專利名稱：一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于力測量和力加載技術領域，特別是涉及一種采用純機械結構、結構簡單及操作簡便的基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置。
背景技術：
力測量裝置一般只具有測量的功能，并不能對指定物體緩慢的施加力載荷。當前的力加載裝置一般體積較大、結構復雜、制造困難及價格昂貴，一般只用于實驗室，難以進行推廣使用，而且該類型裝置也不能方便的測量指定力的大小。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置。本發明采用純機械結構，利用差動輪系的受力特性，既可以對指定力的大小進行測量讀數，又可以對指定物體進行力的加載與卸載，本發明結構簡單、操作簡便、制造容易、價格低廉及具有較高的推廣實用價值。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置，包括底座、彈簧讀數部分、差動操縱部分及施力部分；所述的彈簧讀數部分包括第一支撐架、第一導柱、第二導柱、滾珠絲杠、絲母、彈簧、推力板、第二支撐架及承力筒，所述的第一支撐架固裝于底座上，在第一支撐架上分別固接有第一導柱和第二導柱的一端，第一導柱和第二導柱的另一端固接于第二支撐架上，第一導柱與第二導柱平行設置；所述滾珠絲杠的左端通過第一推力軸承安裝于第一推力軸承座內，第一推力軸承 座固裝于第一支撐架上；滾珠絲杠的右端通過第一滾動軸承安裝于第一滾動軸承座內，第一滾動軸承座固裝于第二支撐架上，第二支撐架固裝于底座上；在滾珠絲杠上從左到右依次套裝有絲母、推力板及彈簧，絲母與滾珠絲杠相配合，推力板與絲母相固接，彈簧的一端固接于推力板上，另一端固接于第一滾動軸承座上；所述推力板通過第一順向軸承與第一導柱相連接，通過第二順向軸承與第二導柱相連接；所述承力筒設置為上、下兩個半筒結構，在所述絲母、推力板及彈簧的上、下兩側分別安裝有承力筒的上、下兩個半筒，承力筒的上、下兩個半筒兩端分別固裝在第一推力軸承座和第一滾動軸承座上，承力筒的上、下兩個半筒之間留有縫隙，所述推力板在縫隙可左、右移動；在所述滾珠絲杠的右側軸端固裝有第一中心錐齒輪；所述的差動操縱部分包括手輪、蝸桿支撐上座板、蝸桿支撐底座、蝸桿、蝸輪、第一中心錐齒輪、第二中心錐齒輪、第一行星錐齒輪、第二行星錐齒輪、第一光軸、第二光軸及轉軸；所述的蝸桿支撐底座固裝在底座上，所述蝸桿的下端通過第二推力軸承安裝在蝸桿支撐底座內，在蝸桿支撐上座板上設置有通孔，蝸桿的上端通過蝸桿支撐上座板的通孔與設置在蝸桿支撐上座板上側的手輪相連接，蝸桿通過第三推力軸承設置在蝸桿支撐上座板的通孔內，蝸桿支撐上座板與蝸桿支撐底座相固接；所述的蝸輪設置為空心結構，在蝸輪內壁上對稱安裝有第一行星錐齒輪和第二行星錐齒輪，第一行星錐齒輪通過第一光軸與蝸輪內壁相連接，第二行星錐齒輪通過第二光軸與蝸輪內壁相連接，第一行星錐齒輪相對于第一光軸可轉動但軸向不可動，第二行星錐齒輪相對于第二光軸可轉動但軸向不可動；第一行星錐齒輪和第二行星錐齒輪同時與第一中心錐齒輪相嚙合；所述第二中心錐齒輪與轉軸的左側軸端相固接，第二中心錐齒輪與第一中心錐齒輪對稱設置，同時與第一行星錐齒輪和第二行星錐齒輪相嚙合；在第一中心錐齒輪左側滾珠絲杠上通過第二滾動軸承套裝有蝸輪左端面軸承座，蝸輪左端面軸承座與蝸輪左端面相固接；在第二中心