扭矩标准机全平衡加载系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种扭矩标准机全平衡加载系统，包括杠杆，特征是：所述杠杆的中心通过联轴器与旋转电机输出轴连接，旋转电机输出轴上安装被检扭矩传感器，旋转电机上安装旋转角度编码器，在杠杆端部的下方设置激光位移传感器；在所述杠杆的两端部连接砝码举升组件，砝码举升组件包括砝码举升平台和负荷砝码组，砝码举升平台一侧设置砝码位置传感器；所述负荷砝码组包括依次堆叠的砝码，砝码内部为空腔，空腔上下为设有通孔的挡板，相邻砝码之间通过设置在通孔中的连接杆连接，连接杆的两端具有圆盘，最上端的砝码通过悬挂钢带与杠杆连接；连接杆在砝码空腔内具有上下的行程距离。本实用新型保证在砝码加卸载过程中的力臂平衡状态，提高扭矩值的测量精度。
【专利说明】扭矩标准机全平衡加载系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种扭矩标准机全平衡加载系统，尤其是一种在砝码加卸载过程中保证力臂全平衡的加载系统。
【背景技术】
[0002]扭矩标准机在国民经济建设中，起到量值传递和量值溯源的作用，是扭矩计量检定工作中不可缺少的关键设备。从某种程度上讲，扭矩标准装置的技术水平反映出一个国家和地区的扭矩测量水平的高低。
[0003]扭矩作为一个力学的主要参数，其重要性已经为各发达国家所重视，以德国为主的发达国家(美国、英国、法国等)，在九十年代后期，大力发展先进的高精度扭矩计量标准装置，以满足国内日益增长的民用及军用工业部门的需求。目前国际上先进的工业国家，如德国、英国、日本等相继建立了采用各类新型技术的高准确度扭矩标准机，完成了设备的更新换代，实现了装置检测校准工作的半自动化或全自动化。
[0004]扭矩标准机根据其设计原理可大致分为静重式扭矩标准装置、杠杆放大式扭矩标准装置、参考式扭矩标准装置和其他类型的扭矩标准装置。我国扭矩标准机的类型比较单一，以静重式扭矩标准机为主要类型。静重式扭矩标准机是以砝码的质量作为标准负荷，通过力臂杠杆的作用产生标准力矩，借助适当的机构按预定顺序自动、平稳、准确地把作用力矩和平衡力矩施加到被检扭矩(扭转)传感器上。这种扭矩标准机的计量学性能取决于砝码质量、杠杆长度、杠杆的水平控制程度，砝码的加卸载方式等重要技术指标。
[0005]与国际上先进国家的扭矩标准机比较，我国扭矩标准机的准确性、可靠性和自动化程度尚有较大的差距。分析目前我国现有型式的扭矩标准机，由于砝码加卸载不平稳，在加载过程中对被检传感器产生扭矩过冲。扭矩标准机的加载形式一般以杠杆平衡一砝码加载(或卸载)一杠杆失稳一杠杆再平衡这样一种循环方式工作，整个加载和杠杆平衡所用时间过长，同时由于杠杆反复失衡且失衡角度过大，对杠杆支撑刀口产生较大的摩擦和破坏，不仅降低了杠杆平衡的灵敏度，也降低了扭矩标准机的准确度。总结现有扭矩标准机所存在的主要问题可以归纳为:
[0006]1、杠杆水平控制方式有缺陷，控制精度和抗干扰能力差，且控制能力无法进行明确量化；
[0007]2、砝码加卸载不平稳，砝码定位系统可靠性较差，不能准确的确定加卸载的位置；
[0008]3、砝码加卸载后完全失衡，力臂平衡时间长，工作效率低。
【发明内容】
[0009]本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种扭矩标准机全平衡加载系统，保证扭矩标准机在砝码加卸载过程中的力臂平衡状态，提高扭矩值的测量精度；同时可以避免扭矩冲击，减少力臂的平衡时间，提高检测效率。
