相关申请案的交叉参考
本申请案主张2015年3月18日申请的美国临时专利申请案第61/996,992号的优先权。
背景技术：
变换器连同适当仪器一起用于在各种应用中测量力。因此，不同类型的变换器可在市场上购得。其包含例如应变计的弹性装置、压电晶体、例如液压或气动测力计的压力响应装置等等。变换器元件可包括不同形状，即，梁、圆环、圆柱体等等。变换器的输出信号可为与外加力相关的电信号或机械指示。如果变换器被校准到已知力，那么可根据输出信号确定外加力。
技术实现要素：
本文中所描述的一种力变换器校准设备的一个方面包含：基底；一对端部支柱，其固定在所述基底上；力致动器，其安装在所述基底、所述一对端部支柱与变换器固持器之间，所述力致动器经布置以对安装在所述变换器固持器中的变换器施加力和力矩；及力反作用传感器，其固定在所述基底、所述一对端部支柱与所述变换器固持器之间以用于测量所述变换器固持器所经历的力和力矩。
本文中所描述的一种力变换器校准设备的另一方面包含：基底；第一端部支柱，其固定在所述基底上；第二端部支柱，其固定在所述基底上；第一力致动器，其安装在所述基底与变换器固持器之间；第一反作用力传感器，其安装在所述基底与所述变换器固持器之间；第二力致动器，其安装在所述第一端部支柱与所述变换器固持器之间；第二反作用力传感器，其安装在所述第一端部支柱与所述变换器固持器之间；第三力致动器，其安装在所述第二端部支柱与所述变换器固持器之间；及第三反作用力传感器，其安装在所述第二端部支柱与所述变换器固持器之间。所述第一力致动器和所述第一反作用力传感器经布置成正交于所述第二力致动器和所述第二反作用力传感器，且正交于所述第三力致动器和所述第三反作用力传感器。
本文中所描述的一种力变换器校准设备的另一方面包含：基底；第一端部支柱，其贴附到所述基底；第二端部支柱，其贴附到所述基底；变换器固持器，所述变换器固持器由至少一个力致动器和至少一个反作用力传感器耦合到所述基底，所述变换器固持器由至少一个力致动器和至少一个反作用力传感器耦合到所述第一端部支柱，且所述变换器固持器由至少一个力致动和至少一个反作用力传感器耦合到所述第二端部支柱；及控制器，其控制所述力致动器以对所述变换器固持器施加力或力矩中的至少一者以由此使变换器变形，且接收由所述反作用力传感器测量的力或力矩中的至少一者以用于与来自所述变换器的输出进行比较。
下文额外详细地论述本文中所描述的力变换器校准设备的这些及其它方面和实施方案的细节。
附图说明
本文中的描述参考下文所描述的附图，其中在全部若干视图中，相似参考数字是指相似部分。
图1是力变换器校准设备的一个实施方案的透视图。
图2是图1的力变换器校准设备的俯视图。
图3是图1的力致动器的透视图。
图4是图1的力反作用传感器的透视图。
图5是根据本文中的教示的变换器固持器的部分透视、部分横截面图。
图6是根据图5的变换器固持器的另一部分透视、部分横截面图。
图7是根据本文中的教示的另一变换器固持器的部分透视、部分横截面图。
具体实施方式
理想多轴变换器将适当地对在中间方向上施加的力和力矩作出响应。举例来说，相对于变换器的主轴以45°而施加的力应在主轴中产生具有相等值且等于外加力除以2的平方根的变换器输出。一些变换器具有对离轴力的不正确响应。这可在转动力施加的情况下产生涟漪输出，例如就车轮力变换器来说可能会发生此情形。本文中所描述的变换器校准设备10除了检测不正确的同轴响应之外还可容易检测不正确的离轴响应。
图1到7中展示力变换器校准设备10的不同方面。首先参考图1和2，其中图1是力变换器校准设备10的一个实施方案的透视图，且图2是图1的力变换器校准设备10的俯视图。
变换器校准设备10(也被称为校准设备10)包含刚性结构框架12，其是例如由基底或平台14构成，基底或平台14可直接支撑在地板或其它水平表面上或可支撑在多个脚座(例如安装在基底14的外周边角处的脚座16)上。(并未展示所有脚座16。)
框架12包含由刚性互连的管状框架部件形成的一对支柱18和20，其借助于延伸穿过形成于每一支柱18和20的下侧部分上的下安装凸缘22中的孔隙的紧固件(例如螺栓)而固定到基底14。可使用将一对支柱18和20耦合到框架12的其它方式。在此实例中，支柱18和20在基底14上按90°偏移定向而隔开。
