CN103926039B - 一种可双向加载的机电式力源装置 - Google Patents

Abstract

一种可双向加载的机电式力源装置，是一套利用位移的变化对受载物体施加力的加载装置，包括驱动部件、导向部件、监测元件和精密传力部件。驱动部件由伺服马达和螺旋升降机组成，负责驱动传力部件做定向位移。导向部件用来保证加载力的方向在所需要加载的方向上。监测元件可以实时监测输出的力值。精密传力部件由传力杆、连接法兰以及对称配置在法兰两端的柔性梁组成，精密传力部件可以消除其他方向的力对加载力的干扰并且能够实现拉力和压力两个方向的力的加载。本发明结构紧凑、响应速度快，克服了传统力源装置机构庞大、加载效率低和后期维护麻烦等缺点，可以广泛应用于大尺寸六分量天平的原位校准和其他天平的自动加载系统中。

Description

一种可双向加载的机电式力源装置

技术领域

本发明涉及一种可双向加载的机电式高精度力源装置，应用于固体火箭冲压发动机试车台六分量测力天平的原位校准。

背景技术

随着推进技术的发展，在固体火箭冲压发动机地面试车和进行弹发匹配验证试验时，单纯的推力测量已经不能完全反映受试产品的空气动力学特性，因此产生了应用于固体火箭冲压发动机试车台的大尺寸、大载荷的六分量测力天平。任何天平在使用过程中都要在一定时间内进行校准，以保证测力天平的可靠性。要对如此大尺寸、大载荷的天平进行校准，需要研制一种能够进行原位校准(在不挪动天平位置的前提下进行校准)的设备，而校准设备的核心就是产生校准力的装置。

在一般的风洞天平校准中，常见的产生力的方法有砝码与力源装置，其中力源装置又可分为液压、气压与机电式力源装置等。砝码是以自身的质量对受试产品施加载荷，可用人工加载与卸载，也可用砝码自动加卸载装置实现自动加载与卸载。其优点是精度高，但是砝码加载需要设计庞大的加载装置，加载效率低。液压/气压力发生器使用液压缸或者气缸作为力源装置对天平施加载荷，液压/气压力源装置可以产生较大的力，在大量程的测力传感器标定中广范应用。由于使用流体作为驱动介质，容易存在介质泄露等问题，从而使得力源装置的可靠性比较差，并且液压缸和气缸及其附属设备维护和修理比较麻烦。传统的机电式力源装置响应快，效率高，但是加载精度比较差，并且由压力加载转换到拉力加载时需要使用专用的工装，这种装置不适合为天平的自动校准提供校准力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可双向加载的机电式力源装置。

本发明的技术解决方案是：

一种可双向加载的机电式力源装置，包括驱动部件、导向部件、监测元件、传力部件和加载头；所述监测元件为测力传感器；

所述驱动部件包括伺服马达和螺旋升降机，其中伺服马达输出扭矩，为整个力源装置提供动力，螺旋升降机通过其内部的涡轮蜗杆将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动；

所述导向部件包括托盘、导向柱和固定板，固定板套在螺旋升降机的丝杠上，位于螺旋升降机上方且与螺旋升降机固定连接，托盘位于固定板上方，螺旋升降机的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘通过中心螺纹孔旋紧在丝杠前端，导向柱的一端固定在固定板上，另一端穿过托盘上预留的导向孔对托盘进行导向；测力传感器安装在托盘上；

所述传力部件包括传立杆、传力销、法兰以及对称配置在法兰两端的柔性梁；

柔性梁为圆柱状，沿轴向有通孔，两个柔性梁对称配置在法兰两侧，柔性梁和法兰通过定位销固定连接，传力杆穿过柔性梁的轴向通孔，传力销穿过柔性梁端部的圆孔和传力杆对应位置上的长槽孔，将柔性梁的两端与传力杆活动连接，传力杆的一端旋紧在测力传感器上，另一端套在圆筒状加载头的内部，加载头对外部施力，其底部与法兰固定连接。

所述柔性梁包括固定端、自由端、第一片梁、第二片梁和基体；

固定端和自由端位于基体的两端，固定端的一端与法兰通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁，自由端的一端通过传力销与传力杆活动连接，自由端的另一端向外伸出一倒直U型的第二片梁；第一片梁与第二片梁呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁的远离固定端的一端连接在基体上，第二片梁的远离自由端的一端也连接在基体上，基体上开有减重孔，以减轻整个柔性梁的重量；基体和自由端之间有缝隙，基体和固定端之间也有缝隙。

所述第一片梁和第二片梁均仅能承受自由端施加的拉力。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明结构紧凑，通过不同的组合方式，可以精确产生天平校准的力和力矩，在保证天平性能不改变的前提下可以直接安装在天平的固定端和自由端之间，以此实现天平的原位校准。

(2)本发明中的伺服马达、螺旋升降机都是成熟产品，可靠性好。并且零部件的更换和维护都比较方便，节省了研制成本和维护费用。

(3)本发明采用模块化结构，统一安装位置零部件之间的互换性好，通过更换伺服马达、高精度传感器和精密传力部件可以实现不同载荷范围的加载，大大缩短了生产周期，节约了成本。

