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摘要：在原有静重式力标准机基础上，提出一种新型独立平滑柔性加卸载装置，通过对该独立平滑柔性加卸载装置功能原理和结构装置的分析，完成对该装置的结构设计，并汪明该装置能满足静重式力标准机的功能要求。实测结果表明：该装置能有效解决静重式力标准机在加载过程中出现的“逆程”现象和附性冲击，以及提高静重式力标准机的测试精度，达到预期目的。
关键词：静重式力标准机；独立平滑加载；逆程；结构设计
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）03-0082-04
0 引言
目前国内外静重式力标准机，影响其测试精度和效率的共同原因就是“逆程”现象。为了消除或减小“逆程”现象对标定结果的影响，国内外都进行了大量的研究工作，如美国采用累进式方法进行加卸载，德国等西欧国家采用液压伺服补偿的方法来减小“逆程”现象，日本则采用瞬时抱紧的方法来避免“逆程”现象等；我国在解决力标准机的“逆程”问题方面也做了很多的研究，手动/电动千斤顶式的补偿方法在长期实践中也得到大力发展。
为避免力标准机在测试过程中存在的较强的刚性冲击和“逆程”现象，本文提出一种独立平滑加卸载装置，该装置可使加卸载过程中的力值曲线平滑，提高传感器的测试精度和测试效率，并减少对被测传感器的影响，为实现静重式力标准机平滑加卸载提供保证。
1 独立平滑加卸载装置功能分析
独立平滑加卸载装置的结构设计是基于现有力标准机提出的，应满足以下要求：1）加卸载装置的加卸载行程要达到30mm，并且加卸载装置的承载能力要大于2kN；2）能满足平滑加卸载要求，具有自适应功能；3）能对加卸载行程进行控制；4）砝码加卸载时，中心吊杆不能出现严重的摆动现象；5）加卸载装置应有自锁功能，并能方便地安装调试和维护；6）加卸载装置应有超行程安全保护功能、结构紧凑，效率高等。
2 原理方案设计
2.1 力标准机总体原理方案设计
现有力标准机中，采用4套凸轮式加卸载装置升降一块砝码，4套凸轮装置分别安装4根立柱上面，虽然理论上4套加卸载装置可以实现同步升降，但由于安装等误差的存在不可能实现4点同时接触，因此加卸载装置容易因过载而损坏。本文采用一种新型的独立平滑柔性加卸载装置。该装置分布在两根立柱之间并由两根立柱支撑，采用对称分布在4根立柱上，这样原来的4套凸轮装置由两套独立平滑柔性加卸载装置所代替，再在该独立平滑柔性加卸载装置上面安装柔性原件，这样加卸载装置可以实现柔性地加卸载。由于两个加卸载装置加卸砝码时的升降力都是逐渐变化的，而且这种加卸载装置的同步误差较小，不同步两个加卸载装置的升降力也相差较小，这样就使得该装置能够自适应调节。其改进前后的升降装置分布图如图1所示。
由改进后的独立平滑柔性加码装置分布图可知，要实现砝码的平滑柔性加载，还必须有独立平滑加载的系统控制方案设计。采用半闭环控制方式来保证伺服电机的转动角度和指令要求的角度一致，该独立平滑加卸载控制示意图如图2所示。
2.2 独立平滑加卸载装置原理方案设计
通过前面的力标准机总体方案设计可知，要使力标准机实现独立平滑加载，每个砝码都必须有两套独立平滑加卸载装置，并且两套装置要关于砝码平面对称布置。加载装置须将交流伺服电机的旋转运动转化成直线运动，实现加卸载运动执行构件升降板的升降运动。要实现柔性加卸载，该装置还需具备柔性支承结构。由于升降板是加卸载运动执行构件，所以应在升降板上安装弹簧，以实现柔性加卸载功能，该独立平滑柔性加卸载装置原理图如图3所示。
由图可知，交流伺服电机的旋转通过蜗杆蜗轮减速器减速和换向后成为丝杆在竖直方向上的转动。将丝杆的位置固定，使用丝杆螺母机构将丝杆的旋转运动转换成螺母的直线运动，在滚珠螺母上安装升降板，升降板就能随滚珠螺母上下运动，在升降板上安装螺旋弹簧，作为柔性支撑点，就可以避免加卸载过程中出现刚性冲击。使砝码作用在加卸载装置上的作用力与螺旋弹簧的变形量成正比，这样就便于加卸载过程的控制，实现柔性加卸载。这种自适应的设计，可以使得砝码加卸载过程平稳，有利于实现平滑加卸载。
