CN107219036B - 基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，该基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，包括：机架，所述机架固定在底座上；主梁，所述主梁设置在所述机架的顶部；气浮轴承，支撑所述主梁；加荷框架，所述加荷框架悬挂在所述主梁的一端；砝码吊挂系统，所述砝码吊挂系统连接于所述加荷框架底部；内置式配重平衡机构，所述内置式配重平衡机构设置在所述主梁的另一端，测量范围为1mN‑10N，最大力值与最小力值之比为10000：1，力值不确定度达到U＝0.01％(k＝2)，在国内属于首创，解决了高准确度微小力值传感器的量值溯源问题。

Description

基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置

技术领域

本发明涉及力值测量领域，具体地，涉及一种基于气浮轴承支撑的静 重式微小力值标准装置。

背景技术

力标准机可分为静重式、杠杆式、液压式和叠加式四种型式。本发明 类属于静重式力标准机。静重式力标准机是由砝码的重力作为标准负荷， 通过适当的机构按预定顺序自动平稳地把负荷直接施加到被检测力仪上的 装置。静重式力标准机通常由静重砝码、砝码吊挂系统、砝码加卸系统、 加荷框架、电气控制系统等组成，其最小力值一般由砝码吊挂系统和加荷 框架产生的重力得到，最大力值与最小力值之比通常不超过100：1。为了 扩展力值测量范围的下限，一些新型的静重式力标准机采用平衡机构平衡 掉砝码吊挂系统和加荷框架的重量，其初级负荷即为第一级砝码复现的力 值。目前，采用这种平衡机构的静重式力标准机，通常采用刀口支撑方式 支撑主梁。但刀口支撑方式的摩擦力较大，并且刀子、刀承间的自由度较 大，不利于静重式力值标准机砝码的准确定位和微小力值的复现。

因此有必要研发一种测量更为准确的，基于气浮轴承支撑的静重式微 小力值标准装置。

发明内容

本发明提出了一种基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，测 量范围为1mN-10N，最大力值与最小力值之比为10000：1，力值不确定度 达到U＝0.01％(k＝2)，在国内属于首创，解决了高准确度微小力值传感器的 量值溯源问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于气浮轴承支撑的静重式微 小力值标准装置，包括：

机架，所述机架固定在底座上；

主梁，所述主梁设置在所述机架的顶部；

气浮轴承，所述气浮轴承支撑所述主梁；

加荷框架，所述加荷框架悬挂在所述主梁的一端；

砝码吊挂系统，所述砝码吊挂系统连接于所述加荷框架底部；

内置式配重平衡机构，所述内置式配重平衡机构设置在所述主梁的另 一端。

优选地，所述主梁通过主轴与所述气浮轴承连接，所述主梁通过所述 气浮轴承的转子和定子间的气膜支撑。

优选地，所述加荷框架包括：加荷框架上横梁、多个吊杆、加荷框架 下横梁及升降工作台，所述多个吊杆连接所述加荷框架上横梁及所述加荷 框架下横梁，所述升降工作台设置在所述吊杆上，位于所述加荷框架上横 梁及所述加荷框架下横梁之间。

优选地，所述加荷框架还包括：刀口式万向节，所述刀口式万向节设 置在所述升降工作台底部及所述加荷框架下横梁上。

优选地，所述加荷框架通过薄钢带悬挂于所述主梁一端，所述薄钢带 中部设置有90°换向机构。

优选地，还包括平衡微调机构，所述平衡微调机构设置在所述主梁中 部。

优选地，所述砝码吊挂系统包括：吊挂杆及多个托盘，所述多个托盘 沿所述吊挂杆竖直方向依次设置，所述吊挂杆的顶部连接于所述加荷框架 底部。

优选地，还包括砝码加卸载系统，所述砝码加卸载系统包括：砝码支 架、水平旋转机构、水平移动机构及垂直移动机构，所述砝码支架设置在 水平旋转机构上，所述水平旋转机构设置在水平移动机构的一端，所述水 平移动机构的另一端设置在所述垂直移动机构上，所述垂直移动机构固定 在所述底座上。

