本發(fā)明涉及風洞應變天平校準加載系統(tǒng)，具體的說是一種基于杠桿增力原理的施力裝置。

背景技術：

當前我國在航空航天飛行器(飛機、火箭、衛(wèi)星、導彈等)設計研發(fā)領域投入巨大、發(fā)展迅速，這些飛行器在正式使用前都要進行風洞吹風實驗，掌握飛行器處于不同速度和各種狀態(tài)下的氣動特性，從而為飛行器的飛行角度、流線型外形設計、氣流對飛行控制的影響等方面提供重要的數(shù)據(jù)資料，以便設計出飛行特性更優(yōu)的飛行器。風洞應變天平就是風洞測力試驗中獲取這些氣動參數(shù)的關鍵核心設備，主要用于測量作用在飛行器模型上的六維空氣動力載荷。如同普通力傳感器的標定，風洞應變天平在使用前也需要經(jīng)過特定裝備的標定才能投入正常使用，這種設備叫做風洞應變天平校準系統(tǒng)。

近年來，大量級連續(xù)式跨聲速風洞設備相繼建成，現(xiàn)有天平校準系統(tǒng)量程較小，與之相配套的大載荷應變天平校準系統(tǒng)尚未建立，從一定程度上限制了這些大型關鍵設備的能力發(fā)揮。調(diào)研現(xiàn)有的天平校準系統(tǒng)，其施力載荷較小，在大載荷天平校準系統(tǒng)研制過程中，使用傳統(tǒng)的施力方式會產(chǎn)生占地面積和設備體積巨大、電器設備選型困難的難題。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于杠桿增力原理的施力裝置，該裝置在充分解決上述難題的前提下，實現(xiàn)天平校準系統(tǒng)的單分支大載荷施力。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種基于杠桿增力原理的施力裝置，包括力傳遞組件、可調(diào)杠桿、力加載組件、橫向調(diào)整機構a、垂向調(diào)整機構、加載支座、橫向調(diào)整機構b、縱向調(diào)整機構、可調(diào)杠桿安裝基座及安裝基座，其中加載支座和安裝基座均與地基固連，垂向調(diào)整機構與加載支座沿豎直方向滑動連接，橫向調(diào)整機構b固連于所述垂向調(diào)整機構的上方，可調(diào)杠桿與所述橫向調(diào)整機構b轉(zhuǎn)動連接，所述力傳遞組件與可調(diào)杠桿的一端固連，所述縱向調(diào)整機構安裝在安裝基座上，所述橫向調(diào)整機構a設置于所述縱向調(diào)整機構上，所述力加載組件設置于橫向調(diào)整機構b上、且上端通過彈性部件與可調(diào)杠桿的另一端連接。

所述力傳遞組件包括施力點構件、鋼帶、球副及力傳感器，其中力傳感器的兩端通過球副分別連接一鋼帶，其中一側(cè)的鋼帶與施力點構件連接，另一側(cè)的鋼帶與所述可調(diào)杠桿連接。

所述可調(diào)杠桿為框架結構，其底邊為直桿，與鋼帶連接的一端為弧形端，所述鋼帶可隨弧形端彎折，所述直桿上沿長度方向設有多個杠桿連接件，所述力加載組件與其中一杠桿連接件連接。

所述施力點構件為“十”字形結構。

所述力加載組件包括電動缸加持座、電動缸及儲能彈簧，其中電動缸加持座通過滑塊與所述橫向調(diào)整機構a4滑動連接，所述電動缸安裝于電動缸夾持座上、并且電動推桿與儲能彈簧的一端連接，所述儲能彈簧的另一端與所述可調(diào)杠桿連接，所述電動缸動作使電動推桿伸長或收縮，改變儲能彈簧的變形量，從而使可調(diào)杠桿上下運動。

所述橫向調(diào)整機構a包括安裝基座a、導軌滑塊a、軸承座a、手輪a、滾珠絲杠a及限位塊a，其中安裝基座a與所述縱向調(diào)整機構連接，所述導軌滑塊a與安裝基座a可沿橫向滑動連接，在所述安裝基座a的四個角分別布置有四個用來限定滑塊行程的限位塊a，所述滾珠絲杠a與安裝于安裝基座a上的軸承座a轉(zhuǎn)動連接，手輪a與所述滾珠絲杠a相連。

所述縱向調(diào)整機構包括安裝基座、導軌c、減速器支座c、滾珠絲杠c、手輪c、減速器c、軸承座c及限位塊c，其中安裝基座的下端與地面固連，上端沿縱向設有所述導軌c，在所述導軌c的兩端分別布置有限位塊c，所述滾珠絲杠c與安裝于安裝基座上的軸承座c轉(zhuǎn)動連接，手輪c通過減速器c與所述滾珠絲杠c相連，所述橫向調(diào)整機構a與所述導軌c滑動連接。

