CN105651240B - 引伸计校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种引伸计校准装置,它可对各种电子式、机械式引伸计进行校准,可满足0.2级以下的引伸计示值量值溯源要求。包括底座,底座上固定立柱,立柱上依次安装光栅传感器支承座、固定心轴支承座、可动心轴支承座和丝杆副支承座,光栅传感器支承座上安装光栅传感器,固定心轴支承座上安装固定心轴,可动心轴支承座上安装可动心轴,丝杆副支承座上安装交流伺服电机,交流伺服电机的转轴与可动心轴通过丝杆副连接,可动心轴的上端固定同轴的测杆,该测杆间隙配合于固定心轴的轴向孔内形成导向,测杆的上端通过联轴器与光栅传感器的下端测头固定连接,校准引伸计时,引伸计的一端连接固定心轴,另一端连接可动心轴。

Description

引伸计校准装置
技术领域
本发明设计涉及计量领域,特别是涉及一种引伸计校准装置。
背景技术
引伸计是材料试验机对材料试样施加轴向力时,测量试样变形的装置,包括测量、指示或记录系统。引伸计测量系统位移量值需要采用引伸计标定器定期校准,才能保证其测量准确度。对引伸计的校准就是将引伸计的读数与引伸计标定器给定的已知长度的变化量进行比较,确定其示值误差,保证材料试验结果的正确性。根据国家计量技术规范JJF1096-2002引伸计标定器校准规范规定,引伸计标定器按测微装置形式分为A类和B类。
A类标定器一般由螺旋副结构的测微头实现位移,用安装在标定器支架上的测微仪表(比较仪、测微计等)配合量块进行测量,准确度高,可满足 0.2级和0.5级微应变引伸计示值的量值溯源要求;B类标定器一般用测微头同时实现位移,准确度低,可满足1级和2级引伸计示值的量值溯源要求。
参见图1,A类引伸计标定器是L型结构,主体是一个支撑平台,在平台右侧中间部位安装有立轴,作为支撑校准装置各部件的支架。支架上、中、下三个部位分别垂直固定一个水平夹持机构,且在左端部同一轴线上,上、中、下部夹持机构均有一个通孔。
上部夹持机构通孔为圆形夹持孔,孔径大小与校准装置配备的测微仪表外径相同,测微仪表穿过夹持孔并通过锁紧螺栓固定在上面。测微仪表的上部位位移显示表,有刻度和指针;下部为可上下移动的测头,与指针具有联动测量显示位移功能。
中间夹持机构的通孔位与固定心轴外径紧配合,将固定心轴固定在中间夹持夹持机构上。固定心轴中心是导向管,导向管中间为可动心轴,可动心轴上端装有一测微工作台,工作台上表面与测微仪表的测微头接触,一般采用预紧位移,受到轻微表面接触力作用。
导向管从固定心轴连接到可动心轴,起可动心轴移动时的导向作用。可动心轴与固定心轴间存在一定的距离,随可动心轴移动而调整。
下部夹持机构与上部夹持机构结构相同,通孔与测微头连接轴外径紧配合固定在夹持机构上。测微头是螺旋幅结构,与可动心轴连接。可动心轴安装在螺旋丝杆上,测微头是由可旋转微分筒和固定丝杆组成,可手动旋转微分筒产生顺时针或逆时针旋转,若微分筒顺时针转动可带动丝杆轴向上移动,反之,微分筒逆时针转动可带动丝杆轴向上移动。微分筒表面有移动位移刻度显示,能控制可动轴的上下移动位移。
校准时,被检的引伸计两测量臂钩挂在可动心轴和固定心轴两端,测微头旋转致使可动心轴上下移动,带动被检引伸计两测量臂移动和测量移动位移,作为被检引伸计示值;同时,可动心轴的上下移动使其上端工作平台跟随移动,测微仪表的测头受工作台移动变化,使显示仪表同步测量显示出可动轴的上下移动位移,作为标准位移值,由被检引伸计示值减去标准位移值,即可得到引伸计该位移测量点的示值误差,变化测量点,即可检定引伸计各位移值的示值误差,从而实现检定的目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种引伸计校准装置,它可对各种电子式、机械式引伸计进行校准,可满足0.2级以下的引伸计示值量值溯源要求。
本发明的目的是这样实现的:
一种引伸计校准装置,包括底座,所述底座上固定立柱,所述立柱上从上到下依次安装有光栅传感器支承座、固定心轴支承座、可动心轴支承座和丝杆副支承座,所述光栅传感器支承座上安装光栅传感器,所述固定心轴支承座上安装固定心轴,所述可动心轴支承座上安装可动心轴,所述丝杆副支承座上安装交流伺服电机,所述光栅传感器的测头、固定心轴、可动心轴、交流伺服电机的转轴同轴,所述交流伺服电机的转轴与可动心轴通过丝杆副连接,使交流伺服电机可以驱动可动心轴轴向移动,所述可动心轴的上端固定同轴的测杆,该测杆间隙配合于固定心轴的轴向孔内形成导向,所述测杆的上端通过联轴器与光栅传感器的下端测头固定连接,校准引伸计时,所述引伸计的一端连接固定心轴,另一端连接可动心轴。
优选地,所述丝杆副包括丝杆、螺母,所述丝杆与交流伺服电机的转轴同轴,且固定在交流伺服电机的转轴上,所述螺母与可动心轴同轴,且固定在可动心轴上设有的轴向孔内。
优选地,所述丝杆副支承座上安装键槽固定支座,键槽固定支座上安装一固定销,该固定销沿径向插入可动心轴侧壁上设有的键槽内,形成对可动心轴的周向定位。
优选地,所述光栅传感器支承座上设有矩形槽口,矩形槽口的底壁为锯齿形,矩形槽口嵌有一耦合矩形轴,矩形轴的底部为与矩形槽口底壁对应的锯齿形,所述光栅传感器安装在矩形轴上,所述光栅传感器支承座上沿横向螺纹配合有内螺栓,该内螺栓的一劣弧部分位于矩形槽口内,所述矩形轴的端面上设有螺纹与内螺栓的劣弧部分螺纹配合,所述光栅传感器上沿竖向螺纹配合有安装螺栓,该安装螺栓贯穿矩形轴上设有的螺纹通孔,固定矩形轴。
优选地,所述内螺栓的端面上设有刻度,用于指示内螺栓的旋转角度。
优选地,所述可动心轴支承座和丝杆副支承座的相向面上分别设有接近开关传感器,所述可动心轴的一侧安装有对应两接近开关传感器的位移感应装置。
优选地,所述光栅传感器采集光栅信号,并将信号传递至光栅数显表,所述引伸计采集引伸计数据,并将信号传递至数字电压表,所述光栅数显表、数字电压表分别将数据信号传递至计算机,计算机通过引伸计校准测量软件对比两种信号,并根据两种信号的差值校准引伸计。
优选地,所述光栅数显表设置前置放大电路、判向电路、高倍细分电路。
优选地,所述两接近开关传感器将信号传递至运动控制器,所述运动控制器通过伺服驱动器控制交流伺服电机的旋转,用于限定可动心轴的极限位置。
优选地,所述引伸计校准测量软件包括系统参数设置、纳米光栅位移测量值和被校引伸计测量值的采集,环境温度和线性误差补偿,测量数据库的建立、测量数据的存储和读取,并根据测量数据进行误差分析计算和评定、自动判别测量结果、生成和打印记录和证书。
由于采用了上述技术方案,本发明具有如下有益效果:
对传统A型标定器的驱动部分、测量显示部分进行彻底改进;采用交流电机、纳米光栅位移测量系统替代,实现引伸计微位移的高精度驱动和测量,消除丝杆副间隙引起的回程误差。校准装置采用计算机测量控制系统,替代原人工手动驱动、仪表指示显示,计算机测量系统不仅能实现位移移动的自动控制与测量显示,同时可接收被校准引伸计的位移测量输出。引伸计校准装置的全校准过程测量数据可实现测量全校准点的自动控制、测量、数据处理、自动记录、自动生成校准结果及证书报告等,可实现引伸计检定/校准的全自动化,消除人工操作误差,能提高了测量值准确性、校准的自动化水平。
附图说明
图1为A类引伸计标定器的结构示意图;
图2为本发明的结构示意图;
图2a为图2中P处的局部示意图;
图2b为图2中Q处的局部示意图;
图3为引伸计校准仪测控系统框图;
图4为引伸计校准测量软件的模块示意图。
附图标记
附图中,1为底座,2为立柱,3为光栅传感器支承座,4为固定心轴支承座,5为可动心轴支承座,6为丝杆副支承座,7为光栅传感器,8为固定心轴,9为可动心轴,10为交流伺服电机,11为丝杆副,11a为丝杆,11b为螺母,12为测杆,13为固定销,14为键槽,15为矩形槽口,16为矩形轴, 17为内螺栓,18为接近开关传感器,19为位移感应装置。
具体实施方式
参见图2至图4,为本发明的一种较佳的实施例。
包括:主机结构、电控测量系统和软件系统(含标准机测控软件、被校仪器校准软件等)三大部分。
