獨(dú)立平滑柔性加碼裝置設(shè)計(jì)與分析

摘要：在原有靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)基礎(chǔ)上，提出一種新型獨(dú)立平滑柔性加卸載裝置，通過對(duì)該獨(dú)立平滑柔性加卸載裝置功能原理和結(jié)構(gòu)裝置的分析，完成對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并汪明該裝置能滿足靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的功能要求。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該裝置能有效解決靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在加載過程中出現(xiàn)的“逆程”現(xiàn)象和附性沖擊，以及提高靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測(cè)試精度，達(dá)到預(yù)期目的。

關(guān)鍵詞：靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；獨(dú)立平滑加載；逆程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2015）03-0082-04

0 引言

目前國內(nèi)外靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，影響其測(cè)試精度和效率的共同原因就是“逆程”現(xiàn)象。為了消除或減小“逆程”現(xiàn)象對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究工作，如美國采用累進(jìn)式方法進(jìn)行加卸載，德國等西歐國家采用液壓伺服補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p小“逆程”現(xiàn)象，日本則采用瞬時(shí)抱緊的方法來避免“逆程”現(xiàn)象等；我國在解決力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的“逆程”問題方面也做了很多的研究，手動(dòng)/電動(dòng)千斤頂式的補(bǔ)償方法在長期實(shí)踐中也得到大力發(fā)展。

為避免力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在測(cè)試過程中存在的較強(qiáng)的剛性沖擊和“逆程”現(xiàn)象，本文提出一種獨(dú)立平滑加卸載裝置，該裝置可使加卸載過程中的力值曲線平滑，提高傳感器的測(cè)試精度和測(cè)試效率，并減少對(duì)被測(cè)傳感器的影響，為實(shí)現(xiàn)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)平滑加卸載提供保證。

1 獨(dú)立平滑加卸載裝置功能分析

獨(dú)立平滑加卸載裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)提出的，應(yīng)滿足以下要求：1）加卸載裝置的加卸載行程要達(dá)到30mm，并且加卸載裝置的承載能力要大于2kN；2）能滿足平滑加卸載要求，具有自適應(yīng)功能；3）能對(duì)加卸載行程進(jìn)行控制；4）砝碼加卸載時(shí)，中心吊桿不能出現(xiàn)嚴(yán)重的擺動(dòng)現(xiàn)象；5）加卸載裝置應(yīng)有自鎖功能，并能方便地安裝調(diào)試和維護(hù)；6）加卸載裝置應(yīng)有超行程安全保護(hù)功能、結(jié)構(gòu)緊湊，效率高等。

2 原理方案設(shè)計(jì)

2.1 力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)總體原理方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中，采用4套凸輪式加卸載裝置升降一塊砝碼，4套凸輪裝置分別安裝4根立柱上面，雖然理論上4套加卸載裝置可以實(shí)現(xiàn)同步升降，但由于安裝等誤差的存在不可能實(shí)現(xiàn)4點(diǎn)同時(shí)接觸，因此加卸載裝置容易因過載而損壞。本文采用一種新型的獨(dú)立平滑柔性加卸載裝置。該裝置分布在兩根立柱之間并由兩根立柱支撐，采用對(duì)稱分布在4根立柱上，這樣原來的4套凸輪裝置由兩套獨(dú)立平滑柔性加卸載裝置所代替，再在該獨(dú)立平滑柔性加卸載裝置上面安裝柔性原件，這樣加卸載裝置可以實(shí)現(xiàn)柔性地加卸載。由于兩個(gè)加卸載裝置加卸砝碼時(shí)的升降力都是逐漸變化的，而且這種加卸載裝置的同步誤差較小，不同步兩個(gè)加卸載裝置的升降力也相差較小，這樣就使得該裝置能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)。其改進(jìn)前后的升降裝置分布圖如圖1所示。

由改進(jìn)后的獨(dú)立平滑柔性加碼裝置分布圖可知，要實(shí)現(xiàn)砝碼的平滑柔性加載，還必須有獨(dú)立平滑加載的系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)。采用半閉環(huán)控制方式來保證伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和指令要求的角度一致，該獨(dú)立平滑加卸載控制示意圖如圖2所示。