(4)本发明可以实现双向加载，由于单个柔性梁只能承受拉力，在连接法兰两边对称配置柔性梁就可以实现拉力和压力双方向的加载。

附图说明

图1为一种可双向加载的机电式高精度力源装置结构示意图；

图2为传力部件结构示意图；

图3为柔性梁和法兰的安装示意图；

图4为柔性梁结构示意图；

图5为柔性梁结构的全剖视图；

图6为柔性梁结构A-A剖视图；

图7为柔性梁结构的三维图；

图8为传立杆结构示意图；

图9为导向部件安装示意图；

图10为托盘结构示意图；

图11为托盘结构的全剖视图；

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种可双向加载的机电式高精度力源装置，包括驱动部件、导向部件、监测元件、传力部件和加载头1；所述监测元件为测力传感器25；

所述驱动部件包括伺服马达28和螺旋升降机27，其中伺服马达28输出扭矩，为整个力源装置提供动力，螺旋升降机27通过其内部的涡轮蜗杆将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、检测元件和传力部件做直线运动。伺服马达28与螺旋升降机27通过中间的转接座连接，用螺钉固定，伺服马达28的输出轴与螺旋升降机27的输入轴通过联轴器相连，以传递马达输出的扭矩。螺旋升降机27通过螺钉固定在固定板3上。伺服马达28的转速和输出扭矩等参数通过上位机控制，测力传感器25的输出信号实时反馈给上位机，由此形成一个闭环控制系统，由校准系统软件通过传感器的输出值来判断是否达到了所需要的校准力，然后控制马达的运转；

导向部件包括托盘29(如图10和图11所示)、导向柱26和固定板3(如图9所示)，固定板3套在螺旋升降机27的丝杠上，位于螺旋升降机27上方且与螺旋升降机27固定连接，托盘29位于固定板3上方，螺旋升降机27的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘29通过中心螺纹孔293旋紧在丝杠前端，导向柱26的一端固定在固定板3上，另一端穿过托盘3上预留的导向孔292对托盘29进行导向；测力传感器25用八个螺钉通过托盘29的安装螺纹孔291安装在托盘29上；

所述传力部件包括传立杆23(如图8所示)、传力销21、法兰22以及对称配置在法兰两端的柔性梁24(如图2所示)。对称配置在法兰22两端的柔性梁24通过定位销固定在法兰上(如图3所示)和法兰作为一个整体。法兰的安装圆柱面起到定位的作用，保证柔性梁内孔中心线和螺旋升降机丝杠中心线的位置偏差在误差允许的范围内。传力销21从柔性梁24的圆孔和传立杆23上的长槽孔内穿过。法兰22和加载头1通过螺钉连接；

如图4、图5、如图6、图7所示，柔性梁24是在圆柱状材料的基础上经过电加工和切削加工而成，外表面有通槽、销孔和平面，内部沿轴向有通孔，两个柔性梁24对称配置在法兰22两侧，柔性梁24和法兰22通过定位销固定连接，传力杆23穿过柔性梁24的轴向通孔，传力销21穿过柔性梁24端部的圆孔和传力杆23对应位置上的长槽孔，将柔性梁24的两端与传力杆23活动连接，传立杆23的一端旋紧在测力传感器25上，另一端套在圆筒状加载头1的内部，加载头1对外部施力，其底部与法兰22固定连接。

柔性梁24包括固定端241、自由端242、第一片梁243、第二片梁244和基体245；

固定端241和自由端242位于基体245的两端，固定端241的一端与法兰22通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁243，自由端242的一端通过传力销21与传力杆23活动连接，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与第二片梁244呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁243的远离固定端241的一端连接在基体245上，第二片梁244的远离自由端242的一端也连接在基体245上，基体245上开有减重孔246，以减轻整个柔性梁24的重量；基体245和自由端242之间有缝隙，基体245和固定端241之间也有缝隙。

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均仅能承受自由端242施加的拉力。，根据材料力学知识可知，片梁在压力作用下会失稳、变形(原理同细长杆受压失稳变形一致)，不能正常传递力。所以这种柔性梁只能对自由端242施加拉力。

可双向加载机电式高精度力源装置的工作原理：在伺服马达28驱动下，螺旋升降机27的丝杠向上(图1中所示方向)运动时，导向部件、检测元件连同传力杆23同时向上运动，当上面传力销21和传力杆23上部长槽孔的下缘接触时，加载力通过传立杆23、传力销21传递给法兰22上端的柔性梁24，此时传力杆23下部的长槽孔和下面的传力销21之间存在间隙，加载力不能通过下面的传力销21传递给法兰22下端的柔性梁24，加载力最终通过法兰22传递给加载头1，对受试产品形成压力。伺服马达28带动螺旋升降机27的丝杠向下(图1中所示方向)运动时，导向部件、检测元件连同传力杆23同时向下运动，当下面传力销21和传力杆23下部长槽孔的下缘接触时，加载力通过传立杆23、传力销21传递给法兰22下端的柔性梁24，此时传力杆23上部的长槽孔和上面的传力销21之间存在间隙，加载力不能通过上面的传力销21传递给法兰22上端的柔性梁24，加载力最终通过法兰22传递给加载头1对受试产品形成拉力。