微应变引伸计校准装置的主机结构包括:立柱与底座组成的刚性平台、光栅传感器支承座、两个同轴的可动心轴和固定心轴、固定心轴支承座和可动心轴支承座、交流伺服电机和精密丝杆副等部件,如附图2所示。
主机结构保证了纳米光栅传感器的测量轴与可动心轴保持同轴,从结构设计上符合了阿贝原则,消除了阿贝误差。
所述的微应变引伸计校准仪主机结构的底座1是长方体平台,无下表面,中空结构,保证强度的情况下减轻重量,易于便携,采用QT500球墨铸铁整体铸造。上表面、四个侧面等厚,上表面为安装水平平台,四个侧面壁的下表面四个角各有四个可旋转、调水平的地脚支撑,地脚支撑与底座是通过螺纹连接。底座上表面长方形平台左半侧居中部位留有4个安装螺孔,与立柱固定。底座平台的右半恻靠平台中间部位为一通孔,孔的左边缘为矩形,右边缘为大圆弧形,大圆弧的缺口与矩形口等长且相连接,用于安装伺服电机。前、后侧面中部各有一平椭圆形孔,便于电机导线连接。
所述的微应变引伸计校准仪主机结构的侧立柱2是竖长形长方体柱,无左侧面,中空结构,保证强度的情况下减轻重量,易于便携,采用QT500球墨铸铁整体铸造。右侧面壁厚为立柱宽度的2/5,上下侧面壁厚为立柱宽度的 1/5,前后侧面壁厚立柱宽度的1/5,侧立柱底部包括下侧面和右侧壁底面,位于底座平台左半部居中,底部长度为底座平台宽度的3/4。立柱底部下侧面与前后侧面壁重叠区左端有各有1个安装螺孔,右侧壁底面中间前、后端的1/4 立柱宽度内各均匀分布2个安装螺孔。通过底座上6个螺栓与立柱底部安装螺孔将立柱固定在底座上。立柱左侧面采用薄铁板封盖,在通过螺钉固定,可拆卸式,便于安装。
立柱右侧面壁外表面中间是宽为3/4立柱宽度的梯形凸台,凸台中间为一宽型凹槽。立轴凹槽的深度为立柱右侧面壁厚的1/2,宽度56mm。凹槽底部的中间为小的内凹槽,深1mm,宽24mm。凹槽底部两边等高平面为安装基准平台,均采用高精密平面加工处理,保证平面度和表面光洁度处理,并作为垂直方向的安装基准面。凹槽底部两边与凹槽侧立面交角均采用内凹倒角加工处理。
立柱右侧凹槽安装基准面上半部的顶端、上半部的中段、下半部的上段和下段等均有安装螺孔,分别与纳米光栅传感器安装支座、固定心轴支座、可动心轴支座和精密螺纹副支座等通过螺栓固定。
底座的水平平台和立柱凹槽底部安装平台构成主机结构刚性平台,作为光栅传感器、固定心轴、可动心轴和精密螺纹副等部件的垂直、水平方向的安装基准面。刚性平台采用高精密数控铣镗床加工,以确保与各支承座的裝配位置精度和定位精度。
所述的微应变引伸计校准仪主机结构的光栅传感器支承座2是在立柱右侧安装基面顶端。
支承座上半部右外侧面正中间有一凹形的矩形槽口,槽口底边为锯齿形。槽口嵌有一耦合矩形轴,轴底部为锯齿形。光栅传感器支承座正表面对应槽口凹部有侧向螺孔,螺孔圆弧大部分槽口凹部,少部分在矩形轴左端正表面,且螺孔边界突出槽口凹部边一部分。螺孔嵌有内螺栓,内螺栓表面四周有角刻度,指示旋拧调整螺栓位置,可使其挤压槽口内的矩形轴左边向外微动,确保其底部与槽口底边的矩形性边缘紧密配合。由安装螺栓通过支承座上顶部中间槽口顶边螺纹通孔、贯穿矩形轴上螺纹通孔,紧固在支撑座凹部的下底部上下方向固定矩形支撑轴。
支撑轴向右延伸悬空,超出槽口部分是呈梯形。梯形部的后边为直边,且与矩形轴后边同边;梯形部的前边为斜边,向右逐渐收窄,与右端梯形端边相交为圆弧。矩形轴梯形部右端部有圆形通孔,纳米光栅传感器测头外轴可穿过孔,直至纳米光栅传感器外表壳活动放置安装在矩形支撑轴表面。梯形部的后部与通孔中心之间有一断口面,使通孔为非封闭口,由矩形部右端边靠后边部位螺孔,通过螺钉缩紧通孔并将光栅传感器外表壳缩紧。
支撑座的上半部整体呈下凸形,下凸部的前表面为平面,后表面为锯齿形表面,下底面中间有一小凹口。支撑座的下半部整体呈下凹形,凹部的凹形槽内后内表面为锯齿形表面,底部中间对应有一小凸块,支撑座上下两部可整体耦合和定位在一起。
