用于原位静动态力标定的一体化装置的制作方法

本发明涉及力值计量设备领域，具体是一种用于原位静动态力标定的一体化装置。

背景技术：

系统的标定分为静态标定和动态标定。国内针对后坐力、推力等测试系统的标定研究多局限于静态标定。后坐力实际上是一种动态力，对于动态力测量系统若采用“静标动用”的方式，由于测试系统本身可能动态特性较差或零部件间存在间隙等，即使静态标定的精度很高，但在动态测试中也有可能出现较大的误差，而致使整个测试装置在动态情况下失去其预定的功能，且极易造成人为的错误判断。

随着系统标定方法的深入研究和计量方法的进步，目前用于系统动态标定的装置主要包括稳态正弦激振装置、脉冲式激励装置和阶跃式激励装置。但是，这些装置大多只是用于对测力传感器本身做动态标定。对于系统标定而言，若采用将测力组件中的传感器拆下来，用精度高一级的力值系统进行传递或标定的方法，此时传感器状态与实际测量状态不一致，标定得到出的灵敏度与实际使用时不可能完全相同，会产生测量误差。若保持传感器在测力组件中工作状态不变（即所谓原位标定），但目前系统原位标定的方法存在力值较小、激励频率范围窄、和作用力的方向一致性差。刘宏璇在其硕士论文中提出了一种六分力测试方法研究（南京理工大学，2008），对火箭发动机的六分力测试系统进行了负阶跃力动态标定，实现方法是用细线悬挂砝码，通过剪断或烧断细线，突然释放砝码产生一个负阶跃激励，该方法得到的阶跃信号力值较小、下降沿时间长，能够激励的有效频率范围窄，且剪断或烧断的方式受操作干扰大，不易获得高信噪比的激励信号。程卫真等提出了一种考虑非线性的机载航炮后座力识别技术（振动与冲击，2008,27（3）：67-70），使用脉冲锤对航炮缓冲器施加激励，脉冲力的方向和着力点的位置难以保持一致，依赖于操作员的使用经验，这些将直接影响到测试的质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于原位静动态力标定的一体化装置，解决系统原位标定中激励的力值小、有效频带窄、方向和着力点难以保持一致的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：用于原位静动态力标定的一体化装置，包括加载机构、方向控制机构、力源控制机构和对中夹持机构；方向控制机构一端与加载机构连接，另一端与力源控制机构的一端固连，对中夹持机构与力源控制机构的另一端连接。

所述加载机构包括丝杠、法兰螺母、安装板、消隙螺母和消隙螺钉；安装板中心设有第一通孔，丝杠穿过所述第一通孔，与方向控制机构连接，丝杠和第一通孔之间通过法兰螺母固连；消隙螺母套在丝杠上，且位于法兰螺母和方向控制机构之间；消隙螺钉与消隙螺母固连，用于消除丝杠、法兰螺母和消隙螺母之间的间隙。

所述的方向控制机构包括导向杆、轴承压盖、轴承、轴承安装套和定位连接座；轴承安装套为圆柱形，一端无端盖，另一端外壁中心设有第一圆孔；轴承设置在轴承安装套内，轴承压盖与轴承安装套无端盖的一端固连，并将轴承压紧；轴承压盖中心设有第二通孔，丝杠穿过所述第二通孔和轴承后伸入轴承安装套内；定位连接座的一端伸入轴承安装套的第一圆孔，并与轴承安装套固连，另一端与力源控制机构连接；沿轴承压盖圆周方向均匀分布若干个第三通孔，若干个导向杆一端与消隙螺母固连，另一端穿过所述第三通孔。

所述的力源控制机构包括转接螺套、力传感器、压头和受压件；转接螺套一端与定位连接座固连，另一端与力传感器的一端固连，力传感器另一端与压头的一端固连；受压件设置在对中夹持机构上，与压头的另一端接触。

所述的对中夹持机构包括游标、微调螺母、夹块、左旋螺杆、联轴器、右旋螺杆、U型支撑座和螺钉锁紧挡圈。

所述U型支撑座包括第一侧板、底板和第二侧板；第一侧板和第二侧板对称设置在底板两侧，底板的中心设有通槽，通槽分别与第一侧板和第二侧板垂直；位于通槽两侧的底板上均布若干个螺纹通孔，用于与被标定系统的接口件连接；第一侧板和第二侧板的中心线上各设置一个第四通孔，两个第四通孔直径相同且高度一致；联轴器位于U型支撑座内，左旋螺杆穿过第一侧板的第四通孔，右旋螺杆穿过第二侧板的第四通孔，左旋螺杆和右旋螺杆通过联轴器连接；螺钉紧定挡圈设置在右旋螺杆上，并位于第二侧板的外侧面，通过紧定螺钉与右旋螺杆锁死；微调螺母套在左旋螺杆上，且位于第一侧板外壁，采用双螺母做防松处理。

