CN109556785B - 动态力矩和/或力校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力矩或力校准装置(1)，用于旨在分别测量或施加力矩或力的单元(9)，所述力矩或力校准装置(1)包括第一部件(3)、第二部件(2)和至少一个柔性元件(4)，所述至少一个柔性元件(4)将所述第一部件(3)连接到所述第二部件(2)，所述第二部件(2)安装成相对于固定的第一部件(3)旋转运动或平移运动，所述力矩或力校准装置(1)包括抵接部(7)，所述抵接部(7)限制所述第二部件(2)的位移，从而设定所述力矩或力校准装置(1)的最大力矩或最大力。

Description

动态力矩和/或力校准装置

技术领域

本发明涉及用于力或力矩测量单元以及用于施加恒定力或力矩的固定单元的校准装置的领域。

背景技术

在(扇区T0的)组装过程的情况下，需要观察力矩、力或甚至力和力矩两者。这些力矩和力的特征需要特定的测量装置，这些特定的测量装置必须被定期校准。

所述校准可以通过传感器或者甚至通过标准重量完成，传感器具有成本高的缺点。在后一种通过标准重量完成校准的情况下，力矩测量单元的校准使用质量为m的标准重量来执行，该质量为m的标准重量通过其长度l完全已知的杠杆臂产生力矩M(M＝m*l)。此校准程序要求力矩测量单元离开其车间并可能被发送给供应商。然后该力矩测量单元停止使用1至3天，导致生产控制的不便。此外，在场外校准和返回车间之间，测量单元可能已经受到影响其校准的冲击。此外，通过标准重量校准测量单元代表静态测量条件，因此不涉及测量单元的所有机械设计。现在，测量单元对力矩的测量，特别是对摩擦力矩的测量，应该是动态地测量，也就是说保证在每个给定角度处的力矩。实际上，如图10所示，可以观察到测量曲线上的某些漂移。通过标准重量的静态校准将无法观察或校正该力矩M/角度α函数的线性度误差。

发明内容

为了弥补上述缺点，本发明的目的是，提出一种没有传感器的校准装置，这使得其操作原理简单且成本低，并且可以避免传感器正确操作所必需的定期校准。本发明的另一个目的是提出一种校准装置，该校准装置兼容于任何测量装置，该校准装置必须确保对该测量装置的校准并且允许该测量装置的即时校准。本发明的另一个目的是提出一种校准装置，其允许机动单元和非机动单元的动态校准。

为此，本发明提出了一种新型的力校准装置，其能够在两个位移方向上工作(对应于压缩力和牵引力的测量)，还提供了一种在两个旋转方向上工作的新型的力矩校准装置。力矩校准装置和力校准装置设置有被安装成相对于固定部件分别旋转地或平移地运动的部件。这两个部件通过一个或更多个柔性元件连接，所述柔性元件的尺寸设计成当可动部件受到应力时弹性变形。根据本发明，可动部件的行程受到抵接部的限制，该抵接部确定校准装置的最大力矩或最大力。

有利地，力矩校准装置已经被预先校准，以便能够检查达到所述最大力矩的机动测量单元的力矩/角度函数的线性度。

在对测量单元校准期间，力矩校准装置或力校准装置(对于拉伸力测量单元的情况)可以容易地联接到测量单元。为此，该装置在其可动部件中和在其固定部件中设有孔口，使得可以固定测量单元的部件。在校准装置用在压缩力测量单元上的情况下，不需要联接到测量单元的装置。

