CN103542977A - 全自动电磁天平式小力值标准装置 - Google Patents

全自动电磁天平式小力值标准装置 Download PDF

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CN103542977A CN201310442074.6A CN201310442074A CN103542977A CN 103542977 A CN103542977 A CN 103542977A CN 201310442074 A CN201310442074 A CN 201310442074A CN 103542977 A CN103542977 A CN 103542977A
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于立娟
李阳
王相龙
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Abstract

全自动电磁天平式小力值标准装置属于力学计量领域,目的在于解决现有技术存在的工作效率低、机械结构复杂、操作不简便、力值范围窄、加载速度慢和使用性能差的问题。包括等臂天平,所述等臂天平包括天平横梁、立柱和底座,所述天平横梁通过中刀结构和所述立柱接触,所述立柱固定在所述底座上;连接在等臂天平的天平横梁一端的砝码加载机构,所述砝码加载机构包括大砝码加载机构、中间砝码加载机构和小砝码加载机构,单片机通过电机分别控制大砝码加载机构、中间砝码加载机构和小砝码加载机构实现自动加载和卸载;连接在等臂天平的天平横梁另一端的电磁装置,所述电磁装置下端连接有反向架,所述电磁装置通过反向架将力值作用在传感器上。

Description

全自动电磁天平式小力值标准装置
技术领域
本发明属于力学计量领域,具体涉及一种全自动电磁天平式小力值标准装置。
背景技术
力值测量更广泛地被应用于各种领域,近几年来,随着微纳米技术的快速发展,与之相对应的小力值计量技术也得到相应的快速发展。在这些领域中都需要对微小力值进行准确的测量,才能保证加工的产品能达到所要求的精度。在对传感器的校核中,小力值的测量显得就更为重要了,这需要它有更高的精度,来确保传感器的测量的精确。
目前常用的小量程的力值标准装置为静重式机构的,这种机构力值范围窄,使用性能差,而且加载速度较慢;另外,目前常用的小量程力值标准装置也存在通过对电磁天平进行改造实现小力值测量的标准机,但是,加载机构不能不能完全实现自动加载,效率低,机械结构复杂,操作不简便。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全自动电磁天平式小力值标准装置,解决现有技术存在的工作效率低、机械结构复杂、操作不简便、力值范围窄、加载速度慢和使用性能差的问题。
为实现上述目的,本发明的全自动电磁天平式小力值标准装置包括:
等臂天平,所述等臂天平包括天平横梁、立柱和底座,所述天平横梁通过中刀结构和所述立柱接触,所述立柱固定在所述底座上;
连接在等臂天平的天平横梁一端的砝码加载机构,所述砝码加载机构包括大砝码加载机构、中间砝码加载机构和小砝码加载机构,单片机通过电机分别控制大砝码加载机构、中间砝码加载机构和小砝码加载机构实现自动加载和卸载;
连接在等臂天平的天平横梁另一端的电磁装置,所述电磁装置下端连接有反向架,所述电磁装置通过反向架将力值作用在传感器上。
所述中刀结构包括中刀、中刀盒和中刀承,所述中刀安装在所述等臂天平的天平横梁的中间,所述中刀的锐边立于所述中刀承上,所述中刀承与所述中刀盒配合,所述中刀盒固定在横梁上。
所述天平横梁为对称结构,所述天平横梁两端分别设置有吊耳,所述砝码加载机构固定在连接平板下方,所述连接平板通过挂钩与所述天平横梁一端的吊耳连接,所述电磁装置通过挂钩与所述天平横梁另一端的吊耳连接。
