CN100543304C - 自控泵及采用该自控泵的标准测力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的自控泵，包括框架、柱塞缸、滚珠丝杠传动装置、谐波减速机和伺服电机。滚珠丝杠传动装置传动输入端与谐波减速机的输出端相连接，传动输出端与活塞杆的上端相连接，谐波减速机的输入端与伺服电机的输出轴相连接。其标准测力装置包括对主缸、标准传感器和被测传感器串联加载的自控泵、计算机、脉冲发生器和伺服放大器，主缸与自控泵构成一密闭系统，利用柱塞缸活塞杆的微量移动，实现了精确的体积补偿，克服了液压加载不稳定的问题，将自控泵的加载控制体现在一个高准确度、高稳定度闭环控制系统中，成为一种全新、精确的标准测力装置。整个加载过程是由软件通过计算机自动完成的，具有明显的优点和积极效果。

Description

自控泵及采用该自控泵的标准测力装置

技术领域

本发明涉及液体泵和计量测力校准装置，具体说，涉及一种自控泵及采用该自控泵的标准测力装置。

背景技术

在液压技术和计量测力技术领域中，通过对液压缸介质增压，使活塞产生作用力，向给定物体施加载荷的液压加载方式得到广泛应用。液压加载无级可调，施加载荷平稳无冲击，载荷范围宽，装置体积小、重量轻，对于计量测力技术有非常重要的实用意义。但是，计量测力技术要求力值精度高(如0.03％～0.01％或更高)，并且要求力值稳定。液压加载虽然可以施加任意一个力值，但载荷加上后不能保持稳定，力值很快就要发生变化，甚至保持零点几秒这样短时间的高稳定度(0.03％以上)都很难做到。这对液压加载在测力技术上应用是一个很大的障碍，解决液压加载稳定问题是它在高精度测力技术上应用的前体条件。

发明内容

本发明的目的是克服已知技术的各种缺陷，提供一种可以高准确度、高稳定度自动加(卸)载的自控泵。

本发明提供的自控泵，包括框架、柱塞缸、活塞杆和用于与外接加载主缸连接的管道，所述管道上安装有阀门，还包括依次固定安装在一起的滚珠丝杠传动装置、谐波减速机和伺服电机，所述滚珠丝杠传动装置安装在所述框架上，所述滚珠丝杠传动装置包括空心轴、轴承及其轴承座、由丝杠和螺母组成的滚珠丝杠副、导向杆、导向块和连接套，所述空心轴通过所述轴承固定安装在所述轴承座上，所述轴承座固定安装在所述框架上，所述螺母安装在所述空心轴上，所述丝杠位于所述空心轴内，所述丝杠通过所述连接套与所述活塞杆相连接，所述导向杆固定安装在所述框架上，所述导向块安装在所述连接套上，所述导向块与所述导向杆上下滑动配合；所述柱塞缸设有排气管，所述排气管安装有堵头，所述柱塞缸上部与所述活塞杆之间设有密封配合面，所述密封配合面安装有密封件，所述密封件包括两道斯特封和两道导向环；所述滚珠丝杠传动装置的传动输入端与所述谐波减速机的输出端相连接，所述谐波减速机的输入端与所述伺服电机的输出轴相连接；其中，滚珠丝杠螺距、主缸与柱塞缸面积比、谐波减速机速比和伺服电机编码器线数各参数的取值范围为：滚珠丝杠螺距：8～20mm；谐波减速机速比：100～460；主缸与柱塞缸面积比：4～16；伺服电机编码器线数：2000或2500；且各参数满足以下关系式：

$\frac{S}{\mathrm{niA}}=3~8\×{10}^{-6}\mathrm{mm}$

其中，S——滚珠丝杠螺距；

      i——谐波减速机速比；

      A——主缸与柱塞缸面积比；

      n——伺服电机编码器线数。

本发明自控泵，其中所述谐波减速机的输入端通过一弹性柱销连轴器与所述伺服电机相连接。

本发明自控泵，其中所述导向块上固定安装有上下限位的限位板，所述框架上固定安装有行程开关。

本发明的另一目的是克服已知技术的各种缺陷，提供一种采用上述自控泵，高准确度、高稳定度的标准测力装置。

本发明提供的采用上述自控泵的标准测力装置，包括主缸以及标准传感器、标准仪表和检测仪表，还包括计算机、脉冲发生器和伺服放大器，所述脉冲发生器与所述计算机相连，所述自控泵用于对所述主缸和标准传感器以及被测传感器串联加载，所述主缸与所述自控泵构成一密闭系统，所述标准传感器的检测信号由所述标准仪表显示并接至所述计算机，所述被测传感器的检测信号由所述检测仪表显示并接至所述计算机，所述计算机的比较控制信号经所述脉冲发生器和伺服放大器发送到所述自控泵的伺服电机。