3 独立平滑加卸载装置结构设计
3.1 独立平滑加卸载功能实现原理
由图3可知要实现砝码的柔性平滑加卸载就必须避免加卸载装置和砝码的快速刚性接触，让砝码先和加载装置上的柔性元件接触，然后通过柔性元件的自适应装置将砝码缓慢放在加载装置的升降板上，该装置采用螺旋压缩弹簧为柔性原件。压缩弹簧和导向套接触，当压缩弹簧处于自由状态时，由于导向套重量较轻，弹簧仍相当于处在原始位置，此时导向套的上盖下表面与升降板之间留有一段距离设为厶，该距离即为导向套与砝码从接触到整个砝码的质量都加载到升降板上面的缓冲距离。当砝码开始与导向套接触时，弹簧开始被压缩，当弹簧的变形量大于△s时，导向套开始与升降板接触，此时砝码的全部质量加载到了升降板上。此过程能否平滑加载不仅跟螺旋压缩弹簧的刚度有关，还与整个过程的时间有关。当刚度一定时，要使加卸载曲线趋于平滑就必须控制缓冲过程的时间，该时间则由伺服电机和控制系统决定。该螺旋压缩弹簧安装示意图如图4所示。
3.2 独立平滑加卸载装置的结构设计
独立平滑加卸载装置的整体结构如图5所示。该装置通过支撑座水平安装在两个立柱的转角上。由图可知，伺服电机在控制系统的控制下转动，电机的转动通过联轴器传递给蜗杆蜗轮减速器。蜗杆蜗轮减速器输入轴的转动经减速器减速和换向后，输出的运动是丝杆轴的转动，在丝杆上安装滚珠螺母，通过丝杆螺母结构将丝杆的旋转运动转化成滚珠螺母的直线运动，并在滚珠螺母上安装升降板，使得升降板就能跟随滚珠螺母一起在丝杆上上下运动，从而实现砝码的加载和卸载。
升降板是砝码加卸载装置中的关键零件，砝码的加卸载通过升降板的上下运动实现，故将螺旋压缩弹簧安装在升降板上。一个砝码的加卸载由两套加卸载装置共同完成，为了增加砝码加卸载过程中的稳定性，将螺旋压缩弹簧安装在升降板的两端。为提高螺旋压缩弹簧的工作可靠性并避免失稳现象，针对弹簧的结构尺寸设计了一个导向套对弹簧进行导向。同时，为了防止弹簧的自由转动，在升降板上安装螺旋弹簧的位置处，对称设计两个螺钉孔，通过安装限位螺钉来限制弹簧的自由转动。弹簧的安装结构剖面图如图6所示。 该独立平滑加卸载装置应该具有自锁功能，但因其安装空间较小，不能设计专门的锁紧结构；因此，采用局部结构的自锁来实现加卸载装置整体的自锁功能。滚珠丝杆螺母副没有自锁功能，不能实现自锁的目的。而蜗杆蜗轮传动中，当蜗杆的导程角γ小于啮合轮齿间的当量摩擦角φ时，逆向行程具有自锁性，所以通过蜗杆蜗轮减速器的自锁性来实现独立平滑加卸载装置的自锁功能。
4 独立平滑加载装置结构分析
对独立平滑加卸载装置中受载较大的关键零件采用有限元分析法进行结构静力学分析，以验证其是否满足强度要求。这里应用ANSYS有限元分析软件对重要零件进行应力分析。由于升降板是砝码加卸载装置中最关键的零件，所以主要对升降板进行静力分析，设计完成后的升降板如图7所示。
在ANSYS软件中完成材料属性设置后，定义单元类型，再设置网格划分的相关参数并对其进行网格划分，如图8所示。
网格划分完成后，将模型的分析类型定义为静力分析，设置相关分析选项后施加约束和载荷。对升降板施加约束和载荷，其中升降板安装圆环面的位移量All dof=0，离升降板安装孔较近一端圆环平面施加面压力constant value=3038338Pa，离升降板安装孔较远一端圆环平面施加面压力constant value=2646111Pa。约束和载荷施加完成后，对升降板进行求解。求解完成后，进入通用后处理器，查看计算结果，得到应力云图如图9所示。
由升降板的应力云图可知，升降板两端的应力较小，中间应力较大，应力分布的特点和实际情况相符，说明对升降板的应力分析正确。由分析结果可知升降板受到的最大应力为135MPa，小于许用应力[δ]（[δ]δs/S=177.5MPa），所以升降板满足强度条件，能够可靠地进行工作。
5 结束语