所述橫向調(diào)整機構b包括安裝基座b、導軌滑塊b、軸承座b、滾珠絲杠b、手輪b、減速器b及減速器支座b，其中安裝基座b與所述垂向調(diào)整機構連接，所述滾珠絲杠b與安裝于安裝基座b上的軸承座b上轉(zhuǎn)動連接，手輪b通過安裝在減速器支座b上的減速器b與所述滾珠絲杠b相連，所述導軌滑塊b的下端與安裝基座b可沿橫向滑動連接，上端與所述可調(diào)杠桿連接。

所述導軌滑塊b上連接有可調(diào)杠桿安裝基座，所述可調(diào)杠桿通過轉(zhuǎn)軸與可調(diào)杠桿安裝基座連接。

所述垂向調(diào)整機構包括垂向調(diào)整機構支撐滑臺、軸承座d、滾珠絲杠d、減速器d、手輪d、減速器支座d及導軌滑塊d，其中垂向調(diào)整機構支撐滑臺通過導軌滑塊d與加載支座可沿豎直方向滑動連接，所述滾珠絲杠d與安裝于加載支座軸承座轉(zhuǎn)動連接，手輪d通過安裝在減速器支座d上的減速器d與所述滾珠絲杠d相連。

本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果是：

1.本發(fā)明基于杠桿增力的原理，電動力加載單元由伺服電機和減速器等組件提供動力，并通過杠桿實現(xiàn)加載力的放大，其輸出力可滿足天平校準系統(tǒng)中規(guī)定的加載力極值，加載單元的體積和質(zhì)量較小，便于安裝、調(diào)試和運行。

2.本發(fā)明采用高精度、大負載伺服電動缸為力源，運動精度和力控制精度高，傳力過程配有儲能彈簧，滿足了重載環(huán)境下系統(tǒng)施力穩(wěn)定、步進加載精度高的要求。

3.由于本裝置力傳遞組件中鋼帶具有很好的彎曲特性，在力源輸出力方向不便的條件下，鋼帶可沿可調(diào)杠桿實現(xiàn)水平位置到豎直位置任意角度的施力。

4.本發(fā)明在xyz方向布置了多處調(diào)整機構，在施力前通過搖動各處調(diào)整機構的手輪完成對施力點的調(diào)整與標定，從而保證施力方向和末端的施力點準確作用在目標受力點允許的誤差范圍內(nèi)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為圖1的俯視圖；

圖3為本發(fā)明的橫向調(diào)整機構a和縱向調(diào)整機構的結構示意圖；

圖4為圖3的俯視圖；

圖5為本發(fā)明的橫向調(diào)整機構b的結構示意圖；

圖6為本發(fā)明的可調(diào)杠桿的結構示意圖。

圖中：1為力傳遞組件，2為可調(diào)杠桿，201為直桿，202為弧形端，3為力加載組件，4為橫向調(diào)整機構a，5為垂向調(diào)整機構，6為加載支座，7為橫向調(diào)整機構b，8為縱向調(diào)整機構，9為安裝基座，10為導軌滑塊d，11為施力點構件，12為鋼帶卡頭，13為鋼帶，14為球副連接頭，15為球副，16為力傳感器，17為可調(diào)杠桿安裝基座，18為杠桿連接件，19為彈簧螺母，20為儲能彈簧，21為電動缸，22為連接法蘭，23為電動缸加持座，24為安裝基座a，25為導軌滑塊a，26為軸承座a，27為手輪a，28為滾珠絲杠a，29為限位塊a，30為導軌c，31為減速器支座c，32為滾珠絲杠c，33為手輪c，34為減速器c，35為聯(lián)軸器c，36軸承座c，37為限位塊c，38為安裝基座b，39為導軌滑塊b，40為軸承座b，41為滾珠絲杠b，42為手輪b，43為減速器b，44為減速器支座b，45為聯(lián)軸器b，46為垂向調(diào)整機構支撐滑臺，47為軸承座d，48為滾珠絲杠d，49為聯(lián)軸器d，50為減速器d，51為手輪d，52減速器支座d。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括力傳遞組件1、可調(diào)杠桿2、力加載組件3、橫向調(diào)整機構a4、垂向調(diào)整機構5、加載支座6、橫向調(diào)整機構b7、縱向調(diào)整機構8、可調(diào)杠桿安裝基座17及安裝基座9，其中加載支座6與地基固連；垂向調(diào)整機構5通過導軌滑塊與加載支座6滑動連接；橫向調(diào)整機構b7固連于垂向調(diào)整機構5的上方，可調(diào)杠桿2與橫向調(diào)整機構b7轉(zhuǎn)動連接，力傳遞組件1通過鋼帶連接頭與可調(diào)杠桿2的一端連接；安裝基座9與地基固連，縱向調(diào)整機構8位于安裝基座9之上，并且通過導軌滑塊與安裝基座9滑動連接。橫向調(diào)整機構a4位于縱向調(diào)整機構8的移動滑臺上，并且與移動滑臺固連，力加載組件3位于橫向調(diào)整機構a4上，并且通過滑塊與之滑動連接，力加載組件3的另一端通過彈性部件與可調(diào)杠桿2的另一端連接。