另外,支撑座下半部靠侧立柱边,采用分布于靠近四边角的四个螺钉通过侧立柱上对应螺孔固定在侧立柱垂直支撑平台上。支撑座下半部前表面、后表面的中间均留有直通螺孔,前后通过螺栓将使支撑座上半部的下凸块与下半部的凹形槽在前后方向紧固。
下部右外侧面中间接触上部留有螺孔,螺孔的圆弧采用螺栓固定。
所述的微应变引伸计校准仪主机结构的固定心轴支撑座2是在侧立柱上半部的中部,外形为长方体形状,宽度与立柱右侧面凹槽等宽。
固定心轴支撑座左端面中间上下方向开有一小凹槽,与立柱右侧面凹槽底部中间的小凹槽大小相同,小凹槽两边小凸台同平面等宽,与立柱右侧面凹槽底部两边安装基准平台滑配合。
左端面四角处各有1个螺孔,与立柱凹槽底部对应位置钻各有1个螺孔,通过紧固螺钉支撑座固定在立柱凹槽安装基准平台上。
支撑座左半部中间部位上下表面各有一凹形通槽,宽度和深度与限位开关传感器大小匹配,上下凹形通槽前后端附近均有1个安装孔。支撑座左半部中心位置,正、背面分别开有一外圆盲孔,深度1/4宽度。正、背面外圆形孔内底面正中间开有一内圆通孔,孔径为外圆孔径的一半。
固定心轴支撑座的右半部外部长方体右端两棱角为倒角竖斜面,分别与前后表面和右侧面呈45度角。前端角部竖斜面为光滑平面,后端竖斜面上的上段、下段各开有1个平行于上下面的U型口,中段正中有一个预加工定位销孔。U型口缺口向外,且开口在后表面上,U型口圆弧形底在竖斜面与右侧面交线基线齐平。U型口从右侧表面往左方向开口,底部为U型平面,深度刚超过竖斜面与后表面交线基线,中间开有螺孔。
固定心轴支撑座的右半部上、下表面中心为圆形通孔。圆形通孔前后直径方向,圆孔前边缘至支撑座前表面中间部位有一个直径为4mm的小通孔。在圆孔前后直径方向有一断面,断面贯穿内孔前至后表面之间部分,同时断面口从圆孔前边缘直达小通孔。断面宽度2mm,沿中心前后孔径方向,从后表面至小通孔之间,断开支撑座。采用圆孔断面锁紧结构,因具有间隙可松、可锁紧特点,使圆形通孔和固定心轴安装时可松紧,便于安装。
所述的固定心轴支撑座和固定心轴之间的安装方式是固定心轴支撑座右半部圆形通孔内嵌有一中空的环形圆柱体,环形圆柱体分为上、下部,下部是圆柱主体,与圆形通孔孔径配合,底面与固定心轴支撑座底表面齐平。上部圆柱为超出支撑座上表面高度5mm,直径大于下部圆柱直径,构成的圆形T 型台,圆形T型台上部外凸长度5mm,安装时可承重和装卸方便。固定心轴嵌入环形圆柱体内孔内,通过螺栓经支撑座右后端的上、下两个U型口底部螺孔将断面左右两边锁紧,从而使固定心轴和圆柱体内孔、支撑座圆形通孔紧配合,固紧在固定心轴支撑座右半部上。
所述的微应变引伸计校准装置主机结构的固定心轴是竖长圆柱体,中心是同轴心线的阶梯形圆型通孔。圆型通孔的中部通孔的孔径小,长度占1/2柱长;两端部通孔相同,孔径略大于中部通孔孔径,长度占1/4柱长。
两端部通孔均安装精密圆环形直线轴承,轴承长度略短于两端通孔,两端部通孔余下空间采用圆柱环抵住直线轴承,并密封固定。上下端部直线轴承与测微杆滑配合,测微杆可相对固定心轴作上下移动,轴承内径略小于中部通孔的孔径。
测微杆上端装有联轴器。联轴器下部为正方形柱,上部为圆柱,上下部为一体式结构。正方形柱中心开有圆形孔,四个侧面中心有定位销孔,联轴器下端四方柱套接在测微杆上,四周用定位销通过定位销孔固定在测微杆上。联轴器上部圆柱中心开有螺纹孔,测量时纳米光栅传感器测头与螺纹孔接触。同时校准时,取下纳米光栅传感器,在该螺纹孔安装激光干涉仪的光学镜,同步校准微应变引伸计校准装置的运动位移误差。
固定心轴嵌入并穿过环形圆柱体内孔。固定心轴的上半段在内孔内,上端面与环形圆柱体上端面齐平;下半段穿过支撑座并留在支撑座外悬空。
所述的微应变引伸计校准仪主机结构的可动心轴支撑座是固定在侧立柱下半部的上半段位置。可动心轴支撑座的外形、结构和尺寸完全与固定心轴相同。
可动心轴支撑座半部中间下表面凹槽内嵌一上限位接近开关传感器,定位销将传感器安装在定位销孔上,传感器带有信号电缆。
所述的可动心轴支撑座和可动心轴之间的安装方式是可动心轴支撑座右半部圆形通孔内圆环形直线轴承,直线轴承内径与可动心轴外径相同,滑配合。直线轴承在通孔内居中,长度略小于圆形通孔长度,通孔两端剩余部分为长5mm的圆孔。直线轴承上下安装是通过上、下安装盖固定。上、下安装盖完全相同,由外盖和内圆柱环两部组成。