本发明自控泵由于设计了由滚珠丝杠传动装置、谐波减速机和伺服电机驱动的柱塞缸，自控泵利用柱塞缸活塞杆的微量移动，实现了精确的体积补偿，克服了传统液压加载过程中的不稳定问题。同时，自控泵的加载控制作用在标准测力装置的闭环控制系统中，实现了一种全新的、精确的标准力加载方式。整个加载过程是由软件通过计算机自动完成的。自控泵作为一个执行部件，实现了高准确度、高稳定度地自动加(卸)载，具有明显的优点和积极效果。

下面结合实施例参照附图进行详细说明，以求对本发明的目的、特征和优点得到更深入的理解。

附图说明

图1是本发明自控泵的结构图；

图2是图1中C-C剖视图；

图3是图2中E-E剖视图；

图4是本发明采用自控泵的标准测力装置的方框图。

具体实施方式

在采用液压的标准测力技术中，液压加载稳定问题是个技术关键，液压加载很难稳定的原因，一般都认为是液压系统泄漏造成的。通过实验观察和理论分析，得出以下结论：在密封较好的情况下，不是泄漏造成的，而是液压介质本身性能引起的，即性能参数变化引起的。具体地说：加载时，随着介质压强升高，它的温度也要升高；加载停止，系统封闭以后，液压缸内介质温度高于外界温度，要向外界放热，使它的温度下降。随着介质温度降低，它的体积要发生收缩，而此时介质是在一个封闭系统内，系统容积是不变的。而液压介质始终要充满整个容积，这时它的体积实际上不会变小，而是产生实质上的膨胀。继而带来自身压强的降低，引起活塞输出力的不断下降。卸载情况正好相反。载荷卸到某一值时停止卸载，缸内介质温度低于外界温度，要向外界吸热，介质体积发生膨胀。由于容积不变，则出现实际上的压缩。压强升高，活塞输出力上升。这是液压加载不稳定的原因，解决的办法是顺应液压介质性能特点，采用补偿的方法。本发明自控泵采用体积补偿的方法

对于标准测力装置来说，施加载荷要求高准确度和高稳定度，并且因检定测力、称重传感器的需要，加载时间不能过长，要在相应标准规定的时间范围内。满足这些要求必需解决如下技术问题：

a.要实现精细调节；

b.要实现精确传动并避免运动中爬行；

c.要保证可靠密封；

d.需解决精细调节与快速加载的矛盾。

为此，采用以下技术措施解决上述问题：

a.采用了宽频伺服系统，控制频率最小为一个脉冲，最大为40kHz。精细调节用小频率，快速加载用大频率，解决精细调节与快速加载的矛盾。

b.为了实现精细调节，伺服电机配置2000线编码器，再通过高减速比的谐波减速机减速，以及选取主缸与柱塞缸适当的面积比，使主缸活塞最小移动量达到几个纳米，实现对缸内介质进行极微小的压缩，主缸输出力的调节量达到0.0005％F.S.(F.S.——满量程)。

为取得好的调节性能和较短的加载时间，自控泵各技术参数间相互关系应满足下式：

$\frac{S}{\mathrm{niA}}=3~8\×{10}^{-6}\mathrm{mm}$

其中，S——滚珠丝杠螺距；

      i——谐波减速机速比；

      A——主缸与柱塞缸面积比；

      n——伺服电机编码器线数。

c.自控泵采用直连结构，伺服电机转动，经谐波减速机减速，使滚珠丝杠带动柱塞缸活塞作直线运动，对液压介质进行压缩。谐波减速机速比大、传动精度高。滚珠丝杠的摩擦力小、精度高。柱塞缸活塞和主缸活塞都采用低摩擦的组合密封(斯特封)，保证高精度传动并避免爬行。

d.体积补偿建立在可靠密封基础上。柱塞缸和主缸活塞的密封采用美国SHAMBAN公司的斯特封，并且都使用两道密封。管道接头采用锥面对球面的硬密封，基本上实现零泄漏。