所述夹块包括夹块底板、凸起、连接条和刻度条，夹块底板上设有第五通孔，凸起和刻度条对称设置在夹块底板两侧，刻度条通过连接条与夹块底板固连，底板、连接条和刻度条呈阶梯状相连。

两块夹块相互平行，凸起卡在底板的通槽中，左旋螺杆穿过一块夹块的第五通孔，右旋螺杆穿过另一块夹块的第五通孔，受压件搁置在两个夹块的第一台阶面上，所述第一台阶面为刻度条与连接条之间的台阶面；刻度条上设有游标，游标可沿刻度条滑动。

对被校系统进行原位静态力标定实验时，受压件采用碳钢或合金钢材料。

对被校系统进行原位动态力标定实验时，受压件采用高速钢、陶瓷或玻璃材料。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1）可实现被校系统的原位静态力和动态力标定；

2）实现了一种原位负阶跃力的动态标定方法，激励信号的下降沿时间短（μs级）、动态校准频带宽、力值可调，且激励力的方向性好，着力点位置一致；

3）实现了静态标定装置和动态标定装置的一体化，结构紧凑，操作简单；

4）本装置可实现水平或竖直上的推力加载，安装、使用灵活；

5）可实现受压件的自动对中夹持，操作便捷。

附图说明

图1为本发明的用于原位静动态力标定的一体化装置的结构剖视图。

图2为本发明的用于原位静动态力标定的一体化装置的消隙螺母示意图。

图3为本发明的用于原位静动态力标定的一体化装置的U型支撑座示意图。

图4为本发明的用于原位静动态力标定的一体化装置的夹块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1~图4，用于原位静动态力标定的一体化装置包括加载机构、方向控制机构、力源控制机构和对中夹持机构。方向控制机构一端与加载机构连接，另一端与力源控制机构的一端固连，对中夹持机构与力源控制机构的另一端连接。

结合图1，所述加载机构1包括丝杠11、法兰螺母12、安装板13、消隙螺母14和消隙螺钉15。安装板13中心设有第一通孔，丝杠11穿过所述第一通孔，与方向控制机构连接，丝杠11和第一通孔之间通过法兰螺母12固连。消隙螺母14套在丝杠11上，且位于法兰螺母12和方向控制机构之间。消隙螺钉15与消隙螺母14固连，用于消除丝杠11、法兰螺母12和消隙螺母14之间的间隙。

结合图1，方向控制机构包括导向杆21、轴承压盖22、轴承23、轴承安装套24和定位连接座25。轴承安装套24为圆柱形，一端无端盖，另一端外壁中心设有第一圆孔。轴承23设置在轴承安装套24内，轴承压盖22与轴承安装套24无端盖的一端固连，并将轴承23压紧。轴承压盖22中心设有第二通孔，丝杠11穿过所述第二通孔和轴承23后伸入轴承安装套24内。定位连接座25的一端伸入轴承安装套24的第一圆孔，并与轴承安装套24固连，另一端与力源控制机构连接。沿轴承压盖22圆周方向均匀分布若干个第三通孔，若干个导向杆21一端与消隙螺母14固连，另一端穿过所述第三通孔。当丝杠11不断旋转进给时，力源控制机构在导向杆21的约束下不与丝杠11发生跟转，保证直线施压。

结合图1，力源控制机构包括转接螺套31、力传感器32、压头33和受压件34。转接螺套31一端与定位连接座25固连，另一端与力传感器32的一端固连，力传感器32另一端与压头33的一端固连。受压件34设置在对中夹持机构上，与压头33的另一端接触。

结合图1，对中夹持机构包括游标41、微调螺母43、夹块44、左旋螺杆45、联轴器46、右旋螺杆47、U型支撑座48和螺钉锁紧挡圈49。

结合图3，U型支撑座48包括第一侧板48-1、底板48-2和第二侧板48-3。第一侧板48-1和第二侧板48-3对称设置在底板48-2两侧，底板48-2的中心设有通槽，通槽分别与第一侧板48-1和第二侧板48-3垂直。位于通槽两侧的底板48-2上均布若干个螺纹通孔，用于与被标定系统的接口件连接。第一侧板48-1和第二侧板48-3的中心线上各设置一个第四通孔，两个第四通孔直径相同且高度一致。

联轴器46位于U型支撑座48内，左旋螺杆45穿过第一侧板48-1的第四通孔，右旋螺杆47穿过第二侧板48-2的第四通孔，左旋螺杆45和右旋螺杆47通过联轴器46连接。螺钉紧定挡圈49设置在右旋螺杆47上，并位于第二侧板48-2的外侧面，通过紧定螺钉与右旋螺杆47锁死。微调螺母43套在左旋螺杆45上，且位于第一侧板48-1外壁，采用双螺母做防松处理。