2.2 獨(dú)立平滑加卸載裝置原理方案設(shè)計(jì)

通過前面的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)可知，要使力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立平滑加載，每個(gè)砝碼都必須有兩套獨(dú)立平滑加卸載裝置，并且兩套裝置要關(guān)于砝碼平面對(duì)稱布置。加載裝置須將交流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加卸載運(yùn)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件升降板的升降運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)柔性加卸載，該裝置還需具備柔性支承結(jié)構(gòu)。由于升降板是加卸載運(yùn)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件，所以應(yīng)在升降板上安裝彈簧，以實(shí)現(xiàn)柔性加卸載功能，該獨(dú)立平滑柔性加卸載裝置原理圖如圖3所示。

由圖可知，交流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)通過蝸桿蝸輪減速器減速和換向后成為絲桿在豎直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。將絲桿的位置固定，使用絲桿螺母機(jī)構(gòu)將絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母的直線運(yùn)動(dòng)，在滾珠螺母上安裝升降板，升降板就能隨滾珠螺母上下運(yùn)動(dòng)，在升降板上安裝螺旋彈簧，作為柔性支撐點(diǎn)，就可以避免加卸載過程中出現(xiàn)剛性沖擊。使砝碼作用在加卸載裝置上的作用力與螺旋彈簧的變形量成正比，這樣就便于加卸載過程的控制，實(shí)現(xiàn)柔性加卸載。這種自適應(yīng)的設(shè)計(jì)，可以使得砝碼加卸載過程平穩(wěn)，有利于實(shí)現(xiàn)平滑加卸載。

3 獨(dú)立平滑加卸載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 獨(dú)立平滑加卸載功能實(shí)現(xiàn)原理

由圖3可知要實(shí)現(xiàn)砝碼的柔性平滑加卸載就必須避免加卸載裝置和砝碼的快速剛性接觸，讓砝碼先和加載裝置上的柔性元件接觸，然后通過柔性元件的自適應(yīng)裝置將砝碼緩慢放在加載裝置的升降板上，該裝置采用螺旋壓縮彈簧為柔性原件。壓縮彈簧和導(dǎo)向套接觸，當(dāng)壓縮彈簧處于自由狀態(tài)時(shí)，由于導(dǎo)向套重量較輕，彈簧仍相當(dāng)于處在原始位置，此時(shí)導(dǎo)向套的上蓋下表面與升降板之間留有一段距離設(shè)為厶，該距離即為導(dǎo)向套與砝碼從接觸到整個(gè)砝碼的質(zhì)量都加載到升降板上面的緩沖距離。當(dāng)砝碼開始與導(dǎo)向套接觸時(shí)，彈簧開始被壓縮，當(dāng)彈簧的變形量大于△s時(shí)，導(dǎo)向套開始與升降板接觸，此時(shí)砝碼的全部質(zhì)量加載到了升降板上。此過程能否平滑加載不僅跟螺旋壓縮彈簧的剛度有關(guān)，還與整個(gè)過程的時(shí)間有關(guān)。當(dāng)剛度一定時(shí)，要使加卸載曲線趨于平滑就必須控制緩沖過程的時(shí)間，該時(shí)間則由伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)決定。該螺旋壓縮彈簧安裝示意圖如圖4所示。

3.2 獨(dú)立平滑加卸載裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

獨(dú)立平滑加卸載裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該裝置通過支撐座水平安裝在兩個(gè)立柱的轉(zhuǎn)角上。由圖可知，伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸器傳遞給蝸桿蝸輪減速器。蝸桿蝸輪減速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速器減速和換向后，輸出的運(yùn)動(dòng)是絲桿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲桿上安裝滾珠螺母，通過絲桿螺母結(jié)構(gòu)將絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成滾珠螺母的直線運(yùn)動(dòng)，并在滾珠螺母上安裝升降板，使得升降板就能跟隨滾珠螺母一起在絲桿上上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)砝碼的加載和卸載。

