双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，包括加卸荷机构、主轴机构，其中：加卸荷机构中的滚珠丝杠一端设有小活塞，滚珠丝杠与丝母配合；连接套设置在轴承套与前套之间，该连接套的一端与轴承套连接，其另一端和前套均伸入弯头内腔中；主轴机构中的大油缸体内腔中设有大活塞，套设有弹簧的大活塞杆下端固装有传感器连接盘、传感器和压头；前套和弯头的内腔通过弯头上的油孔与固装在弯头下面的大油缸体内腔相通。本发明能够实现主轴加卸荷功能，加卸荷机构、主轴机构分别为稳定的无间隙装置，二者直接连接成一个位置准确的有机整体，无需进行繁琐的相互位置调整；并且主轴行程大，结构精巧、体积小，抗振缓冲效果好，测试精度高。
【专利说明】双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及硬度计制造【技术领域】，具体是涉及一种双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元。
[0003]
【背景技术】
[0004]常规电子加力硬度计主要由三个相互独立的机构组成，分别是主轴机构、杠杆机构、加卸荷机构。该三个机构分别安装在硬度计的机架上，通过在机架上的连接，各自调整自身的位置或姿态，实现三个机构之间相互的正确位置。其中:
(I)加卸荷机构主要由滚珠丝杠副机构、导向止转机构、支架机构、缓冲机构、电机及电机安装架机构等组成。其功能是产生动力并将动力传递到杠杆机构上。为了保证产生的动力能够缓慢无冲击的传递到杠杆机构上，滚珠丝杠副的运动方向与导向止转的运动方向必须平行，并且导向止转机构的运动副配合间隙必须保持足够精度。
[0005]其主要不足是:结构复杂，体积大；加荷的平稳性和准确性较差，影响了硬度计的测试精度。
[0006]( 2 )杠杆机构主要由杠杆、杠杆轴、传力刀子、轴承等组成,其功能是将加卸荷机构的动力经杠杆放大传递到主轴机构上。为了保证杠杆能将加卸荷机构的动力准确传递到主轴机构上，杠杆机构的杠杆比必须准确，制造精度要求较高，传力刀子的作用点必须锋利、耐用，具有长期稳定性。
[0007]其主要不足是:当主轴行程要求大时，必须通过加大杠杆机构的摆动角度来增加主轴行程，这样杠杆机构就对主轴机构产生了较大的径向力。即使杠杆机构的杠杆比等制作的非常精密，加卸荷机构的动力也难以准确传递到主轴机构上，除了杠杆机构的传力刀子容易损坏外，其对主轴机构产生的径向力也对主轴的摩擦产生了较大影响,甚至损坏主轴。由此可见杠杆机构只能在较小的摆动角范围内使用，相应地也只能实现较小的主轴行程。
[0008]杠杆机构中的传力刀子的整个刀口必须与主轴机构中的承力刀垫在总长度上进行平稳接触，且怕振动，易受外界环境干扰；传力刀子与承力刀垫之间的相互位置需要反复调试，操作麻烦，增加了劳动强度。
[0009](3)主轴机构主要由主轴、主轴座、导向架、主轴位置调整器、固定器、承力刀垫等组成，其功能是实现硬度计试验力的施加。为了保证主轴运行时摩擦力小，位置准确，实现试验力的精密施加，必须提高零件的精度，多数零件需要经过精密磨削加工。但该主轴机构毕竟是一个有间隙的结构，对进一步获得高精度带来了巨大的限制。
[0010]其主要不足是:主轴机构独立设置、存有间隙，加力不稳，易晃动；加工部件数量多，工艺复杂，制造成本高。
【发明内容】
[0011]本发明所要解决的技术问题是提供一种能够克服上述不足的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元,其能够实现主轴加卸荷功能,加卸荷机构、主轴机构分别为稳定的无间隙装置，二者直接连接成一个位置准确的有机整体，无需进行繁琐的相互位置调整；并且主轴行程大，结构精巧、体积小，操作方便，抗振缓冲效果好，测试精度高。