结合图4，夹块44包括夹块底板44-1、凸起44-2、连接条44-3和刻度条44-4，夹块底板44-1上设有第五通孔，凸起44-2和刻度条44-4对称设置在夹块底板44-1两侧，刻度条44-4通过连接条44-3与夹块底板44-1固连，底板44-1、连接条44-3和刻度条44-4呈阶梯状相连。

两块夹块44相互平行，凸起44-2卡在底板48-2的通槽中，左旋螺杆45穿过一块夹块44的第五通孔，右旋螺杆47穿过另一块夹块44的第五通孔，受压件34搁置在两个夹块44的第一台阶面上，所述第一台阶面为刻度条44-4与连接条44-3之间的台阶面。刻度条44-4上设有游标41，游标41可沿刻度条44-4滑动。游标41一方面对受压件34起到限位作用，另一方面可防止受压件34脱落。

对被校系统进行原位静态力标定实验时，受压件34采用优质碳钢或合金钢材料。

对被校系统进行原位动态力标定实验时，受压件34采用高速钢、陶瓷或玻璃材料。

实施例1：

结合图1~图4，用于原位静动态力标定的一体化装置包括加载机构、方向控制机构、力源控制机构和对中夹持机构。方向控制机构一端与加载机构固连，另一端与力源控制机构的一端螺纹连接，对中夹持机构与力源控制机构的另一端连接。对中夹持机构的另一端与被标系统的接口件固连。

结合图1和图2，所述加载机构1包括丝杠11、法兰螺母12、安装板13、消隙螺母14和消隙螺钉15。安装板13中心设有第一通孔，丝杠11穿过所述第一通孔，与方向控制机构连接。法兰螺母12设置在丝杠11和第一通孔之间，丝杠11与法兰螺母12螺纹连接，法兰螺母12通过螺栓组与安装板13固连。

消隙螺母14包括相连的第一圆柱14-1和第二圆柱14-2，第一圆柱14-1的直径小于第二圆柱14-2的直径。第二圆柱14-2的一端中心设有第一螺纹孔，丝杠11与所述第一螺纹孔连接。第一圆柱14-1一端中心设有第一凹槽，法兰螺母12的外圆伸入所述第一凹槽，利用轴孔配合来保证法兰螺母12和消隙螺母14的同轴度。在第一凹槽的底面呈圆周均布四个第二通孔，四根消隙螺钉15一端分别与所述的四个第二通孔螺纹连接，另一端分别与法兰螺母12连接，当消隙螺钉15不断旋入第二通孔中，消隙螺钉15将带动消隙螺母14向远离法兰螺母12的一侧移动，同时带动与消隙螺母14螺纹连接的丝杠11，直到完全消除丝杠11、法兰螺母12、消隙螺母14之间的螺纹间隙。

加载机构选用螺纹传动，结构简单、紧凑。丝杆11为粗螺杆、普通细牙螺纹，能够自锁，施压过程中不会发生卸载。通过增加丝杆11与法兰螺母12的旋合长度，使得丝杆11在加载时能够承受较大的轴向载荷，避免螺纹牙承受过大的剪切力而失效。丝杠11采用细牙螺纹可减小加载时所需要克服的螺纹副间的摩擦力矩。此外，本实施例采用组合螺母消隙的方法，一方面消除了牙间隙，另一方面施加的预紧力能够提高丝杆11与法兰螺母12的接触刚度。

结合图1，方向控制机构包括导向杆21、轴承压盖22、轴承23、轴承安装套24和定位连接座25。轴承安装套24为圆柱形，一端无端盖，另一端外壁中心设有第一圆孔。轴承23设置在轴承安装套24内，轴承压盖22与轴承安装套24无端盖的一端固连，并将轴承23压紧。轴承压盖22中心设有第三通孔，丝杠11穿过所述第三通孔和轴承23后伸入轴承安装套24内。定位连接座25的一端伸入轴承安装套24的第一圆孔，并与轴承安装套24固连，另一端与力源控制机构螺纹连接。沿轴承压盖22圆周方向均匀分布三个第四通孔，三根导向杆21一端与消隙螺母14固连，另一端分别穿过所述第四通孔。这样，丝杠11不断旋转进给时，力源控制机构在导向杆21的约束下不与丝杠11发生跟转，保证直线施压。

结合图1，力源控制机构包括转接螺套31、力传感器32、压头33和受压件34。转接螺套31一端与定位连接座25螺纹连接，另一端与力传感器32的一端螺纹连接，力传感器32另一端与压头33的一端螺纹连接。受压件34设置在对中夹持机构上，与压头33的另一端接触。