進一步地，橫向調(diào)整機構b7的上方連接有可調(diào)杠桿安裝基座17，可調(diào)杠桿2通過轉(zhuǎn)軸與可調(diào)杠桿安裝基座17轉(zhuǎn)動連接。

力傳遞組件1包括施力點構件11、鋼帶13、鋼帶卡頭12、球副15、球副連接頭14及力傳感器16，其中施力點構件11與鋼帶卡頭12螺紋連接，鋼帶13兩端被鋼帶卡頭12卡住，球副連接頭14一端與鋼帶卡頭12螺紋連接，另一端與球副15一端銷連接，球副15的另一端與力傳感器16螺紋連接，力傳感器16的另一端依次通過另一球副15、球副連接頭14、鋼帶卡頭12、鋼帶13連接，鋼帶13通過鋼帶卡頭12與可調(diào)杠桿2的一端連接。

施力點構件11為“十字”形結構，施力點構件11是保證被校天平加載點施加準確的核心構件，施力點構件11設計的要點在于在滿足結構強度和承載剛度的基礎上盡量減小有效加載橫截面積。所設計的施力點構件設計為一體式結構，采用高強度的30crmnsia材料，經(jīng)線切割加工而成，主體為三段圓柱形結構，相鄰兩段圓柱體之間通過薄鋼片結構連接，兩處薄鋼片結構在空間方位上相互正交，主體兩側(cè)為緊固用螺桿。

如圖6所示，可調(diào)杠桿2為框架結構，其底邊為直桿201，與鋼帶13連接的一端為弧形端202，鋼帶13可隨弧形端202彎折。直桿201與可調(diào)杠桿安裝基座17轉(zhuǎn)動連接，直桿201上沿長度方向設有多個杠桿連接件18，力加載組件3與其中一杠桿連接件18連接。

本發(fā)明的一實施例中，可調(diào)杠桿2為整體鑄造再機加工而成，保證了杠桿自身更優(yōu)的承載能力。杠桿阻力臂一端截面形狀為半圓形，鋼帶13可沿杠桿阻力臂圓形柱面彎曲，從而實現(xiàn)從水平位置到鉛錘方向任意方位的施力，增加了該裝置在風洞應變天平加載系統(tǒng)中的應用范圍；可調(diào)杠桿2的動力臂一端設置四個杠桿連接件18，力加載組件3與不同杠桿連接件18組合，改變動力臂的作用長度，最終實現(xiàn)該施力裝置輸出力值可調(diào)的效果。

力加載組件3包括電動缸加持座23、電動缸21、電動缸連接法蘭22、杠桿連接件18、彈簧連接螺母19及儲能彈簧20，其中電動缸21通過連接法蘭22安裝于電動缸夾持座23上，電動缸加持座23通過滑塊與橫向調(diào)整機構a4滑動連接，電動缸21的電動推桿通過儲能彈簧連接螺母19與儲能彈簧20的一端螺紋連接，彈簧20的另一端通過彈簧螺母19與杠桿連接件18螺紋連接，杠桿連接件18與可調(diào)杠桿2連接。電動缸21動作使電動推桿伸長或收縮，改變緩沖彈簧的變形量，從而使可調(diào)杠桿2上下運動，起到施力的效果。

如圖3和圖4所示，橫向調(diào)整機構a4包括安裝基座a24、導軌滑塊a25、軸承座a26、手輪a27、滾珠絲杠a28及限位塊a29，其中安裝基座a24通過滑塊與縱向調(diào)整機構8滑動連接，導軌滑塊a25與安裝基座a24可沿橫向滑動連接，在安裝基座24的四個角分別布置四個限位塊a29，用來限定滑塊行程。滾珠絲杠a28與安裝于軸承座a26上的球軸承轉(zhuǎn)動連接，軸承座a26安裝在安裝基座a24，手輪a27通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠a28相連。電動缸加持座23與導軌滑塊a25連接，電動缸加持座23通過導軌滑塊a25可沿橫向滑動。

如圖1、圖3和圖4所示，縱向調(diào)整機構8包括安裝基座9、導軌c30、減速器支座c31、滾珠絲杠c32、手輪c33、減速器c34、聯(lián)軸器c35、軸承座c36及限位塊c37，其中安裝基座9的下端與地面固連，上端沿縱向安裝有兩個導軌c30，滾珠絲杠c32與安裝于軸承座c36上的球軸承轉(zhuǎn)動連接，軸承座c36安裝在安裝基座9上，手輪c33通過減速器c34、聯(lián)軸器c35與滾珠絲杠c32相連。橫向調(diào)整機構a4的安裝基座a24與導軌c30滑動連接，在兩個導軌c30的兩端分別布置四個限位塊c37，用來限定滑塊行程，安裝基座a24可在導軌c30上沿縱向滑動。

