本發(fā)明涉及力值測量領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置。

背景技術(shù)：

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可分為靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式四種型式。本發(fā)明類屬于靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是由砝碼的重力作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)按預(yù)定順序自動平穩(wěn)地把負(fù)荷直接施加到被檢測力儀上的裝置。靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常由靜重砝碼、砝碼吊掛系統(tǒng)、砝碼加卸系統(tǒng)、加荷框架、電氣控制系統(tǒng)等組成，其最小力值一般由砝碼吊掛系統(tǒng)和加荷框架產(chǎn)生的重力得到，最大力值與最小力值之比通常不超過100：1。為了擴(kuò)展力值測量范圍的下限，一些新型的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用平衡機(jī)構(gòu)平衡掉砝碼吊掛系統(tǒng)和加荷框架的重量，其初級負(fù)荷即為第一級砝碼復(fù)現(xiàn)的力值。目前，采用這種平衡機(jī)構(gòu)的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，通常采用刀口支撐方式支撐主梁。但刀口支撐方式的摩擦力較大，并且刀子、刀承間的自由度較大，不利于靜重式力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼的準(zhǔn)確定位和微小力值的復(fù)現(xiàn)。

因此有必要研發(fā)一種測量更為準(zhǔn)確的，基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，測量范圍為1mn-10n，最大力值與最小力值之比為10000：1，力值不確定度達(dá)到u＝0.01％(k＝2)，在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，解決了高準(zhǔn)確度微小力值傳感器的量值溯源問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，包括：

機(jī)架，所述機(jī)架固定在底座上；

主梁，所述主梁設(shè)置在所述機(jī)架的頂部；

氣浮軸承，所述氣浮軸承支撐所述主梁；

加荷框架，所述加荷框架懸掛在所述主梁的一端；

砝碼吊掛系統(tǒng)，所述砝碼吊掛系統(tǒng)連接于所述加荷框架底部；

內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)，所述內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述主梁的另一端。

優(yōu)選地，所述主梁通過主軸與所述氣浮軸承連接，所述主梁通過所述氣浮軸承的轉(zhuǎn)子和定子間的氣膜支撐。

優(yōu)選地，所述加荷框架包括：加荷框架上橫梁、多個吊桿、加荷框架下橫梁及升降工作臺，所述多個吊桿連接所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁，所述升降工作臺設(shè)置在所述吊桿上，位于所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁之間。

優(yōu)選地，所述加荷框架還包括：刀口式萬向節(jié)，所述刀口式萬向節(jié)設(shè)置在所述升降工作臺底部及所述加荷框架下橫梁上。

優(yōu)選地，所述加荷框架通過薄鋼帶懸掛于所述主梁一端，所述薄鋼帶中部設(shè)置有90°換向機(jī)構(gòu)。

優(yōu)選地，還包括平衡微調(diào)機(jī)構(gòu)，所述平衡微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述主梁中部。

優(yōu)選地，所述砝碼吊掛系統(tǒng)包括：吊掛桿及多個托盤，所述多個托盤沿所述吊掛桿豎直方向依次設(shè)置，所述吊掛桿的頂部連接于所述加荷框架底部。

優(yōu)選地，還包括砝碼加卸載系統(tǒng)，所述砝碼加卸載系統(tǒng)包括：砝碼支架、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平移動機(jī)構(gòu)及垂直移動機(jī)構(gòu)，所述砝碼支架設(shè)置在水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，所述水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在水平移動機(jī)構(gòu)的一端，所述水平移動機(jī)構(gòu)的另一端設(shè)置在所述垂直移動機(jī)構(gòu)上，所述垂直移動機(jī)構(gòu)固定在所述底座上。