下面详细说明本发明自控泵的实施例。

参见图1和图4，本发明自控泵包括框架1、柱塞缸2、滚珠丝杠传动装置、谐波减速机6和伺服电机7。

在本发明中，利用柱塞缸2的活塞杆3微量移动，实现精确的体积补偿。柱塞缸2位于自控泵的下方，安装于框架1上，框架1由支架支持于地面上。柱塞缸2由缸体、活塞杆和密封件等组成。柱塞缸2上部与活塞杆3之间设有密封配合面，密封配合面安装有密封件，密封件包括两道斯特封18和两道导向环21。柱塞缸2下面设有用于与外接加载主缸100(参见图4)连接的管道4及阀门5，是液压介质的进出口，上面设有排气管16，排气管16安装有堵头17。上面出口为向缸内加液时排出气体之用，当液体加满后封闭上出口，使主缸与柱塞缸共同构成了一个密闭系统。

柱塞缸2的缸径大小依据加载吨位及与主缸100的面积比来确定，现已研制出了柱塞缸2缸径为Φ32、Φ63、Φ80、Φ100、Φ150的自控泵。缸的最大工作压强有16MPa和26MPa两种。分别用于5T、10T、20T、30T、50T、60T、100T、200T和500T的加载。自控泵加载达到了下述技术指标：

加载准确度  0.001％F.S.

加载稳定度  每30秒(或更长时间)0.003％F.S.

加载时间    满足传感器国家标准的要求。

在本发明中，滚珠丝杠传动装置安装在框架1上，滚珠丝杠传动装置包括空心轴10、轴承11及其轴承座22、由丝杠8和螺母9组成的滚珠丝杠副、导向杆12、导向块13和连接套14。空心轴10通过轴承11固定安装在轴承座22上，轴承座22固定安装在框架1上，空心轴10与谐波减速机6的输出端相连接。螺母9安装在空心轴10上，丝杠8位于空心轴10内。空心轴10带动螺母9旋转，丝杠8在空心轴10内升降。丝杠8通过连接套14与活塞杆3相连接。导向杆12固定安装在框架1上，导向块13安装在连接套14上，导向块13与导向杆12上下滑动配合，防止活塞杆3升降过程中出现转动。

其中，滚珠丝杠螺距按前述公式确定的参数关系选取，直径按柱塞缸在最大工作压强下产生的轴向力来确定。

谐波减速机6固定在减速机支座上，支座则固定在轴承座22上。谐波减速机6的输入端通过弹性柱销连轴器15与伺服电机7的输出轴相连接。谐波减速机6速比由前述公式确定的关系选取，输出扭矩按滚珠丝杠轴向力产生的扭矩确定。

伺服电机7通过伺服电机支座安装在减速机支座上。伺服电机7旋转带动谐波减速机6转动，继而带动空心轴10和滚珠丝杠的螺母转动，丝杠作直线升降运动，带动活塞杆3升降，实施对缸内介质的压缩。

伺服电机7功率由谐波减速机6输出扭矩和速比确定，编码器线数按前述公式确定的关系选取，通常取2000线作为首选参数。

此外，参见图2和图3，在导向块13上固定安装有用于上下限位的限位板19，所述框架1上固定安装有行程开关20，可以相应地切断伺服电机7的电源，使活塞杆3升降在允许的范围内，保证运行安全。

参见图4，本发明采用上述自控泵的标准测力装置，由主缸100、标准传感器101、标准仪表103、检测仪表104、自控泵200，以及计算机300、脉冲发生器301和伺服放大器400组成。脉冲发生器301与计算机300相连。主缸100与自控泵200构成一密闭系统。主缸100、被测传感器102(在其他实施例中，可以是其他的被测的测力仪产品)和标准传感器101由自控泵200进行串联加载。标准传感器101的检测信号由标准仪表103显示并接至计算机300，被测传感器102的检测信号由检测仪表104显示并接至计算机300，计算机300的比较控制信号经脉冲发生器301和伺服放大器400接至自控泵200的伺服电机7。

