CN103438141A - 一种可调恒力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于精密设备重力平衡装置领域，具体涉及一种可调恒力装置。通过劲度系数和结构尺寸相同的两个弹簧在同一直线上弹簧一端恒力受力物固连，另一端与支架固连，弹簧一个受压，一个受拉，受力方向均与重力方向相同，两个弹簧的合力即为恒力，通过更换不同伸缩量和刚度系数的弹簧可获得不同运动范围内的不同大小的恒力，同时采用步进电机和零位检测装置可自动对不同重量的移动平台进行重力平衡。

Description

一种可调恒力装置

技术领域：

本发明属于精密设备重力平衡装置领域，具体涉及一种可调恒力装置。

背景技术：

在精密设备领域如三维接触式扫描测头等设备里面要求部分运动部件不受重力影响，亦即需要一种装置能使得运动部件在运动范围内始终受到一个与重力大小相等方向相反的作用力，且本身结构尺寸较小，同时由于运动部件本身的质量因为工作需要会更换不同的部件，要求能够调节平衡运动部件重力的平衡力的大小。而目前能够获得的恒力的方法有：恒力弹簧、机械配重平衡、液压平衡、气压平衡等方法，公知的恒力弹簧是由具弹性的、截面相同的钢丝或钢带卷成的盘形弹簧，如游丝、发条，但其恒力受盘面的局限约束，不能满足更多的恒力技术需要。而现有的圆柱形、塔形、锥形和橄榄形、菱形的弹簧构造大多是由粗细均匀的具有弹性的钢丝绕制而成，由于加工精度限制，达不到设备对恒力精度的要求。另外恒力大小不可调节，无法满足当运动部件更换后需要调节恒力大小的要求，使其应用受到限制。机械配重平衡结构简单、工作可靠、平衡精度高、但体积大、占空间、还会增加设备的重量，并且不能用于三坐标测量机的测头本身存在多个自由度运动的设备的重力平衡，仅适用于低速及低加速度运动部件的平衡。液压平衡体积小、重量轻、被平衡部件的最大运动速度及加速度较机械配重平衡高，适用于中速运动部件的平衡，在高速度及高加速度时，会产生液压冲击现象，导致驱动系统严重过载，平衡精度差。气压平衡允用速度及加速度较高，适用于高速运动部件的平衡。但体积较液压平衡大、平衡精度较差、有气流噪声。由于精密设备如三维扫描测头的精度常常达到亚微米级甚至纳米级精度，轻微的力量变化也会导致较大误差，因此以上方法均不适宜在某些精密测量设备如测头对平衡精度的要求，因此需要一种新的恒力装置，且恒力装置提供的恒力大小可以调节。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有的恒力技术存在本身结构尺寸过大、平衡精度低、恒力不可调节和不适合高速运动部件的平衡等缺点提出一种利用普通弹簧和步进电机获得恒力且恒力大小可以智能调节的装置。

本发明所述的一种可调恒力装置，其包括恒力机构和力调节部分；在所述的恒力机构中包括两个拉簧4、两个压簧8、移动平台5、支架9、压簧固定座6、钢丝7；所述的力调节部分包括步进电机固定座1、步进电机2、滑块3、发光二极管10、反射镜12、光电池11。所述的移动平动5的上端两边与两个拉簧4的一端固连，下端与两个压簧8的一端固连，压簧8的另一端与压簧固定座6固连在一起，压簧固定座6与支架9通过螺栓固连在一起，拉簧4的上端通过钢丝7与滑块3固连在一起，滑块3的螺纹孔套在步进电机2带有螺纹的转子上，滑块3的光孔套在步进电机固定座1上的光杆上，光杆与步进电机2的转子平行。

两个拉簧、两个压簧完全相同；且支架9固定有反射镜12与移动平台5固连发光二极管10以及光电池11；发光二极管10、反射镜12和光电池11位于同一水平面上。

所述的四个弹簧完全相同，压簧初8初始力较大，拉簧4初始力较小，方向均与重力方向相反，移动平台5在行程范围内匀速运动时即可获得四个弹簧提供的一个恒定的合力，当移动平台5的质量变化时，单片机接收到经信号调理电路处理后的光电池信号，单片机控制步进电机2向两个方向来回转到，直到当发光二极管10发射的光通过支架9上的反射镜12反射回光到与移动平台5固连的光电池11上的光强最强时到达平衡位置时停止步进电机2的运动。

