力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼裝置的設(shè)計(jì)

康博，張偉，陳守強(qiáng)，張弘

(1.安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南安陽455000;2.西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都610039;3.洛陽中硅高科技有限公司，河南洛陽471003)

力基準(zhǔn)機(jī)是國家力值計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)必備的設(shè)備。它通過某種特定的方式將規(guī)定的力值復(fù)現(xiàn)在負(fù)荷傳感器上，從而用來檢測(cè)負(fù)荷傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。在力值準(zhǔn)確度和力值穩(wěn)定度方面，靜重式力基準(zhǔn)機(jī)占有明顯的優(yōu)勢(shì)，有著其他力基準(zhǔn)機(jī)難以替代的作用。

隨著近幾十年來工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的力基準(zhǔn)機(jī)已經(jīng)不能滿足實(shí)際測(cè)量中的高效、高精度、高穩(wěn)定性的要求，這就需要對(duì)原有力基準(zhǔn)機(jī)的機(jī)械部分和控制部分進(jìn)行改進(jìn)，使其性能得到提高。為了使力基準(zhǔn)機(jī)能夠高性能地工作，國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)采用了一種獨(dú)立加碼方式，這種方式雖然可以基本滿足力基準(zhǔn)機(jī)的工作要求，但是在砝碼加卸過程中，力值成階梯形變化，加載過程沖擊力較大，而且不能利用有限的砝碼實(shí)現(xiàn)無級(jí)加載的過程。作者在此研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地提出了一種力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼方式，利用有限的砝碼組合實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)無級(jí)的加載過程，保證加載過程平穩(wěn)運(yùn)行，并且設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)該方式的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，較好地解決了國內(nèi)現(xiàn)有加載方式存在的問題，使得加載過程平穩(wěn)，沖擊小，從而使得測(cè)試精度有了一定的提高。

1 靜重式力基準(zhǔn)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

靜重式力基準(zhǔn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，靜重式力基準(zhǔn)機(jī)將砝碼的重力通過反向器加到被檢測(cè)力儀上。被檢測(cè)力儀的壓空間為機(jī)架與反向器之間的上部空間，被檢測(cè)力儀的拉空間為機(jī)架與反向器之間的下部空間，這兩個(gè)空間可以分別用于檢測(cè)壓式和拉式測(cè)力儀。靜重式力基準(zhǔn)機(jī)砝碼的質(zhì)量是通過反向器下面的承載吊桿 (通常稱為吊掛)施加到被測(cè)力儀上的。

圖1 靜重式力基準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

式中:m為砝碼的質(zhì)量;

V為砝碼的體積;

ρa(bǔ)為砝碼所在地的空氣密度;ρw為砝碼材料的密度;

g為砝碼所在地的重力加速度。根據(jù)式 (1)可知，只需知道吊掛上所掛砝碼的質(zhì)量即可計(jì)算出作用于被檢測(cè)力儀上所加載的力。根據(jù)不同測(cè)力儀的檢測(cè)要求，按照一定規(guī)則對(duì)被檢測(cè)力儀施加不同質(zhì)量的砝碼，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)力儀的檢測(cè)。由于砝碼質(zhì)量可以通過高精度天平標(biāo)定，砝碼材料密度、空氣密度和重力加速度都可以準(zhǔn)確測(cè)量，所以只要靜重式力基準(zhǔn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、加卸砝碼的方式合理，它就可以達(dá)到很小的力值不確定度。

2 獨(dú)立連續(xù)加碼的實(shí)現(xiàn)原理及其機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 獨(dú)立連續(xù)加碼的實(shí)現(xiàn)原理

為了提高力基準(zhǔn)機(jī)的精度、穩(wěn)定性并使其具有較大的檢測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)就是使每個(gè)砝碼均有自己的驅(qū)動(dòng)裝置，并且在加碼裝置中采用機(jī)械柔性機(jī)構(gòu)，這樣就可以使得各個(gè)砝碼都可以任意組合，同時(shí)每個(gè)砝碼在加載的過程當(dāng)中均可以實(shí)現(xiàn)從零加到砝碼本身質(zhì)量的無級(jí)加載過程。為此，對(duì)力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼方法和加碼裝置提出如下功能要求:

(1)每個(gè)砝碼必須能夠獨(dú)立地完成整個(gè)加載過程;