優(yōu)選地，還包括間隙夾緊機(jī)構(gòu)，所述間隙夾緊機(jī)構(gòu)對稱設(shè)置于所述主梁兩側(cè)。

優(yōu)選地，還包括激光位移傳感器，所述激光位移傳感器設(shè)置在所述基座上，位于所述氣浮軸承兩側(cè)。

本發(fā)明的有益效果在于：通過使用氣浮軸承支撐主梁為主梁提供了一個單一自由度的支撐，實(shí)現(xiàn)了主軸方向自由旋轉(zhuǎn)，限制了主梁其它方向的自由度，減小了摩擦力，確保了砝碼加卸時(shí)的準(zhǔn)確定位。基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量范圍為1mn-10n，最大力值與最小力值之比為10000：1，力值不確定度達(dá)到u＝0.01％(k＝2)，在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，解決了高準(zhǔn)確度微小力值傳感器的量值溯源問題。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。

附圖說明

通過結(jié)合附圖對本發(fā)明示例性實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置主視圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置左視圖。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的氣浮軸承的連接結(jié)構(gòu)放大示意圖。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的升降工作臺及加荷框架放大示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

1、氣浮軸承；2、主梁；3、加荷框架；4、機(jī)架；5、砝碼吊掛系統(tǒng)；6、砝碼加卸載系統(tǒng)；7、大理石平臺；8、內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)；9、平衡微調(diào)機(jī)構(gòu)；10、間隙夾緊機(jī)構(gòu)；11、激光位移傳感器；12、吊桿；13、升降工作臺；14、精密直線運(yùn)動模組；15、加荷框架基座；16、加荷框架支座。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明。雖然附圖中顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本發(fā)明更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈景l(fā)明的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

根據(jù)本發(fā)明的一種基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，包括：

機(jī)架，所述機(jī)架固定在底座上；

主梁，所述主梁設(shè)置在所述機(jī)架的頂部；

氣浮軸承，所述氣浮軸承支撐所述主梁；

加荷框架，所述加荷框架懸掛在所述主梁的一端；

砝碼吊掛系統(tǒng)，所述砝碼吊掛系統(tǒng)連接于所述加荷框架底部；

內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)，所述內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述主梁的另一端。

具體地，通過使用氣浮軸承支撐主梁為主梁提供了一個單一自由度的支撐，實(shí)現(xiàn)了主軸方向自由旋轉(zhuǎn)，限制了主梁其它方向的自由度，減小了摩擦力，確保了砝碼加卸時(shí)的準(zhǔn)確定位。基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量范圍為1mn-10n，最大力值與最小力值之比為10000：1，力值不確定度達(dá)到u＝0.01％(k＝2)，在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，解決了高準(zhǔn)確度微小力值傳感器的量值溯源問題。

具體地，主梁的一端懸掛一個加荷框架和一個砝碼吊掛系統(tǒng)，另一端是一個內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)裝置空載狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)內(nèi)的平衡砣將加荷框架和砝碼吊掛系統(tǒng)的重量平衡掉。

在一個示例中，所述主梁通過主軸與所述氣浮軸承連接，所述主梁通過所述氣浮軸承的轉(zhuǎn)子和定子間的氣膜支撐。

具體地，氣浮軸承采用靜壓軸承原理，通過穩(wěn)定、干燥、清潔的高壓氣源和節(jié)流器，在轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生厚度極小的均勻的高強(qiáng)度氣膜，減小了摩擦力，實(shí)現(xiàn)對所述主梁及負(fù)載的支撐。

在一個示例中，所述加荷框架包括：加荷框架上橫梁、多個吊桿、加荷框架下橫梁及升降工作臺，所述多個吊桿連接所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁，所述升降工作臺設(shè)置在所述吊桿上，位于所述加荷框架上橫梁及所述加荷框架下橫梁之間。

在一個示例中，所述加荷框架還包括：刀口式萬向節(jié)，所述刀口式萬向節(jié)設(shè)置在所述升降工作臺底部及所述加荷框架下橫梁上。

具體地，被測壓向力傳感器設(shè)置在所述升降工作臺上部；被測拉向力傳感器設(shè)置在所述升降工作臺下部，通過設(shè)置在所述工作臺下部及加荷框架下橫梁上的刀口式萬向節(jié)連接于加荷框架下橫梁。