本发明所述的恒力实现原理为通过劲度系数和结构尺寸相同的两个弹簧在同一直线上弹簧一端恒力受力物固连，另一端与支架固连，弹簧一个受压，一个受拉，受力方向均与重力方向相同，两个弹簧的合力即为恒力。

本发明的有益效果是:本发明通过两个弹簧在同一直线上受拉和受压，受力方向与重力方向相同，弹簧的合力即为所需的恒力，通过更换不同伸缩量和刚度系数的弹簧可获得不同运动范围内的不同大小的恒力，同时采用步进电机和零位检测装置可自动对不同重量的移动平台进行重力平衡。

附图说明

图1是可调恒力装置结构示意图；

图2是可调恒力装置中移动平台5的受力示意图；

图3是可调恒力装置原理图；

图4是可调恒力装置的零位零位检测原理图；

图5是可调恒力装置的调节框架图；

其中:1.步进电机固定座；2.步进电机；3.滑块；4.拉簧；5.移动平台；6.压簧固定座；7.钢丝；8.压簧；9.支架；10.发光二极管；11.光电池；12.反射镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:

如图1所示，本发明所述的一种可调恒力装置，其包括恒力机构和力调节部分；在所述的恒力机构中包括两个拉簧4、两个压簧8、移动平台5、支架9、压簧固定座6、钢丝7；所述的力调节部分包括步进电机固定座1、步进电机2、滑块3、发光二极管10、反射镜12、光电池11。所述的移动平动5的上端两边与两个拉簧4的一端固连，下端与两个压簧8的一端固连，压簧8的另一端与压簧固定座6固连在一起，压簧固定座6与支架9通过螺栓固连在一起，拉簧4的上端通过钢丝7与滑块3固连在一起，滑块3的螺纹孔套在步进电机2带有螺纹的转子上，滑块3的光孔套在步进电机固定座1上的光杆上，光杆与步进电机2的转子平行，压簧初8始力较大，拉簧4初始力较小，所有弹簧的劲度系数K都相等，方向均与重力方向相反，移动平台5在行程范围内匀速运动时即可获得四个弹簧提供的一个恒定的合力。

如图2所示为移动平台5的受力示意图，移动平台受拉簧和压簧的竖直向上的拉力F_拉和压力F_压，同时受到重力G，拉簧和压簧的合力与重力大小相等，方向相反，并作用在同一作用点上。

如图3所示为可调节恒力装置恒力原理图，纵轴为弹簧施力，弹簧施力方向为正，横轴为弹簧伸缩量，x1和x2分别为弹簧伸缩的两个极限位置，两个弹簧的施力线与横轴形成的锐角相等，即弹簧劲度系数相等，在[x1,x2]区间内，两个弹簧的合力为与横轴平行，即合力为一恒力。

图3所示为零位检测原理图，为图2的局部俯视图，图4可调节恒力装置的调节框架图，当移动平台5的重量变化时，单片机接收到经放大滤波电路处理后的光电池信号，单片机控制步进电机2向两个方向来回转到，直到当发光二极管10发射的光通过支架9上的反射镜12反射回光到与移动平台5固连的光电池11上的光强最强时到达平衡位置时停止步进电机2的运动。

Claims (1)

1.一种可调节恒力装置，其特征在于：其包括恒力机构和力调节部分；

在所述的恒力机构中包括两个拉簧（4）、两个压簧（8）、移动平台（5）、支架（9）、压簧固定座（6）和钢丝（7）；所述的力调节部分包括步进电机固定座（1）、步进电机（2）、滑块（3）、发光二极管（10）、反射镜（12）和光电池（11）；所述的移动平台（5）的上端两边与两个拉簧（4）的一端固连，下端与两个压簧（8）的一端固连，压簧（8）的另一端与压簧固定座（6）固连在一起，压簧固定座（6）与支架（9）通过螺栓固连在一起，拉簧（4）的上端通过钢丝（7）与滑块（3）固连在一起，滑块（3）的螺纹孔套在步进电机（2）带有螺纹的转子上，滑块（3）的光孔套在步进电机固定座（1）上的光杆上，光杆与步进电机（2）的转子平行；

两个拉簧（4）、两个压簧完全相同；且支架（9）固定有反射镜（12）与移动平台（5）固连发光二极管（10）以及光电池（11）；发光二极管（10）、反射镜（12）和光电池（11）位于同一水平面上。

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