结合图1，对中夹持机构包括游标41、磁铁42、微调螺母43、夹块44、左旋螺杆45、联轴器46、右旋螺杆47、U型支撑座48和螺钉锁紧挡圈49。

结合图3，U型支撑座48包括第一侧板48-1、底板48-2和第二侧板48-3。第一侧板48-1和第二侧板48-3对称设置在底板48-2两侧，底板48-2的中心设有一通槽，通槽分别与第一侧板48-1和第二侧板48-3垂直。位于通槽两侧的底板48-2上均布四个螺纹通孔，用于与被标定系统的接口件连接。第一侧板48-1和第二侧板48-3的中心线上各设置一个第五通孔，两个第五通孔直径相同且高度一致。

联轴器46位于U型支撑座48内，左旋螺杆45穿过第一侧板48-1的第五通孔，右旋螺杆47穿过第二侧板48-2的第五通孔，左旋螺杆45和右旋螺杆47通过联轴器46连接。螺钉紧定挡圈49设置在右旋螺杆47上，并位于第二侧板48-2的外侧面，通过紧定螺钉与右旋螺杆47锁死。微调螺母43套在左旋螺杆45上，且位于第一侧板48-1外壁，采用双螺母做防松处理。

结合图4，夹块44包括夹块底板44-1、凸起44-2、连接条44-3和刻度条44-4，夹块底板44-1上设有第二螺纹孔，凸起44-2和刻度条44-4对称设置在夹块底板44-1两侧，刻度条44-4通过连接条44-3与夹块底板44-1固连，底板44-1、连接条44-3和刻度条44-4呈阶梯状相连。

两块夹块44相互平行，凸起44-2卡在底板48-2的通槽中，左旋螺杆45穿过一块夹块44的第二螺纹孔，右旋螺杆47穿过另一块夹块44的第二螺纹孔。受压件34搁置在两个夹块44的第一台阶面上，所述第一台阶面为刻度条44-4与连接条44-3之间的台阶面。刻度条44-4上设有游标41，游标41的一侧设有第六通孔，柱形磁铁42用胶封在所述第六通孔中，这样，游标41可以靠磁力吸附在两个夹块44上，同时可在刻度条44-4上自由滑动。游标41一方面对受压件34起到限位作用，另一方面可防止受压件34脱落。

受压件34采用具有一定强度的碳钢或合金钢材料，用于被校系统的原位静态标定实验，受压件在压力作用下发生弯曲而不发生断裂；受压件34采用具有一定强度的高速钢、陶瓷或玻璃材料，用于被校系统的原位动态标定实验，受压件在达到承载极限后发生突然断裂。

本发明所述的用于原位静动态力标定的一体化装置用于系统的原位静、动态标定，工作过程为：

将对中夹持机构与被校系统的接口件连接。沿加载方向旋转丝杠11，使消隙螺母14与轴承压盖22之间留出足够的操作空间，用六角扳手调整消隙螺母15的松紧程度，用以施加一定的预紧力，保证丝杠11无明显的间隙晃动。将丝杠11沿卸载方向旋转，直到消隙螺母14与轴承压盖22的端面刚刚贴合。力传感器32根据实际要求进行更换，可选用压电式或应变式的力传感器。调整对中夹持机构和加载机构之间的距离，保证受压件34能够刚好放置在两个夹块上，且不与压头33干涉。

静态标定时，受压件34选用一定强度的韧性材料，如碳钢、合金钢。将受压件34放置在两个夹块44的第一台阶面上，旋转左旋螺杆45（或右旋螺杆47）将受压件34对中夹持。观察受压件34在刻度条44-4上所对应的刻度，调整受压件34在第一台阶面上位置，使受压件34到夹块两边的距离相同。移动游标41并紧靠在受压件34一侧。按加载方向缓慢旋转丝杠11，压头33顶在受压件34的中心线上并不断施压，受压件34受压发生弯曲，直到预定的最大标定力值；反向旋转丝杠11退回至初始位置，即完成一次静态标定。力传感器32可时时准确测量得到加载力值。

动态标定时，受压件34选用一定强度的脆性材料，如高速钢、陶瓷片、玻璃。受压件34的调整方法与静态标定时相同。旋转丝杠11缓慢加载，压头33顶在受压件34的中心线上直到脆性受压件断裂，即完成一次负阶跃力动态标定。力传感器32可准确测得断裂信号。反向旋转丝杠11并退回至初始位置，跟换不同尺寸或不同材料的脆性受压件可获得不同断裂力值和不同下降沿时间的负阶跃信号。

本发明所述的用于原位静动态力标定的一体化装置，可实现被校系统的原位静态和动态标定；实现了一种原位负阶跃力的动态标定方法，激励信号的下降沿时间短（μs级）、动态校准频带宽、力值可调，且激励力的方向性好，着力点位置一致；将静态力标定装置和动态力标定装置实现了一体化，结构紧凑，操作简单；可实现水平或竖直上的推力加载，安装、使用灵活；可实现受压件的自动对中夹持，操作便捷。