[0012]为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案:
双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，包括加卸荷机构、主轴机构，其中:
加卸荷机构包括步进驱动机构、丝母、滚珠丝杠、小活塞、连接套、前套、弯头，其中:在滚珠丝杠的一端设置有小活塞，二者为一体结构；该滚珠丝杠与丝母配合，该丝母通过一对轴承I安装在轴承套的内腔中；连接套设置在轴承套和前套之间，该连接套的一端与轴承套固定连接，在连接套上设有的环形凸起与弯头固定连接，该连接套的另一端和前套均伸入弯头的内腔中；
主轴机构包括大油缸体、大活塞、大活塞杆、压缩弹簧、油缸端盖、传感器连接盘、传感器、压头，其中:大油缸体固装在弯头的下面，在大油缸体的下部固定有油缸端盖；在大油缸体内腔中安装有大活塞，在大活塞上设有与大油缸体内腔连通的内腔；在大活塞的下面设有大活塞杆，在大活塞杆的外圆套设有压缩弹簧；大活塞杆的下端固装有传感器连接盘，在传感器连接盘上固装有传感器，在传感器上通过压头杆安装有压头；
前套和弯头的内腔通过弯头上设有的油孔与位于弯头下面的大油缸体和大活塞的内腔相通；在前套和弯头的内腔、油孔以及大油缸体和大活塞的内腔中均设置有液压油。
[0013]所述步进驱动机构包括步进电机、小带轮、皮带、大带轮；其连接关系是:在步进电机的输出轴上设置有小带轮，该小带轮通过皮带与设置在丝母上的大带轮形成传动连接；步进电机安装在电机座上，该电机座固装在轴承套的底部。
[0014]所述连接套的内腔与前套和弯头的内腔相通；所述轴承套、丝母、连接套、前套和弯头的内腔中心线均位于同一直线上。
[0015]所述加卸荷机构中还包括导向止转机构,该导向止转机构包括导向止转座、丝杆、轴承I1、螺母、垫圈、螺钉、止转圈；其中:在导向止转座上设置有水平导向槽；在丝杆的一端设置有轴承II，该轴承II设置在上述导向槽中；该丝杆的另一端设置有外螺纹，与止转圈上设有的螺纹孔相配合，并由螺母锁紧；滚珠丝杠的另一端为方形台阶轴，与止转圈上设有的方形通孔相配合，并由螺钉将止转圈、垫圈压紧固定在滚珠丝杠的另一端；当滚珠丝杠前后移动时，轴承II能够同时在上述水平导向槽中前后移动。
[0016]所述加卸荷机构中还包括储油机构，该储油机构包括油箱、油嘴，其中:油箱安装在弯头的顶部，该油箱通过其上设有的油嘴以及前套和连接套端部之间的空隙与前套和连接套上的内腔相通。
[0017]所述压缩弹簧的上端面与大活塞上设有的环形凹槽面相接触，其下端面与油缸端盖上设有的环形台阶面相接触。
[0018]所述大活塞、大活塞杆、油缸端盖、传感器连接盘、传感器、压头杆和压头的中心轴线均位于同一直线上。
[0019]所述小活塞的工作前端设置有多个环形密封圈I，其位置靠外的一密封圈端部带有锥度；在小活塞的另一端设置有多个环形密封圈II。
[0020]所述主轴机构中还包括导向防转机构，该导向防转机构包括油缸端盖、传感器连接盘、导向轴，其连接关系是:在油缸端盖的下端以及传感器连接盘的上端对应设置有一对导向孔；该导向轴的两端分别与上述一对导向孔相配合。
[0021]所述小活塞的中心线与大活塞的中心线呈一夹角，该夹角为0°?90°。
[0022]本发明与已有技术相比，具有以下有益效果:
本发明具有双稳态、直驱式的结构特点，其中:
所谓双稳态是指本发明是由两个稳定的装置组成:其一，加卸荷机构作为动力的输入端，其是由步进驱动机构、滚珠丝杠、丝母、小活塞、密封圈、轴承1、轴承套、连接套、前套、弯头以及导向止转机构和储油机构等组成了一个稳定的无间隙装置，实现了稳定的动力输入；其二，主轴机构作为动力的执行端，其是由大油缸体、大活塞、密封圈、压缩弹簧、油缸端盖、传感器连接盘、传感器、压头杆、压头以及导向防转机构等组成了一个稳定的无间隙装置，实现了试验力的稳定输出。
