CN110057602B - 一种力和位移精密测试平台及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种力和位移精密测试平台，本发明解决了不能对汽车悬架弹簧的载荷和位移进行精密测量的难题，该力和位移精密测试平台包括底座和立座，立座位于底座的后方，立座上设有直线导向组件，直线导向组件前方设有力传感器支架，直线导向组件的左方设有线性编码器支架，底座的前方设工具基座，具有很高的加工效率和测量精度，具有高精度测试传感器，线性宽，稳定性好，保证弹簧载荷和位移的测试精准度。

Description

一种力和位移精密测试平台及其使用方法

技术领域

本发明涉及治具模具领域，更具体地讲，涉及一种力和位移精密测试平台。

背景技术

汽车悬架系统是汽车车身与车桥之间连接部件的总称，决定汽车的操作性以及舒适型，而悬架弹簧是其中主要组成部件之一。悬架弹簧通过自身的弹性变形起到缓冲和减震作用，兼具支撑导向作用，决定着汽车行驶的操作性与安全性，是汽车核心部件之一，要求其具有高强度，耐冲击性和耐疲劳性。目前销量较大乘用轿车主要使用金属螺旋弹簧。螺旋弹簧相比于板簧具有占用空间小、阻尼效果好等优点，广泛应用于更加追求操作性及舒适性的乘用车悬架系统。

现在乘用轿车悬架弹簧主要由弹簧钢丝通过冷卷或热卷得到。对不同的悬架弹簧类型具有不同的加工工艺，但主要包括卷簧、热处理、表面强化、机械加工等工艺过程。金属悬架弹簧都具有重量大、耐腐蚀性能差、高温性能下降、振动噪音大等缺点。并且汽车悬架弹簧安装于汽车底盘经常遭受路面石子的飞溅而使表面防锈涂层脱落，长时间暴露在腐蚀环境中容易发生疲劳失效。弹簧钢密度较大，且每辆轿车共需要 4根悬架弹簧，因而其具有很大的总重量，所以悬架弹簧也是影响轿车车身重量的一个重要因素。

如现有技术CN202676328U描述的那样，弹簧在工业领域中应用十分广泛，随着使用时间的延长和使用频率的增加，弹簧的恒定度和载荷变化率等性能会发生变化，弹簧的性能对于工业装置的安全起着非常重要的作用，因此需要定期检验和维护。无论是在弹簧的功能测试、确定弹性系数还是根据其技术特性（例如：长度）对弹簧进行分类，弹簧测试过程对于实现质量保证非常必要。虽然现有技术通过压电式力传感器和现代监测系统可提供用于监控弹簧力和位移的高精密测量系统，但是整体装置结构较为复杂，精度还有待提高，而且这样的加工装配方式也造成了生产力相对低下。因此，针对这一现状，迫切需要开发一种专用于汽车悬架弹簧的力和位移精密测试平台，以满足实际使用的需要。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，该力和位移精密测试平台包括底座和立座，立座位于底座的后方，立座上设有直线导向组件，直线导向组件前方设有力传感器支架，直线导向组件的左方设有线性编码器支架，底座的前方设工具基座。

进一步的，力传感器支架能够在直线导向组件上往复运动，力传感器支架包括安装板，安装板安装在直线导向组件上，安装板上连接有竖直板，竖直板上连接有水平块，水平块的底部具有中空槽，定位块通过螺栓连接在水平块的中空槽中，定位块接合有引导套筒，引导套筒的上表面平齐于水平块下表面，引导套筒内自上而下依次连接有力传感器、施加器载座、载荷施加器，其中，力传感器连接在定位块上，载荷施加器的头端穿出引导套筒；

进一步的，线性编码器支架包括连接在直线导向组件框架上的竖长板，竖长板的中部自上而下贯穿设有长条槽，长条槽内设有磁轨，线性编码器支架还包括连接转板，连接转板连接在直线导向组件上，连接转板上连接有线性编码器，线性编码器的磁读头与磁轨配合并且线性编码器能够沿磁轨上下往复运动；