錐齒輪右側轉軸上通過第三滾動軸承套裝有蝸輪右端面軸承座，蝸輪右端面軸承座與蝸輪右端面相固接；所述蝸桿和蝸輪相哨合；所述的施力部分包括第一導柱支撐座、第二導柱支撐座、第三導柱、第四導柱、第一齒條裝夾座、第二齒條裝夾座、直齒輪、直齒條、受力桿、第二推力軸承座及第二滾動軸承座；所述的直齒輪固定套裝在轉軸中部，轉軸左端通過第四滾動軸承與第二滾動軸承座相連接，第二滾動軸承座固裝在底座上；轉軸右端通過第四推力軸承與第二推力軸承座相連接，第二推力軸承座固裝在底座上；所述的直齒條的兩端分別固裝在第一齒條裝夾座和第二齒條裝夾座內，第一齒條裝夾座通過第三順向軸承與第三導柱相連接，通過第四順向軸承與第四導柱相連接；第二齒條裝夾座通過第五順向軸承與第三導柱相連接，通過第六順向軸承與第四導柱相連接；所述的第三導柱的兩端分別固裝在第一導柱支撐座和第二導柱支撐座上，第四導柱的兩端分別固裝在第一導柱支撐座和第二導柱支撐座上，第三導柱與第四導柱平行設置；所述第一導柱支撐座和第二導柱支撐座均固裝在底座上；所述受力桿固裝在直齒條的一端。在所述的蝸桿支撐上座板與蝸桿支撐底座之間安裝有加強筋板。在所述的推力板上設置有指針，在承力筒上設置有刻度線及刻度值，指針與刻度線和刻度值相對應。本發明的有益效果:
本發明與現有技術相比，采用純機械結構，利用了差動輪系的受力特性，既可以對指定力的大小進行測量讀數，又可以對指定物體進行力的加載與卸載，而且結構簡單、操作簡便、制造容易、價格低廉及具有較高的推廣實用價值。
圖1為本發明的一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置結構示意圖；圖2為本發明的彈簧讀數部分結構示意圖；圖3為本發明的彈簧讀數部分左端結構示意圖；圖4為本發明的彈簧讀數部分右端結構示意圖；圖5為本發明的差動操縱部分結構示意圖；圖6為本發明的差動操縱部分左端結構示意圖；圖7為本發明的差動操縱部分右端結構示意圖；圖8為本發明的施力部分結構示意圖；圖中，I一底座，2—承力筒，3—第一支撐架，4一第二支撐架，5—第一導柱，6—第二導柱，7—第一順向軸承，8—第二順向軸承，9一第一推力軸承座，10—第一滾動軸承座，11 一推力板，12—指針，13—絲母，14 一滾珠絲杠，15—彈簧，16—第一推力軸承，17—第一滾動軸承，18一蝸輪,19一蝸桿,20—手輪,21—蝸桿支撐底座，22—蝸桿支撐上座板，23—加強筋板，24一第二推力軸承，25一第二推力軸承,26一蝸輪左端面軸承座，27一第二滾動軸承,28一第二滾動軸承，29一蝸輪右端面軸承座，30一第一中心維齒輪，31一第二中心維齒輪,32一第一行星維齒輪,33一第二行星維齒輪，34一第一光軸,35一第二光軸，36一第二滾動軸承座，37—第二推力軸承座，38—第四滾動軸承，39—第四推力軸承，40—轉軸，41 一直齒輪，42—直齒條，43一第一齒條裝夾座，44一第二齒條裝夾座，45—第二順向軸承，46—第四順向軸承，47—第五順向軸承，48—第六順向軸承，49一第二導柱，50一第四導柱，51一第一導柱支撐座，52—第二導柱支撐座，53—受力桿。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。