[0010]按照本实用新型提供的技术方案，一种扭矩标准机全平衡加载系统，包括杠杆，特征是:所述杠杆的中心通过联轴器与旋转电机的输出轴连接，在旋转电机的输出轴上安装被检扭矩传感器，在旋转电机上安装用于测量旋转电机输出轴转动角度的旋转角度编码器；在所述杠杆的一端或两端的下方设置用于测量杠杆水平状态的激光位移传感器；在所述杠杆的两端部分别通过悬挂钢带连接砝码举升组件，砝码举升组件包括砝码举升平台，在砝码举升平台上设置负荷砝码组，在砝码举升平台一侧设置用于检测砝码举升平台高度的砝码位置传感器；所述负荷砝码组包括多个从下至上依次堆叠的砝码，砝码的内部设置空腔，空腔的上下为挡板，挡板上设置通孔；每个砝码与相邻的砝码的之间通过设置在通孔中的连接杆连接，连接杆的两端具有凸出于连接杆外圆周面的圆盘；最上端的砝码通过悬挂钢带与杠杆连接；每个砝码内的连接杆在砝码空腔内具有可上下活动的行程距离。
[0011]进一步的，所述激光位移传感器、砝码位置传感器和旋转角度编码器的输出端分别与CPU处理器连接，CPU处理器的输出端连接砝码加载电机控制器和旋转电机控制器，砝码加载电机控制器连接砝码加载电机驱动器，砝码加载电机驱动器驱动砝码加载电机动作，旋转电机控制器连接旋转电机驱动器，旋转电机驱动器驱动旋转电机动作。
[0012]进一步的，所述CPU处理器连接键盘和显示器以及数据存储器。
[0013]进一步的，在所述杠杆的两端的下方分别对称设置杠杆摆动限位器。
[0014]进一步的，所述砝码举升平台与砝码加载电机的动力输出端连接。
[0015]本实用新型为扭矩(扭转)传感器的检定/校准提供了快速、高效、准确的解决方案和技术基础，为进一步提高传感器的产品质量，降低企业的检测成本，提升产品的综合竞争力，提高整个传感行业的水平，促进我国自动化设备制造业的发展和进入世界先进行列提供了有利条件。同时，传感器制造业的提升，将间接带动各个行业技术的发展，安全性能的增加，工作效率的提高，将会产生极好的经济和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型所述全平衡加载系统的结构示意图。
[0017]图2为图1的A向视图。
[0018]图3为所述全平衡加载系统的原理框图。
[0019]图4为所述负荷砝码组在加载过程中高度坐标变化示意图。
[0020]图5为采用步进式加载方式的流程图。
[0021]图6为采用连续式加载方式的流程图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体附图对本实用新型作进一步说明。
[0023]如图1?图4所示:所述扭矩标准机全平衡加载系统包括杠杆1、激光位移传感器2、负荷砝码组3、砝码位置传感器4、砝码举升组件5、旋转角度编码器6、旋转电机7、被检扭矩传感器8、联轴器9、杠杆摆动限位器10、悬挂钢带11、砝码12、连接杆13、挡板14、砝码加载电机15、CPU处理器16、砝码加载电机控制器17、旋转电机控制器18、砝码加载电机驱动器19、旋转电机驱动器20、键盘和显示器21、数据存储器22、砝码举升平台23等。
[0024]如图1、图2所示，本实用新型包括杠杆I，杠杆I的中心通过联轴器9与旋转电机7的输出轴连接，在旋转电机7的输出轴上安装被检扭矩传感器8，在旋转电机7上安装用于测量旋转电机7输出轴转动角度的旋转角度编码器6 ;在所述杠杆I的一端或两端的下方设置激光位移传感器2，激光位移传感器2用于测量杠杆I的水平状态；在所述杠杆I的两端部分别通过悬挂钢带11连接砝码举升组件5，砝码举升组件5包括砝码举升平台23，砝码举升平台23与砝码加载电机15的动力输出端连接，砝码加载电机15用于提供砝码举升平台23上升或下降运动的动力，在砝码举升平台23上设置负荷砝码组3，在砝码举升平台23 —侧设置砝码位置传感器4，砝码位置传感器4用于检测砝码举升平台23的高度；