进一步的，工具基座包括工作台，工作台的中部设有中心对准孔，中心对准孔与施加器载座在同一竖直轴线上，中心对准孔内自下而上设有定位柱和连接凸台，平顶板通过连接凸台和连接销连接在工作台上，工作台的侧部还插设有约束螺钉。

进一步的，包括上盖板、下盖板、左护板、右护板，上盖板、下盖板、左护板、右护板共同围成矩形框架，左护板的中部开设有通槽，上盖板和下盖板之间连接有若干个滑柱，滑柱上连接有滑块，滑块的前端具有凸出部，凸出部穿出左护板和右护板之间的间隙而与安装板连接，连接转板穿过左护板的通槽与滑块的左侧面连接。

进一步的，引导套筒的上方侧壁具有U形槽，引导套筒的顶部还设有连接板。

进一步的，右护板上穿设有驱动组件，驱动组件用于驱动滑块，驱动组件包括传动齿轮和驱动手柄。

进一步的，力和位移精密测试平台还包括电气组件，电气组件包括放大器，放大器用于放大力传感器产生的电压，力传感器为应变式力传感器，其应变仪通过使用惠斯通电桥操作；线性编码器使用两个单端计数器信号来测量行进位移，磁轨的磁铁间距决定了线性编码器的每个脉冲的行进距离；电气组件还包括电源、接线端子、电源开关和负载限制警告灯，其中力传感器的放大器所需的为24伏电源，线性编码器所需的为5伏电源。

进一步的，长条槽的槽面具有45°的倒角。

进一步的，磁轨包括基板，磁条设置于基板上，基板与长条槽平齐，基板材质为6061-Al，连接转板材质也为6061-Al，平顶板的材质为4140钢材，并经过硬化处理。

本发明解决了不能对汽车悬架弹簧的载荷和位移进行精密测量的难题，该力和位移精密测试平台包括底座和立座，立座位于底座的后方，立座上设有直线导向组件，直线导向组件前方设有力传感器支架，直线导向组件的左方设有线性编码器支架，底座的前方设工具基座，具有很高的加工效率和测量精度，具有高精度测试传感器，线性宽，稳定性好，保证弹簧载荷和位移的测试精准度。

附图说明

图1为本发明的结构主示意图。

图2为本发明的结构不同视角示意图。

图3为本发明的力传感器支架示意图。

图4为本发明的力传感器支架装配示意图。

图5为本发明的力传感器支架剖面示意图。

图6为本发明的力传感器支架内部连接示意图。

图7为本发明的线性编码器支架示意图。

图8为本发明的线性编码器支架不同视角示意图。

图9为本发明的线性编码器支架组装示意图。

图10为本发明的线性编码器连接关系示意图。

图11为本发明的工具基座示意图。

图12为本发明的工作台示意图。

图13为本发明的工具基座连接示意图。

图14为本发明的工具基座同轴原理示意图。

图15为本发明的直线导向组件示意图。

图16为本发明的直线导向组件位置示意图。

图17为本发明的滑块连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明涉及了力和位移精密测试平台包括底座1和立座2，立座2位于底座1的后方，立座2上设有直线导向组件3，直线导向组件3前方设有力传感器支架4，直线导向组件3的左方设有线性编码器支架5，底座1的前方设工具基座6。

需要说明的是，力传感器支架4能够在直线导向组件3上往复运动。其中，由于力传感器的设计，需要着重考虑安装尺寸和位置，要确保能够具有最大的系统行程，另外还应保证连接到力传感器带电端的安装部件的重量尽可能的小，如果力传感器带电端的重量太大，则会严重降低传感器在相反载荷方向上的测量精度。