更優(yōu)選地，多個吊桿的個數(shù)為四個。

具體地，本發(fā)明采用一個四吊桿框架結(jié)構(gòu)的加荷框架，在框架的上下橫梁間設(shè)置一個由精密直線運(yùn)動模組帶動的升降工作臺。升降工作臺與四吊桿框架上橫梁組成壓向力試驗(yàn)空間；升降工作臺與四吊桿框架下橫梁組成拉向力試驗(yàn)空間。被測壓向力傳感器設(shè)置在工作平臺上部；被測拉向力傳感器設(shè)置在工作平臺下部，并通過上下兩個刀口式萬向節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)裝置相連。升降工作臺由伺服電機(jī)精確控制位移，伺服電機(jī)設(shè)置在機(jī)架上，調(diào)整壓向力或拉向力試驗(yàn)空間。當(dāng)砝碼的加卸及被測力傳感器的變形使主梁偏離其平衡位置時(shí)，激光位移傳感器測量該位移，并通過伺服電機(jī)驅(qū)動調(diào)整工作臺移動，使主梁重新回到其初始平衡位置。本發(fā)明在加荷框架下部的拉向力試驗(yàn)空間，采用微型刀口式萬向節(jié)，確保拉向力傳感器受力軸線與重力軸線的一致。這種萬向節(jié)型式首次在力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中采用。

具體地，刀口式萬向節(jié)包括：萬向節(jié)拉頭、刀口、十字頭、萬向節(jié)座，萬向節(jié)拉頭、刀口及十字頭依次連接固定在萬向節(jié)座上。刀口萬向節(jié)設(shè)置在加荷框架下部的拉力試驗(yàn)空間，在進(jìn)行拉向力傳感器力值測量時(shí)，確保傳感器受力軸線與重力軸線的一致，解決了拉向力傳感器受力軸線與重力軸線同軸調(diào)整的問題。

在一個示例中，所述加荷框架通過薄鋼帶懸掛于所述主梁一端，所述薄鋼帶中部設(shè)置有90°換向機(jī)構(gòu)。

在一個示例中，還包括平衡微調(diào)機(jī)構(gòu)，所述平衡微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述主梁中部。

具體地，主梁中部固定安裝一個平衡微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)其內(nèi)置螺釘，微調(diào)主梁左右及上下位置，使主梁達(dá)到隨遇平衡。

在一個示例中，所述砝碼吊掛系統(tǒng)包括：吊掛桿及多個托盤，所述多個托盤沿所述吊掛桿豎直方向依次設(shè)置，所述吊掛桿的頂部連接于所述加荷框架底部。

更優(yōu)選地，砝碼吊掛系統(tǒng)采用鋁合金及鈦合金材料制作，分為多層，每層兩邊開口，便于砝碼加卸載系統(tǒng)從兩邊放入或取出砝碼。砝碼吊掛系統(tǒng)下端是一套間隙夾緊機(jī)構(gòu)，防止掛架晃動，砝碼加載時(shí)間隙夾緊，測量讀數(shù)時(shí)打開。

在一個示例中，還包括砝碼加卸載系統(tǒng)，所述砝碼加卸載系統(tǒng)包括：砝碼支架、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平移動機(jī)構(gòu)及垂直移動機(jī)構(gòu)，所述砝碼支架設(shè)置在水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，所述水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在水平移動機(jī)構(gòu)的一端，所述水平移動機(jī)構(gòu)的另一端設(shè)置在所述垂直移動機(jī)構(gòu)上，所述垂直移動機(jī)構(gòu)固定在所述底座上。水平移動機(jī)構(gòu)由高精度直線自動滑臺驅(qū)動，垂直移動機(jī)構(gòu)由高精度直線運(yùn)動模組驅(qū)動，水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由高精度旋轉(zhuǎn)模組驅(qū)動，從而保證了砝碼加卸載系統(tǒng)的高精度可靠運(yùn)行。