其它优点将从下文使用以非限制性示例方式给出的附图给出的本发明的详细描述中以及从权利要求中阐述的特征中得出。

附图说明

图1和2通过透视图示出根据本发明的力矩校准装置的两种变型。

图3示出从图1的另一个角度看的视图，其中，抵接销和片状件透明地可见。

图4示出根据本发明的校准装置的柔性元件的变型的透视图(该图来自EPFL的Simon Henein的论文N°2194(2000))。

图5示出根据本发明的校准装置的柔性元件的另一变型的透视图，其中心处的加强部分被形成圆形颈部的柔性部分夹在其间。

图6示出图5的柔性元件的柔性部分的不同几何形状的局部平面图(该图来自EPFL的Simon Henein的论文N°2194(2000))。

图7示意性地示出力矩测量单元，其中，根据本发明的校准装置位于销和对置销之间。

图8a和8b分别示出根据本发明的力校准装置的透视图和侧视图。

图9示意性地示出用于为根据本发明的力矩校准装置定规格(gauge)的设备。

图10示出根据本发明的力矩校准装置的线性校准曲线与力矩测量单元的不规则测量曲线的关系曲线。

具体实施方式

本发明涉及一种用于旨在测量力或力矩的测量单元的校准装置，或者甚至用于旨在施加给定力或力矩的单元(例如电动螺丝刀)的校准装置。

根据本发明的力矩校准装置1在图1-3中示出，并且力校准装置1在图8a-8b中示出。它们包括两个部件2、3，两个部件2、3安装成相对于彼此可动。在示例中，部件2称作可动部件，部件3称作固定部件，但是这些装置可以构造成以部件3用作可动部件并且部件2用作固定部件的方式操作。对于力矩校准装置，部件2安装成可相对于固定部件3在两个方向上旋转运动。对于力校准装置，部件2安装成相对于固定部件3平移运动。所述装置可以在两个位移方向上使用，力F施加到可动部件2，如图8b所示。

两个部件2、3通过一个或更多个柔性元件4连接，所述一个或更多个柔性元件4形成具有可变截面的片状件或型材。柔性元件应理解为由耐受显著的变形而没有塑性变形的材料构成的元件。在这方面，柔性元件可以由弹簧不锈钢、由烧结钢、由淬火和回火钢、由铝、钛、青铜和黄铜四者的合金或甚至由塑料材料制成。

每个柔性元件4的一端固定在可动部件2上，另一端固定在固定部件3上。柔性元件可以通过螺纹连接添加。还可以考虑通过例如线电腐蚀一体地制造标准件。

在所示的示例中，可动部件2和固定部件3具有基本等同的形式，具有平面基座2a、3a，平面基座2a、3a的顶部为立柱2b、3b，柔性元件4的端部固定在立柱2b、3b上。固定部件3和可动部件2相对于彼此以相反的方向定位在所谓的头对尾的位置，其中，固定部件3的基座3a形成所述装置的支撑件，并且可动部件2的基座2a形成力矩或力施加到其上的部分。优选地，该装置的外形为具有正方形基座(图1-2)或矩形基座(图8a-8b)的直棱柱形状。整体形成尺寸不超过几厘米(小于5厘米)的紧凑的装置。

对于力矩校准装置(图1-3)，可动部件2和固定部件3包括基座2a、3a，竖直立柱2b、3b固定到基座2a、3a的角部。优选地，立柱2b、3b为具有与基座2a、3a的直角重合的直角的支架轮廓(bracket profile)。可动部件2和固定部件3的相应基座2a、3a彼此面对地布置，立柱2b、3b位于两者之间。这些立柱2b、3b布置在相应的基座2a、3a的相对的角部上，柔性元件4的一端螺纹连接到每个立柱2b、3b的边上。

对于力校准装置(图8a-8b)，可动部件2和固定部件3也具有相对于彼此的反向位置。可动部件2和固定部件3具有大致L形的截面，L的一个分支形成基座2a、3a，L的另一个分支形成立柱2b、3b。基座2a、3a可以差不多长，并且根据一个变型延伸到装置的大约中间宽度，如图8a-8b所示，或者根据未示出的另一变型，延伸未到中间宽度，或是超过中间宽度，并且可能在该装置的整个宽度上延伸。立柱2b、3b面向彼此竖直地设置，柔性元件4的每一端螺纹拧入到立柱2b、3b的厚度中。

对于两种校准装置，可动部件2的角位移或平移位移受到抵接部7的限制，抵接部7分别确定所述装置的最大力矩或最大力。图3示出了用于力矩校准装置的销5，销5被驱动到呈圆弧的形状的开口6中。销5位于固定部件3的立柱3b和可动部件2的基座2a之间。在所示的示例中，销5固定到固定部件3，并且开口6形成在可动部件2的基座2a中。反之亦可。可动部件2安装成可在两个旋转方向上运动，销5在休止状态位于圆弧的中间，圆弧的每个端部形成抵接部7。对于力校准装置，开口6形成在可动部件2的立柱2b中，或者根据未示出的变型，开口6形成在固定部件3的立柱3b中，舌状件8的端部在所述开口内移位，所述舌状件固定到相对的立柱。在休止时，舌状件的端部设置在行程中间。在沿一个位移方向或另一个位移方向对所述装置施加应力时，舌状件的端部抵靠限定开口6的抵接部7中的一个而定位。