鉴于这些限制，力传感器支架4包括安装板7，安装板7被设计成与直线导向组件的接口，使用安装板7上的定位销来移除所有的自由度并确保安装板7可重复拆卸使用。安装板7上连接有竖直板8，竖直板8能够确保载荷施加器15处于系统行程中的适当位置，以与测量工件具有最佳的接触位置，竖直板8也准确的定位有定位销，以能够使竖直板8可以在相同的位置重新组装。竖直板8上连接有水平块9，水平块9的底部具有中空槽，定位块10通过螺栓11连接在水平块9的中空槽中，由于力传感器安装有带电端，因此需要一个90°的过渡件，水平块9起到了这个作用，定位块10使用了精确的配合，能够确保整个系统始终精确定位。定位块10接合有引导套筒12，引导套筒12的上表面平齐于水平块9下表面，引导套筒10内自上而下依次连接有力传感器13、施加器载座14、载荷施加器15，其中，力传感器13连接在定位块10上，载荷施加器15的头端穿出引导套筒12，引导套筒12的存在可以将传感器组件限制在可接受的范围之内。

对于线性编码器支架而言，可以提供两种选择来安装线性编码器的磁读头，一种是将磁道粘贴到适当的直板上，另一种是导轨的方式。对于本申请而言，优先使用导轨的技术方案。

线性编码器支架5包括连接在直线导向组件3框架上的竖长板16，竖长板16的中部自上而下贯穿设有长条槽，长条槽的槽面具有45°的倒角，这样非常便于磁轨的插入，长条槽内设有磁轨17，磁轨17包括基板，磁条设置于基板上，基板与长条槽平齐，基板材质为6061-Al，因此基板对磁条没有磁效应，线性编码器支架5还包括连接转板18，连接转板18连接在直线导向组件3上，连接转板18上连接有线性编码器19，线性编码器19的磁读头与磁轨17配合并且线性编码器19能够沿磁轨17上下往复运动，连接转板18材质也为6061-Al，也是确保对磁条没有磁效应。

在将力传感器和线性编码器精确的安装到系统之后，下一步关键的设计是能够快速准确的对准要进行测试的工件，因此不可避免的要进行对齐处理。

工具基座6包括工作台20，工作台20的中部设有中心对准孔，中心对准孔与施加器载座15在同一竖直轴线上，中心对准孔内自下而上设有定位柱21和连接凸台22，平顶板20通过连接凸台22和连接销24连接在工作台20上，工作台20的侧部还插设有约束螺钉21，在定位柱21、连接凸台22、约束螺钉21，工具基座6的所有自由度均可以完全约束。工具基座6由4140钢材制成，并经过硬化处理以防止表面损坏。

本发明还设有一个平顶板20，当然也可以设置为夹具的形式，也可以根据需要设计其他固定装置。平顶板20也由4140钢材制成，并经过硬化处理以防止表面损坏。平顶板20有非常精密的定位孔，用于通过连接凸台22和连接销24连接在工作台20上，防止旋转。

工具基座6的一个重要考虑因素是中心对准孔与施加器载座15在同一竖直轴线上。为此，选择了定位柱21作为工作台20和施加器载座15对齐的对齐工具，通过操作力传感器支架向下移动，使得载荷施加器的头部伸入到中心对准孔内，通过与定位柱21的接触保证同轴度要求，然后将力传感器支架向上移动，再通过连接凸台和连接销将平顶板连接在工作台上。

直线导向组件3包括上盖板26、下盖板27、左护板28、右护板29，上盖板26、下盖板27、左护板28、右护板29共同围成矩形框架，左护板28的中部开设有通槽，上盖板26和下盖板27之间连接有若干个滑柱30，滑柱30上连接有滑块31，滑块31的前端具有凸出部，凸出部穿出左护板28和右护板29之间的间隙而与安装板7连接，连接转板18穿过左护板28的通槽与滑块31的左侧面连接。

引导套筒12的上方侧壁具有U形槽，引导套筒12的顶部还设有连接板32，方便装配和操作。

为了驱动的需要，右护板29上穿设有驱动组件（图中未示出），驱动组件用于驱动滑块31，驱动组件包括传动齿轮和驱动手柄。

还包括电气组件，这一点也是必须的，电气组件包括放大器，放大器用于力传感器产生的电压，力传感器为应变式力传感器，其应变仪通过使用惠斯通电桥操作；线性编码器使用两个单端计数器信号来测量行进位移，磁轨17的磁铁间距决定了线性编码器的每个脉冲的行进距离；电气组件还包括电源、接线端子、电源开关和负载限制警告灯，其中力传感器的放大器所需的为24伏电源，线性编码器所需的为5伏电源，至于电气组件是如何布局组装的，对所属领域技术人员而言属于公知范畴，这里不再赘述。

