CN102253330B - 可测力电动伺服加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可测力电动伺服加载装置，其包括混合直线步进电机、电机基座、电机支撑立柱、丝母、压力传感器、外壳、连接螺柱、作动杆与弹性触头。安装有导向键和非标压力弹簧的作动杆插入外壳内，作动杆上端和外壳的中直径圆孔相接触，作动杆的杆部和外壳下端小直径圆孔相接触。弹性触头安装在作动杆下端的盲孔内并用夹紧螺钉固定。压力传感器下端通过连接螺柱和作动杆上端连接，压力传感器上端面与丝母下端面接触。丝母的凸台与外壳大直径圆孔内壁凹槽配装，外壳上端面四角处的螺纹孔连接电机支撑立柱下端，电机支撑立柱的上端和电机基座固定连接。混合直线步进电机固定在电机基座上，混合直线步进电机输出端的驱动螺杆穿过电机基座与丝母连接。

Description

可测力电动伺服加载装置

技术领域

本发明涉及一种电动伺服加载装置，更具体地说，本发明涉及一种适用于汽车触摸屏及开关综合试验的特别适用于实验过程中对位移，速度，加载位置及加载力大小有实时控制要求的可测力电动伺服加载装置。

背景技术

如今电子系统的输入设备基本为键盘和触摸屏。传统键盘以其经济简便被广泛应用于中低端电子设备中。触摸屏以它坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于人机交流等众多优点成为众多中高端电子设备的输入装置。尤其在汽车产业中，它们更是成为智能化汽车与人交流的主要渠道。

触摸屏的按键性能和表面摩擦学性能耐久试验是评定触摸屏的使用寿命和质量，开关的按键性能试验则是用来评定整个开关的性能及可靠性。随着研究的不断加深，产品的不断多样化及新材料新技术的广泛应用，试验要求也越来越高，具体如下：

1.新式开关和触摸屏的按键要求及新的试验方法要求加载装置不仅能满足垂直瞬间加载，还得完成表面摩擦动作；

2.新的试验方法要求加载力要可控，并能根据实验条件变化随时对加载力进行调整；例如在完成一组按键动作时，对不同的按键施加不同的力或在对触摸屏进行摩擦耐久试验时，保证摩擦力为恒定状态。

3.新的实验要求大幅度提高加载装置的精度；

4.新的实验要求对加载装置的试验强度，速度及仿真性有很高要求；

现有技术中，试验加载系统中的加载装置通常为机械式、气动式等。机械加载装置通常为一双头螺杆，后端连接压力传感器，前端连接弹性触头，由导轨控制加载运动。此机构由于导轨质量及所占空间大，使其整体结构不灵活，精度差。气动式加载装置，采用气缸来完成所有动作，需要在整个实验设备中增加气动相关控制系统。由于无法控制气缸的行程和加载力大小，整个加载装置为开环控制，没有精确地反馈，不能进行实时控制，实验精度极差。还有的加载装置直接采用小型直线电机，虽然解决控制问题，提高了精度，但实用性差，电机长时间直接受到反作用力的干扰极易损坏，不能完成高强度疲劳试验。

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，提供了一种可测力电动伺服加载装置。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的可测力电动伺服加载装置包括混合直线步进电机、电机基座、4根结构相同的电机支撑立柱、丝母、压力传感器、外壳、连接螺柱、作动杆、非标压力弹簧、导向键与弹性触头。

安装有导向键和套装有非标压力弹簧的作动杆插入外壳内，作动杆上端的圆盘和外壳的中直径圆孔为滑动接触连接，作动杆的杆部和外壳下端小直径圆孔为滑动接触连接，导向键和外壳下端小直径圆孔内壁上的内壁键槽为滑动接触连接，作动杆上端圆盘的下端环面和套装在作动杆杆部的非标压力弹簧的上端面相接触，非标压力弹簧的下端面和外壳中直径圆孔下端环面相接触，弹性触头安装在作动杆的杆部下端的盲孔内，并从两侧用夹紧螺钉固定，压力传感器的下端通过连接螺柱和作动杆上端连接，压力传感器的下端面与作动杆上端圆盘的上端面接触连接，压力传感器的上端面与丝母的下端面相接触，丝母两侧的凸台与外壳上端大直径圆孔内壁上的凹槽配装在一起成滑动连接，外壳上端面四角处的螺纹孔连接4根结构相同的电机支撑立柱的下端，4根结构相同的电机支撑立柱的上端和电机基座固定连接，混合直线步进电机固定在电机基座上，混合直线步进电机输出端的驱动螺杆穿过电机基座中心处的螺杆通孔，混合直线步进电机输出端的驱动螺杆与丝母中心处的螺纹通孔配装成螺纹连接，混合直线步进电机输出端的驱动螺杆、丝母、连接螺柱与作动杆的回转轴线共线。