取决于由校准装置所涵盖的力矩范围或力的范围，柔性元件的几何形状和数量是可变的。此外，在校准装置内可以存在柔性元件的若干变型布置。

柔性元件可以如图1和8a所示的示例中那样形成在整个长度上具有恒定宽度的片状件。片状件的几何形状还可以具有可变宽度，例如梯形或甚至其中心形成有长形孔(oblong hole)的矩形形状。如图4所示的具有限定出两个凹半圆的型材的其他设计也是可行的。还可以设想在其中心加强的柔性元件4，其中棱柱形或圆形柔性部分将增强部分夹在它们之间(图5和6)。

力矩校准装置或力校准装置内的柔性元件的数量可以是1、2、3、4或甚至更多。对于力矩校准装置，具有两个正交的片状件的设计是最佳的(图1)。两个片状件可以设置在立柱上的不同高度处，或者根据未示出的变型，两个片状件可以在它们的中心处交叉。两个片状件使得可以正确地引导运动，并且正交的布置使所述装置的横向方向上的刚度最大化。具有一个片状件的装置将允许该装置实现其校准功能。但是，旋转轴线不太好控制。使用超过两个片状件，所述运动被超引导(super-guided)，因此更刚性并且对于加工和装配的机械公差更敏感。对于力校准装置，具有两个片状件的结构对于特定的线性位移也是优选的，而不会有过大的系统刚性。有利地，两个柔性元件4相对于每个基座2a、3a平行设置并且位于开口6的两侧(图8a-8b)。

具体而言，确定了三种力矩类型，即：

-摩擦力矩(0.09-1.0N·mm)

-抵抗力矩(1.0-50.0N·mm)

-破坏力矩(>50.0N·mm)。

并且生产了四种不同的力矩校准装置以涵盖这些范围。

作为示例，表1包括所涵盖的力矩范围和对于由弹簧不锈钢制成的片状件的相应校准装置的几何形状。

表1

标准N°1至3具有根据图1的包括两个正交片状件的构型，并且标准N°4具有根据图2的几何形状的四个正交片状件。所有片状件具有恒定的矩形截面，该矩形截面具有宽度b和厚度h。在这些示例中，片状件的长度l保持恒定(10mm)，并且通过改变片状件的厚度h和宽度b来调节装置的刚度。因此，标准N°4包括四个片状件以实现必要的刚度水平。然而，通过调节片状件的长度，对于同一个最大力矩，该结构可能被限制为两个片状件。

关于力，确定了三种力的类型，即：

-弹簧的压缩力

-抵抗力

-驱动力/牵引力，

并相应地设计了两个标准。表2包括对于弹簧不锈钢片状件的10N标准和50N标准的尺寸。

表2

对于力矩校准装置，可以使用多个尺寸来实现具有同一个行程的标准的相同最大力。在这些示例中，选择保持矩形截面的片状件的同一个长度l(40mm)和同一个宽度b(20mm)，而仅改变片状件的厚度h。

图7表示根据本发明的力矩校准装置1，其定位在力矩测量单元9上，力矩校准装置的可动部件2安装在销10上，固定部件3安装在对置销11上。为了固定，每个基座2a、3a设置有在图1-3中可见的中心孔口12a，以直接接收销和对置销或中间部件，基座2a、3a还设置有布置在基座上的侧向螺钉13。在校准测量单元期间，由销旋转的可动部件在对应于标准的最大力矩的给定角位移之后进入抵接。在图10中，可以看到对于两个旋转方向在行程结束时达到的最大力矩。根据本发明的校准装置还允许对于机动测量单元的随着到抵接部的角位移而变化的动态校准。

动态校准要求校准装置自身先前已经被校准过。以常规的使用标准重量的方式执行该校准。图9表示用于此目的的单元。校准装置1的可动部件通过两个驱动销14固定，驱动销14被中心轮15驱动到基座的侧孔口12b中，中心轮15接收线缆16，线缆16在其端部设有标准重量17。使用不同的标准重量，建立旋转力矩/角度直线(图10)。因此，对校准装置的校准使得可以在线性度和目标值(即最大值)方面表征所述标准的工作范围。然后通过所述抵接部在校准装置上设定所需的最大力矩。

关键词

(1)力矩或力校准装置

(2)可动部件

a.基座

b.立柱

(3)固定部件

a.基座

b.立柱

(4)柔性元件，也称为柔顺元件

(5)抵接销

(6)开口

(7)抵接部

(8)舌状件

(9)力矩测量单元

(10)销

(11)对置销

(12)孔口

a.中心孔口

b.侧孔口

(13)固定螺钉

(14)驱动销

(15)中心轮

(16)线缆

(17)标准重量

(18)改向轮。

Claims (15)