[0025]如图3所示，所述激光位移传感器2、砝码位置传感器4和旋转角度编码器6的输出端分别与CPU处理器16连接，CPU处理器16的输出端连接砝码加载电机控制器17和旋转电机控制器18，砝码加载电机控制器17连接砝码加载电机驱动器19，砝码加载电机驱动器19驱动砝码加载电机15动作，旋转电机控制器18连接旋转电机驱动器20，旋转电机驱动器20驱动旋转电机7动作；所述CPU处理器16连接键盘和显示器21以及数据存储器22 ；
[0026]如图4所示，所述负荷砝码组3包括多个从下至上依次堆叠的砝码12，砝码12的内部设置空腔，空腔的上下为挡板14，挡板14上设置通孔；每个砝码12与相邻的砝码12的之间通过设置在通孔中的连接杆13连接，连接杆13的两端分别连接凸出于连接杆13外圆周面的圆盘；最上端的砝码12通过悬挂钢带11与杠杆I连接；每个连接杆13在砝码12空腔内具有可上下活动的行程距离；
[0027]如图2所示，在所述杠杆I的两端的下方分别对称设置杠杆摆动限位器10，用以限制杠杆I的摆动幅度；所述杠杆I的摆动幅度一般控制在连接杆13上下活动的行程距离以内，从而在工作时，杠杆I 一端的砝码举升组件使用时，另一端的砝码举升组件不会造成影响，也不工作；
[0028]如图4所示，x=0、x=xn、x=x12、x=x21、X=X22S砝码举升组件3处于不同状态时的坐标；(I)坐标值x=0时，杠杆I处于初始水平状态，砝码12依次堆叠在下侧的砝码12上，与悬挂钢带11连接的连接杆13下端的圆盘悬于最上端砝码12空腔内；当砝码举升组件5下降时，坐标值由O向xn、x12、x21、X22递增；(2)当坐标值x=x ^寸，负荷砝码组3最上端的砝码12空腔内上部的挡板14与和悬挂钢带11连接的连接杆13下端的圆盘接触，即X11为最上端砝码12的空行程距离，此时最上端的砝码12堆叠在第二个砝码12上，没有移动距离，空行程距离的目的是为了使杠杆I具有自由上下摆动留有空间；(3)当坐标值X=X12时，最上端的砝码12在悬挂钢带11的牵引下与第二个砝码12脱离，最上端的砝码12的重量完全加载在杠杆I上，连接最上端砝码12和第二个砝码12的连接杆13下端的圆盘悬于第二个砝码12的空腔内，为第二个砝码12留有空行程距离；(4)当砝码举升组件5继续下降，由坐标X12达到坐标值X 21时，连接最上端砝码12和第二个砝码12的连接杆13下端的圆盘与第二个砝码12空腔内上部的挡板14接触，此时第二个砝码12仍然堆叠在第三个砝码12上，即X21为第二个砝码12的空行程距离；(5)当坐标值X=X 22时，由连接第二个砝码12和最上端砝码12的连接杆13的牵引下，第二个砝码12与第三个砝码12脱离，最上端的砝码12和第二个砝码12的重理完全加载在杠杆I上，连接第二个砝码12和第三个砝码12的连接杆13下端的圆盘悬于第三个砝码12的空腔内，为第三个砝码12留有空行程距离；
(6)砝码举升组件5进一步下降时，砝码会依次加载在杠杆I上。
[0029]本实用新型的工作过程:(1)当扭矩负荷空载，杠杆I处于平衡状态下，将被检扭矩传感器8固定在旋转电机7输出轴上，对杠杆进行平衡；通过键盘和显示器21输入平衡指令，激光位移传感器2检测杠杆I的水平状态参数+y或_y (杠杆I向上时为+y，杠杆I向下时为_y)，并将该参数发送给CPU处理器16，CPU处理器16根据该参数控制旋转电机7向左旋或向右旋(杠杆I水平状态参数为+y时，旋转电机向左旋转，角度为-α ;杠杆I水平状态参数为_y时，旋转电机向左旋转，角度为+ α )，使杠杆I重新回到平衡位置，并将旋转角度编码器6置零；