本文对独立平滑加卸载装置的原理和相关功能要求进行分析，按实际的安装条件确定装置结构方案，对加卸载装置中的重要零件进行了受力分析，并在具体结构设计的基础上使用ANSYS软件对加卸载装置中的关键零件进行应力分析，验证关键零件的可靠性，使加卸载可以安全可靠的工作。经过试验证明该装置达到了预期效果，减小了加卸载过程的刚性冲击和“逆程”现象，提高了力值曲线平滑性，对传感器的测试性能和精度标定起到了重要作用。
关键词：静重式力标准机；独立平滑加载；逆程；结构设计
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）03-0082-04
0 引言
目前国内外静重式力标准机，影响其测试精度和效率的共同原因就是“逆程”现象。为了消除或减小“逆程”现象对标定结果的影响，国内外都进行了大量的研究工作，如美国采用累进式方法进行加卸载，德国等西欧国家采用液压伺服补偿的方法来减小“逆程”现象，日本则采用瞬时抱紧的方法来避免“逆程”现象等；我国在解决力标准机的“逆程”问题方面也做了很多的研究，手动/电动千斤顶式的补偿方法在长期实践中也得到大力发展。
为避免力标准机在测试过程中存在的较强的刚性冲击和“逆程”现象，本文提出一种独立平滑加卸载装置，该装置可使加卸载过程中的力值曲线平滑，提高传感器的测试精度和测试效率，并减少对被测传感器的影响，为实现静重式力标准机平滑加卸载提供保证。
1 独立平滑加卸载装置功能分析
独立平滑加卸载装置的结构设计是基于现有力标准机提出的，应满足以下要求：1）加卸载装置的加卸载行程要达到30mm，并且加卸载装置的承载能力要大于2kN；2）能满足平滑加卸载要求，具有自适应功能；3）能对加卸载行程进行控制；4）砝码加卸载时，中心吊杆不能出现严重的摆动现象；5）加卸载装置应有自锁功能，并能方便地安装调试和维护；6）加卸载装置应有超行程安全保护功能、结构紧凑，效率高等。
2 原理方案设计
2.1 力标准机总体原理方案设计
现有力标准机中，采用4套凸轮式加卸载装置升降一块砝码，4套凸轮装置分别安装4根立柱上面，虽然理论上4套加卸载装置可以实现同步升降，但由于安装等误差的存在不可能实现4点同时接触，因此加卸载装置容易因过载而损坏。本文采用一种新型的独立平滑柔性加卸载装置。该装置分布在两根立柱之间并由两根立柱支撑，采用对称分布在4根立柱上，这样原来的4套凸轮装置由两套独立平滑柔性加卸载装置所代替，再在该独立平滑柔性加卸载装置上面安装柔性原件，这样加卸载装置可以实现柔性地加卸载。由于两个加卸载装置加卸砝码时的升降力都是逐渐变化的，而且这种加卸载装置的同步误差较小，不同步两个加卸载装置的升降力也相差较小，这样就使得该装置能够自适应调节。其改进前后的升降装置分布图如图1所示。
由改进后的独立平滑柔性加码装置分布图可知，要实现砝码的平滑柔性加载，还必须有独立平滑加载的系统控制方案设计。采用半闭环控制方式来保证伺服电机的转动角度和指令要求的角度一致，该独立平滑加卸载控制示意图如图2所示。
2.2 独立平滑加卸载装置原理方案设计
通过前面的力标准机总体方案设计可知，要使力标准机实现独立平滑加载，每个砝码都必须有两套独立平滑加卸载装置，并且两套装置要关于砝码平面对称布置。加载装置须将交流伺服电机的旋转运动转化成直线运动，实现加卸载运动执行构件升降板的升降运动。要实现柔性加卸载，该装置还需具备柔性支承结构。由于升降板是加卸载运动执行构件，所以应在升降板上安装弹簧，以实现柔性加卸载功能，该独立平滑柔性加卸载装置原理图如图3所示。
由图可知，交流伺服电机的旋转通过蜗杆蜗轮减速器减速和换向后成为丝杆在竖直方向上的转动。将丝杆的位置固定，使用丝杆螺母机构将丝杆的旋转运动转换成螺母的直线运动，在滚珠螺母上安装升降板，升降板就能随滚珠螺母上下运动，在升降板上安装螺旋弹簧，作为柔性支撑点，就可以避免加卸载过程中出现刚性冲击。使砝码作用在加卸载装置上的作用力与螺旋弹簧的变形量成正比，这样就便于加卸载过程的控制，实现柔性加卸载。这种自适应的设计，可以使得砝码加卸载过程平稳，有利于实现平滑加卸载。
3 独立平滑加卸载装置结构设计
3.1 独立平滑加卸载功能实现原理