[0023]所谓直驱式是指作为动力输入端的加卸荷机构和作为动力执行端的主轴机构这两个稳定的装置，经由加卸荷机构中的弯头与主轴机构中的大油缸体直接连接，从而使两个稳定的装置形成了一个位置准确的有机整体，无需进行繁琐的相互位置调整，装配完毕即可投入使用。
[0024]本发明结构精巧、体积小，实现了主轴无间隙、行程大的夙愿，精巧的完成了硬度计的试验原理，并且操作方便，加荷平稳准确，抗振缓冲效果好，测试精度高，劳动强度低。本发明只需按照常规的机械制造、装配方法进行，无需再像常规硬度计的制造需要严格控制主轴部件等机构的间隙、各部件之间的相互位置或姿态等。本发明应用于各种类型的硬度计上，实现加卸荷功能。
[0025]
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的主视结构图；
图2为图1中A部的放大图。
[0027]图1-图2中的部件说明:
1、步进电机；1-1、小带轮；2、皮带；3、大带轮；4、电机座；5、滚珠丝杠；5-1、环形凹槽；5-2、小活塞；6、丝母；7、轴承I ;8、轴承套；9、密封圈I ;10、密封圈II ;11、连接套；12、前套；13、弯头；13-1、油孔；14、油箱；14-1、油嘴；15、大活塞；15_1、大活塞杆；16、大油缸体；17、油缸端盖；18、压缩弹簧；19、传感器连接盘；20、传感器；21、压头；22、导向轴；23、导向止转座；23-1、导向槽；24、轴承II ;25、丝杆；26、螺母；27、螺钉；28、垫圈；29、止转圈。
[0028]
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
[0030]如图1、图2所示，本发明包括加卸荷机构、主轴机构，其中:
(一)加卸荷机构:参照图1、图2。
[0031]加卸荷机构的作用是:产生动力，并将动力通过滚珠丝杠稳定地传递到小活塞上。具体是:将步进电机的旋转运动转化为滚珠丝杠、小活塞的前后直线移动。
[0032]如图1、图2所示,加卸荷机构包括步进驱动机构、丝母6、滚珠丝杠5、小活塞5-2、密封圈I 9、密封圈II 10、轴承I 7、轴承套8、连接套11、前套12、弯头13以及导向止转机构和储油机构，其中:
步进驱动机构包括步进电机1、小带轮1-1、皮带2、大带轮3、电机座4 ;其连接关系是:在步进电机I的输出轴上设置有小带轮1-1，该小带轮1-1通过皮带2与设置在丝母6上的大带轮3形成传动连接；丝母6与滚珠丝杠5配合，该丝母6通过一对轴承I 7安装在轴承套8的内腔中。步进电机I安装在电机座4上，该电机座4固装在轴承套8的底部。当然，步进驱动机构也可由伺服驱动机构代替。
[0033]如图1所不,在滚珠丝杠5的一端设置有小活塞5-2, 二者为一体结构。小活塞5-2与滚珠丝杠5的中心线位于同一直线上。
[0034]小活塞5-2的工作前端为台阶轴，其上设置有多个环形密封圈I 9，其位置靠外的一密封圈端部带有锥度；在小活塞5-2与滚珠丝杠5相连接的另一端设有多个环形凹槽5-1，在上述环形凹槽5-1中设置有环形密封圈II 10。
[0035]连接套11设置在轴承套8和前套12之间；该连接套11的一端与轴承套8固定连接，在连接套11上设有的环形凸起与弯头13固定连接，该连接套11的另一端和前套12均伸入弯头13的内腔中。连接套11的内腔与前套12和弯头13的内腔相通；轴承套8、丝母6、连接套11、前套12和弯头13的内腔中心线均位于同一直线上。由连接套11与前套12和弯头13组装而成的内腔就是小活塞的工作内腔；而滚珠丝杠5则相当于小活塞杆。
[0036]前套12和弯头13的内腔通过弯头上垂直设有的油孔13-1与位于弯头下面的大油缸体内腔、大活塞内腔相通。在前套12和弯头13的内腔、油孔13-1以及大油缸体16和大活塞15的内腔中均设置有液压油。