优选地，还包括间隙夹紧机构，所述间隙夹紧机构对称设置于所述主 梁两侧。

优选地，还包括激光位移传感器，所述激光位移传感器设置在所述基 座上，位于所述气浮轴承两侧。

本发明的有益效果在于：通过使用气浮轴承支撑主梁为主梁提供了一 个单一自由度的支撑，实现了主轴方向自由旋转，限制了主梁其它方向的 自由度，减小了摩擦力，确保了砝码加卸时的准确定位。基于气浮轴承支 撑的静重式微小力值标准装置的测量范围为1mN-10N，最大力值与最小力 值之比为10000：1，力值不确定度达到U＝0.01％(k＝2)，在国内属于首创， 解决了高准确度微小力值传感器的量值溯源问题。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的 上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。

图1示出了根据本发明的一个实施例的基于气浮轴承支撑的静重式微 小力值标准装置主视图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的基于气浮轴承支撑的静重式微 小力值标准装置左视图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的气浮轴承的连接结构放大示意 图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的升降工作台及加荷框架放大示 意图。

附图标记说明：

1、气浮轴承；2、主梁；3、加荷框架；4、机架；5、砝码吊挂系统； 6、砝码加卸载系统；7、大理石平台；8、内置式配重平衡机构；9、平衡 微调机构；10、间隙夹紧机构；11、激光位移传感器；12、吊杆；13、升 降工作台；14、精密直线运动模组；15、加荷框架基座；16、加荷框架支 座。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优 选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐 述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻 和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的一种基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，包 括：

机架，所述机架固定在底座上；

主梁，所述主梁设置在所述机架的顶部；

气浮轴承，所述气浮轴承支撑所述主梁；

加荷框架，所述加荷框架悬挂在所述主梁的一端；

砝码吊挂系统，所述砝码吊挂系统连接于所述加荷框架底部；

内置式配重平衡机构，所述内置式配重平衡机构设置在所述主梁的另 一端。

具体地，通过使用气浮轴承支撑主梁为主梁提供了一个单一自由度的 支撑，实现了主轴方向自由旋转，限制了主梁其它方向的自由度，减小了 摩擦力，确保了砝码加卸时的准确定位。基于气浮轴承支撑的静重式微小 力值标准装置的测量范围为1mN-10N，最大力值与最小力值之比为10000： 1，力值不确定度达到U＝0.01％(k＝2)，在国内属于首创，解决了高准确度微 小力值传感器的量值溯源问题。

具体地，主梁的一端悬挂一个加荷框架和一个砝码吊挂系统，另一端 是一个内置式配重平衡机构。在标准装置空载状态下，通过调节内置式配 重平衡机构内的平衡砣将加荷框架和砝码吊挂系统的重量平衡掉。

在一个示例中，所述主梁通过主轴与所述气浮轴承连接，所述主梁通 过所述气浮轴承的转子和定子间的气膜支撑。

具体地，气浮轴承采用静压轴承原理，通过稳定、干燥、清洁的高压 气源和节流器，在转子和定子之间产生厚度极小的均匀的高强度气膜，减 小了摩擦力，实现对所述主梁及负载的支撑。

在一个示例中，所述加荷框架包括：加荷框架上横梁、多个吊杆、加 荷框架下横梁及升降工作台，所述多个吊杆连接所述加荷框架上横梁及所 述加荷框架下横梁，所述升降工作台设置在所述吊杆上，位于所述加荷框 架上横梁及所述加荷框架下横梁之间。

在一个示例中，所述加荷框架还包括：刀口式万向节，所述刀口式万 向节设置在所述升降工作台底部及所述加荷框架下横梁上。

具体地，被测压向力传感器设置在所述升降工作台上部；被测拉向力 传感器设置在所述升降工作台下部，通过设置在所述工作台下部及加荷框 架下横梁上的刀口式万向节连接于加荷框架下横梁。