技术方案中所述的电机基座是方形或圆形板类结构件，电机基座四角处分别设置有安装电机支撑立柱的基座通孔，四个基座通孔之内还均布有和混合直线步进电机上安装孔相对应的用来安装混合直线步进电机的安装通孔，电机基座的中心处设置一个用来装入混合直线步进电机驱动螺杆的螺杆通孔；所述的丝母是由小圆环体与大圆环体上下叠置而成，小圆环体与大圆环体的回转中心共线，在丝母的回转中心线上从上至下加工有螺纹通孔，在大圆环体外圆柱面上设置两个和外壳上端大直径圆孔内壁上的凹槽配装在一起的凸台，两个凸台的纵向对称面共面；所述的外壳为长方体或圆柱体形结构件，在外壳的对称中心线上从上至下加工有阶梯通孔，最上端为和丝母配装的大直径圆孔，大直径圆孔的内壁上加工有和丝母(4)上的凸台配装的凹槽。外壳中段是和作动杆上端的圆盘配装成滑动连接的中直径圆孔。外壳的下端是和作动杆的杆部配装成滑动连接的小直径圆孔，小直径圆孔的内壁上设置有内壁键槽。外壳上端面的四角处设置有连接电机支撑立柱下端的螺纹孔；所述的作动杆是一杆类结构件，作动杆的上端设置一个和压力传感器相接触的圆盘，在圆盘上端面的中心处沿作动杆的回转中心线加工有用来和连接螺柱连接的螺纹孔。在作动杆杆部下端面的中心处沿作动杆的回转中心线加工一个用来安装弹性触头的盲孔，盲孔壁上沿径向加工2个用来安装夹紧螺钉的螺纹通孔，该2个螺纹通孔的回转轴线共线，作动杆杆部的外柱面上加工有安装导向键的键槽，键槽的对称面和作动杆的回转中心线共面。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的可测力电动伺服加载装置的主体结构由混合直线伺服电机、丝母、压力传感器、外壳、作动杆与弹簧等部件组成。结构简单紧凑，体积小，灵活性强，大大优化了实验设备的总体结构；

2.本发明所述的可测力电动伺服加载装置采用闭环控制原理，在整体结构中加装压力传感器为控制系统提供反馈信号，使可测力电动伺服加载装置能在整个实验过程中对加载力的大小、加载速度与行程进行实时控制。

3.本发明所述的可测力电动伺服加载装置通用性强，可满足各种实验要求，既能应对触摸屏及开关的功能性耐久试验，又可以完成触摸屏的表面摩擦耐久试验；尤其在面对大量开关同时进行试验或大触摸屏的试验中，它能一次性对不同位置施加不同的力，使试验更加灵活。

4.本发明所述的可测力电动伺服加载装置采用混合直线步进电机，其结构可靠，故障率低，混合直线步进电机中的丝杠丝母结构不仅完成了直线运动，而且省略了减速机构、提高了传动效率。使可测力电动伺服加载装置可以进行高强度的耐久性试验。

5.本发明所述的可测力电动伺服加载装置精度高，响应速度快，加载力的精度可达到1×10^-9N，响应时间可达0.5s；

6.本发明所述的可测力电动伺服加载装置可满足多种工况下的实验，工作温度在-40℃～90℃，模拟恒力、变力等多种形式的加载，使试验更加接近使用条件。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的可测力电动伺服加载装置结构组成主视图上的全剖视图；