[0037]滚珠丝杠5在步进驱动机构的带动下，小活塞5-2能够在连接套11与前套12的内腔中进行前后直线运动。
[0038]在与弯头13相配合的前套12和连接套11的外圆周面上设置有多个环形凹槽，在上述环形凹槽中设置有环形密封圈。
[0039]如图2所示，导向止转机构包括导向止转座23、导向槽23-1、轴承II 24、丝杆25、螺母26、螺钉27、垫圈28、止转圈29 ;其中:
在导向止转座23上设置有水平导向槽23-1。丝杆25的一端设置有轴承II 24，该轴承II 24设置在上述导向槽23-1中；该丝杆25的另一端设有外螺纹，并与止转圈29上设有的中心螺孔相配合，然后由螺母26锁紧。
[0040]滚珠丝杠5的一端设有小活塞5-2，其另一端为方形台阶轴，并且设有与螺钉27相配合的螺纹孔；上述方形台阶轴与止转圈29上设有的方形通孔相配合。通过螺钉27与滚珠丝杠5上的螺纹孔相配合，从而将止转圈29、垫圈28压紧固定在滚珠丝杠5的另一端。
[0041]当滚珠丝杠5前后移动时，轴承II 24能够同时在上述水平导向槽23-1中前后移动；从而使导向止转机构起到水平导向和止转的作用，能使滚珠丝杠5只能前后移动，但不能转动。
[0042]如图1所示，储油机构包括油箱14、油嘴14-1，其中:油箱14安装在弯头13的顶部，该油箱14通过其上设有的油嘴14-1以及前套12和连接套11端部之间的空隙与前套12和连接套11上的内腔相通。
[0043]当然，前套12和连接套11也可以为一体结构，并且其上设置有用于连通其内腔和油嘴14-1的油孔。
[0044]卸荷时，前套12和连接套11上的内腔处于负压状态，出现气泡；这时，油箱14中的液压油通过油嘴14-1进入前套12和连接套11的内腔中，及时进行补充。
[0045](二)主轴机构:参照图1。
[0046]如图1所示，主轴机构能够实现硬度计试验力的精确施加，以及对主轴加荷力值的精确控制。
[0047]主轴机构包括大油缸体16、大活塞15、大活塞杆15-1、压缩弹簧18、油缸端盖17、传感器连接盘19、传感器20、压头杆、压头21以及导向防转机构，其中:
在加卸荷机构中的弯头13的下面固装有主轴机构中的大油缸体16，从而实现加卸荷机构与主轴机构的直接连接。
[0048]在大油缸体内腔中安装有大活塞15，在大活塞15上设有与大油缸体16内腔连通的内腔。在大油缸体16的下部固定有油缸端盖17。
[0049]在大活塞15的下面设有大活塞杆15-1，在大活塞杆15-1的外圆套设有压缩弹簧18 ;该压缩弹簧18的上端面与大活塞15上设有的环形凹槽面相接触，其下端面与油缸端盖17上的环形台阶面相接触。
[0050]大活塞杆15-1的下端穿过油缸端盖17和传感器连接盘19上的中心孔，并与传感器连接盘19固装在一起。在传感器连接盘19上固装有传感器20，在传感器20的中心孔中安装有压头杆，在压头杆上安装有压头21。大活塞15、大活塞杆15-1、油缸端盖17、传感器连接盘19、传感器20、压头杆和压头21的中心轴线均位于同一直线上。
[0051]大活塞15的外圆周面上和油缸端盖17的内圆周面上分别设置有环形凹槽，在上述环形凹槽中设置有环形密封圈。
[0052]如图1所示，导向防转机构包括油缸端盖17、传感器连接盘19、导向轴22，其连接关系是:在油缸座17的下端以及传感器连接盘19的上端对应设置有与导向轴22相配合的一对导向孔；该导向轴22的两端分别与上述一对导向孔相配合。
[0053]导向防转机构能够起到垂直导向和防转的作用，使传感器连接盘19上的传感器20和压头21只能升降运动，但不能转动。
[0054](三)本发明的工作过程如下:参照图1、图2。