所述吊耳包括承重板、十字头、吊耳钩、吊耳环和砝码承受片,所述十字头包括十字头固定部和十字头活动部,砝码承受片通过十字头固定部与承重板和刀承相连,所述十字头活动部下端与所述吊耳环连接,所述吊耳环下端设置有吊耳钩,所述承重板后边有一个锥孔,实现十字头活动部的定位。
所述砝码加载机构固定在连接平板下方具体为:中间砝码加载机构固定在连接平板的中心位置,两个大砝码加载机构和两个小砝码加载机构对称分布在以中间砝码加载机构为椭圆圆心的圆周上。
所述每个大砝码加载机构加载五个砝码,每个小砝码加载机构加载五砝码,中间砝码加载机构加载两个砝码,中间砝码加载机构中的一个砝码的力值与大砝码加载机构的单块砝码的力值相同,中间砝码加载机构中的另一个砝码的力值与小砝码加载机构的单块砝码的力值相同。
所述大砝码加载机构包括大砝码吊挂、大砝码机构支撑杆、砝码支撑和大砝码;所述大砝码加载机构通过所述大砝码吊挂固定在所述连接平板上,所述大砝码吊挂内部水平方向均匀设置有多个横梁,所述横梁中间加工有锥形孔,所述大砝码机构支撑杆穿过所述锥形孔,所述大砝码机构支撑杆上对应每相邻两个横梁之间固定有所述砝码支撑,所述砝码支撑的直径小于所述锥形孔的最小直径,所述大砝码分别放置在每个砝码支撑上,每相邻两个砝码支撑之间的距离逐渐递增或逐渐递减,相邻两个砝码支撑之间的最小距离大于相邻两个横梁之间的距离,保证在大砝码机构支撑杆上下运动时实现大砝码在大砝码吊挂上的顺次加载或卸载;所述大砝码机构支撑杆下端与丝母A固定连接,所述丝母A与丝杠A形成螺旋副,所述丝杠A通过步进电机带动实现转动;所述大砝码加载机构、中间砝码加载机构和小砝码加载机构加载方式相同。
所述力值标准装置还包括固定平板和电机固定板,所述包括固定平板和电机固定板固定在等臂天平的立柱上,所述固定平板与所述电磁装置相对位置处前后对称设置有四根导向柱,前后相邻的两个导向柱之间设置有丝杠B,丝杠B和丝母B形成螺旋副,反向架横梁与丝母B相连,通过固定在电机固定板上的电机带动丝杠B转动,实现反向架横梁的上下运动。
本发明的有益效果为:本发明的全自动电磁天平式小力值标准装置将电磁天平与小力值砝码加载机构结合起来,并通过单片机进行反馈控制。可以完成对砝码的自动加载与卸载和对天平的平衡进行自动控制,实现了装置的机电一体化。通过单片机对天平横梁左端的步进电机进行控制完成砝码的加载,天平横梁另一端的电磁装置会产生与左端被加载的砝码等大的力,通过反向架再把力施加到被测传感器上,整个过程实现了自动化。
本发明采用的吊耳是补偿式吊耳,所述吊耳的承重板后边设置有一个锥孔,实现十字头的定位,吊耳环上部框架在承重板的锥孔里可以摆动使吊耳前后摆动,从而起到力补偿的作用。这种吊耳的优点在于,当它所承受的载荷方向有所变化时,由于它可以前后摆动,使力还可以均匀的分布在刀刃上,不会造成测量误差,可以提高整个装置的稳定性;
本装置的砝码加载机构为对称结构,两个大砝码加载机构和两个小砝码加载机构分布在以中间砝码加载机构为椭圆圆心的圆周上,当加载或卸载时,天平横梁摆动角度小,这样的结构可以达到加载平稳的效果。
附图说明
图1为本发明的全自动电磁天平式小力值标准装置整体结构示意图;
图2为本发明的全自动电磁天平式小力值标准装置的砝码加载机构结构示意图;
图3为本发明的全自动电磁天平式小力值标准装置的吊耳结构示意图;