如圖1所示，一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置，包括底座1、彈簧讀數部分、差動操縱部分及施力部分；如圖2、3、4所示，所述的彈簧讀數部分包括第一支撐架3、第一導柱5、第二導柱6、滾珠絲杠14、絲母13、彈簧15、推力板11、第二支撐架4及承力筒2，所述的第一支撐架3固裝于底座I上，在第一支撐架3上分別固接有第一導柱5和第二導柱6的一端,第一導柱5和第二導柱6的另一端固接于第二支撐架4上，第一導柱5與第二導柱6平行設置；所述滾珠絲杠14的左端通過第一推力軸承16安裝于第一推力軸承座9內，第一推力軸承座9固裝于第一支撐架3上；滾珠絲杠14的右端通過第一滾動軸承17安裝于第一滾動軸承座10內，第一滾動軸承座10固裝于第二支撐架4上，第二支撐架4固裝于底座I上；在滾珠絲杠14上從左到右依次套裝有絲母13、推力板11及彈簧15，絲母13與滾珠絲杠14相配合，推力板11與絲母13相固接，彈簧15的一端固接于推力板11上，另一端固接于第一滾動軸承座10上；所述推力板11通過第一順向軸承7與第一導柱5相連接，通過第二順向軸承8與第二導柱6相連接；所述承力筒2設置為上、下兩個半筒結構，在所述絲母13、推力板11及彈簧15的上、下兩側分別安裝有承力筒2的上、下兩個半筒，承力筒2的上、下兩個半筒兩端分別固裝在第一推力軸承座9和第一滾動軸承座10上，承力筒2的上、下兩個半筒之間留有縫隙，所述推力板11在縫隙可左、右移動；在所述滾珠絲杠14的右側軸端固裝有第一中心錐齒輪30 ；如圖5、6、7所示，所述的差動操縱部分包括手輪20、蝸桿支撐上座板22、蝸桿支撐底座21、蝸桿19、蝸輪18、第一中心錐齒輪30、第二中心錐齒輪31、第一行星錐齒輪32、第二行星錐齒輪33、第一光軸34、第二光軸35及轉軸40 ;所述的蝸桿支撐底座21固裝在底座I上，所述蝸桿19的下端通過第二推力軸承24安裝在蝸桿支撐底座21內，在蝸桿支撐上座板22上設置有通孔，蝸桿19的上端通過蝸桿支撐上座板22的通孔與設置在蝸桿支撐上座板22上側的手輪20相連接，蝸桿19通過第三推力軸承25設置在蝸桿支撐上座板22的通孔內，蝸桿支撐上座板22與蝸桿支撐底座21相固接；所述的蝸輪18設置為空心結構，在蝸輪18內壁上對稱安裝有第一行星錐齒輪32和第二行星錐齒輪33，第一行星錐齒輪32通過第一光軸34與蝸輪18內壁相連接，第二行星錐齒輪33通過第二光軸35與蝸輪18內壁相連接，第一行星錐 齒輪32相對于第一光軸34可轉動但軸向不可動，第二行星錐齒輪33相對于第二光軸35可轉動但軸向不可動；第一行星錐齒輪32和第二行星錐齒輪33同時與第一中心錐齒輪30相嚙合；所述第二中心錐齒輪31與轉軸40的左側軸端相固接，第二中心錐齒輪31與第一中心錐齒輪30對稱設置，同時與第一行星錐齒輪32和第二行星錐齒輪33相嚙合；在第一中心錐齒輪30左側滾珠絲杠14上通過第二滾動軸承27套裝有蝸輪左端面軸承座26，蝸輪左端面軸承座26與蝸輪18左端面相固接；在第二中心錐齒輪31右側轉軸40上通過第三滾動軸承38套裝有蝸輪右端面軸承座29，蝸輪右端面軸承座29與蝸輪18右端面相固接；所述蝸桿19和蝸輪18相嚙合；如圖8所示，所述的施力部分包括第一導柱支撐座51、第二導柱支撐座52、第三導柱49、第四導柱50、第一齒條裝夾座43、第二齒條裝夾座44、直齒輪41、直齒條42、受力桿53、第二推力軸承座37及第二滾動軸承座36 ;所述的直齒輪41固定套裝在轉軸40中部，轉軸40左端通過第四滾動軸承38與第二滾動軸承座36相連接，第二滾動軸承座36固裝在底座I上；轉軸40右端通過第四推力軸承39與第二推力軸承座37相連接，第二推力軸承座37固裝在底座I上；所述的直齒條42的兩端分別固裝在第一齒條裝夾座43和第二齒條裝夾座44內，第一齒條裝夾座43通過第三順向軸承45與第三導柱49相連接，通過第四順向軸承46與第四導柱50相連接；第二齒條裝夾座44通過第五順向軸承47與第三導柱49相連接，通過第六順向軸承48與第四導柱50相連接；所述的第三導柱49的兩端分別固裝在第一導柱支撐座51和第二導柱支撐座52上，第四導柱50的兩端分別固裝在第一導柱支撐座51和第二導柱支撐座52上，第三導柱49與第四導柱50平行設置；所述第一導柱支撐座51和第二導柱支撐座52均固裝在底座I上；所述受力桿53固裝在直齒條42的一端。在所述的蝸桿支撐上座板22與蝸桿支撐底座21之間安裝有加強筋板23。在所述的推力板11上設置有指針12，在承力筒2上設置有刻度線及刻度值，指針12與刻度線和刻度值相對應。下面結合
本發明的一次使用過程:本實施例中，本發明的力測量與力加載裝置設計為手輪20逆時針轉動，可控制絲母13正向移動并壓縮彈簧15· ;初始狀態下，絲母13與第一推力軸承座9相接觸，此時彈簧15不受力。1、指定力測量:首先對裝置的初始狀態進行調節。逆時針緩慢轉動手輪20，使蝸桿19帶動蝸輪18逆時針轉動，在第一行星錐齒輪34和第二行星錐齒輪35的作用下，第一中心錐齒輪30和第二中心錐齒輪31會有轉動的趨勢；由于第一中心錐齒輪30轉動會帶動滾珠絲杠14轉動，使絲母13正向移動從而壓縮彈簧15，但在彈簧15的反彈阻力作用下，絲母13及第一中心錐齒輪30的運動會受到阻止，因此保持靜止不動；對于第二中心錐齒輪31，由于直齒條42在運動方向上不受阻礙，所以第二中心錐齒輪31可以轉動，從而通過轉軸40和直齒輪41帶動直齒條42向前移動，并帶動受力桿53移動前伸，直到第一齒條裝夾座43與第一導柱支撐座51相接觸為止。這時，裝置的初始狀態調節完畢，可以進行指定力的測量。開始指定力測量。將待測力施加在受力桿53上，此時受力桿53會向后移動，從而驅使直齒條42向后移動，并通過直齒輪41和轉軸40帶動第二中心錐齒輪31轉動；由于蝸輪18對蝸桿19具有自鎖作用，蝸輪18不能轉動。于是，第二中心錐齒輪31通過第一行星錐齒輪34和第二行星錐齒輪35帶動第一中心錐齒輪30轉動，并通過滾珠絲杠14和絲母13帶動推力板11正向移動進而壓縮彈簧15，指針12跟隨推力板11移動。彈簧15在壓縮過程中反彈力會線性增大，致使受力桿53的阻力會線性增大，當彈簧15反彈力與待測力大小相等時，本發明的裝置就會處于平衡狀態。這時，指針12所指示的刻度值即為待測力的大小。2、對指定物體進行力加載與卸載:首先對裝置的初始狀態進行調節。順時針緩慢轉動手輪20，使蝸桿19帶動蝸輪18順時針轉動，在第一行星錐齒輪34和第二行星錐齒輪35的作用下，第一中心錐齒輪30和第二中心錐齒輪31會有轉動的趨勢；由于第一中心錐齒輪30轉動會帶動滾珠絲杠14轉動，使絲母13反向移動，而此時絲母13與第一推力軸承座9相接觸，并不能移動，故第一中心錐齒輪30不能轉動；對于第二中心錐齒輪31，由于直齒條42在運動方向上不受阻礙，所以第二中心錐齒輪31可以轉動，從而通過轉軸40和直齒輪41帶動直齒條42向后移動，直到第二齒條裝夾座44與第二導柱支撐座52接觸為止。這時，裝置的初始狀態調節完畢，可以對指定物體進行力加載與卸載。開始對指定物體進行力加載。