摘要：在测力仪的研制与标定过程中，需要具备一定刚度与精度、操作便捷、自锁性可靠且加载范围适宜的专用加载与标定设备。根据各类测力仪的实际需要，研制多功能的测力仪标定加载器，具有极为重要的意义。本文即介绍一种多功能测力仪标定加载器。
关键词：测力仪；标定加载器；多功能；结构与原理
测力仪是用于测量各种力值或载荷的便携式计量仪器，可测拉力和压力，在电气、包装、汽车工业、医疗、食品加工等诸多领域有着较为广泛的应用。工程中所用的测力仪一般是通过将力矩载荷或者力载荷转化为相应的电信号，再经过转换，获得载荷数值。在测力仪的研制与标定过程中，需要专用的加载与标定设备。如压电测力仪封装之后、使用之前，必须进行一次全面的技术上和性能上的标定，以检测该压电测力仪的技术性能指标是否达到设计的相关要求，同时建立输入与输出之间的关系。本文介绍一种多功能测力仪标定加载器，该装置具有结构简单、操作便捷、性能稳定等特点，适用于压电测力仪的静态灵敏度、重复性、线性、滞后以及横向干扰等指标的标定。
1 多功能测力仪标定加载器的结构
该装置由底座、横梁、支撑螺栓、水平即铅垂力加载机构、提升机构等构成。结构见图1。
1 底座 2 支撑螺柱 3 测力计组件 4 锁紧螺母 5 铅垂加载机构支架 6 钢丝绳 7 横梁 8 提升机构 9 测力仪安装基座 10 测力仪 11 铅垂加载机构 12 可调水平加载机构 13 固定水平加载机构 14 提升摇把
图1 多功能测力仪标定加载器
该装置的底座由不同厚度的钢板焊接而成，底座上安装有支撑螺柱，以确保整个装置具有一定的稳定性与刚度。两个支撑螺柱采用45号结构钢经调质处理支撑，其梯形螺纹能够在正常工况下承受铅垂力加载机构的自重以及该机构施加的拉压载荷。因此，底座与支撑螺柱均有足够的刚度、稳定性，能够保证其与底座上平面的垂直度。此外，底座台面选择厚度为50mm的热轧钢板，确保该装置在最大铅垂载荷下的正常运行。
在铅垂力加载机构的设计上，采用了蜗轮蜗杆机构和滑动螺旋副结构，以确保操作者能够通过摇动手柄产生足够的铅垂载荷。借助底座板中间的螺纹孔对加载对象进行固定，进而形成较大的拉力，在拆卸测力仪中预紧力较大的部件时，具有较大的优势。水平加载机构借助摇动手轮带动螺杆转动，在设计上，受到防转销的限制，螺套只能作前后移动，而不能实现转动，具有一定的自锁性。提升机构由钢丝绳、滑轮以及蜗轮蜗杆减速器组成，对铅垂力加载机构的升降有着十分重要的作用。
2 多功能测力仪标定加载器的工作原理
在压电测力仪的标定过程中，要实现静态标定，首先需要明确压电三向力传感器或者测力仪的测量特性：将作用于其上的任意一个方向的力自动分解到仪器制作过程中所设定的三维正交坐标系的三个坐标轴上，并分别由各个方向上的敏感单元进行感知与输出。因此，压电三向力传感器或者测力仪的标定，应当在所设定的三维正交坐标系的坐标轴方向上分别施加标准力。
在三向力与扭矩的标定中，铅垂力加载机构与水平力加载机构具有极为重要的作用。水平加载机构要求能够在水平面内产生两个相互垂直的力，通过螺套中防转销的作用以及其可靠的自锁性，手轮的转动能够转变为螺套的直线移动，所施加的力的作用也能够依靠螺纹的自锁性保持。在螺套的前端，安装有三级标准测力环，能够对所标定的力值进行直接读取。铅垂力加载机构则与之相似，通过摇动手柄，产生一定的铅垂加载力。在铅垂力加载机构的螺套顶端，同样安装有三级标准测力环，其所标定的力值，能够通过测力环的感知进行直接读取。此外，两个可调水平力加载机构的下部设置有燕尾槽结构，能够通过旋动螺母调整楔块的高低，从而达到平移、松开或者锁紧加载机构，并根据加载力矩、所选测力计决定平移的距离。在仅加载力矩时，只需要可调水平力加载机构即可；在仅测定三向力时，可将其中一个可调水平力加载机构调整至对中位置并与铅垂力加载机构、固定水平力加载机构组成三向加载系统。
3 多功能测力仪标定加载器的检定
多功能测力仪标定加载器作为测力仪研制、生产、标定中的一种重要装置，在检测测力仪技术性能指标的过程中具有十分重要的意义。要保证最终测定的结果是可靠的，就必须在标定加载器的设计等方面做出改进，确保标定装置具有一定的精度与刚度。因此，从应用的角度来看，全面的技术和性能标定，需要可靠、稳定的标定装置。基于标定装置的这一严格要求，在将其投入使用之前，还必须对该装置的精度以及刚度进行检定，确保该装置能够满足测力仪标定的具体要求。
标定装置的设计需要结合所标定对象（测力仪）本身的技术性能特点，同时具备足够的精度储备，以满足实际标定工作的需求。在对该标定装置的精度指标进行实测的过程中发现，该标定装置具有较高的使用精度，能够较好的满足测力仪的标定需要。以X、Y、Z三轴的汇交为例，根据测力仪的要求，任意两轴中心线的汇交误差不应大于0.05mm；对该装置的实测结果进行分析，X、Y轴中心线汇交误差为0.014mm，Y、Z轴中心线汇交误差为0.019mm，X、Z轴中心线汇交误差为0.018mm，均显著低于0.05mm这一临界值。
在标定装置的设计过程中，其刚度将对装置的稳定、持久工作产生直接影响。根据刚度的定义，刚度是装置的各项加载机构在承受最大载荷时影响被测元件标定精度的主要构件的变形程度，确保标定装置达到一定的刚度，是装置正常工作的重要保障。因此，对标定装置的刚度进行实测具有十分重要的现实意义。根据实测结果，该装置的X向刚度为83920N/mm，Y向刚度为104740N/mm，Z向刚度为217130N/mm，完全满足了测力仪标定的相关要求。
综上，该标定装置的精度与刚度较好的满足了测力仪标定的具体要求，对标定工作的稳定性以及标定结果的可靠性起到了重要的保障作用。
4 结语
在测力仪的技术性能指标检测中，标定加载器是其重要装置之一，对确保测力仪技术性能指标达到设计要求具有重要意义。基于标定装置的稳定性、可靠性以及结构简单、操作方便等需求，本文介绍了一种多功能测力仪标定加载器，经实测结果分析，精度与刚度均符合相关规定给出的标准，提示该标定装置能够满足测力仪标定的实际需求，对测力仪的静态标定等有重要意义。
参考文献：
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[2] 黄才贵，张更娥.自动变速器试验台加载测力装置标定误差研究[J].汽车实用技术，2017（24）：86-88.
论文作者:杨震南,金君
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：加载论文; 装置论文; 刚度论文; 机构论文; 多功能论文; 载荷论文; 底座论文; 《基层建设》2018年第34期论文;