其中:1、底座,2、电机固定板,3、步进电机,4、凸缘联轴器,5、轴承端盖,6、固定平板,7、轴承,8、轴承端盖,9、螺钉,10、丝母A,11、丝杠A,12、大砝码加载机构,13、大砝码吊挂,14、砝码支撑,15、大砝码机构支撑杆,16、双头螺柱,17、中间砝码加载机构,18、中间砝码机构吊挂,19、连接平板,20、挂钩,21、边刀盒,22、吊耳,23、天平横梁,24、小砝码加载机构,25、中刀盒,26、中刀,27、中刀承,28、电磁装置,29、反向架,30、丝杠B,31、导向柱,32、反向架横梁,33、丝母B,34、立柱,35、吊耳钩,36、吊耳环,37、十字头,3701、十字头固定部,3702、十字头活动部,38、承重板,39、砝码承受片,40、刀承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明提供的技术方案是基于杠杆原理,主要是对1N以下的负荷传感器进行校核。首先根据要求产生的力值,通过单片机进行计算,选出与之对应质量的砝码,然后自动加载到砝码吊挂上。另一侧,通过电磁装置28,产生与之相等的电磁力,并由单片机进行实时的反馈控制保证天平的平衡,使得输出的电磁力准确。该力通过反向架29作用到待测的传感器上,完成测量。整个测量过程实现了自动化,操作简单,结果准确。
本装置中,砝码产生的重力与电磁力之间的平衡是靠1:1的杠杆机构来实现的。杠杆一端加载一定力值的砝码,在天平平衡后,另一端可以得到相同力值的力。其中,力值的计算公式为
( 1 - ρ a ρ w )
式中:F—力;
m—所加载砝码的质量;
g—当地的重力加速度;
a—空气的密度;
w—砝码的密度。
天平横梁23在未加载的时候应尽量的保证平衡,天平横梁23一端是砝码加载机构的五个砝码吊挂,另一端是电磁装置28和反向架29,在设计的时候使他们的质量尽量相等。他们的质量的差可以通过在砝码承受片39上加标准的质量块来弥补。
上边的方法只能保证天平大致平衡,真正的调平是在天平工作的时候,在砝码加载之前,由单片机控制系统调整横梁的平衡。然后再加载砝码,天平横梁23平衡后进行校核。
参见附图1,本发明的全自动电磁天平式小力值标准装置包括:
等臂天平,所述等臂天平包括天平横梁23、立柱34和底座1,所述天平横梁23通过中刀结构和所述立柱34接触,所述立柱34固定在所述底座1上;
连接在等臂天平的天平横梁23一端的砝码加载机构,所述砝码加载机构包括大砝码加载机构12、中间砝码加载机构17和小砝码加载机构24,单片机通过电机分别控制大砝码加载机构12、中间砝码加载机构17和小砝码加载机构24实现自动加载和卸载;
连接在等臂天平的天平横梁23另一端的电磁装置28,所述电磁装置28下端连接有反向架29,所述电磁装置28通过反向架29将力值作用在传感器上。
所述天平横梁23是整个装置中重要的部件,其平衡调节和载重物体的作用,被称之为等臂天平的“心脏”。天平横梁23的制作材料为铜合金或其他刚度好、质地轻、耐腐蚀的材料,为了减轻横梁的重量,调高天平的灵敏度,在保证横梁强度的前提下,一般在横梁上制成各种不同形状的对称孔。本装置中,天平横梁23采用铝青铜合金,这种材料具有良好的机械性能和耐腐蚀性,物理性能也比较理想。并在天平横梁23上制成5个对称的孔,减少其质量和增强其灵敏度。
所述中刀结构包括中刀26、中刀盒25和中刀承27,所述中刀26安装在所述等臂天平的天平横梁23的中间,所述中刀26的锐边立于所述中刀承27上,所述中刀承27与所述中刀盒25配合,所述中刀盒25固定在横梁上,所述中刀承27固定在立柱34的顶端。
所述天平横梁23为对称结构,所述天平横梁23两端分别设置有吊耳22,吊耳22通过边刀盒21与天平横梁23相连,所述砝码加载机构固定在连接平板19下方,所述连接平板19通过挂钩20与所述天平横梁23一端的吊耳22连接,所述电磁装置28通过挂钩20与所述天平横梁23另一端的吊耳22连接。
参见附图3,所述吊耳22包括承重板38、十字头37、吊耳钩35、吊耳环36和砝码承受片39,所述十字头37包括十字头固定部3701和十字头活动部3702,砝码承受片39通过十字头固定部3701与承重板38和刀承40相连,所述十字头活动部3702下端与所述吊耳环36连接,所述吊耳环36下端设置有吊耳钩35,所述承重板38后边有一个锥孔,实现十字头37的定位。