[0055]本发明设置在小活塞5-2与大活塞15之间的液压机构起杠杆作用，能将加卸荷机构产生的动力，经过小活塞5-2、液压油和大活塞15进行有效放大，并准确地传递到压头上。
[0056]液压机构的工作原理是:液压油从小活塞工作内腔，通过弯头上设有的油孔，进入大油缸体内腔、大活塞内腔，从而实现动力的放大、传递，进而实现由滚珠丝杠、小活塞的前后运动转换为大活塞、压头的升降运动。由于大活塞的工作内径大于小活塞的工作内径，因而能够实现动力放大功能，输入力值虽小但输出力值变大，进而达到省力节能的目的。
[0057]小活塞5-2的中心线与大活塞15的中心线之间呈一夹角，该夹角为0°?90°。具体是，小活塞5-2的中心线与大活塞15的中心线可以呈90°夹角，如本实施例所示,小活塞5-2水平设置，大活塞15垂直设置；小活塞5-2的中心线与大活塞15的中心线也可以呈0°夹角，即二者的中心线位于同一直线上；小活塞5-2的中心线与大活塞15的中心线还可以呈0°?90°之间的任意角度。
[0058]本发明的工作过程如下:
加荷时，步进电机I正转，带动小带轮1-1转动，并通过皮带2传递给大带轮3，大带轮3带动滚珠丝杠5、丝母6旋转，使滚珠丝杠5向前移动；同时，丝杆25上的轴承II 24在导向止转座23上设有的导向槽23-1中前后移动；滚珠丝杠5上的小活塞5-2推动液压油通过油孔13-1推动大活塞15向下移动；从而带动传感器20、压头21进行准确加力，形成一个力的闭环控制，完成加荷过程。保荷一定时间。
[0059]卸荷时，步进电机I反转，带动滚珠丝杠5向后移动；在小活塞5-2和大活塞15之间产生负压，带动传感器20、压头21向上移动；同时，在压缩弹簧18的辅助作用下准确复位，完成卸荷过程。
【权利要求】
1.双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是， a、包括加卸荷机构、主轴机构,其中: b、加卸荷机构包括步进驱动机构、丝母(6)、滚珠丝杠(5)、小活塞(5-2)、连接套(11)、前套(12)、弯头(13)，其中: 在滚珠丝杠(5)的一端设置有小活塞(5-2)，二者为一体结构；该滚珠丝杠(5)与丝母(6)配合，该丝母(6)通过一对轴承I (7)安装在轴承套(8)的内腔中； 连接套(11)设置在轴承套(8 )和前套(12 )之间；该连接套(11)的一端与轴承套(8 )固定连接，在连接套(11)上设有的环形凸起与弯头(13)固定连接，该连接套(11)的另一端和前套(12)均伸入弯头(13)的内腔中； c、主轴机构包括大油缸体(16)、大活塞(15)、大活塞杆(15-1)、压缩弹簧(18)、油缸端盖(17)、传感器连接盘(19)、传感器(20)、压头杆、压头(21)，其中: 大油缸体(16)固装在弯头(13)的下面；在大油缸体(16)的下部固定有油缸端盖(17);在大油缸体内腔中安装有大活塞(15)，在大活塞(15)上设有与大油缸体(16)内腔连通的内腔；在大活塞(15)的下面设有大活塞杆(15-1 )，在大活塞杆(15-1)的外圆套设有压缩弹簧(18); 大活塞杆(15-1)的下端固装有传感器连接盘(19)，在传感器连接盘(19)上固装有传感器(20 )，在传感器(20 )上通过压头杆安装有压头(21); d、前套(12)和弯头(13)的内腔通过弯头上设有的油孔(13-1)与位于弯头下面的大油缸体和大活塞的内腔相通；在前套(12)和弯头(13)的内腔、油孔(13-1)以及大油缸体(16)和大活塞(15)的内腔中均设置有液压油。
2.如权利要求1所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述步进驱动机构包括步进电机(I)、小带轮(1-1)、皮带(2)、大带轮(3);其连接关系是:在步进电机Cl)的输出轴上设置有小带轮(1-1)，该小带轮(1-1)通过皮带(2)与设置在丝母(6)上的大带轮(3)形成传动连接；该步进电机(I)安装在电机座(4)上，该电机座(4)固装在轴承套(8)的底部。
