準(zhǔn)(在不挪動天平位置的前提下進(jìn)行校準(zhǔn))的設(shè)備，而校準(zhǔn)設(shè)備的核心就是產(chǎn)生校準(zhǔn)力的裝置。
[0003]在一般的風(fēng)洞天平校準(zhǔn)中，常見的產(chǎn)生力的方法有砝碼與力源裝置，其中力源裝置又可分為液壓、氣壓與機電式力源裝置等。砝碼是以自身的質(zhì)量對受試產(chǎn)品施加載荷，可用人工加載與卸載，也可用砝碼自動加卸載裝置實現(xiàn)自動加載與卸載。其優(yōu)點是精度高，但是砝碼加載需要設(shè)計龐大的加載裝置，加載效率低。液壓/氣壓力發(fā)生器使用液壓缸或者氣缸作為力源裝置對天平施加載荷，液壓/氣壓力源裝置可以產(chǎn)生較大的力，在大量程的測力傳感器標(biāo)定中廣范應(yīng)用。由于使用流體作為驅(qū)動介質(zhì)，容易存在介質(zhì)泄露等問題，從而使得力源裝置的可靠性比較差，并且液壓缸和氣缸及其附屬設(shè)備維護(hù)和修理比較麻煩。傳統(tǒng)的機電式力源裝置響應(yīng)快，效率高，但是加載精度比較差，并且由壓力加載轉(zhuǎn)換到拉力加載時需要使用專用的工裝，這種裝置不適合為天平的自動校準(zhǔn)提供校準(zhǔn)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可雙向加載的機電式力源裝置。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0006]一種可雙向加載的機電式力源裝置，包括驅(qū)動部件、導(dǎo)向部件、監(jiān)測元件、傳力部件和加載頭；所述監(jiān)測元件為測力傳感器；
[0007]所述驅(qū)動部件包括伺服馬達(dá)和螺旋升降機，其中伺服馬達(dá)輸出扭矩，為整個力源裝置提供動力，螺旋升降機通過其內(nèi)部的渦輪蝸桿將伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺旋升降機絲杠的軸向直線運動，由絲杠帶動導(dǎo)向部件、檢測元件和傳力部件做直線運動；
[0008]所述導(dǎo)向部件包括托盤、導(dǎo)向柱和固定板，固定板套在螺旋升降機的絲杠上，位于螺旋升降機上方且與螺旋升降機固定連接，托盤位于固定板上方，螺旋升降機的絲杠前端有安裝用的螺紋，托盤通過中心螺紋孔旋緊在絲杠前端，導(dǎo)向柱的一端固定在固定板上，另一端穿過托盤上預(yù)留的導(dǎo)向孔對托盤進(jìn)行導(dǎo)向；測力傳感器安裝在托盤上；
[0009]所述傳力部件包括傳立桿、傳力銷、法蘭以及對稱配置在法蘭兩端的柔性梁；
[0010]柔性梁為圓柱狀，沿軸向有通孔，兩個柔性梁對稱配置在法蘭兩側(cè)，柔性梁和法蘭通過定位銷固定連接，傳力桿穿過柔性梁的軸向通孔，傳力銷穿過柔性梁端部的圓孔和傳力桿對應(yīng)位置上的長槽孔，將柔性梁的兩端與傳力桿活動連接，傳力桿的一端旋緊在測力傳感器上，另一端套在圓筒狀加載頭的內(nèi)部，加載頭對外部施力，其底部與法蘭固定連接。
[0011]所述柔性梁包括固定端、自由端、第一片梁、第二片梁和基體；
[0012]固定端和自由端位于基體的兩端，固定端的一端與法蘭通過定位銷固定連接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁，自由端的一端通過傳力銷與傳力桿活動連接，自由端的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁；第一片梁與第二片梁呈十字交叉，十字交叉的部分互不接觸；第一片梁的遠(yuǎn)離固定端的一端連接在基體上，第二片梁的遠(yuǎn)離自由端的一端也連接在基體上，基體上開有減重孔，以減輕整個柔性梁的重量；基體和自由端之間有縫隙，基體和固定端之間也有縫隙。
[0013]所述第一片梁和第二片梁均僅能承受自由端施加的拉力。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0015](I)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，通過不同的組合方式，可以精確產(chǎn)生天平校準(zhǔn)的力和力矩，在保證天平性能不改變的前提下可以直接安裝在天平的固定端和自由端之間，以此實現(xiàn)天平的原位校準(zhǔn)。
[0016](2)本發(fā)明中的伺服馬達(dá)、螺旋升降機都是成熟產(chǎn)品，可靠性好。并且零部件的更換和維護(hù)都比較方便，節(jié)省了研制成本和維護(hù)費用。