更优选地，多个吊杆的个数为四个。

具体地，本发明采用一个四吊杆框架结构的加荷框架，在框架的上下 横梁间设置一个由精密直线运动模组带动的升降工作台。升降工作台与四 吊杆框架上横梁组成压向力试验空间；升降工作台与四吊杆框架下横梁组 成拉向力试验空间。被测压向力传感器设置在工作平台上部；被测拉向力 传感器设置在工作平台下部，并通过上下两个刀口式万向节与标准装置相 连。升降工作台由伺服电机精确控制位移，伺服电机设置在机架上，调整压向力或拉向力试验空间。当砝码的加卸及被测力传感器的变形使主梁偏 离其平衡位置时，激光位移传感器测量该位移，并通过伺服电机驱动调整 工作台移动，使主梁重新回到其初始平衡位置。本发明在加荷框架下部的 拉向力试验空间，采用微型刀口式万向节，确保拉向力传感器受力轴线与 重力轴线的一致。这种万向节型式首次在力标准机中采用。

具体地，刀口式万向节包括：万向节拉头、刀口、十字头、万向节座， 万向节拉头、刀口及十字头依次连接固定在万向节座上。刀口万向节设置 在加荷框架下部的拉力试验空间，在进行拉向力传感器力值测量时，确保 传感器受力轴线与重力轴线的一致，解决了拉向力传感器受力轴线与重力 轴线同轴调整的问题。

在一个示例中，所述加荷框架通过薄钢带悬挂于所述主梁一端，所述 薄钢带中部设置有90°换向机构。

在一个示例中，还包括平衡微调机构，所述平衡微调机构设置在所述 主梁中部。

具体地，主梁中部固定安装一个平衡微调机构，通过调节其内置螺钉， 微调主梁左右及上下位置，使主梁达到随遇平衡。

在一个示例中，所述砝码吊挂系统包括：吊挂杆及多个托盘，所述多 个托盘沿所述吊挂杆竖直方向依次设置，所述吊挂杆的顶部连接于所述加 荷框架底部。

更优选地，砝码吊挂系统采用铝合金及钛合金材料制作，分为多层， 每层两边开口，便于砝码加卸载系统从两边放入或取出砝码。砝码吊挂系 统下端是一套间隙夹紧机构，防止挂架晃动，砝码加载时间隙夹紧，测量 读数时打开。

在一个示例中，还包括砝码加卸载系统，所述砝码加卸载系统包括： 砝码支架、水平旋转机构、水平移动机构及垂直移动机构，所述砝码支架 设置在水平旋转机构上，所述水平旋转机构设置在水平移动机构的一端， 所述水平移动机构的另一端设置在所述垂直移动机构上，所述垂直移动机 构固定在所述底座上。水平移动机构由高精度直线自动滑台驱动，垂直移 动机构由高精度直线运动模组驱动，水平旋转机构由高精度旋转模组驱动，从而保证了砝码加卸载系统的高精度可靠运行。

具体地，砝码加卸载系统由砝码支架及三维运动机构组成。砝码加卸 载系统共有2套，分布在砝码吊挂系统的两侧。砝码支架分为10层，每层 5个均匀分布在圆周上，砝码不加载时就安装在砝码支架上。砝码和砝码支 架之间的定位采用锥形间隙配合、锥面导向、圆柱面定位，间隙不大于 0.1mm。当进行砝码加载时，水平旋转机构将砝码支架上选定的砝码组旋转 到正对于砝码吊挂系统的位置；水平移动机构将砝码组送进砝码吊挂系统； 垂直移动机构将砝码逐个顺序施加到砝码吊挂系统的托盘上。采用与上述 相反的过程，实现砝码的卸载。