任选地，基底14可支撑机柜24，机柜24容纳将电力提供到下文进一步详细地所描述的力致动器的电力电子装置，包含例如信号调节器。基底14还可支撑控制器26，例如执行用于操作校准设备10的程序指令的基于cpu的控制器。机柜24和控制器26可集成到支撑在基底14上的单一装置中，或可一起或单独容纳在与基底144隔开的位置处。控制器26耦合到机柜24内的电力电子装置，且通过适当的有线或无线通信手段而从下文中额外详细地所描述的力反作用传感器和其它传感器接收输出。下文额外详细地论述校准设备10的操作。
校准设备10包含变换器固持器40。变换器固持器40可经配置以支撑许多不同大小和形状的变换器，例如在图5和6中通过实例而展示的大圆形变换器42和在图7中以另一实例而展示较小圆形变换器44。变换器的其它可能形状包含矩形和正方形变换器。
首先参考图5和6中的变换器42的部分透视、部分横截面图，变换器固持器40包含上操纵杆板46和下操纵杆板48。取决于待安装在变换器固持器40中的变换器42的大小和形状，下中心定位的支撑部件50围绕变换器固持器40的中心轴紧固到下操纵杆板48。下部件50在圆形变换器42的情况下支撑中心盘形部件52，其接合变换器42的内径表面42a。中心盘形部件52具有由下部件50支撑的环形平坦部分52a和从环形平坦部分52a延伸到变换器42的内径表面42a的倾斜部分52b。外圆形部件54(再次对应于变换器42的圆形形状)由紧固件固定到上操纵杆板46且支撑变换器42的外边缘42b。
图7描绘变换器固持器60的另一实例，其包含上操纵杆板46和下操纵杆板48，具有中心定位的下支撑部件50和外部件54。归因于变换器固持器60的变换器44的大小较小，小盘形中心支撑部件62由紧固件固定到中心下操纵杆板48且形成用于支撑变换器44的基底。上中心部件64接合变换器44的上表面且自身由紧固件固定到隔片部件66，隔片部件66由紧固件固定到外支撑部件54。
返回参考图1和2，多个致动器沿着x、y和z轴安装以将力和力矩施加到安装在变换器固持器中的变换器。这样，举例来说，沿着各种轴以各种量值和方向施加力和力矩，以便校准安装在变换器固持器40中的变换器42或安装在变换器固持器60中的变换器44。
仅通过实例，第一对力致动器70和72定向和固定在支柱18与变换器固持器40之间以用于沿着x轴在推动或拉动方向上施加力。类似地，力致动器74固定在支柱20与变换器固持器40之间以用于沿着z轴在推动或拉动方向上施加力。三个力致动器76、78和80以固定配置而安装在基底14与变换器固持器40的底表面(例如上操纵杆板46)之间以用于将力矩施加到变换器固持器40且由此沿着y轴施加到变换器42。
图3是图1的力致动器的透视图。每一力致动器(例如力致动器74)包含力致动器元件86，其可经致动(如下文中所描述)以对变换器固持器40且由此对安装在变换器固持器40中的变换器42在相反方向上施加推力或拉力。力致动器元件86可例如为线性致动器。力致动器74可由用彼此栓接的两个盘形部件90和92形成的紧固或栓接连接件紧固到支柱18和20中的一者或紧固到基底14。盘形部件92由在部件92与固定到力致动器元件86的一个端部的安装板96之间的螺栓接纳旋转体94。邻近于安装板96的是力变换器97，例如任何类型的常规测力计，其测量由力致动器元件86产生的力。
力致动器元件86的相对端部包含可延伸且可缩回的致动器棒98，其通过线性轴承和弹簧组合件100耦合到类似旋转体94和第二对盘形部件92和90。每一力致动器的盘形部件90贴附到变换器支撑件40、60的上操纵杆板46的垂直延伸、正交布置的表面46a、46b中的一者，或通过下操纵杆板48中的相应切口48a(参见图5到7中的每一者中的部分切口48a)贴附到上操纵杆板46的底表面46c。盘形部件90是由例如螺栓的紧固件固定。每一致动器棒98的端部具有与线性轴承和弹簧组合件100适切地接合的形状，以便将力从力致动器元件86转移到变换器固持器40或60，具体来说，将推力或拉力转移到上操纵杆板46，所述力接着转移到变换器。