[0017](3)本發(fā)明采用模塊化結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一安裝位置零部件之間的互換性好，通過更換伺服馬達(dá)、高精度傳感器和精密傳力部件可以實現(xiàn)不同載荷范圍的加載，大大縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了成本。
[0018](4)本發(fā)明可以實現(xiàn)雙向加載，由于單個柔性梁只能承受拉力，在連接法蘭兩邊對稱配置柔性梁就可以實現(xiàn)拉力和壓力雙方向的加載。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為一種可雙向加載的機電式高精度力源裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為傳力部件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為柔性梁和法蘭的安裝示意圖；
[0022]圖4為柔性梁結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖5為柔性梁結(jié)構(gòu)的全剖視圖；
[0024]圖6為柔性梁結(jié)構(gòu)A-A剖視圖；
[0025]圖7為柔性梁結(jié)構(gòu)的三維圖；
[0026]圖8為傳立桿結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖9為導(dǎo)向部件安裝示意圖；
[0028]圖10為托盤結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖11為托盤結(jié)構(gòu)的全剖視圖；
【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種可雙向加載的機電式高精度力源裝置，包括驅(qū)動部件、導(dǎo)向部件、監(jiān)測元件、傳力部件和加載頭I ;所述監(jiān)測元件為測力傳感器25 ；[0031]所述驅(qū)動部件包括伺服馬達(dá)28和螺旋升降機27，其中伺服馬達(dá)28輸出扭矩，為整個力源裝置提供動力，螺旋升降機27通過其內(nèi)部的渦輪蝸桿將伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺旋升降機絲杠的軸向直線運動，由絲杠帶動導(dǎo)向部件、檢測元件和傳力部件做直線運動。伺服馬達(dá)28與螺旋升降機27通過中間的轉(zhuǎn)接座連接，用螺釘固定，伺服馬達(dá)28的輸出軸與螺旋升降機27的輸入軸通過聯(lián)軸器相連，以傳遞馬達(dá)輸出的扭矩。螺旋升降機27通過螺釘固定在固定板3上。伺服馬達(dá)28的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩等參數(shù)通過上位機控制，測力傳感器25的輸出信號實時反饋給上位機，由此形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，由校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件通過傳感器的輸出值來判斷是否達(dá)到了所需要的校準(zhǔn)力，然后控制馬達(dá)的運轉(zhuǎn)；
[0032]導(dǎo)向部件包括托盤29(如圖10和圖11所示)、導(dǎo)向柱26和固定板3 (如圖9所示)，固定板3套在螺旋升降機27的絲杠上，位于螺旋升降機27上方且與螺旋升降機27固定連接，托盤29位于固定板3上方，螺旋升降機27的絲杠前端有安裝用的螺紋，托盤29通過中心螺紋孔293旋緊在絲杠前端，導(dǎo)向柱26的一端固定在固定板3上，另一端穿過托盤3上預(yù)留的導(dǎo)向孔292對托盤29進(jìn)行導(dǎo)向；測力傳感器25用八個螺釘通過托盤29的安裝螺紋孔291安裝在托盤29上；
[0033]所述傳力部件包括傳立桿23(如圖8所示)、傳力銷21、法蘭22以及對稱配置在法蘭兩端的柔性梁24(如圖2所示)。對稱配置在法蘭22兩端的柔性梁24通過定位銷固定在法蘭上(如圖3所示)和法蘭作為一個整體。法蘭的安裝圓柱面起到定位的作用，保證柔性梁內(nèi)孔中心線和螺旋升降機絲杠中心線的位置偏差在誤差允許的范圍內(nèi)。傳力銷21從柔性梁24的圓孔和傳立桿23上的長槽孔內(nèi)穿過。法蘭22和加載頭I通過螺釘連接；