如圖1和圖5所示，橫向調(diào)整機構b7包括安裝基座b38、導軌滑塊b39、軸承座b40、滾珠絲杠b41、手輪b42、減速器b43、減速器支座b44和聯(lián)軸器b45，其中安裝基座b38與垂向調(diào)整機構支撐滑臺46通過螺栓連接，杠桿安裝基座17通過導軌滑塊b39與安裝基座b38可沿橫向滑動連接。滾珠絲杠b41與安裝于軸承座b40上的球軸承轉(zhuǎn)動連接，軸承座b40安裝在安裝基座b38上，手輪b42通過安裝在減速器支座b44上的減速器b43、聯(lián)軸器b45與滾珠絲杠b41相連。

如圖1所示，垂向調(diào)整機構5包括導軌滑塊d10、垂向調(diào)整機構支撐滑臺46、軸承座d47、滾珠絲杠d48、聯(lián)軸器d49、減速器d50、手輪d51及減速器支座d52，其中垂向調(diào)整機構支撐滑臺46通過導軌滑塊d10與加載支座6可沿豎直方向滑動連接，滾珠絲杠d48與安裝于軸承座d47上的球軸承轉(zhuǎn)動連接，軸承座d47安裝于加載支座6上，手輪d51通過安裝在減速器支座d52上的減速器d50、聯(lián)軸器d49與滾珠絲杠d48相連。

本發(fā)明的工作原理是：

本發(fā)明在施力前需要進行調(diào)整與標定，其調(diào)整過程如下：按照加載力解算到各分支力加載施力裝置的輸出力，確定力加載組件3在可調(diào)杠桿2上的懸掛點，并將力加載組件3與可調(diào)杠桿2上的杠桿連接件18連接，轉(zhuǎn)動縱向調(diào)整機構8的手輪c33，將力加載組件3移動至適當位置，并鎖緊縱向調(diào)整機構8；為了保證“十字”形施力點構件11力作用方向與理論方向重合，需要調(diào)整可調(diào)杠桿2的高度與橫向位置，分別旋轉(zhuǎn)橫向調(diào)整機構b7與垂向調(diào)整機構5的手輪，移動可調(diào)杠桿2至合適的位置，在此調(diào)整的過程中實時通過激光跟蹤儀進行檢測。當完成調(diào)整過程后，鎖緊橫向調(diào)整機構b7與垂向調(diào)整機構5，并通過圓錐螺紋銷進行可靠定位。

當電動缸21推桿拉伸儲能彈簧20時，電動缸21的姿態(tài)會發(fā)生變化，電動缸缸體的耳軸轉(zhuǎn)動副及電動推桿與可調(diào)杠桿2連接處的轉(zhuǎn)動副可適應電動缸缸體的姿態(tài)變化。力加載組件3的輸出力經(jīng)過可調(diào)杠桿2放大后，通過鋼帶13和施力點構件11的傳遞直接作用于校準系統(tǒng)加載頭上，施力點構件11可保證力的作用點位置精度滿足校準系統(tǒng)不確定度，力傳感器16用于測量加載力的大小。當加載頭受力后空間位姿發(fā)生變化時，力傳感器16兩端的球副15可適應該變化，即在加載頭加載與復位的過程中，可始終保證力傳感器16測量值的準確性；當加載結束后，控制加載電機反方向旋轉(zhuǎn)，儲能彈簧20形變恢復，加載頭緩慢復位，逐漸實現(xiàn)加載力的卸載。

本發(fā)明提供的一種基于杠桿增力原理的施力裝置，是應變天平校準系統(tǒng)的重要組成，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)大載荷、穩(wěn)定、高精度施力，為整個加載單元的加載精度及天平校準的不確定度提供了重要硬件保障。本裝置的施力范圍是10kn-100kn，力傳感器16是保證加載機構精準施力的關鍵測量反饋環(huán)節(jié)，本發(fā)明的一實施例中，力傳感器16采用德國hbm公司的toptranfer系列，量程為50kn和100kn兩種，測量長期穩(wěn)定性高，靈敏度變化每年不超過0.002％。

本發(fā)明基于杠桿增力的原理，電動力加載單元由伺服電機和減速器等組件提供動力，并通過杠桿實現(xiàn)加載力的放大，其輸出力可滿足天平校準系統(tǒng)中規(guī)定的加載力極值，加載單元的體積和質(zhì)量較小，便于安裝、調(diào)試和運行。

以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進、擴展等，均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。