升降板是砝碼加卸載裝置中的關(guān)鍵零件，砝碼的加卸載通過升降板的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，故將螺旋壓縮彈簧安裝在升降板上。一個(gè)砝碼的加卸載由兩套加卸載裝置共同完成，為了增加砝碼加卸載過程中的穩(wěn)定性，將螺旋壓縮彈簧安裝在升降板的兩端。為提高螺旋壓縮彈簧的工作可靠性并避免失穩(wěn)現(xiàn)象，針對(duì)彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)了一個(gè)導(dǎo)向套對(duì)彈簧進(jìn)行導(dǎo)向。同時(shí)，為了防止彈簧的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在升降板上安裝螺旋彈簧的位置處，對(duì)稱設(shè)計(jì)兩個(gè)螺釘孔，通過安裝限位螺釘來限制彈簧的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。彈簧的安裝結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6所示。

該獨(dú)立平滑加卸載裝置應(yīng)該具有自鎖功能，但因其安裝空間較小，不能設(shè)計(jì)專門的鎖緊結(jié)構(gòu)；因此，采用局部結(jié)構(gòu)的自鎖來實(shí)現(xiàn)加卸載裝置整體的自鎖功能。滾珠絲桿螺母副沒有自鎖功能，不能實(shí)現(xiàn)自鎖的目的。而蝸桿蝸輪傳動(dòng)中，當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角γ小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角φ時(shí)，逆向行程具有自鎖性，所以通過蝸桿蝸輪減速器的自鎖性來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立平滑加卸載裝置的自鎖功能。

4 獨(dú)立平滑加載裝置結(jié)構(gòu)分析

對(duì)獨(dú)立平滑加卸載裝置中受載較大的關(guān)鍵零件采用有限元分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，以驗(yàn)證其是否滿足強(qiáng)度要求。這里應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)重要零件進(jìn)行應(yīng)力分析。由于升降板是砝碼加卸載裝置中最關(guān)鍵的零件，所以主要對(duì)升降板進(jìn)行靜力分析，設(shè)計(jì)完成后的升降板如圖7所示。

在ANSYS軟件中完成材料屬性設(shè)置后，定義單元類型，再設(shè)置網(wǎng)格劃分的相關(guān)參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖8所示。

網(wǎng)格劃分完成后，將模型的分析類型定義為靜力分析，設(shè)置相關(guān)分析選項(xiàng)后施加約束和載荷。對(duì)升降板施加約束和載荷，其中升降板安裝圓環(huán)面的位移量All dof=0，離升降板安裝孔較近一端圓環(huán)平面施加面壓力constant value=3038338Pa，離升降板安裝孔較遠(yuǎn)一端圓環(huán)平面施加面壓力constant value=2646111Pa。約束和載荷施加完成后，對(duì)升降板進(jìn)行求解。求解完成后，進(jìn)入通用后處理器，查看計(jì)算結(jié)果，得到應(yīng)力云圖如圖9所示。

由升降板的應(yīng)力云圖可知，升降板兩端的應(yīng)力較小，中間應(yīng)力較大，應(yīng)力分布的特點(diǎn)和實(shí)際情況相符，說明對(duì)升降板的應(yīng)力分析正確。由分析結(jié)果可知升降板受到的最大應(yīng)力為135MPa，小于許用應(yīng)力[δ]（[δ]δ_s/S=177.5MPa），所以升降板滿足強(qiáng)度條件，能夠可靠地進(jìn)行工作。

5 結(jié)束語

本文對(duì)獨(dú)立平滑加卸載裝置的原理和相關(guān)功能要求進(jìn)行分析，按實(shí)際的安裝條件確定裝置結(jié)構(gòu)方案，對(duì)加卸載裝置中的重要零件進(jìn)行了受力分析，并在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上使用ANSYS軟件對(duì)加卸載裝置中的關(guān)鍵零件進(jìn)行應(yīng)力分析，驗(yàn)證關(guān)鍵零件的可靠性，使加卸載可以安全可靠的工作。經(jīng)過試驗(yàn)證明該裝置達(dá)到了預(yù)期效果，減小了加卸載過程的剛性沖擊和“逆程”現(xiàn)象，提高了力值曲線平滑性，對(duì)傳感器的測(cè)試性能和精度標(biāo)定起到了重要作用。