图2为本发明所述的可测力电动伺服加载装置结构组成的轴测投影图；

图3为本发明所述的可测力电动伺服加载装置采用闭环控制的流程框图；

图4为本发明所述的可测力电动伺服加载装置所采用的丝母的主视图上的全剖视图；

图5为本发明所述的可测力电动伺服加载装置所采用的丝母的俯视图；

图中：1.混合直线步进电机，2.电机基座，3.电机支撑立柱，4.丝母，5.压力传感器，6.外壳，7.连接螺柱，8.作动杆，9.非标压力弹簧，10.导向键，11.夹紧螺钉，12.弹性触头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1与图2，本发明所述的可测力电动伺服加载装置由机械部分与电控部分组成。所述的机械部分包括混合直线步进电机1、电机基座2、4根结构相同的电机支撑立柱3、丝母4、压力传感器5、外壳6、连接螺柱7、作动杆8、非标压力弹簧9、导向键10、夹紧螺钉11与弹性触头12。

整个可测力电动伺服加载装置结构紧凑稳定，整体采用铝合金结构，使可测力电动伺服加载装置更加轻便，可单件或批量的安装在各中试验设备中。

所述的混合直线步进电机1的输出端直接设置有驱动螺杆，此装置中的混合直线步进电机1还可以用直线伺服电机来代替，采用直线伺服电机时，直线伺服电机的输出端由联轴器与单独的螺杆相连接。

所述的电机基座2是方形(或圆形)板类结构件，电机基座2四角处分别设置有基座通孔，该四个基座通孔用来安装电机支撑立柱3的上端，然后再用螺母将电机基座2与4根结构相同的电机支撑立柱3的上端固定连接。四个基座通孔之内还均布有和直线伺服电机1上安装孔相对应的安装通孔，用来安装混合直线步进电机1。电机基座2的中心处设置一个用来装入混合直线步进电机1驱动螺杆的螺杆通孔。电机基座2形状、四个通孔与四个安装通孔之间(包括外壳6外形)的结构尺寸决定于混合直线步进电机1的型号。

所述的丝母4是由小圆环体与大圆环体上下叠置而成，小圆环体与大圆环体的回转中心共线，在丝母4的回转中心线上从上至下加工有螺纹通孔，该螺纹通孔和混合直线步进电机1输出轴上的驱动螺杆配装在一起成转动连接。在大圆环体外圆柱面上沿大圆环体的径向设置两个纵向截面为矩形的凸台，两个纵向截面为矩形的凸台的纵向对称面共面，就是说两个纵向截面为矩形的凸台在大圆环体两侧，一边一个成对称设置。两个纵向截面为矩形的凸台和外壳6上的横截面为矩形的凹槽配装在一起，两个纵向截面为矩形的凸台可在外壳6上的横截面为矩形的凹槽内上下滑动成滑动连接。

所述的压力传感器5为应变式压力传感器，如果测量对象要求为动态力，压力传感器5还可以采用压电式传感器。

所述的外壳6为横截面为方形的长方体形结构件(也可以是圆柱体形结构件)，在外壳6的对称中心线上从上至下加工有阶梯通孔，最上端加工有和丝母4配装的大直径圆孔，大直径圆孔的内壁上加工有和丝母4上的凸台配装的凹槽，丝母4上的凸台和外壳6上端大直径圆孔内壁上的凹槽配装在一起可防止丝母4转动，丝母4可沿外壳6上端大直径圆孔内壁上的凹槽上、下滑动。外壳6的中段是中直径的圆孔，中直径的圆孔用来放置压力传感器5、作动杆8与非标压力弹簧9，中直径的圆孔和作动杆8上端的圆盘配装成滑动连接。外壳6的下端是小直径的圆孔，小直径的圆孔用来和作动杆8的杆部配装成滑动连接。小直径圆孔的内壁上设置有内壁键槽，该内壁键槽的纵向对称面和小直径圆孔的对称轴线共面，小直径圆孔内壁上的内壁键槽和安装在作动杆8杆部键槽内的导向键10配装在一起成滑动配合，可防止作动杆8转动。外壳6上端面的四角处分别设置有螺纹孔，该四个螺纹孔用来连接电机支撑立柱3的下端。

所述的作动杆8是一杆类结构件，它的上端设置一个圆盘，圆盘的上端面和压力传感器5相接触，圆盘的下端环面和套装在作动杆8杆部的非标压力弹簧9的上端面相接触。在圆盘上端面的中心处沿作动杆8的回转中心线加工有用来和连接螺柱7连接的螺纹孔。在作动杆8杆部下端面的中心处沿作动杆8的回转中心线加工一个用来安装弹性触头12的盲孔，盲孔壁上沿径向加工2个用来安装夹紧螺钉11的螺纹通孔，该2个螺纹通孔的回转轴线共线。作动杆8杆部的外柱面上加工有安装导向键10的键槽，键槽的纵向对称面和作动杆8的回转中心线共面。