3.如权利要求2所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述连接套(11)的内腔与前套(12)和弯头(13)的内腔相通；所述轴承套(8)、丝母(6)、连接套(11)、前套(12)和弯头(13)的内腔中心线均位于同一直线上。
4.如权利要求1或2或3所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述加卸荷机构中还包括导向止转机构，该导向止转机构包括导向止转座(23)、丝杆(25)、轴承II (24)、螺母(26)、垫圈(28)、螺钉(27)、止转圈(29);其中:在导向止转座(23)上设置有水平导向槽(23-1);在丝杆(25)的一端设置有轴承II (24)，该轴承II (24)设置在上述导向槽(23-1)中；该丝杆(25)的另一端设置有外螺纹，与止转圈(29)上设有的螺纹孔相配合，并由螺母(26)锁紧；滚珠丝杠(5)的另一端为方形台阶轴，与止转圈(29)上设有的方形通孔相配合，并由螺钉(27)将止转圈(29)、垫圈(28)压紧固定在滚珠丝杠(5)的另一端；当滚珠丝杠(5)前后移动时，轴承II (24)能够同时在上述水平导向槽(23-1)中前后移动。
5.如权利要求4所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述加卸荷机构中还包括储油机构，该储油机构包括油箱(14)、油嘴(14-1)，其中:油箱(14)安装在弯头(13)的顶部，该油箱(14)通过其上设有的油嘴(14-1)以及前套(12)和连接套(11)端部之间的空隙与前套(12 )和连接套(11)上的内腔相通。
6.如权利要求5所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述压缩弹簧(18)的上端面与大活塞(15)上设有的环形凹槽面相接触，其下端面与油缸端盖(17)上设有的环形台阶面相接触。
7.如权利要求6所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述大活塞(15)、大活塞杆(15-1)、油缸端盖(17)、传感器连接盘(19)、传感器(20)、压头杆和压头(21)的中心轴线均位于同一直线上。
8.如权利要求7所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述小活塞(5-2)的工作前端设置有多个环形密封圈I (9)，其位置靠外的一密封圈端部带有锥度；在小活塞(5-2)的另一端设置有多个环形密封圈II (10)。
9.如权利要求8所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述主轴机构中还包括导向防转机构，该导向防转机构包括油缸端盖(17)、传感器连接盘(19)、导向轴(22 )，其连接关系是:在油缸端盖(17 )的下端以及传感器连接盘(19 )的上端对应设置有一对导向孔；该导向轴(22)的两端分别与上述一对导向孔相配合。
10.如权利要求9所述的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元，其特征是，所述小活塞(5-2)的中心线与大活塞(15)的中心线之间呈一夹角，该夹角为0°?90°。
【文档编号】G01N3/02GK104316397SQ201410617454
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】王敬涛, 贾云召, 吴春安, 李长杰, 刘坤 申请人:莱州华银试验仪器有限公司