[0034]如圖4、圖5、如圖6、圖7所示，柔性梁24是在圓柱狀材料的基礎(chǔ)上經(jīng)過電加工和切削加工而成，外表面有通槽、銷孔和平面，內(nèi)部沿軸向有通孔，兩個柔性梁24對稱配置在法蘭22兩側(cè)，柔性梁24和法蘭22通過定位銷固定連接，傳力桿23穿過柔性梁24的軸向通孔，傳力銷21穿過柔性梁24端部的圓孔和傳力桿23對應(yīng)位置上的長槽孔，將柔性梁24的兩端與傳力桿23活動連接，傳立桿23的一端旋緊在測力傳感器25上，另一端套在圓筒狀加載頭I的內(nèi)部，加載頭I對外部施力，其底部與法蘭22固定連接。
[0035]柔性梁24包括固定端241、自由端242、第一片梁243、第二片梁244和基體245 ；
[0036]固定端241和自由端242位于基體245的兩端，固定端241的一端與法蘭22通過定位銷固定連接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁243，自由端242的一端通過傳力銷21與傳力桿23活動連接，自由端242的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁244 ;第一片梁243與第二片梁244呈十字交叉，十字交叉的部分互不接觸；第一片梁243的遠(yuǎn)離固定端241的一端連接在基體245上，第二片梁244的遠(yuǎn)離自由端242的一端也連接在基體245上，基體245上開有減重孔246，以減輕整個柔性梁24的重量；基體245和自由端242之間有縫隙，基體245和固定端241之間也有縫隙。
[0037]第一片梁243直U型和第二片梁244倒直U型的厚度都很薄，第一片梁243和第二片梁244均僅能承受自由端242施加的拉力。，根據(jù)材料力學(xué)知識可知，片梁在壓力作用下會失穩(wěn)、變形(原理同細(xì)長桿受壓失穩(wěn)變形一致)，不能正常傳遞力。所以這種柔性梁只能對自由端242施加拉力。
[0038]可雙向加載機電式高精度力源裝置的工作原理:在伺服馬達(dá)28驅(qū)動下，螺旋升降機27的絲杠向上(圖1中所示方向)運動時，導(dǎo)向部件、檢測元件連同傳力桿23同時向上運動，當(dāng)上面?zhèn)髁︿N21和傳力桿23上部長槽孔的下緣接觸時，加載力通過傳立桿23、傳力銷21傳遞給法蘭22上端的柔性梁24，此時傳力桿23下部的長槽孔和下面的傳力銷21之間存在間隙，加載力不能通過下面的傳力銷21傳遞給法蘭22下端的柔性梁24，加載力最終通過法蘭22傳遞給加載頭1，對受試產(chǎn)品形成壓力。伺服馬達(dá)28帶動螺旋升降機27的絲杠向下(圖1中所示方向)運動時，導(dǎo)向部件、檢測元件連同傳力桿23同時向下運動，當(dāng)下面?zhèn)髁︿N21和傳力桿23下部長槽孔的下緣接觸時，加載力通過傳立桿23、傳力銷21傳遞給法蘭22下端的柔性梁24，此時傳力桿23上部的長槽孔和上面的傳力銷21之間存在間隙，加載力不能通過上面的傳力銷21傳遞給法蘭22上端的柔性梁24，加載力最終通過法蘭22傳遞給加載頭I對受試產(chǎn)品形成拉力。
[0039]整個力源裝置中，螺旋升降機27安裝在固定裝置3上作為固定端，法蘭22和加載頭I連接作為自由端，該力源裝置產(chǎn)生的力通過加載頭施加給需要校準(zhǔn)的產(chǎn)品。
[0040]固體火箭沖壓發(fā)動機試車臺中的大尺寸、大載荷六分量測力天平本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在天平上還有發(fā)動機變姿態(tài)機構(gòu)、系統(tǒng)鎖緊機構(gòu)等設(shè)備。實現(xiàn)天平的校準(zhǔn)，既不能移動天平位置更不能改變天平本身機構(gòu)和力學(xué)性能。因此需要一種結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性好，使用和維護(hù)方便的力源裝置來提供校準(zhǔn)力滿足天平的原位校準(zhǔn)。在滿足上述條件的還要保證力源裝置有足夠的加載精度，能夠快速實現(xiàn)拉力和壓力的轉(zhuǎn)換，同時還要做到快速響應(yīng)，以提高效率。
[0041]本發(fā)明采用模塊化結(jié)構(gòu)，伺服馬達(dá)作為驅(qū)動部件通過與其連接的螺旋升降機將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為升降機絲杠的直線運動。升降機安裝在固定裝置上，升降機絲杠的前段連接安裝有高精度力傳感器的托盤，托盤上安裝有導(dǎo)向柱以保證加載的方向始終和升降機絲杠的軸線保持一致，防止因為角度偏差造成加載誤差，高精度力傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，實時檢測輸出的力值。傳感器前端和一根傳力桿固定，通過傳力銷把力傳遞給柔性梁，柔性梁可以排除其他方向的力對加載力的干擾。柔性梁通過法蘭和加載頭連接，由于柔性梁只能傳遞拉力，需要將兩個柔性梁對稱的配置在連接法蘭的兩端，以實現(xiàn)雙向加載。升降機的固定裝置和受試產(chǎn)品的加載頭需要根據(jù)實際產(chǎn)品設(shè)計。