安装盖中间为通孔,与直线轴承内孔大小相同。安装盖内圆柱环外径与直线轴承外径相同,与支撑座右半部圆形通孔上下两端安装直线轴承剩余空间耦合并抵住固定直线轴承,使安装盖的通孔和直线轴承内孔构成一个可动心轴的安装通孔。
上下安装盖的外盖为长方体盖,厚5mm,右端面与支撑座右端面靠齐,前后长度不大于支撑座宽度。右端两角为倒角的斜面,与支撑座右端两倒角斜面同平面。长方体形盖四角,有安装螺孔,对应的可动心轴上下表面4个螺纹孔,均通过螺栓将安装盖和直线轴承紧固在可动心轴支撑座上。
可动心轴是中空圆柱体,垂直穿过支撑座上的上下安装盖、中间的直线轴承通孔,可上下移动。根据可动心轴内中空部分将可动心轴按功能分上、中、下三段。上、下段为连接段,分别与测微杆、精密丝杆副连接,中段为带接近开关限位座,为上下移动位移限位感应段。
可动心轴的上段为全长1/6,其中空部分由为螺纹孔和倒内圆锥孔构成。倒内圆顶端与中段圆孔相连,锥孔圆锥角8度,安装有圆锥形卡簧,卡簧与测微杆下端部连接。螺纹孔外端口为可动心轴上端口,螺纹孔内端面与倒内圆锥孔底端孔同轴相连,且螺纹孔孔径大于倒内圆锥孔底端孔径。螺纹孔装有卡簧锁紧螺母,将卡簧与相连接的测微杆锁紧,并紧固在可动心轴上,保证测微杆随可动心轴同步上下移动。卡簧锁紧螺母中间为通孔,与测微杆外径滑配合,并在螺母通孔左右轴线方向、中间各有1个小圆孔,便于装配使用。
可动心轴的中段为全长2/3,其中空部分为圆柱通孔,孔径比测微杆外径大4mm。圆柱通孔下端附近,在左右轴线上方向,从右往左开有1个安装孔,孔径5mm。安装孔贯穿可动心轴右侧管壁直达左侧管臂内侧1/3壁厚处,安装孔底部中心向左开有一M2.5的小螺纹孔贯穿左侧管壁。可动心轴左侧管壁上的螺纹孔位置,垂直螺纹孔中心线,上下等距,切掉一定深度的外圆弧,构成一个边长10mm正方形平面。
可动心轴左侧安装有1个接近开关限位座,接近开关限位座由左侧竖向方柱和右侧横向方柱构成,两个方柱一体式结构,中心线上下对称,相互正交,整体呈卧式T型,左半部竖向方柱为T型头部,右半部横向方柱为T型柱身,柱的横截面均为边长10mm正方形。
接近开关限位座的左侧竖向方柱上下表面中心为M4的螺纹盲孔,上下对称。上下螺孔各有安装螺栓,螺栓外侧中心固定有一个小螺纹,小螺纹顶端旋紧一个圆柱形螺帽。上下螺帽外侧表面均水平、光滑,作为为上下接近开关限位传感器的位移感应装置。
各部件整体固定在接近开关限位座上,使位移感应装置随接近开关限位座上下移动。
横向方柱垂直正方形平面,右端面中心有1个M2.5的螺孔,孔深10mm,与可动心轴左侧管壁上的螺纹孔同轴,同为一个安装螺孔,通过螺钉将接近开关限位座紧固在可动线轴上,并随可动心轴上下移动。
可动心轴下段的中空部分是圆形通孔,长度为全长1/6,孔径比中段孔径大2mm。圆形通孔与精密丝杆副联接。精密丝杆副由中间的精密丝杆和丝杆外套的精密可调螺母、锁紧螺母等组成。精密专用可调螺母的内螺纹与精密丝杆螺纹配合,外圆与可动心轴下段內孔配磨。
可调螺母外表面有上半部三个螺帽和下半部螺纹组成,上半部顶端螺帽上表面与圆形通孔底边紧靠。其余两个螺帽侧面与圆形通孔内孔滑配合,每个螺帽侧面圆周均匀分布3个定位销孔。可调螺母下半部螺纹分为倒圆锥螺纹和普通螺纹两段,普通螺纹与倒圆锥螺纹锥部直径相同且相连接。锁紧螺母旋拧在专用可调螺母下半部螺纹上,锁紧螺母将可调螺母锁紧。
在可动心轴下段中间圆壁上,有两排、每排按圆周120度角均匀分布3 个M2.5的螺纹销孔,每个螺纹销孔将对应可调螺母两个螺帽圆周侧面的定位销孔,采用6个螺纹定位销,将可调螺母与可动心轴固定。可动心轴下端套接在精密丝杆副支座右端的固定支座端盖内孔中,滑配合。可动心轴下段右端圆壁外表面,开有一个键槽。键槽固定支座端盖右端壁有一定位通孔,内装有一固定销,销子插入左端插入键槽内,与键槽的底部和侧面有间隙,既防止固定支座端盖和可动心轴两者相对转动,又保证两者可在键槽行程内进行相对滑动。