(2)每個(gè)砝碼在加載過程中能夠?qū)崿F(xiàn)力值從零到最大值的無級(jí)加載;

(3)在加載的過程當(dāng)中，即使發(fā)生輕微晃動(dòng)或者發(fā)生微小的位移誤差，加碼裝置都可以實(shí)現(xiàn)自身調(diào)整，直至平穩(wěn);

(4)整個(gè)裝置具有較強(qiáng)的自鎖功能。

針對(duì)以上所提出的功能要求，設(shè)計(jì)了力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼方法和加碼裝置，其原理圖如圖2。

靜重式力基準(zhǔn)機(jī)是根據(jù)力的動(dòng)力效應(yīng)，直接利用已知質(zhì)量砝碼的重力來復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)力值的。根據(jù)牛頓第二定律，并考慮空氣浮力的影響，砝碼在空氣中的重力f為

圖2 力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼原理圖

如圖2，該方法利用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，蝸桿帶動(dòng)蝸輪，使蝸輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，在蝸輪上固定有螺母，螺母隨著蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲桿實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。絲桿的升降運(yùn)動(dòng)通過砝碼支撐板進(jìn)而帶動(dòng)砝碼完成升降運(yùn)動(dòng)。在砝碼支撐板上安裝彈簧裝置，由于彈簧提供的支撐力可以從零到彈簧的極限力值連續(xù)變化，這樣也就可以使得力基準(zhǔn)機(jī)的砝碼加 (卸)載過程實(shí)現(xiàn)無級(jí)加載，同時(shí)彈簧是彈性裝置，也可以大大減輕砝碼加 (卸)載時(shí)力基準(zhǔn)機(jī)對(duì)被測(cè)傳感器的沖擊。利用伺服電動(dòng)機(jī)可以方便、精確地控制砝碼升降時(shí)的速度和位置。在每個(gè)砝碼的左右兩側(cè)均有一套這樣的機(jī)構(gòu)，并且嚴(yán)格保證這兩套機(jī)構(gòu)關(guān)于吊掛中心對(duì)稱，這樣就可以使砝碼在升降過程中受力均勻，不產(chǎn)生偏心。

這樣的力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼方法，使得每個(gè)砝碼均可以獨(dú)立地進(jìn)行控制，所有的砝碼均可任意組合，大大擴(kuò)大了力基準(zhǔn)機(jī)的檢測(cè)范圍。利用伺服電機(jī)，保證了力基準(zhǔn)機(jī)的工作精度。利用彈性系統(tǒng)進(jìn)行加載的方式，使整個(gè)系統(tǒng)的柔性大幅提高，大大減輕了砝碼加 (卸)載過程中巨大的沖擊。

其具體工作過程是:

初始狀態(tài)，絲桿升起使升降托架連同砝碼處于最上部，兩側(cè)的升降托架把砝碼支撐住，吊掛則處于不受力的自由狀態(tài)，吊掛上的托盤與砝碼之間有一定的降落距離。

加載砝碼時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿升降機(jī)，使絲桿下降，帶動(dòng)升降托架向下運(yùn)動(dòng)，升降托架上放置的砝碼也隨之下降，直到砝碼與吊掛上的托盤接觸并拖住，隨后升降托架繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，使其完全脫離砝碼。

卸載砝碼時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿升降機(jī)，使絲桿上升，帶動(dòng)升降托架向上運(yùn)動(dòng)，直到升降托架與放置在吊掛上的砝碼接觸并把砝碼托起，隨后升降托架帶動(dòng)砝碼繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)直至最頂端位置。

上述加碼方式，多層砝碼可以根據(jù)需要同時(shí)或者分開進(jìn)行加卸載。升降托架的速度取決于伺服電機(jī)。升降托架的位置控制是由行程開關(guān)和編碼器共同控制，這樣就可以保證砝碼升降位置足夠精確。同時(shí)每塊砝碼左右兩側(cè)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)在控制上要保證同步性。伺服電機(jī)能夠保證加卸砝碼的速度均勻、平穩(wěn)。通過不同的砝碼自由組合，實(shí)現(xiàn)最大限度的負(fù)荷級(jí)數(shù)，從而擴(kuò)大檢測(cè)范圍。

2.2 獨(dú)立連續(xù)加碼方式的機(jī)械結(jié)構(gòu)