[0042]可雙向加載機電式高精度力源裝置的運動原理:當(dāng)伺服電機驅(qū)動升降機的絲杠上下移動時，托盤、力傳感器及傳力桿同步移動。傳力桿向上移動，傳力桿上面的長槽的底部頂?shù)缴戏降膫髁︿N，從而通過傳力銷、柔性桿、承力法蘭向加載頭施加向上的力。當(dāng)升降機的絲杠向下移動時，則對加載架頭加向下的力，通過加載頭將力傳遞到受試產(chǎn)品上。
【權(quán)利要求】
1.一種可雙向加載的機電式力源裝置，其特征在于:包括驅(qū)動部件、導(dǎo)向部件、監(jiān)測元件、傳力部件和加載頭(I);所述監(jiān)測元件為測力傳感器(25)； 所述驅(qū)動部件包括伺服馬達(dá)(28)和螺旋升降機(27)，其中伺服馬達(dá)(28)輸出扭矩，為整個力源裝置提供動力，螺旋升降機(27)通過其內(nèi)部的渦輪蝸桿將伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺旋升降機絲杠的軸向直線運動，由絲杠帶動導(dǎo)向部件、檢測元件和傳力部件做直線運動； 所述導(dǎo)向部件包括托盤(29)、導(dǎo)向柱(26)和固定板(3)，固定板(3)套在螺旋升降機(27)的絲杠上，位于螺旋升降機(27)上方且與螺旋升降機(27)固定連接，托盤(29)位于固定板(3)上方，螺旋升降機(27)的絲杠前端有安裝用的螺紋，托盤(29)通過中心螺紋孔旋緊在絲杠前端，導(dǎo)向柱(26)的一端固定在固定板(3)上，另一端穿過托盤(29)上預(yù)留的導(dǎo)向孔對托盤(29)進(jìn)行導(dǎo)向；測力傳感器(25)安裝在托盤(29)上； 所述傳力部件包括傳立桿(23)、傳力銷(21)、法蘭(22)以及對稱配置在法蘭兩端的柔性梁(24)； 柔性梁(24)為圓柱狀，沿軸向有通孔，兩個柔性梁(24)對稱配置在法蘭(22)兩側(cè)，柔性梁(24)和法蘭(22)通過定位銷固定連接，傳力桿(23)穿過柔性梁(24)的軸向通孔，傳力銷(21)穿過柔性梁(24)端部的圓孔和傳力桿(23)對應(yīng)位置上的長槽孔，將柔性梁(24)的兩端與傳力桿(23)活動連接，傳力桿(23)的一端旋緊在測力傳感器(25)上，另一端套在圓筒狀加載頭(I)的內(nèi)部，加載頭(I)對外部施力，其底部與法蘭(22)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可雙向加載的機電式力源裝置，其特征在于:所述柔性梁(24)包括固定端(241)、自由端(242)、第一片梁(243)、第二片梁(244)和基體(245)； 固定端(241)和自由端(242)位于基體(245)的兩端，固定端(241)的一端與法蘭(22)通過定位銷固定連接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁(243)，自由端(242)的一端通過傳力銷(21)與傳力桿(23)活動連接，自由端(242)的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁(244);第一片梁(243)與第二片梁(244)呈十字交叉，十字交叉的部分互不接觸；第一片梁(243)的遠(yuǎn)離固定端(241)的一端連接在基體(245)上，第二片梁(244)的遠(yuǎn)離自由端(242)的一端也連接在基體(245)上，基體(245)上開有減重孔(246)，以減輕整個柔性梁(24)的重量；基體(245)和自由端(242)之間有縫隙，基體(245)和固定端(241)之間也有縫隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可雙向加載的機電式力源裝置，其特征在于:所述第一片梁(243)和第二片梁(244)均僅能承受自由端(242)施加的拉力。
【文檔編號】G01L25/00GK103926039SQ201410181789
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】劉丹, 趙金海, 鄭芳 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院