[0030](2)根据检测的需要，假设测试点分别为 Μ1=20Ν.ι?、Μ2=40Ν.ι?、Μ3=60Ν.ι?、Μ4=80Ν *m和M5=10N-m五个扭矩测量点，且每个砝码12加载后产生的扭矩值均为20N-m ;采用杠杆I左端的砝码举升组件5，杠杆I右端的砝码举升组件5不工作。
[0031]第一个测量点加载过程如图5所示:初始状态时，y=0、x=0、α =ο、η=1，η为砝码加载次数；砝码加载电机15工作，将砝码举升平台23平稳地下降实现步进式加载三次，每次加载后砝码举升平台23的坐标值x=xn+na (a为砝码加载一次的位移量)，当n=3时，X=X12;当砝码举升组件位置由X ^向X 12下降时，杠杆I水平状态参数I发生变化趋向_y，CPU处理器16通过激光位移传感器2不断采集杠杆I的水平状态参数，经CPU处理器16运算后，发生指令使旋转电机7向+α方向旋转，使水平状态参数y向O变化；当砝码位置传感器4的读数值为X12时，即最上端的砝码12处于完全加载位置，砝码举升平台23停止下降；同时，激光位移传感器2采集的杠杆I水平状态参数符合杠杆I的平衡条件时，旋转电机7停止旋转；此时，第一个测量点M1W载完成，通过最上端砝码12的加载和旋转角度编码器6数据的采集，CPU处理器16得到了与该被检扭矩传感器8相关的扭转角度α 10
[0032]第二个测量点M2、第三个测量点M3、第四个测量点MjP第五个测量点^的测量，采用和第一个测量点相同的方法，依次加载砝码12，并通过旋转电机7的转动保持杠杆I的平衡状态。
[0033]鉴于扭矩传感器是利用金属材料的弹性变形特性设计制造，故具有很好的线性特征，因此为了达到使杠杆快速平衡的目的，在第二个测试点至第五个测试点的加载过程中，采用旋转电机连续旋转再补偿调整的加载控制方法。在连续旋转中又分为慢速、快速(与慢速比较相对快速)再慢速旋转的步骤，第一次的慢速旋转角度一般控制在预定扭转角度α的15?20%，快速旋转角度一般控制在预定扭转角度α的80?90%，再慢速旋转角度一般控制在预定扭转角度α的90?98%左右。经连续旋转后再补偿调整直至杠杆符合平衡条件。具体如图6所示，初始状态时，y=0、x=x (j_1)2、α =α η，其中，j为测量点的序号，j.φ I ；砝码加载电机15工作，进行连续旋转，加载后砝码举升平台23的坐标为X=Xj2第一次慢速旋转角度为α η= (0.15?0.20) XMjX a /M，第二次快速旋转角度为α 12= (0.80?0.90)XMjX CtjVM η，第三次慢速旋转角度为α13= (0.95?0.98)XMjX a，其中，Mj为第j次测量点的扭矩值；在砝码举升平台23停止下降后，旋转电机7再进行补偿调整，当-y > +y时，旋转电机7向+ α方向旋转；当_y < +y，旋转电机7向-α方向旋转，以使y趋向于0，旋转电机停止旋转；此时测量点载完成，通过砝码的加载和旋转角度编码器的采集，CPU处理器得到了新的与该被检扭矩传感器的相关的扭转角度α jo
[0034]影响扭矩标准机的不确定度的主要因素之一是杠杆(力臂)水平度引起的不确定度。对于高精度的扭矩标准机而言，为提高杠杆平衡的灵敏度，杠杆支承轴承摩擦扭矩非常小，使得杠杆的平衡过程缓慢。不具备全平衡加载系统的扭矩标准机，由于杠杆上下摆动反复失衡且失衡角度过大，也容易造成旋转电机不停地左右旋转，平衡时间更长。因此，本实用新型所述加载系统采用两种控制方式:一是在第一个测量点的加载中，砝码举升组件从坐标X11到坐标X 12为步进加载，步进的目的既是避免砝码加载引起杠杆失衡角度过大，对被检测扭矩传感器的扭矩冲击，也是便于杠杆水平状态参数的读取和与前参数的比较判断，控制旋转电机以一定的角度旋转累进，直到水平参数y趋向O (此时状态为杠杆水平预调整)，当几次步进加载后，接着砝码连续加载到坐标X12，此时旋转电机进行最终调整直至杠杆符合平衡条件；二是在后续的加载中，砝码举升组件在连续平稳的加载中(如从X12?