差动式微力加载装置的结构设计与优化
                                                         龙灿，王勇
                                       (合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009)
    为了在微力标定系统中实现微力稳定加载，设计了一种基于柔性铰链的等厚度对称差动式垂直微力加载装置。首先对装置的工作原理以及平衡性做了详细介绍；然后在对装置结构参数进行单因素分析后，选取一组参数进行正交试验及极差分析，得出结构参数对输出微力影响的主次关系和装置的较优参数组合；最后，对优化后的模型进行不同载荷分析，结果表明优化后的微力加载装置能够稳定地加载微力且具有良好的线性关系。

  随着现代科学技术的高速发展，微力传感器在纳米技术、生物技术、精密机械工程和微机电系统（MEMS）等方面得到越来越广泛的应用［1］。虽然传统力传感器的标定方法成熟，操作简单，但对于所需标定力值很小的高精度微力传感器，尤其是标定所需力的量级要求是10-9～10-6N的微力传感器［2］，传统标定方法则不再适用。国内外现有的几种微力加载装置都无法稳定地加载微力。例如，砝码滑轮式［3］产生的微力受滑轮本身的摩擦、滑轮和细线之间的摩擦影响很大；安培力式［4］和通电线圈式［5］，易受地磁场及环境因素的影响且操作复杂；气体动态标定法［6］必须在真空环境中使用且过程敏感；悬臂梁变形［7］方法操作要求高，且探针与悬臂梁的对准困难。微力的稳定加载已成为微力传感器标定的一大难点，因此设计一种能够稳定加载的微力加载装置是当下所迫切需要的。

1微力加载装置的工作原理
    新设计的垂直微力加载装置利用柔性铰链［8-9］传递力和位移，运用二级杠杆机构缩小在两输入端施加的差值砝码力，通过改变两输入端的砝码差值调节输出微力的大小；柔性铰链用于消除摩擦力影响，保证输出微力的稳定。
图1所示为装置的原理示意图，在装置左右两端输入差值砝码力F1和F2，利用二级杠杆机构缩小差值砝码力。根据杠杆原理（动力×动力臂=阻力×阻力臂）可得：

图1〓微力加载装置的示意图
F1·l1=F3·l2(1)
F2·l1=F4·l2(2)
Ft·l1=(F3-F4)·l3(3)


所以装置的力缩小倍数为

K=〖SX(〗F1-F2〖〗Ft〖SX)〗=〖SX(〗l2l4〖〗l1l3   (4)

〓〓装置连杆选定为：l1=15mm，l2=108mm，l3=9mm，l4=225mm。忽略能量损耗，根据公式（4）可得理论上的力缩小倍数为

K0=〖SX(〗108×225〖〗15×9〖SX)〗=180


2微力加载装置分析
    目前常用的柔性铰链有倒圆角直梁形、圆弧形、椭圆形等。在这常用的3种柔性铰链中，圆弧型铰链转动精度最高，其次是椭圆形铰链，最后是倒圆角直梁形。在微力加载装置中，由于作用的力值很小，应采用具有较高转动精度的圆弧型铰链。

2.1装置重力场下平衡性分析
   微力加载装置受自身重力影响较大，为避免装......


作者简介：龙灿（1989—），男，湖南衡阳人，合肥工业大学硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计。


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