1.一种力矩或力校准装置(1)，用于旨在分别测量或施加力矩或力的单元(9)，所述力矩或力校准装置(1)包括第一部件(3)、第二部件(2)和至少一个柔性元件(4)，所述至少一个柔性元件(4)将所述第一部件(3)连接到所述第二部件(2)，所述第二部件(2)安装成能够相对于固定的所述第一部件(3)旋转运动或平移运动，所述力矩或力校准装置(1)包括抵接部(7)，所述抵接部(7)限制所述第二部件(2)的位移，从而基于所述位移的最大值设定线性校准曲线，最大力矩或最大力对应于所述最大值；其中，所述力矩校准装置包括销(5)，所述销(5)被驱动到开口(6)中，所述开口(6)呈圆弧的形状，所述圆弧限定两个抵接部(7)，所述销(5)固定到所述第一部件(3)的立柱(3b)并且所述开口(6)形成在所述第二部件(2)的基座(2a)中，或者所述销(5)固定到所述第二部件(2)的立柱(2b)并且所述开口(6)形成在所述第一部件(3)的基座(3a)中；或者，所述力校准装置包括舌状件(8)，所述舌状件(8)的一端布置在限定两个抵接部(7)的开口(6)中，所述开口(6)形成在所述第二部件(2)的立柱(2b)中并且所述舌状件(8)的另一端固定到所述第一部件(3)的立柱(3b)，或者所述开口(6)形成在所述第一部件(3)的立柱(3b)中并且所述舌状件(8)的另一端固定到所述第二部件(2)的立柱(2b)。

2.根据权利要求1所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述第二部件(2)安装成能够分别在两个旋转方向上或在两个平移方向上运动，抵接部(7)用于每个旋转方向或每个平移方向。

3.根据权利要求1所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述第一部件(3)和所述第二部件(2)均由平面基座(2a，3a)和位于所述平面基座(2a，3a)的顶部的立柱(2b，3b)形成，所述柔性元件(4)的端部固定到所述立柱(2b，3b)上，所述第一部件(3)和所述第二部件(2)头对尾地布置，所述第一部件(3)的基座(3a)形成所述力矩或力校准装置(1)的支撑件，并且所述第二部件(2)的基座(2a)形成在所述单元(9)的校准期间力矩或力施加到其上的部分。

4.根据权利要求3所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，对于所述力矩校准装置，每个立柱(2b，3b)具有支架轮廓，所述支架轮廓具有与所述基座(2a，3a)的直角重合的直角，所述柔性元件(4)的端部分别固定在每个立柱(2b，3b)的边上。

5.根据权利要求3所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，对于力校准装置，所述第一部件(3)和所述第二部件(2)具有大致L形的截面，其中，所述L的一个分支形成所述基座(2a，3a)，而另一个分支形成所述立柱(2b，3b)，所述柔性元件(4)的端部分别固定在每个立柱(2b，3b)的厚度中。

6.根据权利要求1所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，在没有对所述力矩或力校准装置(1)施加应力的情况下，固定到所述第一部件(3)的立柱(3b)或固定到所述第二部件(2)的立柱(2b)的销(5)或舌状件(8)位于所述开口(6)的行程中间。

7.根据权利要求3所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述力校准装置包括在所述立柱(2b，3b)之间平行延伸的两个柔性元件(4)。

8.根据权利要求3所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述力矩校准装置包括两个或四个柔性元件(4)，所述柔性元件沿着所述立柱(2b，3b)相对于彼此正交地设置。

9.根据权利要求1所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述柔性元件(4)由片状件或型材形成。

10.根据权利要求9所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述片状件呈矩形、梯形或在其中心处具有长形孔的矩形的形式。

11.根据权利要求9所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述柔性元件(4)是限定出两个相连接的凹半圆的型材，或是具有在其中心处的加强部分以及将所述加强部分夹在其间的棱柱形或圆形部分的型材。

12.根据权利要求3所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，对于所述力矩校准装置，每个基座(2a，3a)包括允许所述力矩校准装置(1)与旨在测量或施加力矩的所述单元(9)联接的孔口(12a)。

13.根据权利要求1所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述力矩校准装置先前已被定规格，以允许对旨在测量或施加力矩的所述单元(9)在该单元(9)被机动化时进行动态校准。

14.根据权利要求1所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述柔性元件(4)的几何形状和数量被确定为涵盖分别达到0.015N·mm、1.5N·mm、50N·mm和500N·mm的四个力矩范围以及10N和50N的两个力范围。

15.根据权利要求1所述的力矩或力校准装置(1)，其特征在于，所述力矩或力校准装置的外形形成直棱柱，所述直棱柱具有尺寸不超过5cm的正方形或矩形基座。

Images