使指定物體與本發明裝置的受力桿53相接觸，此時逆時針緩慢轉動手輪20，使蝸桿19帶動蝸輪18逆時針轉動，在第一行星錐齒輪34和第二行星錐齒輪35的作用下，第一中心錐齒輪30和第二中心錐齒輪31會有轉動的趨勢；第二中心錐齒輪31通過轉軸40、直齒輪41及直齒條42將力施加給受力桿53，通過受力桿53對指定物體施加力載荷，但是受指定物體的限制，第二中心錐齒輪31保持靜止不動；同時，蝸輪18的逆時針轉動帶動第一中心錐齒輪30轉動，并通過滾珠絲杠14和絲母13帶動推力板11及其上的指針12正向移動，促使彈簧15壓縮；彈簧15的反彈力經由推力板11、絲母13及滾珠絲杠14的作用傳遞給第一中心錐齒輪30 ;此時，在蝸輪18緩慢轉動過程中，第一中心錐齒輪30和第二中心錐齒輪31保持受力平衡,第一中心錐齒輪30將扭矩傳遞給第二中心錐齒輪31，并通過 轉軸40、直齒輪41、直齒條42及受力桿53作用到指定物體上。綜上所述，彈簧15的壓緊反彈力與指定物體所受的作用力一一對應，且本發明裝置上的受力是平衡的，持續緩慢逆時針轉動手輪20,蝸輪18會持續逆時針轉動,使彈簧15不斷被壓縮，并通過第一中心錐齒輪30、第一行星錐齒輪34、第二行星錐齒輪35、第二中心錐齒輪31、轉軸40、直齒輪41、直齒條42及受力桿53，將彈簧15的作用力施加給指定物體，實現力載荷的持續增加。在此過程中，指針12實時指示施加的力載荷的值。進行力載荷的卸載。順時針緩慢轉動手輪20,使蝸桿19帶動蝸輪18順時針轉動，與力加載過程相反，推力板11反向移動，被壓縮的彈簧15逐漸復原，直至絲母13與第一推力軸承座9相接觸為止。該過程中，受力桿53對指定物體施加的力載荷逐漸減小直至為零，實現力載荷的卸載。
權利要求
1.一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置，其特征在于:包括底座、彈簧讀數部分、差動操縱部分及施力部分； 所述的彈簧讀數部分包括第一支撐架、第一導柱、第二導柱、滾珠絲杠、絲母、彈簧、推力板、第二支撐架及承力筒，所述的第一支撐架固裝于底座上，在第一支撐架上分別固接有第一導柱和第二導柱的一端，第一導柱和第二導柱的另一端固接于第二支撐架上，第一導柱與第二導柱平行設置；所述滾珠絲杠的左端通過第一推力軸承安裝于第一推力軸承座內，第一推力軸承座固裝于第一支撐架上；滾珠絲杠的右端通過第一滾動軸承安裝于第一滾動軸承座內，第一滾動軸承座固裝于第二支撐架上，第二支撐架固裝于底座上；在滾珠絲杠上從左到右依次套裝有絲母、推力板及彈簧，絲母與滾珠絲杠相配合，推力板與絲母相固接，彈簧的一端固接于推力板上，另一端固接于第一滾動軸承座上；所述推力板通過第一順向軸承與第一導柱相連接，通過第二順向軸承與第二導柱相連接；所述承力筒設置為上、下兩個半筒結構，在所述絲母、推力板及彈簧的上、下兩側分別安裝有承力筒的上、下兩個半筒，承力筒的上、下兩個半筒兩端分別固裝在第一推力軸承座和第一滾動軸承座上，承力筒的上、下兩個半筒之間留有縫隙，所述推力板在縫隙可左、右移動；在所述滾珠絲杠的右側軸端固裝有第一中心錐齒輪； 