该力和位移精密测试平台的使用步骤如下：

A、装配直线导向组件，先将滑柱连接滑块，然后滑柱的两端分别连接上盖板、下盖板，再将左护板、右护板分别与上盖板和下盖板连接，然后在右护板上穿设安装驱动组件，将组装好的部件连接于立座上；

B、装配力传感器支架，首先将力传感器、施加器载座、载荷施加器按顺序组装在引导套筒内，然后将引导套筒与定位块接合，然后将定位块通过螺栓连接在水平块的中空槽中，再将水平块连接在竖直板上，然后将竖直板连接在安装板上，然后再将安装板连接在滑块前端的凸出部上；

C、装配线性编码器支架，先将磁轨安装在竖长板的长条槽内，再将竖长板连接在上盖板和下盖板之间，然后将连接转板连接在滑块的侧部，再将线性编码器连接在连接转板上，保证线性编码器的磁读头与磁轨上的磁条按要求配合；

D、装配工具基座，将工作台置放到底座上，操作力传感器支架向下移动，调节工作台的位置，使得载荷施加器的头部伸入到中心对准孔内，保证同轴度要求，然后将力传感器支架向上移动，通过连接凸台和连接销将平顶板连接在工作台上；

E、组装电气组件，按照要求将电气组件进行组装；

F、对力传感器进行校准，施加4.5kg~25kg之间的五个重量，测量所得电压，并由力传感器提供结果，获得力-电压关系的校准曲线；

H、对线性编码器进行校准，确保磁读头与磁轨的磁道正确对齐，在平顶板分别置放五组不同厚度的钢块，其中接触载荷施加器的头端依次接触每组钢块的顶面，在移除钢块后将载荷施加器的头端移动到平顶板，每组钢块完成三次采集，确保线性编码器所采集的位移距离一致；

I、完成上述步骤后，对工件进行正式测试。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种力和位移精密测试平台的使用方法，所述的力和位移精密测试平台包括底座（1）和立座（2），所述的立座（2）位于所述的底座（1）的后方，所述的立座（2）上设有直线导向组件（3），所述的直线导向组件（3）前方设有力传感器支架（4），所述的直线导向组件（3）的左方设有线性编码器支架（5），所述的底座（1）的前方设工具基座（6）；所述的力传感器支架（4）能够在所述的直线导向组件（3）上往复运动，所述的力传感器支架（4）包括安装板（7），所述的安装板（7）安装在所述的直线导向组件（3）上，所述的安装板（7）上连接有竖直板（8），所述的竖直板（8）上连接有水平块（9），所述的水平块（9）的底部具有中空槽，定位块（10）通过螺栓（11）连接在所述的水平块（9）的中空槽中，所述的定位块（10）接合有引导套筒（12），所述的引导套筒（12）的上表面平齐于所述的水平块（9）下表面，所述的引导套筒（12）内自上而下依次连接有力传感器（13）、施加器载座（14）、载荷施加器（15），其中，所述的力传感器（13）连接在所述的定位块（10）上，所述的载荷施加器（15）的头端穿出所述的引导套筒（12）；所述的线性编码器支架（5）包括连接在所述的直线导向组件（3）框架上的竖长板（16），所述的竖长板（16）的中部自上而下贯穿设有长条槽，所述的长条槽内设有磁轨（17），所述的线性编码器支架（5）还包括连接转板（18），所述的连接转板（18）连接在所述的直线导向组件（3）上，所述的连接转板（18）上连接有线性编码器（19），所述的线性编码器（19）的磁读头与所述的磁轨（17）配合并且所述的线性编码器（19）能够沿所述的磁轨（17）上下往复运动；所述的工具基座（6）包括工作台（20），所述的工作台（20）的中部设有中心对准孔，所述的中心对准孔与所述的施加器载座（15）在同一竖直轴线上，所述的中心对准孔内自下而上设有定位柱（21）和连接凸台（22），平顶板（23）通过所述的连接凸台（22）和连接销（24）连接在所述的工作台（20）上，所述的工作台（20）的侧部还插设有约束螺钉（25）；所述的直线导向组件（3）包括上盖板（26）、下盖板（27）、左护板（28）、右护板（29），所述的上盖板（26）、下盖板（27）、左护板（28）、右护板（29）共同围成矩形框架，所述的左护板（28）的中部开设有通槽，所述的上盖板（26）和下盖板（27）之间连接有若干个滑柱（30），所述的滑柱（30）上连接有滑块（31），所述的滑块（31）的前端具有凸出部，所述的凸出部穿出所述的左护板（28）和右护板（29）之间的间隙而与所述的安装板（7）连接，所述的连接转板（18）穿过所述的左护板（28）的通槽与所述的滑块（31）的左侧面连接；所述的力和位移精密测试平台还包括电气组件，所述的电气组件包括放大器，所述的放大器用于放大力传感器产生的电压，所述的力传感器为应变式力传感器，其应变仪通过使用惠斯通电桥操作；所述的线性编码器使用两个单端计数器信号来测量行进位移，所述的磁轨（17）的磁铁间距决定了所述的线性编码器的每个脉冲的行进距离；所述的电气组件还包括电源、接线端子、电源开关和负载限制警告灯；所述的磁轨（17）包括基板，磁条设置于所述的基板上，所述的基板与所述的长条槽平齐，所述的右护板（29）上穿设有驱动组件，所述的驱动组件用于驱动所述的滑块（31），所述的驱动组件包括传动齿轮和驱动手柄；其特征在于，所述的力和位移精密测试平台的使用步骤如下：