具體地，砝碼加卸載系統(tǒng)由砝碼支架及三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。砝碼加卸載系統(tǒng)共有2套，分布在砝碼吊掛系統(tǒng)的兩側(cè)。砝碼支架分為10層，每層5個均勻分布在圓周上，砝碼不加載時(shí)就安裝在砝碼支架上。砝碼和砝碼支架之間的定位采用錐形間隙配合、錐面導(dǎo)向、圓柱面定位，間隙不大于0.1mm。當(dāng)進(jìn)行砝碼加載時(shí)，水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將砝碼支架上選定的砝碼組旋轉(zhuǎn)到正對于砝碼吊掛系統(tǒng)的位置；水平移動機(jī)構(gòu)將砝碼組送進(jìn)砝碼吊掛系統(tǒng)；垂直移動機(jī)構(gòu)將砝碼逐個順序施加到砝碼吊掛系統(tǒng)的托盤上。采用與上述相反的過程，實(shí)現(xiàn)砝碼的卸載。

在一個示例中，還包括間隙夾緊機(jī)構(gòu)，所述間隙夾緊機(jī)構(gòu)對稱設(shè)置于所述主梁兩側(cè)。

具體地，間隙夾緊機(jī)構(gòu)為在主梁兩側(cè)對稱分布的移動直線模組，用于實(shí)現(xiàn)主梁的間隙夾緊。

在一個示例中，還包括激光位移傳感器，所述激光位移傳感器設(shè)置在所述基座上，位于所述氣浮軸承兩側(cè)。用來監(jiān)控主梁的位置。

更優(yōu)選地，整套裝置固定在機(jī)架上，并采用玻璃罩密封防止氣流對基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的影響。

更優(yōu)選地，機(jī)架設(shè)置在大理石平臺上。

實(shí)施例1：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置主視圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置左視圖。

如圖1-2所示，該基于氣浮軸承支撐的靜重式微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，包括：

氣浮軸承1、主梁2、帶升降工作臺的加荷框架3、機(jī)架4、砝碼吊掛系統(tǒng)5、砝碼加卸載系統(tǒng)6、大理石平臺7。

裝置采用h型氣浮軸承1來支撐主梁2，減小了摩擦力，提高裝置的靈敏度；同時(shí)氣浮軸承1為主梁2提供了一個單一自由度的支撐，實(shí)現(xiàn)了主軸方向自由旋轉(zhuǎn)，限制了主梁2其它方向的自由度，確保了砝碼加卸時(shí)的準(zhǔn)確定位。

主梁2的一端懸掛一個加荷框架3和一個砝碼吊掛系統(tǒng)5，另一端是一個內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)8。在標(biāo)準(zhǔn)裝置空載狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)內(nèi)置式配重平衡機(jī)構(gòu)8內(nèi)的平衡砣將加荷框架3和砝碼吊掛系統(tǒng)5的重量平衡掉。主梁2中部固定安裝一個平衡微調(diào)機(jī)構(gòu)9，通過調(diào)節(jié)其內(nèi)置螺釘，微調(diào)主梁2左右及上下位置，從而使主梁2達(dá)到隨遇平衡。主梁2兩側(cè)對稱分布兩套由移動直線模組構(gòu)成的間隙夾緊機(jī)構(gòu)10，用于實(shí)現(xiàn)主梁2的間隙夾緊。主梁2的位置由激光位移傳感器11監(jiān)測。

主梁2的一端用薄鋼帶(未示出)懸掛加荷框架3和砝碼吊掛系統(tǒng)5，薄鋼帶中間采用90°換向機(jī)構(gòu)使薄鋼帶上下兩部分成90°懸掛，實(shí)現(xiàn)無附加力的萬向節(jié)功能，使加荷框架3和砝碼吊掛系統(tǒng)5自由懸掛在中心位置。

