高精度垂直轴微力矩标定仪的研制

　　1　概　述

　　对垂直轴微力矩进行高精度标定在国内外尚处于探索阶段,是亟待解决的难题之一,目前尚无完善的高精度标定仪器,一般采用卧式状态标定,然后在垂直工作状态下降低精度使用。显然这样处理测量精度是不可靠的,对我国的科研和生产造成不利影响。

　　本文介绍的高精度垂直轴微力矩标定仪(以下简称标定仪),可实现对垂直轴微力矩测试仪器进行直接标定,标定准确度高且性能稳定可靠。

　　2　标定仪工作原理、组成及技术性能

　　2·1　标定仪工作原理

　　我们研制出不同量程的CB系列高精度垂直轴微力矩标定仪样机4台。图1、图2分别为CB-1、CB-2、CB-3和CB-4型标定仪工作原理示意图。

　　在换向加荷杠杆水平杆4端部砝码盘3施加标准砝码m,通过换向加荷杠杆垂直杆9和绳传动2,将标准砝码的垂直重力转换为水平力F,施加到被标仪器工作轴系1上,实现对垂直测量轴系的直接标定。

　　施加到被标仪器工作轴系上的标准力矩为:

式中,M为施加到被标仪器工作轴系上的力矩,N·m;a为换向加荷杠杆水平杆长度,mm;b为换向加荷杠杆垂直杆长度,mm;r为被标仪器工作轴半径,mm;m为标准砝码质量,kg;g为重力加速度,m/s2。

　　2·2　标定仪组成及说明

　　标定仪的组成功能框图如图3所示,CB-1、CB-2、CB-3型标定仪的说明见图4,CB-4型标定仪的说明见图5。

　　2·3　标定仪技术性能

　　3标定仪结构设计

　　3·1　力转换机构

　　标定仪采用换向加荷杠杆和绳传动组成的力转换机构以实现将标准力矩施加到被标仪器的垂直工作轴系上,为保证标定仪达到所要求的高精度,关键是设计结构精巧的换向加荷杠杆、绳传动机构及采用摩擦力矩极微小的支承。

　　(1)对于CB-1、CB-2和CB-3型标定仪,由于被标定的力矩值很小,允许误差的绝对值极微小,为减轻机构的重量和保证刚度,换向加荷杠杆截面设计为矩形且受力方向与长轴方向一致,横杆端部采用空心圆管。支承采用十字弹性支承,十字弹性支承由在不同平面的的两片相互垂直的弹簧片组成,选用迟滞误差很小的铍青铜材料,其灵敏度高、无机械损耗且在小角度范围内回转轴线不变,从而保证了转换机构有很高的精度。

　　(2)CB-4型标定仪的测量范围较大,相应要求换向加荷杠杆的刚度大,因而结构尺寸相应增大,采用前述十字弹性支承刚度远远不够,因此在CB-4型标定仪中,转换机构采用了承载能力大且空气干扰力矩很小的静压气浮轴承。气浮轴承干扰力矩在360℃范围内变化为(0·02~0·03)μN·m,同时采用闭环控制系统,使干扰力矩的变化极其微小,气浮轴承转轴工作稳定,因此亦保证了转换机构有很高的精度。标定仪工作时要求施加在被标仪器工作轴系上的力为水平方向,因此在结构上要求绳传动中的细丝元件处于水平位置,细丝的一端固定在换向加荷杠杆的垂直杆上,另一端与被标仪器工作轴系相联(CB-1、CB-2和CB-3型标定仪采用胶粘固定;CB-4型标定仪采用螺钉压紧固定),通过调整联接轴上的调整螺母可使细丝处于水平位置。