從圖2中不難看出力基準(zhǔn)機(jī)的獨(dú)立連續(xù)加碼裝置主要由蝸桿、蝸輪、絲桿螺母副和砝碼支撐板等部分構(gòu)成。其中，可以將蝸桿、蝸輪和絲桿螺母副這一套傳動(dòng)設(shè)備稱為絲桿升降裝置。力基準(zhǔn)機(jī)的獨(dú)立連續(xù)加碼裝置的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 獨(dú)立連續(xù)加碼裝置的結(jié)構(gòu)圖

在圖3中，將蝸桿、蝸輪和絲桿螺母副這一套傳動(dòng)設(shè)備做成一個(gè)整體并在其外加上機(jī)架，這樣更有利于傳動(dòng)部件內(nèi)部的潤滑與密封。為了更加安全平穩(wěn)地完成力基準(zhǔn)機(jī)的加碼過程，同時(shí)使得加碼裝置的其他結(jié)構(gòu)簡單化，對(duì)于蝸桿蝸輪連接絲桿螺母副的傳動(dòng)方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，將螺母與絲桿的連接中加入鍵，使得絲桿僅僅做直線運(yùn)動(dòng)，而不轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然蝸輪蝸桿傳動(dòng)本身具有一定的自鎖能力，但是為了增加整個(gè)加碼裝置的自鎖能力，絲桿的結(jié)構(gòu)采用小螺距梯形絲桿。2.2.1 力基準(zhǔn)機(jī)的獨(dú)立連續(xù)加碼裝置緩沖裝置的設(shè)計(jì)

為了最大限度地減小力基準(zhǔn)機(jī)測(cè)試時(shí)對(duì)被測(cè)傳感器的沖擊，使得砝碼加 (卸)載時(shí)力值平滑地變化，就需要使力基準(zhǔn)機(jī)的整個(gè)砝碼加 (卸)載系統(tǒng)具有一定的柔性，這樣可以使整個(gè)裝置具有一定的緩沖作用。同時(shí)，也為了使力基準(zhǔn)機(jī)的砝碼加 (卸)載過程實(shí)現(xiàn)無級(jí)加載，在力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼裝置中加入了彈簧這一機(jī)械彈性裝置，使得整個(gè)系統(tǒng)的柔性得到了大幅的提高。砝碼支撐板直接與砝碼接觸，可以考慮在砝碼支撐板上或者其內(nèi)部加入彈簧，這樣可以最大限度地發(fā)揮彈簧彈性形變的能力，利用這樣的彈性形變?cè)黾酉到y(tǒng)的緩沖能力。

在圖2中的砝碼支撐板兩端的彈簧孔中裝入彈簧，彈簧孔與彈簧安裝的具體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 彈簧安裝的結(jié)構(gòu)圖

在圖4中，在彈簧的上端裝入一彈簧套，使得彈簧與砝碼的接觸為面接觸，擴(kuò)大了接觸面積，使工作過程更穩(wěn)定。在彈簧孔的前后外表面加工一螺釘孔并在彈簧套的相應(yīng)位置加工一長槽孔，這樣可以在安裝的時(shí)候?qū)椈墒┘右欢ǖ妙A(yù)緊力F0，使彈簧可靠地穩(wěn)定在安裝位置。同時(shí)還需要保證圖4中的L2＞L1，這樣就能夠充分地利用彈簧的彈性形變。在砝碼沒有受到彈簧的壓力時(shí)，即彈簧在只受到預(yù)緊力時(shí)，彈簧套應(yīng)伸出孔一段距離，使得彈簧在受到砝碼重力的時(shí)候有充足的運(yùn)動(dòng)距離。在彈簧的下端安裝力值傳感器，可以檢測(cè)砝碼加載的力值，有利于力值的控制。

2.2.2 力基準(zhǔn)機(jī)的獨(dú)立連續(xù)加碼裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與砝碼支撐板的連接

在力基準(zhǔn)機(jī)砝碼加 (卸)載的工作過程中，由于存在外界的振動(dòng)、安裝的誤差和控制精度等問題，使得整個(gè)力基準(zhǔn)機(jī)的工作精度和穩(wěn)定性受到一定的影響。為了盡可能減小或者消除這種影響，在力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)上引入機(jī)械自適應(yīng)的理念，即通過合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)使其工作時(shí)通過自身的調(diào)節(jié)消除擾動(dòng)的影響以提高整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。為此，在絲桿升降設(shè)備和砝碼支撐板的連接處進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠利用自身的調(diào)節(jié)，消除外界擾動(dòng)的影響。其具體結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 絲桿升降設(shè)備和砝碼支撐板的連接處的結(jié)構(gòu)圖