在一个示例中，还包括间隙夹紧机构，所述间隙夹紧机构对称设置于 所述主梁两侧。

具体地，间隙夹紧机构为在主梁两侧对称分布的移动直线模组，用于 实现主梁的间隙夹紧。

在一个示例中，还包括激光位移传感器，所述激光位移传感器设置在 所述基座上，位于所述气浮轴承两侧。用来监控主梁的位置。

更优选地，整套装置固定在机架上，并采用玻璃罩密封防止气流对基 于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置的影响。

更优选地，机架设置在大理石平台上。

实施例1：

图1示出了根据本发明的一个实施例的基于气浮轴承支撑的静重式微 小力值标准装置主视图。图2示出了根据本发明的一个实施例的基于气浮 轴承支撑的静重式微小力值标准装置左视图。

如图1-2所示，该基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，包括：

气浮轴承1、主梁2、带升降工作台的加荷框架3、机架4、砝码吊挂 系统5、砝码加卸载系统6、大理石平台7。

装置采用H型气浮轴承1来支撑主梁2，减小了摩擦力，提高装置的 灵敏度；同时气浮轴承1为主梁2提供了一个单一自由度的支撑，实现了 主轴方向自由旋转，限制了主梁2其它方向的自由度，确保了砝码加卸时 的准确定位。

主梁2的一端悬挂一个加荷框架3和一个砝码吊挂系统5，另一端是一 个内置式配重平衡机构8。在标准装置空载状态下，通过调节内置式配重平 衡机构8内的平衡砣将加荷框架3和砝码吊挂系统5的重量平衡掉。主梁2 中部固定安装一个平衡微调机构9，通过调节其内置螺钉，微调主梁2左右 及上下位置，从而使主梁2达到随遇平衡。主梁2两侧对称分布两套由移 动直线模组构成的间隙夹紧机构10，用于实现主梁2的间隙夹紧。主梁2 的位置由激光位移传感器11监测。

主梁2的一端用薄钢带(未示出)悬挂加荷框架3和砝码吊挂系统5， 薄钢带中间采用90°换向机构使薄钢带上下两部分成90°悬挂，实现无附加 力的万向节功能，使加荷框架3和砝码吊挂系统5自由悬挂在中心位置。

本实施例采用一个四吊杆框架结构的加荷框架3，在框架3的上下横梁 间设置一个由精密直线运动模组14带动的升降工作台13。加荷框架3通过 加荷框架基座15及加荷框架支座16固定在机架4上，升降工作台13与四 吊杆框架上横梁组成压向力试验空间；升降工作台13与四吊杆框架下横梁 组成拉向力试验空间。被测压向力传感器设置在工作平台13上部；被测拉 向力传感器设置在工作平台13下部，并通过上下两个刀口式万向节与标准装置相连。升降工作台13由伺服电机精确控制位移，调整压向力或拉向力 试验空间。当砝码的加卸及被测力传感器的变形使主梁2偏离其平衡位置 时，激光位移传感器11测量该位移，并通过伺服电机驱动调整工作台移动， 使主梁2重新回到其初始平衡位置。

本实施例在加荷框架3下部的拉向力试验空间，采用微型刀口式万向 节，确保拉向力传感器受力轴线与重力轴线的一致。

砝码吊挂系统5采用铝合金及钛合金材料制作，以提高装置灵敏度； 分为10层，每层两边开口，便于砝码加载系统从两边放入砝码。砝码吊挂 系统下端是一套间隙夹紧机构，防止挂架晃动，砝码加卸载时间隙夹紧， 测量读数时打开。

装置的静重砝码共有100支，分为10个量程段，每个量程段10支， 分别是：1mN×10、2mN×10、5mN×10、10mN×10、20mN×10、50mN ×10、100mN×10、200mN×10、500mN×10、1N×10。其中1mN、2mN、 5mN砝码采用铝合金材料制造；10mN、20mN、50mN、100mN、200mN、500mN、1N采用不锈钢材料制造，砝码最大允许误差不超过其标称质量的 ±1×10^-5，磁化率较小，满足力标准机的测量要求。