导向键10安装在作动杆8的杆部键槽内，非标压力弹簧9套装在作动杆8的杆部。安装有导向键10和套装有非标压力弹簧9的作动杆8插入外壳6的中直径的圆孔与下端小直径的圆孔内，作动杆8上端的圆盘和外壳6的中直径圆孔为滑动接触连接，作动杆8的杆部和外壳6下端小直径圆孔为滑动接触连接，导向键10和外壳6下端小直径圆孔内壁上的内壁键槽为滑动接触连接。圆盘的下端环面和套装在作动杆8的杆部的非标压力弹簧9的上端面相接触，非标压力弹簧9的下端面和外壳6的中直径圆孔下端面相接触。弹性触头12安装在作动杆8的杆部下端的盲孔内，并从两侧用夹紧螺钉11固定。压力传感器5的下端通过连接螺柱7和作动杆8上端连接，压力传感器5的下端面与作动杆8上端圆盘上端面接触连接，压力传感器5的上端面与丝母4的下端面相接触。丝母4两侧的凸台与外壳6上端大直径圆孔内壁上的凹槽配装在一起成滑动连接。外壳6上端面四角处的螺纹孔连接4根结构相同的电机支撑立柱3的下端，4根结构相同的电机支撑立柱3的上端穿过电机基座2上的四角处的通孔再借助于螺母与电机基座2成固定连接。混合直线步进电机1固定在电机基座2上，混合直线步进电机1输出端的驱动螺杆穿过电机基座2中心处的螺杆通孔，混合直线步进电机1的输出端的驱动螺杆与丝母4中心处的螺纹通孔配装成螺纹连接。混合直线步进电机1输出端的驱动螺杆、丝母4、连接螺柱7与作动杆8的回转轴线共线。

本发明所述的可测力电动伺服加载装置的工作原理：

参阅图3，工控机为整个可测力电动伺服加载装置的控制器，可测力电动伺服加载装置的加载力为受控对象，压力传感器5，数模转换模块及数据采集卡(IN卡)为反馈通路，驱动器和直线伺服电机1为执行机构。当向工控机输入一个指定的压力值时，工控机控制直线伺服电机1运动，向压力传感器5施加压力，压力传感器5的压力值为整个闭环控制系统的反馈信号，压力传感器5将测得的压力值通过数模转换模块直接传递回数据采集卡(IN卡)上，通过工控机对信号进行处理及分析，比较反馈的输出值与系统的期望值之间的偏差，然后通过控制器对直线伺服电机1的驱动螺杆进行调整，控制丝母4的行程的变化，重新调整压力值，使输出量与期望值保持一致。

直线伺服电机1的驱动螺杆通过正转与反转控制丝母4的上下行程，丝母4将运动传递给压力传感器5和作动杆8，带动弹性触头12对触摸屏或开关施加压力，而触摸屏或开关的反作用力传递回触头12上，通过作动杆8与弹簧9的压缩力一起施加到压力传感器5上。非标弹簧9的作用是调节加载力和触头行程，并对整个可测力电动伺服加载装置提供缓冲保护。而实际加载力通过以下力学计算公式换算得出：

F₁＝F-kS

F₁-加载装置的加载力；

F-传感器测得的力；

S-丝母的位移，同时也是弹簧的变化量，通过混合直线步进电机可直接获得或通过直线伺服电机中的旋转编码器计算可得；

k-弹簧的弹性系数；

整个可测力电动伺服加载装置采用闭环控制原理，可测力电动伺服加载装置的反馈信号来源于压力传感器5，压力传感器5将测得的压力值直接传递回控制器上，通过工控机对信号的处理，控制器对直线伺服电机1的驱动螺杆进行调整，控制丝母的行程变化，重新调整压力值。

Claims (5)

1.一种可测力电动伺服加载装置，其特征在于，所述的可测力电动伺服加载装置包括混合直线步进电机（1）、电机基座（2）、4根结构相同的电机支撑立柱（3）、丝母（4）、压力传感器（5）、外壳（6）、连接螺柱（7）、作动杆（8）、非标压力弹簧（9）、导向键（10）与弹性触头（12）；