由图3可知要实现砝码的柔性平滑加卸载就必须避免加卸载装置和砝码的快速刚性接触，让砝码先和加载装置上的柔性元件接触，然后通过柔性元件的自适应装置将砝码缓慢放在加载装置的升降板上，该装置采用螺旋压缩弹簧为柔性原件。压缩弹簧和导向套接触，当压缩弹簧处于自由状态时，由于导向套重量较轻，弹簧仍相当于处在原始位置，此时导向套的上盖下表面与升降板之间留有一段距离设为厶，该距离即为导向套与砝码从接触到整个砝码的质量都加载到升降板上面的缓冲距离。当砝码开始与导向套接触时，弹簧开始被压缩，当弹簧的变形量大于△s时，导向套开始与升降板接触，此时砝码的全部质量加载到了升降板上。此过程能否平滑加载不仅跟螺旋压缩弹簧的刚度有关，还与整个过程的时间有关。当刚度一定时，要使加卸载曲线趋于平滑就必须控制缓冲过程的时间，该时间则由伺服电机和控制系统决定。该螺旋压缩弹簧安装示意图如图4所示。
3.2 独立平滑加卸载装置的结构设计
独立平滑加卸载装置的整体结构如图5所示。该装置通过支撑座水平安装在两个立柱的转角上。由图可知，伺服电机在控制系统的控制下转动，电机的转动通过联轴器传递给蜗杆蜗轮减速器。蜗杆蜗轮减速器输入轴的转动经减速器减速和换向后，输出的运动是丝杆轴的转动，在丝杆上安装滚珠螺母，通过丝杆螺母结构将丝杆的旋转运动转化成滚珠螺母的直线运动，并在滚珠螺母上安装升降板，使得升降板就能跟随滚珠螺母一起在丝杆上上下运动，从而实现砝码的加载和卸载。
升降板是砝码加卸载装置中的关键零件，砝码的加卸载通过升降板的上下运动实现，故将螺旋压缩弹簧安装在升降板上。一个砝码的加卸载由两套加卸载装置共同完成，为了增加砝码加卸载过程中的稳定性，将螺旋压缩弹簧安装在升降板的两端。为提高螺旋压缩弹簧的工作可靠性并避免失稳现象，针对弹簧的结构尺寸设计了一个导向套对弹簧进行导向。同时，为了防止弹簧的自由转动，在升降板上安装螺旋弹簧的位置处，对称设计两个螺钉孔，通过安装限位螺钉来限制弹簧的自由转动。弹簧的安装结构剖面图如图6所示。 该独立平滑加卸载装置应该具有自锁功能，但因其安装空间较小，不能设计专门的锁紧结构；因此，采用局部结构的自锁来实现加卸载装置整体的自锁功能。滚珠丝杆螺母副没有自锁功能，不能实现自锁的目的。而蜗杆蜗轮传动中，当蜗杆的导程角γ小于啮合轮齿间的当量摩擦角φ时，逆向行程具有自锁性，所以通过蜗杆蜗轮减速器的自锁性来实现独立平滑加卸载装置的自锁功能。
4 独立平滑加载装置结构分析
对独立平滑加卸载装置中受载较大的关键零件采用有限元分析法进行结构静力学分析，以验证其是否满足强度要求。这里应用ANSYS有限元分析软件对重要零件进行应力分析。由于升降板是砝码加卸载装置中最关键的零件，所以主要对升降板进行静力分析，设计完成后的升降板如图7所示。
在ANSYS软件中完成材料属性设置后，定义单元类型，再设置网格划分的相关参数并对其进行网格划分，如图8所示。
网格划分完成后，将模型的分析类型定义为静力分析，设置相关分析选项后施加约束和载荷。对升降板施加约束和载荷，其中升降板安装圆环面的位移量All dof=0，离升降板安装孔较近一端圆环平面施加面压力constant value=3038338Pa，离升降板安装孔较远一端圆环平面施加面压力constant value=2646111Pa。约束和载荷施加完成后，对升降板进行求解。求解完成后，进入通用后处理器，查看计算结果，得到应力云图如图9所示。
由升降板的应力云图可知，升降板两端的应力较小，中间应力较大，应力分布的特点和实际情况相符，说明对升降板的应力分析正确。由分析结果可知升降板受到的最大应力为135MPa，小于许用应力[δ]（[δ]δs/S=177.5MPa），所以升降板满足强度条件，能够可靠地进行工作。
5 结束语
本文对独立平滑加卸载装置的原理和相关功能要求进行分析，按实际的安装条件确定装置结构方案，对加卸载装置中的重要零件进行了受力分析，并在具体结构设计的基础上使用ANSYS软件对加卸载装置中的关键零件进行应力分析，验证关键零件的可靠性，使加卸载可以安全可靠的工作。经过试验证明该装置达到了预期效果，减小了加卸载过程的刚性冲击和“逆程”现象，提高了力值曲线平滑性，对传感器的测试性能和精度标定起到了重要作用。