圖5中，把絲桿的端部加工成球面狀，同時(shí)砝碼支撐板與絲桿接觸的表面也加工成與絲桿頭部相配合的環(huán)形弧面，并且在絲桿穿入砝碼支撐板的端部加工一個(gè)鍵形狀使其穿過砝碼支撐板，在其上加一螺栓蓋，通過螺栓與之固定。理想情況應(yīng)該是力基準(zhǔn)機(jī)在工作時(shí)，砝碼支撐板的兩端應(yīng)同時(shí)接觸砝碼，但是由于安裝誤差或者振動(dòng)的影響，可能在工作時(shí)砝碼支撐板的一端先接觸砝碼，這樣的結(jié)構(gòu)可以保證在出現(xiàn)這種情況時(shí)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的自我調(diào)整，使砝碼支撐板的另一端也迅速接觸砝碼，起到支撐砝碼的作用，從而保證力基準(zhǔn)機(jī)工作時(shí)砝碼不出現(xiàn)偏斜，保證了工作的安全。

3 靜重式力基準(zhǔn)機(jī)獨(dú)立連續(xù)加碼過程的力學(xué)分析

由于采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，保證了整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，使電機(jī)模型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響基本可以忽略。因此絲桿升降機(jī)驅(qū)動(dòng)升降托架帶動(dòng)砝碼升降的工作系統(tǒng)的靜力學(xué)模型的主要決定因素就是支撐砝碼的彈簧，從而其靜力學(xué)模型可以簡化為圖6。

圖6 獨(dú)立連續(xù)加碼力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)升降托架支撐砝碼加卸的靜力學(xué)模型

圖中:y1為加載砝碼時(shí)機(jī)構(gòu)升降托架的位移;y2為卸載砝碼時(shí)機(jī)構(gòu)升降托架的位移;P1為加載砝碼時(shí)吊掛所受到的作用力;P2為卸載砝碼時(shí)吊掛所受到的作用力;W為砝碼在空氣中的重力。

當(dāng)升降托架與砝碼接觸、砝碼與吊掛接觸的條件同時(shí)滿足時(shí)，并設(shè)彈簧的剛度為，根據(jù)胡克定律有:

在彈簧剛度k為定值時(shí)，彈簧被壓縮后產(chǎn)生的彈性力隨著壓縮長度的變化呈一次線性函數(shù)。在加載砝碼時(shí)，當(dāng)砝碼與吊掛接觸的瞬間，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降托架漸漸脫離砝碼，即y1逐漸減小，從式 (2)中推得吊掛上所受到的作用力P1即逐漸增大，直至升降托架完全脫離砝碼，這樣砝碼的重力才完全加載到吊掛上。在卸載砝碼時(shí)，當(dāng)砝碼與吊掛接觸的瞬間，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)升降托架漸漸頂起砝碼，即y2逐漸增大，從式 (3)中推得吊掛上所受到的作用力P2即逐漸減小，直至升降托架將砝碼完全頂起脫離吊掛，這時(shí)砝碼加載吊掛上的重力即為零。因?yàn)椴捎盟欧姍C(jī)控制，能夠保證運(yùn)動(dòng)過程中勻速的過程，同時(shí)又由于彈簧被壓縮后產(chǎn)生的彈性力隨著壓縮長度的變化呈一次線性函數(shù)，從式 (2)和式 (3)中也就不難看出吊掛上所受到的砝碼重力在加卸砝碼的時(shí)候也是連續(xù)線性變化的。這樣就使得砝碼加卸過程變得平穩(wěn)，不會(huì)產(chǎn)生劇烈的沖擊。

4 總結(jié)

提出了靜重式力基準(zhǔn)機(jī)“獨(dú)立連續(xù)加碼”的全新加碼方式，并且介紹了實(shí)現(xiàn)這種加碼方式的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該加碼方式對(duì)于進(jìn)行靜重式力基準(zhǔn)機(jī)的設(shè)計(jì)與改造有一定的實(shí)際意義。

【1】蒲良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2001:377－381.

【2】李學(xué)銘.1MN多功能杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，1994，221(5):53 －62.

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