安装有导向键（10）和套装有非标压力弹簧（9）的作动杆（8）插入外壳（6）内，作动杆（8）上端的圆盘和外壳（6）的中直径圆孔为滑动接触连接，作动杆（8）的杆部和外壳（6）下端小直径圆孔为滑动接触连接，导向键（10）和外壳（6）下端小直径圆孔内壁上的内壁键槽为滑动接触连接，作动杆（8）上端圆盘的下端环面和套装在作动杆（8）杆部的非标压力弹簧（9）的上端面相接触，非标压力弹簧（9）的下端面和外壳（6）中直径圆孔下端环面相接触，弹性触头（12）安装在作动杆（8）的杆部下端的盲孔内，并从两侧用夹紧螺钉（11）固定，压力传感器（5）的下端通过连接螺柱（7）和作动杆（8）上端连接，压力传感器（5）的下端面与作动杆（8）上端圆盘的上端面接触连接，压力传感器（5）的上端面与丝母（4）的下端面相接触，丝母（4）两侧的凸台与外壳（6）上端大直径圆孔内壁上的凹槽配装在一起成滑动连接，外壳（6）上端面四角处的螺纹孔连接4根结构相同的电机支撑立柱（3）的下端，4根结构相同的电机支撑立柱（3）的上端和电机基座（2）固定连接，混合直线步进电机（1）固定在电机基座（2）上，混合直线步进电机（1）输出端的驱动螺杆穿过电机基座（2）中心处的螺杆通孔，混合直线步进电机（1）输出端的驱动螺杆与丝母（4）中心处的螺纹通孔配装成螺纹连接，混合直线步进电机（1）输出端的驱动螺杆、丝母（4）、连接螺柱（7）与作动杆（8）的回转轴线共线。

2.按照权利要求1所述的可测力电动伺服加载装置，其特征在于，所述的电机基座（2）是方形板类结构件，电机基座（2）四角处分别设置有安装电机支撑立柱（3）的基座通孔，四个基座通孔之内还均布有和混合直线步进电机（1）上安装孔相对应的用来安装混合直线步进电机（1）的安装通孔，电机基座（2）的中心处设置一个用来装入混合直线步进电机（1）驱动螺杆的螺杆通孔。

3.按照权利要求1所述的可测力电动伺服加载装置，其特征在于，所述的丝母（4）是由小圆环体与大圆环体上下叠置而成，小圆环体与大圆环体的回转中心共线，在丝母（4）的回转中心线上从上至下加工有螺纹通孔，在大圆环体外圆柱面上设置两个和外壳（6）上端大直径圆孔内壁上的凹槽配装在一起的凸台，两个凸台的纵向对称面共面。

4.按照权利要求1所述的可测力电动伺服加载装置，其特征在于，所述的外壳（6）为长方体形结构件，在外壳（6）的对称中心线上从上至下加工有阶梯通孔，最上端为和丝母（4）配装的大直径圆孔，大直径圆孔的内壁上加工有和丝母（4）上的凸台配装的凹槽，外壳（6）中段是和作动杆（8）上端的圆盘配装成滑动连接的中直径圆孔，外壳（6）的下端是和作动杆（8）的杆部配装成滑动连接的小直径圆孔，小直径圆孔的内壁上设置有内壁键槽，外壳（6）上端面的四角处设置有连接电机支撑立柱（3）下端的螺纹孔。

5.按照权利要求1所述的可测力电动伺服加载装置，其特征在于，所述的作动杆（8）是一杆类结构件，作动杆（8）的上端设置一个和压力传感器（5）相接触的圆盘，在圆盘上端面的中心处沿作动杆（8）的回转中心线加工有用来和连接螺柱（7）连接的螺纹孔，在作动杆（8）杆部下端面的中心处沿作动杆（8）的回转中心线加工一个用来安装弹性触头（12）的盲孔，盲孔壁上沿径向加工2个用来安装夹紧螺钉（11）的螺纹通孔，该2个螺纹通孔的回转轴线共线，作动杆（8）杆部的外柱面上加工有安装导向键（10）的键槽，键槽的对称面和作动杆（8）的回转中心线共面。

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