下面以自控泵在叠加式力标准机中的使用为例，来讲述它的工作过程。

在叠加式力标准机中，标准传感器101与被检传感器(或其他测力仪)受力串联，用主缸100加载，由标准传感器101确定力值的大小。自控泵的加载控制是一个闭环系统。

首先，在力值传递时，确定标准传感器101的输出信号与力值一一相对应的一组标准数，把这些标准数输入计算机作为设定值。检定工作开始后，伺服电机7启动，自控泵给主缸100增压，主缸100活塞移动，标准传感器101和被检传感器102同时受力，传感器输出信号分别通过标准仪表103和检测仪表104发送给计算机300。计算机300计算出标准传感器101输出信号(称为加载值)与设定值的差值，并计算出输出的控制脉冲频率和电机转动方向，然后通过脉冲发生器301向伺服放大器400发出该频率的脉冲，伺服放大器400再控制伺服电机7的转速和方向。差值大时，脉冲频率高，伺服电机7转动快；差值小时，伺服电机7转动慢。差值为正，伺服电机7正转；差值为负，伺服电机7反转。当加载值接近设定值时，伺服电机7转速变得很慢，使加载值缓慢逼近并达到设定值。若加载值超过设定值，伺服电机7反转，加载值回到设定值。伺服电机7始终处于运转状态，保证加载值稳定于设定值。此时，所施加的载荷为一标准力值，计算机300采下被检传感器102的输出值。这样，由低到高逐级完成检测，依靠检测数据确定被检传感器102力学性能。

本发明自控泵及标准测力装置成功解决了液压加(卸)载中高准确度、高稳定度的问题，将自控泵的加载控制体现在一个闭环控制系统中，从而完全实现了一种全新的、精确的检测方式。整个加载过程是由软件通过计算机自动完成的。自控泵作为一个执行部件，实现了高准确度、高稳定度地自动加(卸)载。

Claims (4)

1、一种自控泵，包括框架(1)、柱塞缸(2)和用于与外接加载主缸连接的管道(4)，所述管道(4)上安装有阀门(5)，其特征在于：还包括依次固定安装在一起的滚珠丝杠传动装置、谐波减速机(6)和伺服电机(7)，所述滚珠丝杠传动装置安装在所述框架(1)上，所述滚珠丝杠传动装置包括空心轴(10)、轴承(11)及其轴承座(22)、由丝杠(8)和螺母(9)组成的滚珠丝杠副、导向杆(12)、导向块(13)和连接套(14)，所述空心轴(10)通过所述轴承(11)固定安装在所述轴承座(22)上，所述轴承座(22)固定安装在所述框架(1)上；所述螺母(9)安装在所述空心轴(10)上，所述丝杠(8)位于所述空心轴(10)内，所述丝杠(8)通过所述连接套(14)与活塞杆(3)的上端相连接，所述导向杆(12)固定安装在所述框架(1)上，所述导向块(13)安装在所述连接套(14)上，所述导向块(13)与所述导向杆(12)上下滑动配合；所述柱塞缸(2)设有排气管(16)，所述排气管(16)安装有堵头(17)，所述柱塞缸(2)上部与所述活塞杆(3)之间设有密封配合面，所述密封配合面安装有密封件，所述密封件包括两道斯特封(18)和两道导向环(21)；所述滚珠丝杠传动装置的传动输入端与所述谐波减速机(6)的输出端相连接，所述谐波减速机(6)的输入端与所述伺服电机(7)的输出轴相连接；其中，滚珠丝杠螺距、主缸与柱塞缸面积比、谐波减速机速比和伺服电机编码器线数各参数的取值范围为：滚珠丝杠螺距：8～20mm；谐波减速机速比：100～460；主缸与柱塞缸面积比：4～16；伺服电机编码器线数：2000或2500；且各参数满足以下关系式：

$\frac{S}{\mathrm{niA}}=3~8\×{10}^{-6}\mathrm{mm}$

其中，S——滚珠丝杠螺距；

      i——谐波减速机速比；

      A——主缸与柱塞缸面积比；

      n——伺服电机编码器线数。

2、根据权利要求1所述的自控泵，其特征在于：其中所述谐波减速机(6)的输入端通过一弹性柱销连轴器(15)与所述伺服电机(7)相连接。

3、根据权利要求1或2所述的自控泵，其特征在于：其中所述导向块(13)上固定安装有用于上下限位的限位板(19)，所述框架(1)上固定安装有行程开关(20)。

4、采用权利要求1至3中任何一种自控泵的标准测力装置，包括主缸(100)以及标准传感器(101)、标准仪表(103)和检测仪表(104)，其特征在于：还包括计算机(300)、脉冲发生器(301)和伺服放大器(400)，所述脉冲发生器(301)与所述计算机(300)相连，所述自控泵(200)用于对所述主缸(100)和标准传感器(101)以及被测传感器(102)串联加载，所述主缸(100)与所述自控泵(200)构成一密闭系统，所述标准传感器(101)的检测信号由所述标准仪表(103)显示并接至所述计算机(300)，所述被测传感器(102)的检测信号由所述检测仪表(104)显示并接至所述计算机(300)，所述计算机(300)的比较控制信号经所述脉冲发生器(301)和伺服放大器(400)发送到所述自控泵的伺服电机(7)。

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