所述的微应变引伸计校准仪主机结构的精密丝杆副支撑座是固定在侧立柱下半部的下半段位置。支撑座的外形和尺寸、支撑座左半部结构完全与固定心轴相同。主要区别:1)精密丝杆副支撑座左端上表面凹槽内嵌一下限位接近开关传感器,传感器带有信号电缆。2)精密丝杆副支撑座右半部中心的圆形通孔为无断面结构,右半部无断面,为整体结构,右后角斜面为光滑平面,无U型口、螺孔和定位销孔。
所述的微应变引伸计校准仪主机结构的精密丝杆副支撑座与可动心轴的连接方式有两种结构方式:
方式1采用键槽定位销防转动结构
精密丝杆副支撑座圆形通孔上端采用固定支撑端盖和可动心轴外径套接。端盖中间通孔,外形为左右两边切掉弧的圆环柱,左右弧弦长均与支撑座右端面等宽,端盖四周有螺孔,采用螺钉固定在支撑座上。端盖内孔与可动心轴滑配合,端盖下半部为圆环柱,整体嵌入支撑座右半部通孔内,圆环柱右端壁有横向销孔,内有销钉穿过内壁插入可动心轴上的键槽内,且保留间隙。缺点是机械加工、装配精度要求高,微位移调节误差大,灵敏度较低。
方式2:采用四方滑动防转结构方式
将可动心轴下半部与接近开关限位座连接的左端安装侧面,向下端延伸,去掉一段弧形圆柱,同样在前、后、右端去掉一段弧弧形圆柱,四个等弦长,可动心轴四个方向均形成一个等长的长方形侧面。同样,支撑座右半部上表面端盖中心部分,开一个四方为矩形侧面、侧面之间采用圆弧连接的通孔,大小与可动心轴下半部方柱形状耦合,滑动配合。可动心轴的两排,每排120 度圆周均匀分布的3个定位销孔,可调整为在方柱四个圆弧柱面开四个对称的定位销孔,固定可动心轴和精密丝杆副的可调螺母。同时,该结构取消键槽和定位销设计,端盖侧面无销孔,美观,在电机带动精密丝杆转动,并将旋转运动转换成可动心轴直线运动时,可动心轴因四方结构既自动产生防转功能,又保证微位移运动的高精度度和高灵敏度。
精密丝杆副支撑座圆形通孔下端采用伺服电机法兰将电机固定在支撑座上。伺服电机法兰的法兰盘在下边,外形与支撑座上端盖外形相同,对角位置有螺孔,并与伺服电机外壳安装座的安装孔对齐。伺服电机法兰中空,法兰圆柱环套在伺服电机连接座上,法兰圆柱环向上嵌入支撑座右半部的圆形通孔内。通过螺钉将伺服电机安装装、法兰盘固定在支撑座底面上。
微应变引伸计校准仪主机结构的位移运动机构由交流伺服电机和精密丝杆副组成,采用垂直方向安装,安装轴线与立轴右侧凹槽底部基准面平行。
交流伺服电机机身坐落在底座的圆弧孔位置,交流伺服电机左侧凸起为电源和控制电缆,坐落在底座矩形孔位置。交流伺服电机的驱动轴自带有键槽。本装置因位移控制精度极高,优于0.1微米,不能采用键槽传动。特别在交流伺服电机驱动轴开有定位销口,同时在精密丝杆副的联接轴开有定位销孔,两个联接轴的轴线同轴、两轴端相近但未串接,通过外部的套筒套接在两个联接轴上。套筒的下半部内孔径与交流伺服电机驱动轴滑配合,套筒的上半部内孔径与精密丝杆副的联接轴滑配合。套筒的上、下半部各有一定位销孔,与交流伺服电机驱动轴的定位销口、精密丝杆副联接轴的定位销口对应,通过两个定位销将套筒、交流伺服电机驱动轴和精密丝杆副联接轴之间固定并串接起来,保证同步转动。
所述的微应变引伸计校准装置的位移测量系统硬件:采用纳米光栅精密位移测量系统,测量范围:0~25mm,误差:±0.1μm,测量步距:5nm,为保证达到高准确度,该光栅传感器不采用传统的弹簧提供测量力,而是使用无弹簧结构,采用测量杆通过联轴器与运动部件相连的驱动方式。所配数显表采用USB接口进行数据传输,分辨率最小为:5nm。
采用纳米光栅精密位移测量系统作为标准量来校准微应变引伸计的误差,用同步位移比较测量法进行测量。把被校引伸计安装在校准仪可动心轴和固定心轴之间,通过交流伺服运动控制系统实现垂直方向的微位移。微位移运动机构带动可动心轴运动,使被校微应变引伸计产生拉伸或压缩变形。同时与可动心轴连接在一起的硬质合金导向测杆通过固定心轴两端的导向用精密级直线轴承运动,为保证测杆直线运动的可靠性,硬质合金测杆加工时与高精度直线轴承的内孔进行配磨。测杆的端部通过联轴器与固定在仪器支座上的纳米光栅位移传感器的测量头相连接。