参见附图1和附图2,所述砝码加载机构固定在连接平板19下方具体为:砝码吊挂13通过双头螺柱16连接在连接平板19的下方,中间砝码加载机构17通过中间砝码加载机构吊挂固定在连接平板19的中心位置,两个大砝码加载机构12和两个小砝码加载机构24对称分布在以中间砝码加载机构17为椭圆圆心的圆周上。
所述大砝码加载机构12包括大砝码吊挂13、大砝码机构支撑杆15、砝码支撑14和大砝码;所述大砝码加载机构12通过所述大砝码吊挂13固定在所述连接平板19上,所述大砝码吊挂13内部水平方向均匀设置有多个横梁,所述横梁中间加工有锥形孔,所述大砝码机构支撑杆15穿过所述锥形孔,所述大砝码机构支撑杆15上对应每相邻两个横梁之间固定有所述砝码支撑14,所述砝码支撑14的直径小于所述锥形孔的最小直径,所述大砝码分别放置在每个砝码支撑14上,每相邻两个砝码支撑14之间的距离逐渐递增或逐渐递减,相邻两个砝码支撑14之间的最小距离大于相邻两个横梁之间的距离,保证在大砝码机构支撑杆15上下运动时实现大砝码在大砝码吊挂13上的顺次加载或卸载;所述大砝码机构支撑杆15下端与丝母A10固定连接,所述丝母A10与丝杠A11形成螺旋副,所述丝杠A11通过步进电机3带动实现转动;所述大砝码加载机构12、中间砝码加载机构17和小砝码加载机构24加载方式相同,所述中间砝码加载机构17加载两组砝码,其中一组砝码的砝码值与大砝码加载机构12加载的单个砝码值相同,另一组砝码的砝码值与小砝码加载机构24加载的单个砝码值相同。
所述力值标准装置还包括轴承端盖5、8,固定平板6和电机固定板2,所述的轴承端盖5、8通过螺钉9与固定平板6相连,所述固定平板6和电机固定板2固定在等臂天平的立柱34上,所述固定平板6与所述电磁装置28相对位置处前后对称设置有四根导向柱31,前后相邻的两个导向柱31之间设置有丝杠B30,丝杠B30和丝母B33形成螺旋副,反向架横梁32与丝母B33相连,通过固定在电机固定板2上的电机带动丝杠B30转动,实现反向架横梁32的上下运动。
在砝码加载机构中,共有5个砝码加载机构,10g大砝码加载机构12共有2组,每组5个10g砝码。1g小砝码加载机构24共有2组,每组5个1g砝码。中间砝码加载机构17共有1组,每组有1个10g砝码和一个1g砝码。2个10g大砝码加载机构12中的大砝码机构支撑杆15与步进电机3带动的丝杠A11的丝母A10相连,实现上下的运动,对砝码进行自动加载与卸载,2个1g小砝码加载机构24和一个中间砝码加载机构17采用同样的加载方式。在机构不工作的时候,2个10g大砝码加载机构12中大砝码都是在大砝码机构支撑杆15的砝码支撑14上的,当加载的时候,步进电机3带着大砝码机构支撑杆15向下运动,大砝码就留在大砝码吊挂13上了。每个大砝码吊挂13的横梁中间加工成锥形孔,这样当大砝码加载机构12的大砝码加载到到大砝码吊挂13上的时候不仅可以留在上边还可以起到定心作用,并且可以使砝码支撑14顺利下降,大砝码在卸载的时候可以顺利地被托起来,不至于使大砝码不能被卸载而造成整个装置的故障。大砝码机构支撑杆15两个支撑之间的距离要合适,不能太大,这样会使得大砝码机构支撑杆15尺寸过长;但是也不能太小,这样会造成大砝码加载时候的干涉。距离不够,在砝码杆下降时,第一个支撑会碰到第二个砝码,使得机构不能再继续运动,造成机构设计的失败。由于大砝码机构支撑杆15整体的尺寸较大,两点确定一条直线的原理,因此它需要有两处的位置限制。一用来固定,另一用来起导向的作用。这样可以保证在其运动的过程中,大砝码机构支撑杆15不会偏斜,不会对大砝码的卸载过程产生影响。由于结构的需要,步进电机3是竖直放置的,用电机传动座固定在电机固定板2上。