本實(shí)施例采用一個四吊桿框架結(jié)構(gòu)的加荷框架3，在框架3的上下橫梁間設(shè)置一個由精密直線運(yùn)動模組14帶動的升降工作臺13。加荷框架3通過加荷框架基座15及加荷框架支座16固定在機(jī)架4上，升降工作臺13與四吊桿框架上橫梁組成壓向力試驗(yàn)空間；升降工作臺13與四吊桿框架下橫梁組成拉向力試驗(yàn)空間。被測壓向力傳感器設(shè)置在工作平臺13上部；被測拉向力傳感器設(shè)置在工作平臺13下部，并通過上下兩個刀口式萬向節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)裝置相連。升降工作臺13由伺服電機(jī)精確控制位移，調(diào)整壓向力或拉向力試驗(yàn)空間。當(dāng)砝碼的加卸及被測力傳感器的變形使主梁2偏離其平衡位置時(shí)，激光位移傳感器11測量該位移，并通過伺服電機(jī)驅(qū)動調(diào)整工作臺移動，使主梁2重新回到其初始平衡位置。

本實(shí)施例在加荷框架3下部的拉向力試驗(yàn)空間，采用微型刀口式萬向節(jié)，確保拉向力傳感器受力軸線與重力軸線的一致。

砝碼吊掛系統(tǒng)5采用鋁合金及鈦合金材料制作，以提高裝置靈敏度；分為10層，每層兩邊開口，便于砝碼加載系統(tǒng)從兩邊放入砝碼。砝碼吊掛系統(tǒng)下端是一套間隙夾緊機(jī)構(gòu)，防止掛架晃動，砝碼加卸載時(shí)間隙夾緊，測量讀數(shù)時(shí)打開。

裝置的靜重砝碼共有100支，分為10個量程段，每個量程段10支，分別是：1mn×10、2mn×10、5mn×10、10mn×10、20mn×10、50mn×10、100mn×10、200mn×10、500mn×10、1n×10。其中1mn、2mn、5mn砝碼采用鋁合金材料制造；10mn、20mn、50mn、100mn、200mn、500mn、1n采用不銹鋼材料制造，砝碼最大允許誤差不超過其標(biāo)稱質(zhì)量的±1×10^-5，磁化率較小，滿足力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測量要求。

本實(shí)施例可以配置兩套砝碼加卸載系統(tǒng)6，對稱分布在砝碼吊掛系統(tǒng)5的兩側(cè)。砝碼加卸載系統(tǒng)6由砝碼支架、三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。每套砝碼加卸載系統(tǒng)6有五排支架臂，分別放置五種砝碼，每種十支。當(dāng)進(jìn)行砝碼加載時(shí)，水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將選定的砝碼組旋轉(zhuǎn)到正對于砝碼吊掛系統(tǒng)5的位置；水平移動機(jī)構(gòu)將砝碼組送進(jìn)砝碼吊掛系統(tǒng)5；垂直移動機(jī)構(gòu)將砝碼逐個順序施加到砝碼吊掛系統(tǒng)5的托盤上。采用與上述相反的過程，實(shí)現(xiàn)砝碼的卸載。采用這種方式進(jìn)行加卸載，使砝碼依次加卸，避免了逆程現(xiàn)象。

整套裝置固定在機(jī)架4上，機(jī)架4固定在一個大理石平臺7上。整套裝置采用玻璃罩密封防止氣流對微小力值精密測量的影響。

本發(fā)明可采用全自動和手動兩種操作模式。全自動模式為：按照pc程序的設(shè)定，完成全自動加卸載及力傳感器的檢定、校準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理過程；手動模式為：使用者通過手動設(shè)定，也可完成全部操作過程。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，上面對本發(fā)明的實(shí)施例的描述的目的僅為了示例性地說明本發(fā)明的實(shí)施例的有益效果，并不意在將本發(fā)明的實(shí)施例限制于所給出的任何示例。

以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的各實(shí)施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實(shí)施例。在不偏離所說明的各實(shí)施例的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術(shù)語的選擇，旨在最好地解釋各實(shí)施例的原理、實(shí)際應(yīng)用或?qū)κ袌鲋械募夹g(shù)改進(jìn)，或者使本技術(shù)領(lǐng)域的其它普通技術(shù)人員能理解本文披露的各實(shí)施例。