本实施例可以配置两套砝码加卸载系统6，对称分布在砝码吊挂系统5 的两侧。砝码加卸载系统6由砝码支架、三维运动机构组成。每套砝码加 卸载系统6有五排支架臂，分别放置五种砝码，每种十支。当进行砝码加 载时，水平旋转机构将选定的砝码组旋转到正对于砝码吊挂系统5的位置； 水平移动机构将砝码组送进砝码吊挂系统5；垂直移动机构将砝码逐个顺序 施加到砝码吊挂系统5的托盘上。采用与上述相反的过程，实现砝码的卸载。采用这种方式进行加卸载，使砝码依次加卸，避免了逆程现象。

整套装置固定在机架4上，机架4固定在一个大理石平台7上。整套 装置采用玻璃罩密封防止气流对微小力值精密测量的影响。

本发明可采用全自动和手动两种操作模式。全自动模式为：按照PC程 序的设定，完成全自动加卸载及力传感器的检定、校准及数据处理过程； 手动模式为：使用者通过手动设定，也可完成全部操作过程。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了 示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限 制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽 性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范 围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更 都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原 理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术 人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (6)

1.一种基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，包括：

机架，所述机架固定在底座上；

主梁，所述主梁设置在所述机架的顶部；

气浮轴承，所述气浮轴承支撑所述主梁；

加荷框架，所述加荷框架悬挂在所述主梁的一端；

砝码吊挂系统，所述砝码吊挂系统连接于所述加荷框架底部；

内置式配重平衡机构，所述内置式配重平衡机构设置在所述主梁的另一端；

所述加荷框架包括：加荷框架上横梁、多个吊杆、加荷框架下横梁及升降工作台，所述多个吊杆连接所述加荷框架上横梁及所述加荷框架下横梁，所述升降工作台设置在所述吊杆上，位于所述加荷框架上横梁及所述加荷框架下横梁之间；还包括直线运动模组，所述直线运动模组与所述升降工作台连接，用于带动所述升降工作台沿垂直方向移动；所述升降工作台与所述加荷框架上横梁之间形成压向力试验空间，所述升降工作台与所述加荷框架下横梁之间形成拉向力试验空间；

所述加荷框架还包括：刀口式万向节，所述刀口式万向节设置在所述升降工作台底部及所述加荷框架下横梁上；

还包括平衡微调机构，所述平衡微调机构设置在所述主梁中部；

还包括间隙夹紧机构，所述间隙夹紧机构包括两套直线移动模组，所述两套直线移动模组对称分布于所述主梁两侧。

2.根据权利要求1所述的基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，其中，所述主梁与所述气浮轴承通过主轴连接，所述主梁通过所述气浮轴承的转子和定子间的气膜支撑。

3.根据权利要求1所述的基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，其中，所述加荷框架通过薄钢带悬挂于所述主梁一端，所述薄钢带中部设置有90°换向机构。

4.根据权利要求1所述的基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，其中，所述砝码吊挂系统包括：吊挂杆及多个托盘，所述多个托盘沿所述吊挂杆竖直方向依次设置，所述吊挂杆的顶部连接于所述加荷框架底部。

5.根据权利要求1所述的基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，其中，还包括砝码加卸载系统，所述砝码加卸载系统包括：砝码支架、水平旋转机构、水平移动机构及垂直移动机构，所述砝码支架设置在水平旋转机构上，所述水平旋转机构设置在水平移动机构的一端，所述水平移动机构的另一端设置在所述垂直移动机构上，所述垂直移动机构固定在所述底座上。

6.根据权利要求1所述的基于气浮轴承支撑的静重式微小力值标准装置，其中，还包括激光位移传感器，所述激光位移传感器设置在基座上，位于所述气浮轴承两侧。

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