多个力传感器也在支柱18和20、基底14与变换器固持器40之间沿着x、y和z轴安装。通过实例，单一力反作用传感器110固定地安装在支柱18与变换器固持器40之间且被定向为沿着x轴在第一对力致动器70和72之间的中心相等地隔开。一对力反作用传感器112和114类似地安装在支柱20与变换器固持器40之间以用于测量沿着z轴对变换器42施加的力。
力反作用传感器(例如通过实例而展示的三个力反作用传感器116、118和120)安装在基底14与变换器固持器40的底表面(例如下操纵杆板48)之间，且散置在三个y轴定向的力致动器76、78和80之间。在此实例中，力致动器76、78和80隔开120度，且力反作用传感器116、118和120隔开120度且在力致动器76、78和80的邻近对之间等距。
如图4详细地所展示，每一力反作用传感器(例如力反作用传感器110)采用栓接到单件式挠曲组合件或挠曲件132的力变换器130，例如任何类型的常规测力计。挠曲组合件132包含盘形安装板134，其由例如螺栓的紧固件固定到框架支柱18或框架支柱20中的一者。安装板134支撑挠曲元件或挠曲件136，其过渡为栓接到力变换器130的第二安装部件138。刚性实心管状部件140在一个端部处栓接到力变换器130，且在耦合到安装板144的第二端部处具有整体式挠曲件部件或挠曲件142。力反作用传感器110、112和114中的每一者的安装板144由例如螺栓和一或多个销的紧固件固定到安装块146(参见图1和2)，安装块146位于下操纵杆板48的边缘上方且与负载变换器42接触。这样，力致动器70、72与力反作用传感器110共面，且力致动器74与力反作用传感器112和114共面。如此界定的两个平面也可彼此共面。力反作用传感器116、118和120中的每一者的安装板144由例如螺栓和一或多个销的紧固件固定到下操纵杆板48的底表面内的接纳孔隙48b中(参见图5)。因为切口48a允许力致动器76、78和80穿过下操纵杆板48，所以力反作用传感器116、118和120能够围绕圆形路径安装。
再次参考图1和2，变换器固持器40的上操纵杆板46经形成为具有增补物160，沿着z轴延伸的力致动器74的一个端部固定到增补物160。槽162从上操纵杆板46的上表面部分地延伸到上操纵杆板46的内部中。增补物160和槽162协作以使由单一力致动器74供应的力遍及沿着上操纵杆板46的一个侧表面(例如表面46a)的较大区域散开，以防止力致动器74与变换器固持器40之间的点力接触。
变换器校准设备10中的控制系统根据图1所展示的控制器26而操作。如上文所提及，控制器26可为执行用于操作校准设备10的程序指令的基于cpu的控制器。举例来说，控制器26运行基于图形的编程语言，例如labview，其执行程序指令以影响变换器上的所要校准过程。控制系统操作整个校准过程且记录传感器输出。这可包含通过安装在机柜24中的电力电子装置将力从力致动器供应到变换器固持器40，及由力反作用传感器且由被测变换器感测输出。监测器可用于在校准过程期间显示力致动器、反作用力传感器和变换器的输出。
控制系统可以任何组合致动任何或全部致动器。这向控制系统给予使在校准下的变换器42负载有力和力矩的任何组合的能力。举例来说，如果致动器70和72施加50磅的力，那么变换器42将承受100磅的负载。或者，如果致动器70施加50磅的压缩力且致动器72施加50磅的张力，那么变换器42将被负载有扭力而无净力。也可由其它致动器以任何组合施加类似推力和拉力。
将理解，可以任何组合激活x、y和z轴力致动器，使得可同时将力和力矩的组合施加到在校准下的变换器42。举例来说，如果力致动器76、78和80施加张力且力致动器74施加压缩力，那么在校准下的变换器42将承受y和z二者方向上的力。类似地，致动器力的其它组合使力和力矩的任何组合的同时施加成为可能。
上文所描述的变换器校准设备10经设计为在最佳方向上对力变换器施加已知负载且具有操作者所需要的最小的或无重新配置。可提供六个力致动器来对变换器施加力。还可提供六个力反作用传感器以用于所有力和力矩的冗余测量。即，就所提供的布置来说，可由不同力反作用传感器或力反作用传感器的不同组合测量由任何力致动器或力致动器的组合施加的力。这允许变换器校准设备10自身是自校准的。致动器和传感器的数目可基于变换器的感测元件的数目而变化。