A、装配直线导向组件，先将滑柱连接滑块，然后滑柱的两端分别连接上盖板、下盖板，再将左护板、右护板分别与上盖板和下盖板连接，然后在右护板上穿设安装驱动组件，将组装好的部件连接于立座上；

B、装配力传感器支架，首先将力传感器、施加器载座、载荷施加器按顺序组装在引导套筒内，然后将引导套筒与定位块接合，然后将定位块通过螺栓连接在水平块的中空槽中，再将水平块连接在竖直板上，然后将竖直板连接在安装板上，然后再将安装板连接在滑块前端的凸出部上；

C、装配线性编码器支架，先将磁轨安装在竖长板的长条槽内，再将竖长板连接在上盖板和下盖板之间，然后将连接转板连接在滑块的侧部，再将线性编码器连接在连接转板上，保证线性编码器的磁读头与磁轨上的磁条配合；

D、装配工具基座，将工作台置放到底座上，操作力传感器支架向下移动，调节工作台的位置，使得载荷施加器的头部伸入到中心对准孔内，保证同轴度要求，然后将力传感器支架向上移动，通过连接凸台和连接销将平顶板连接在工作台上；

E、组装电气组件，将电气组件进行组装；

F、对力传感器进行校准，施加4.5kg~25kg之间的五个重量，测量所得电压，并由力传感器提供结果，获得力-电压关系的校准曲线；

H、对线性编码器进行校准，确保磁读头与磁轨的磁道正确对齐；

I、完成上述步骤后，对工件进行正式测试。

2.根据权利要求1所述的一种力和位移精密测试平台的使用方法，其特征在于，所述的引导套筒（12）的上方侧壁具有U形槽，所述的引导套筒（12）的顶部还设有连接板（32）。

3.根据权利要求2所述的一种力和位移精密测试平台的使用方法，其特征在于，所述的基板材质为6061-Al，所述的连接转板（18）材质也为6061-Al，所述的平顶板（23）的材质为4140钢材，并经过硬化处理。

4.根据权利要求2所述的一种力和位移精密测试平台的使用方法，其特征在于，所述的长条槽的槽面具有45°的倒角。

5.根据权利要求2所述的一种力和位移精密测试平台的使用方法，其特征在于，其中，所述的力传感器的放大器所需的为24伏电源，所述的线性编码器所需的为5伏电源。

Images