所述的差動操縱部分包括手輪、蝸桿支撐上座板、蝸桿支撐底座、蝸桿、蝸輪、第一中心錐齒輪、第二中心錐齒輪、第一行星錐齒輪、第二行星錐齒輪、第一光軸、第二光軸及轉軸；所述的蝸桿支撐底座固裝在底座上，所述蝸桿的下端通過第二推力軸承安裝在蝸桿支撐底座內，在蝸桿支撐上座板上設置有通孔，蝸桿的上端通過蝸桿支撐上座板的通孔與設置在蝸桿支撐上座板上側的手輪相連接，蝸桿通過第三推力軸承設置在蝸桿支撐上座板的通孔內，蝸桿支撐上座板與蝸桿支撐底座相固接；所述的蝸輪設置為空心結構，在蝸輪內壁上對稱安裝有第一行星錐齒輪和第二行星錐齒輪，第一行星錐齒輪通過第一光軸與蝸輪內壁相連接，第二行星錐齒輪通過第二光軸與蝸輪內壁相連接，第一行星錐齒輪相對于第一光軸可轉動但軸向不可動，第二行星錐齒輪相對于第二光軸可轉動但軸向不可動；第一行星錐齒輪和第二行星錐齒輪同時與第一中心錐齒輪相嚙合；所述第二中心錐齒輪與轉軸的左側軸端相固接，第二中心錐齒輪與第一中心錐齒輪對稱設置，同時與第一行星錐齒輪和第二行星錐齒輪相嚙合；在第一中心錐齒輪左側滾珠絲杠上通過第二滾動軸承套裝有蝸輪左端面軸承座，蝸輪左端面軸 承座與蝸輪左端面相固接；在第二中心錐齒輪右側轉軸上通過第三滾動軸承套裝有蝸輪右端面軸承座，蝸輪右端面軸承座與蝸輪右端面相固接；所述蝸桿和蝸輪相哨合； 所述的施力部分包括第一導柱支撐座、第二導柱支撐座、第三導柱、第四導柱、第一齒條裝夾座、第二齒條裝夾座、直齒輪、直齒條、受力桿、第二推力軸承座及第二滾動軸承座；所述的直齒輪固定套裝在轉軸中部，轉軸左端通過第四滾動軸承與第二滾動軸承座相連接，第二滾動軸承座固裝在底座上；轉軸右端通過第四推力軸承與第二推力軸承座相連接，第二推力軸承座固裝在底座上；所述的直齒條的兩端分別固裝在第一齒條裝夾座和第二齒條裝夾座內，第一齒條裝夾座通過第三順向軸承與第三導柱相連接，通過第四順向軸承與第四導柱相連接；第二齒條裝夾座通過第五順向軸承與第三導柱相連接，通過第六順向軸承與第四導柱相連接；所述的第三導柱的兩端分別固裝在第一導柱支撐座和第二導柱支撐座上，第四導柱的兩端分別固裝在第一導柱支撐座和第二導柱支撐座上，第三導柱與第四導柱平行設置；所述第一導柱支撐座和第二導柱支撐座均固裝在底座上；所述受力桿固裝在直齒條的一端。
2.根據權利要求1所述的一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置，其特征在于:在所述的蝸桿支撐上座板與蝸桿支撐底座之間安裝有加強筋板。
3.根據權利要求1所述的一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置，其特征在于:在所述的推力板上設置有指針，在承力筒上設置有刻度線及刻度值，指針與刻度線和刻度值相 對應。
全文摘要
一種基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置，屬于力測量和力加載技術領域，特別是涉及一種采用純機械結構且操作簡便的基于差動結構的機械式力測量與力加載裝置。本發明包括底座、彈簧讀數部分、差動操縱部分及施力部分；彈簧讀數部分的滾珠絲杠及導柱通過支撐架固裝于底座上；滾珠絲杠上套裝有絲母、推力板及彈簧，推力板與導柱相連接；差動操縱部分的蝸桿安裝在蝸桿支撐底座及蝸桿支撐上座板上；蝸輪為空心結構，蝸輪內壁上對稱安裝有第一行星錐齒輪和第二行星錐齒輪，同時與第一中心錐齒輪和第二中心錐齒輪相嚙合；施力部分的直齒輪固定套裝在轉軸上，轉軸通過軸承座固裝在底座上；直齒條通過齒條裝夾座與導柱相連接。
文檔編號G01L1/04GK103245442SQ201310141010
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者劉公雨, 霍曉佩, 馬明旭, 王志寶 申請人:東北大學
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