力致动器与待校准的变换器的灵敏轴对准以便在离轴方向上产生可忽略的力。
力致动器与力反作用传感器支撑在同一个校准设备基底14上。这会引起最小的固定装置偏转，此最小化在校准期间对变换器施加的非想要的横轴力。
在力致动器中提供顺应元件来根据致动器位置改变而减小力改变速率。顺应元件在此实例中由挠曲件132、136和142实施，且其可在无主系统改变的情况下安装或移除。如果校准设备是自动化的，那么顺应元件改善致动器控制回路的稳定性。在零力施加时还提供力致动器遍及小距离的自由移动。这允许零力变得明显且在可由与离轴力施加相关的偏转诱发轻微运动时防止致动器方向上的力。
一些变换器需要循环负载来在最终校准之前稳定变换器响应。变换器校准设备10可提供此所要循环负载。校准设备10可经编程以模拟包含“滚动”负载的现实操作以复制实际车辆负载。
根据由控制器26实施的控制系统的一个实施方案，校准过程从将变换器安装在变换器支撑件40、60内开始。变换器可为例如车轮负载变换器，例如美国专利第6,324,919号中所描述的车轮负载变换器。用于产生对应于由变换器测量的力的输出电压的电子装置可与所述变换器整体式地安装，就美国专利第6,324,919号的车轮负载变换器来说就是此情形，或所述电子装置可安装在变换器支撑件40、60内。输出电压可例如由延伸穿过上操纵杆板46和下操纵杆板48的中心孔隙的导线供应到控制器26以用于校准变换器。更具体来说，且如通过以上实例所描述，可由一或多个力致动器通过从控制器26到机柜34内的电力电子装置的信号产生力。所产生的力可受到来自力变换器或测力计97的反馈信号控制。可针对每一轴遍及变换器被期望为测量的力值范围产生不同程度的力，例如按50磅的增量的500到3000磅的力。
推力和/或拉力转移到上操纵杆板46，其可响应于所述力而移动。上操纵杆板46的移动通过将其部件54连接到变换器而使变换器变形以响应于所述力而产生输出电压。变换器的变形也使中心盘形部件52变形，这又在下操纵杆板48中产生力。由反作用力传感器测量所产生的力。
可在针对每一轴所产生的不同程度的力下测量来自变换器的感测元件的输出电压，以确定经测量的力(如由输出电压所指示)是否在可接受的范围内。理想地，由力变换器或测力计130测量的力等于由力变换器或测力计97测量的力。然而，其出于各种原因而变化，包含测量点不同的原因。来自变换器的感测元件的输出电压可与来自力变换器或测力计97的输出进行比较。更优选的是，变换器的感测元件的输出电压与来自力变换器或测力计130的输出进行比较，这是因为力变换器或测力计130的输出较接近于变换器所见的力。
可通过基于转换公式或表将来自变换器传感器的输出电压转换为力值而进行比较。当力值在来自变换器或测力计130的所述输出的可接受的变化的范围外时，变换器未被校准。可废弃变换器，或可通过将变换器的输出电压与经测量的力值相关而校准变换器。
如所提及，由力变换器或测力计130测量的力理想地等于由力变换器或测力计97测量的力。因此，校准设备10可通过比较由力变换器或测力计130测量的力与由力变换器或测力计97测量的力而自校准。当变化在通过例如实验所确定的范围外时，可检测力致动器或反作用力传感器中的一或多者的问题。
因为需要遍及延长的时段维持准确度，所以这些参考测力计可被证实为在指定量(例如满刻度的0.1％)内是准确的。在此实例中，额定值在10,000磅的力的参考单元在从零到10,000磅的整个范围内在10磅或小于10磅内是准确的。当包含施加力参考单元和反作用力参考单元二者时，单元的任何灵敏度中改变是明显的，这是因为推动测量应大体上与拉动测量相同。这提供另一自校准检查。
作为进一步系统检查，可并入外部参考变换器作为例如校准系统10的准确度的周期性额外验证。
已描述上文所描述的实施例、实施方案和方面以便允许容易理解本发明，且所述实施例、实施方案和方面并不限制本发明。相反地，本发明希望涵盖包含在所附权利要求书的范围内的各种修改和等效布置，所附权利要求书的范围应符合最广泛的解释，以便在法律的许可下涵盖所有此类修改和等效结构。