整个力源装置中，螺旋升降机27安装在固定装置3上作为固定端，法兰22和加载头1连接作为自由端，该力源装置产生的力通过加载头施加给需要校准的产品。

固体火箭冲压发动机试车台中的大尺寸、大载荷六分量测力天平本身结构复杂，在天平上还有发动机变姿态机构、系统锁紧机构等设备。实现天平的校准，既不能移动天平位置更不能改变天平本身机构和力学性能。因此需要一种结构紧凑，可靠性好，使用和维护方便的力源装置来提供校准力满足天平的原位校准。在满足上述条件的还要保证力源装置有足够的加载精度，能够快速实现拉力和压力的转换，同时还要做到快速响应，以提高效率。

本发明采用模块化结构，伺服马达作为驱动部件通过与其连接的螺旋升降机将马达的旋转运动转换为升降机丝杠的直线运动。升降机安装在固定装置上，升降机丝杠的前段连接安装有高精度力传感器的托盘，托盘上安装有导向柱以保证加载的方向始终和升降机丝杠的轴线保持一致，防止因为角度偏差造成加载误差，高精度力传感器作为标准传感器，实时检测输出的力值。传感器前端和一根传力杆固定，通过传力销把力传递给柔性梁，柔性梁可以排除其他方向的力对加载力的干扰。柔性梁通过法兰和加载头连接，由于柔性梁只能传递拉力，需要将两个柔性梁对称的配置在连接法兰的两端，以实现双向加载。升降机的固定装置和受试产品的加载头需要根据实际产品设计。

可双向加载机电式高精度力源装置的运动原理：当伺服电机驱动升降机的丝杠上下移动时，托盘、力传感器及传力杆同步移动。传力杆向上移动，传力杆上面的长槽的底部顶到上方的传力销，从而通过传力销、柔性杆、承力法兰向加载头施加向上的力。当升降机的丝杠向下移动时，则对加载架头加向下的力，通过加载头将力传递到受试产品上。

Claims (3)

1.一种可双向加载的机电式力源装置，其特征在于：包括驱动部件、导向部件、监测元件、传力部件和加载头(1)；所述监测元件为测力传感器(25)；

所述驱动部件包括伺服马达(28)和螺旋升降机(27)，其中伺服马达(28)输出扭矩，为整个力源装置提供动力，螺旋升降机(27)通过其内部的涡轮蜗杆将伺服马达的旋转运动转换为螺旋升降机丝杠的轴向直线运动，由丝杠带动导向部件、监测元件和传力部件做直线运动；

所述导向部件包括托盘(29)、导向柱(26)和固定板(3)，固定板(3)套在螺旋升降机(27)的丝杠上，位于螺旋升降机(27)上方且与螺旋升降机(27)固定连接，托盘(29)位于固定板(3)上方，螺旋升降机(27)的丝杠前端有安装用的螺纹，托盘(29)通过中心螺纹孔旋紧在丝杠前端，导向柱(26)的一端固定在固定板(3)上，另一端穿过托盘(29)上预留的导向孔对托盘(29)进行导向；测力传感器(25)安装在托盘(29)上；

所述传力部件包括传力杆(23)、传力销(21)、法兰(22)以及对称配置在法兰两端的柔性梁(24)；

柔性梁(24)为圆柱状，沿轴向有通孔，两个柔性梁(24)对称配置在法兰(22)两侧，柔性梁(24)和法兰(22)通过定位销固定连接，传力杆(23)穿过柔性梁(24)的轴向通孔，传力销(21)穿过柔性梁(24)端部的圆孔和传力杆(23)对应位置上的长槽孔，将柔性梁(24)的两端与传力杆(23)活动连接，传力杆(23)的一端旋紧在测力传感器(25)上，另一端套在圆筒状加载头(1)的内部，加载头(1)对外部施力，其底部与法兰(22)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种可双向加载的机电式力源装置，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)和基体(245)；

固定端(241)和自由端(242)位于基体(245)的两端，固定端(241)的一端与法兰(22)通过定位销固定连接，另一端向外伸出一直U型的第一片梁(243)，自由端(242)的一端通过传力销(21)与传力杆(23)活动连接，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)与第二片梁(244)呈十字交叉，十字交叉的部分互不接触；第一片梁(243)的远离固定端(241)的一端连接在基体(245)上，第二片梁(244)的远离自由端(242)的一端也连接在基体(245)上，基体(245)上开有减重孔(246)，以减轻整个柔性梁(24)的重量；基体(245)和自由端(242)之间有缝隙，基体(245)和固定端(241)之间也有缝隙。

3.根据权利要求2所述的一种可双向加载的机电式力源装置，其特征在于：所述第一片梁(243)和第二片梁(244)均仅能承受自由端(242)施加的拉力。