当微位移机构运动时,纳米光栅传感器测头与可动心轴一起同步运动。当被校引伸计产生拉伸或压缩变形时,纳米光栅精密位移测量系统产生同步位移信号输出,输出的光栅信号进入光栅数显表,经过放大、信号处理电路、高倍细分电路、判向电路后,得到0.01μm(最高可到5nm)的高分辨率。光栅位移测量信号可通过LED数码显示器直接显示测量结果,也可以配接便携式计算机通过串口进行数据采集和传输,由计算机将对应的位移计数值读入,与被校引伸计的测量值进行比较,即可得到被校引伸计的示值误差。
所述的微应变引伸计校准装置的控制系统硬件:微应变引伸计校准仪采用交流伺服电机和运动控制器进行微位移驱动控制,采用交流伺服电机 SGMJV-01A,及驱动器SGDV-R90A。选用安川交流伺服电机SGMJV-01A,具有小容量、中惯量,有助于提高机械运动的稳定性,还能减少驱动时的振动以及停止时机械前端的振动,拥有同行业最高的放大器响应性,大大缩短了整定时间,其新型单参数调谐功可使整定时间达到约为0~4ms,可实现所需的快速平稳响应。
运动控制器采用英国翠欧运动技术公司(Trio Motion Technology Ltd)的 TRIOP823-MC403运动控制器,组成微位移控制系统。MC403是一款便携式高性能的运动控制器,采用了性能强劲的ARM11处理器,处理器时钟频率 400Mhz,内存时钟200Mhz,具有32k字节程序和数据高速缓存器,处理器具有64位浮点数运算的特性。体积小、功耗低,底座采用金属外壳,增强了系统的接地性能,提高了系统在工业现场的抗干扰能力。MC403运动控制器有三种通讯控制接口,包括:传统的串行通讯接口,USB接口,以及以太网通讯接口。本校准仪选用先进的以太网通讯模式,由于纳米光栅位移数显器采用USB接口进行数据采集和传输,而被检引伸计的二次仪表通常也采用串口或USB接口进行数据采集和传输,所以对交流伺服电机的运动控制,选用通过以太网口进行通讯的模式更加可靠。
采用的交流伺服电机所配园光栅编码器输出脉冲达到100万/转(实际为1048576/转),这给实现稳定地达到最小位移进给步距留下较大的调整空间。控制系统根据给出的目标位移值,检测编码器输出的脉冲数进行闭环控制,以达到精确的位移运动控制。实际调试时,需要人工调整系统的速度环、位移环等控制参数,以达到最佳效果。
所述的微应变引伸计校准装置的控制系统为保护装置:采用上下运动行程极限的限位行程控制,防止控制系统因人为操作失误和电路故障造成运动超行程而损坏校准仪。限位行程开关为磁感应传感器,代替传统的机械限位行程开关,具有体积小、反映灵敏、可靠性高等优点。当限位探测器达到距磁感应传感器2.5mm时,磁感应传感器动作使运动控制器停止运动,具有非接触和快速的特点。
采用笔记本电脑作为测量系统主机,通过笔记本电脑的以太网口控制 MC403运动控制器,从而控制交流伺服电机带动精密螺纹旋转产生校准测量所需的微位移,并采用USB接口与纳米光栅数字显示器进行数据通讯,完成数据采集,整个装置可实现现场校准使用、携带方便。
所述的微应变引伸计校准装置的软件系统:微应变引伸计校准仪的软件系统包括控制参数设置、测量与数据采集、校准系统等软件功能模块组成,主要功能模块如下:
系统参数设置、纳米光栅位移测量值和被校引伸计测量值的采集,环境温度和线性误差补偿,测量数据库的建立、测量数据的存储和读取,并根据测量数据进行误差分析计算和评定、自动判别测量结果、生成和打印记录和证书。其软件模块见图4所示:
所述的微应变引伸计校准装置的工作原理是首先将被校准的引伸计安装在固定心轴和可动心轴上,如附图2所示。然后由计算机软件系统设定某个标准位移B,软件系统控制交流伺服电机正向(或反向)旋转,通过外部联接套筒和固定销,电机柱的转动带动精密丝杆正向(或反向)旋转,丝杆的正向(或反向)旋转通过套接的可调螺母使其产生上(或小)直线运动,可调螺母的直线运动通过可动心轴上的定位销和可调螺母上定位孔,带动可动心轴上(或下)移动,同步带动可动心轴上的接近开关座上的上下位移感应装置上(或下)移动,当接近可动心轴支撑座下端(或精密丝杆副支撑座上端)的接近开关传感器时,可进行限位保护停止运动。可动心轴在可动心轴支撑座右半边圆孔内的精密直线轴承向上(或向下)滑动,精密直线轴承保证可动心轴轴心线上下同轴。可动心轴顶端固定的测微杆随可动心轴同步向上(或向下)移动,测微杆通过固定心轴内两端的精密直线轴承,保证向上 (或向下)移动的同时,又保证其轴线与可动丝杆轴线同轴。固定心轴不动,与测微杆保持相对运动。
测微杆带动顶端联接轴和相接触的纳米光栅传感器测头向上(或向下) 移动并将移动位移值的信号传递给计算机系统,当达到设定目标位移时,系统控制伺服电机停止转动。
可动心轴和固定心轴上安装的被校准引伸计,可测量并指示出可动心轴相对固定心轴移动的位移值A。由A与B的差,可得到被校准引伸计某个位移值的示值误差,调整不同的位移,可校准被校准引伸计对应的示值误差。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种引伸计校准装置,包括底座,所述底座上固定立柱,其特征在于:所述立柱上从上到下依次安装有光栅传感器支承座、固定心轴支承座、可动心轴支承座和丝杆副支承座,所述光栅传感器支承座上安装光栅传感器,所述固定心轴支承座上安装固定心轴,所述可动心轴支承座上安装可动心轴,所述丝杆副支承座上安装交流伺服电机,所述光栅传感器的测头、固定心轴、可动心轴、交流伺服电机的转轴同轴,所述交流伺服电机的转轴与可动心轴通过丝杆副连接,使交流伺服电机可以驱动可动心轴轴向移动,所述可动心轴的上端固定同轴的测杆,所述固定心轴内孔的两端分别设置有直线轴承,所述测杆加工时与高精度直线轴承的内孔进行配磨,所述测杆的上端通过联轴器与光栅传感器的下端测头固定连接,校准引伸计时,所述引伸计的一端连接固定心轴,另一端连接可动心轴;
所述可动心轴支承座和丝杆副支承座的相向面上分别设有接近开关传感器,所述可动心轴的一侧安装有对应两接近开关传感器的位移感应装置;所述光栅传感器采集光栅信号,并将信号传递至光栅数显表,所述引伸计采集引伸计数据,并将信号传递至数字电压表,所述光栅数显表、数字电压表分别将数据信号传递至计算机,计算机通过引伸计校准测量软件对比两种信号,并根据两种信号的差值校准引伸计;所述光栅数显表设置前置放大电路、判向电路、高倍细分电路;所述两接近开关传感器将信号传递至运动控制器,所述运动控制器通过伺服驱动器控制交流伺服电机的旋转,用于限定可动心轴的极限位置;所述引伸计校准测量软件包括系统参数设置、纳米光栅位移测量值和被校引伸计测量值的采集,环境温度和线性误差补偿,测量数据库的建立、测量数据的存储和读取,并根据测量数据进行误差分析计算和评定、自动判别测量结果、生成和打印记录和证书;
所述光栅传感器支承座上设有矩形槽口,矩形槽口的底壁为锯齿形,矩形槽口嵌有一耦合矩形轴,矩形轴的底部为与矩形槽口底壁对应的锯齿形,所述光栅传感器安装在矩形轴上,所述光栅传感器支承座上沿横向螺纹配合有内螺栓,该内螺栓的一劣弧部分位于矩形槽口内,所述矩形轴的端面上设有螺纹与内螺栓的劣弧部分螺纹配合,所述光栅传感器上沿竖向螺纹配合有安装螺栓,该安装螺栓贯穿矩形轴上设有的螺纹通孔,固定矩形轴;
所述内螺栓的端面上设有刻度,用于指示内螺栓的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的引伸计校准装置,其特征在于:所述丝杆副包括丝杆、螺母,所述丝杆与交流伺服电机的转轴同轴,且固定在交流伺服电机的转轴上,所述螺母与可动心轴同轴,且固定在可动心轴上设有的轴向孔内。
3.根据权利要求1所述的引伸计校准装置,其特征在于:所述丝杆副支承座上安装键槽固定支座,键槽固定支座上安装一固定销,该固定销沿径向插入可动心轴侧壁上设有的键槽内,形成对可动心轴的周向定位。
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