χ22，Χ；-- Χχ?，…)，旋转电机采用了慢速、快速、慢速组合方式旋转至预定扭转角度值的(95?98) %左右，再补偿调整直至杠杆符合平衡条件。采用慢速、快速、再慢速旋转的目的，是考虑负荷砝码刚处于加荷状态，砝码位置传感器的读数值在X21或略大于X21时，旋转电机突然快速旋转，会产生扭矩冲击，故采用与砝码举升组件协调同步的慢速旋转；第二次的慢速旋转是为减小杠杆的上下摆动，为后续尽快补偿调整至平衡状态提供条件。
[0035]本实用新型具有以下特点:(1)配置砝码加载电机和被检测传感器旋转电机，采用编码器与控制系统，以力臂处于水平状态为目的，在加载砝码的过程中，控制砝码的举升高度和被检测传感器的旋转角度，实现砝码的全伺服加载；(2)采用激光位移传感器和伺服电机形成闭环控制，不断检测力臂的平衡状态，并通过对扭矩电机的伺服控制，使力臂的定位精度控制微米级范围内，实现杠杆全伺服平衡，提高了扭矩值的测量精度；(3)加卸载与平衡同时进行，使力臂始终处于水平状态，避免扭矩冲击，减少力臂的平衡时间，提高了检测效率。
【权利要求】
1.一种扭矩标准机全平衡加载系统，包括杠杆(I)，其特征是:所述杠杆(I)的中心通过联轴器(9)与旋转电机(7)的输出轴连接，在旋转电机(7)的输出轴上安装被检扭矩传感器(8)，在旋转电机(7)上安装用于测量旋转电机(7)输出轴转动角度的旋转角度编码器(6);在所述杠杆(I)的一端或两端的下方设置用于测量杠杆(I)水平状态的激光位移传感器(2);在所述杠杆(I)的两端部分别通过悬挂钢带(11)连接砝码举升组件(5)，砝码举升组件(5 )包括砝码举升平台(23 )，在砝码举升平台(23 )上设置负荷砝码组(3 )，在砝码举升平台(23) —侧设置用于检测砝码举升平台(23)高度的砝码位置传感器(4);所述负荷砝码组(3)包括多个从下至上依次堆叠的砝码(12)，砝码(12)的内部设置空腔，空腔的上下为挡板(14)，挡板(14)上设置通孔；每个砝码(12)与相邻的砝码(12)的之间通过设置在通孔中的连接杆(13)连接，连接杆(13)的两端具有凸出于连接杆(13)外圆周面的圆盘；最上端的砝码(12 )通过悬挂钢带(11)与杠杆(I)连接；每个砝码(12 )内的连接杆(13 )在砝码(12)空腔内具有可上下活动的行程距离。
2.如权利要求1所述的扭矩标准机全平衡加载系统，其特征是:所述激光位移传感器(2 )、砝码位置传感器(4 )和旋转角度编码器(6 )的输出端分别与CPU处理器(16 )连接，CPU处理器(16)的输出端连接砝码加载电机控制器(17)和旋转电机控制器(18)，砝码加载电机控制器(17)连接砝码加载电机驱动器(19)，砝码加载电机驱动器(19)驱动砝码加载电机(15 )动作，旋转电机控制器(18 )连接旋转电机驱动器(20 )，旋转电机驱动器(20 )驱动旋转电机(7)动作。
3.如权利要求2所述的扭矩标准机全平衡加载系统，其特征是:所述CPU处理器(16)连接键盘和显示器(21)以及数据存储器(22)。
4.如权利要求1所述的扭矩标准机全平衡加载系统，其特征是:在所述杠杆(I)的两端的下方分别对称设置杠杆摆动限位器(10)。
5.如权利要求1所述的扭矩标准机全平衡加载系统，其特征是:所述砝码举升平台(23)与砝码加载电机(15)的动力输出端连接。
【文档编号】G01L25/00GK204228327SQ201420624170
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】费明辉, 赵晓兵, 周政 申请人:无锡市计量检定测试中心