因此,通过凸缘联轴器4与之相连的丝杠A11需要用两个角接触球轴承7来支撑,承受轴向力。丝母A10与大砝码机构支撑杆15通过连接片连接实现砝码杆的上下运动,最大行程为15mm。在这段距离完成对砝码的加载与卸载。这22个砝码可以组成最小力值0.01N。最大力值1N,极差为0.01N的,100级砝码组合。这就可以加载其中任何数值的力。例如0.15N,可以加载中间的11g,2个1g砝码加载机构各2个1g砝码;0.59N,加载中间的11g,2个10g砝码加载机构各2个10g砝码,1g砝码加载机构各4个1g砝码。虽然这可以组成任意数值的砝码,且当加载砝码的数值大于10g的时候,砝码的组合可以是对称分布的,这就不会造成整个加载机构的倾斜,不影响对砝码的加载,不会对测量产生任何影响,但是当加载的砝码数值小于10g且为单数的时候,即1g、3g、5g、7g、9g,会由于砝码组合无法实现对称分布,使得前面的1g砝码加载机构多一个1g的砝码。由于整套装置的质量远远大于1g,这个砝码对于整个加载机构造成的影响几乎可以忽略,但通过钓饵的补偿作用,这个微小的误差就被彻底的消除了。在砝码加卸载的过程和电磁力变化的过程中,都会引起相应装置的运动,对装置的平衡造成影响,应用了补偿式吊耳22后,可以提高整个装置的稳定性。
本装置中反向架29的作用是把电磁装置28产生的与砝码重量相等的电磁力作用到传感器上。装置中,有一个可以上下移动的反向架横梁32,用来调整被测传感器的拉压空间。加卸砝码前,移动反向架横梁32带动传感器上升,使传感器与反向架29的触头接触,然后加载砝码,对传感器进行校核。卸载时,移动反向架横梁32向下,然后取下传感器。反向架横梁32主要是由两个滚珠丝杠B30带动的,丝杠B30通过凸缘联轴器4连接步进电机3,来控制反向架横梁32的上下运动。反向架横梁32是与丝母B33连接在一起的,并在前后对称放置四根导向柱31,丝杠B30放在前后两根导向柱31之间,四根导向柱31在增加系统导向性的同时,还可以进一步提高设备的刚性,有利于提高力值的施加精度。丝杠B30通过步进电机3进行驱动的方式与丝杠A11通过步进电机3驱动的方式一致。
以上为本发明的具体实施方式,但绝非对本发明的限制。

Claims (8)

1.全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,包括:
等臂天平,所述等臂天平包括天平横梁(23)、立柱(34)和底座(1),所述天平横梁(23)通过中刀结构和所述立柱(34)接触,所述立柱(34)固定在所述底座(1)上;
连接在等臂天平的天平横梁(23)一端的砝码加载机构,所述砝码加载机构包括大砝码加载机构(12)、中间砝码加载机构(17)和小砝码加载机构(24),单片机通过电机分别控制大砝码加载机构(12)、中间砝码加载机构(17)和小砝码加载机构(24)实现自动加载和卸载;
连接在等臂天平的天平横梁(23)另一端的电磁装置(28),所述电磁装置(28)下端连接有反向架(29),所述电磁装置(28)通过反向架(29)将力值作用在传感器上。
2.根据权利要求1所述的全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,所述中刀结构包括中刀(26)、中刀盒(25)和中刀承(27),所述中刀(26)安装在所述等臂天平的天平横梁(23)的中间,所述中刀(26)的锐边立于所述中刀承(27)上,所述中刀承(27)与所述中刀盒(25)配合,所述中刀盒(25)固定在横梁上。
3.根据权利要求1所述的全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,所述天平横梁(23)为对称结构,所述天平横梁(23)两端分别设置有吊耳(22),所述砝码加载机构固定在连接平板(19)下方,所述连接平板(19)通过挂钩(20)与所述天平横梁(23)一端的吊耳(22)连接,所述电磁装置(28)通过挂钩(20)与所述天平横梁(23)另一端的吊耳(22)连接。
4.根据权利要求3所述的全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,所述吊耳(22)包括承重板(38)、十字头(37)、吊耳钩(35)、吊耳环(36)和砝码承受片(39),所述十字头(37)包括十字头固定部(3701)和十字头活动部(3702),砝码承受片(39)通过十字头固定部(3701)与承重板(38)和刀承(40)相连,所述十字头活动部(3702)下端与所述吊耳环(36)连接,所述吊耳环(36)下端设置有吊耳钩(35),所述承重板(38)后边有一个锥孔,实现十字头(37)的定位。
5.根据权利要求3所述的全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,所述砝码加载机构固定在连接平板(19)下方具体为:中间砝码加载机构(17)固定在连接平板(19)的中心位置,两个大砝码加载机构(12)和两个小砝码加载机构(24)对称分布在以中间砝码加载机构(17)为椭圆圆心的圆周上。
6.根据权利要求5所述的全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,所述每个大砝码加载机构(12)加载五个砝码,每个小砝码加载机构(24)加载五砝码,中间砝码加载机构(17)加载两个砝码,中间砝码加载机构(17)中的一个砝码的力值与大砝码加载机构(12)的单块砝码的力值相同,中间砝码加载机构(17)中的另一个砝码的力值与小砝码加载机构(24)的单块砝码的力值相同。
7.根据权利要求1所述的全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,所述大砝码加载机构(12)包括大砝码吊挂(13)、大砝码机构支撑杆(15)、砝码支撑(14)和大砝码;所述大砝码加载机构(12)通过所述大砝码吊挂(13)固定在所述连接平板(19)上,所述大砝码吊挂(13)内部水平方向均匀设置有多个横梁,所述横梁中间加工有锥形孔,所述大砝码机构支撑杆(15)穿过所述锥形孔,所述大砝码机构支撑杆(15)上对应每相邻两个横梁之间固定有所述砝码支撑(14),所述砝码支撑(14)的直径小于所述锥形孔的最小直径,所述大砝码分别放置在每个砝码支撑(14)上,每相邻两个砝码支撑(14)之间的距离逐渐递增或逐渐递减,相邻两个砝码支撑(14)之间的最小距离大于相邻两个横梁之间的距离,保证在大砝码机构支撑杆(15)上下运动时实现大砝码在大砝码吊挂(13)上的顺次加载或卸载;所述大砝码机构支撑杆(15)下端与丝母A(10)固定连接,所述丝母A(10)与丝杠A(11)形成螺旋副,所述丝杠A(11)通过步进电机(3)带动实现转动;所述大砝码加载机构(12)、中间砝码加载机构(17)和小砝码加载机构(24)加载方式相同。
8.根据权利要求1所述的全自动电磁天平式小力值标准装置,其特征在于,所述力值标准装置还包括固定平板(6)和电机固定板(2),所述包括固定平板(6)和电机固定板(2)固定在等臂天平的立柱(34)上,所述固定平板(6)与所述电磁装置(28)相对位置处前后对称设置有四根导向柱(31),前后相邻的两个导向柱(31)之间设置有丝杠B(30),丝杠B(30)和丝母B(33)形成螺旋副,反向架横梁(32)与丝母B(33)相连,通过固定在电机固定板(2)上的电机带动丝杠B(30)转动,实现反向架横梁(32)的上下运动。
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