成組砝碼量值傳遞四工位分量組合法的分析與實現(xiàn)*

王連芳 馬以墨 胡順杰 肖芳遠(yuǎn) / 山東省計量科學(xué)研究院

0 引言

在我國量值傳遞體系中，砝碼處于一個非常重要的位置，不僅是質(zhì)量量值體系中的唯一標(biāo)準(zhǔn)器，而且還作為標(biāo)準(zhǔn)器具對衡器、天平等稱量類工作計量器具進(jìn)行校準(zhǔn)，其量傳方式包括組合檢定法和直接比較法。砝碼組合檢定法是指利用一個標(biāo)準(zhǔn)砝碼與一整套被檢砝碼進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較稱量，由標(biāo)準(zhǔn)砝碼真實值校準(zhǔn)得到被檢砝碼質(zhì)量值。衡量過程中，被檢砝碼組合標(biāo)稱值與標(biāo)準(zhǔn)砝碼標(biāo)稱值相同，同時衡量方程式數(shù)目要多于未知砝碼的個數(shù)。此方法的優(yōu)點在于含有多余測量，提高了測量結(jié)果的可信度。本文所述四工位分量組合法不同于JJG 99-2006《砝碼》給出的五工位分量組合法，而是根據(jù)國際建議R111《砝碼》的典型衡量設(shè)計，通過最多四個工位自動加載的方式，來完成由一個標(biāo)準(zhǔn)砝碼向一組砝碼進(jìn)行量值傳遞的方法。由于是一個標(biāo)準(zhǔn)砝碼與最多個數(shù)為四個的被檢砝碼組合比較，所以稱為四工位分量組合法

在砝碼質(zhì)量量值傳遞中，稱量設(shè)備是關(guān)鍵的配套設(shè)備。受稱量設(shè)備自身計量特性的影響，砝碼放置在稱重盤不同位置而得到的數(shù)值有可能不一樣，而標(biāo)準(zhǔn)砝碼與被檢砝碼比較應(yīng)盡量避免這種由配套設(shè)備引起的誤差，因此在進(jìn)行砝碼量值檢定時要求操作者在加、卸砝碼時放置位置要盡可能保持一致；稱重設(shè)備特有的蠕變特性也要求操作者在操作時間間隔上盡可能的一致，這兩個細(xì)節(jié)是影響砝碼量值傳遞準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵；同時，人員誤操作和誤讀數(shù)在工作量大的情況下也時有發(fā)生。以上因素均源于我國目前質(zhì)量量值傳遞中一直沿用的人工操作方式，而只要是人工操作檢定，這些因素就難以避免。本方法利用計算機采集技術(shù)和計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)毫克組、克組砝碼質(zhì)量值檢測，并完成智能化控制自動加、卸載砝碼、自動采集檢定數(shù)據(jù)。由于本方法實現(xiàn)了智能機器人系統(tǒng)，有效地減小了砝碼量值檢測中的隨機誤差，所以使得檢測數(shù)據(jù)更加可靠。

1 成組砝碼量值傳遞需求

砝碼質(zhì)量量值傳遞需借助標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行，傳遞過程由高準(zhǔn)確度等級砝碼向低準(zhǔn)確度等級砝碼逐級傳遞。根據(jù)國際建議R111和國家檢定規(guī)程JJG 99-2006規(guī)定，砝碼量值傳遞所需設(shè)備除了作為標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)砝碼外，還應(yīng)具備不同量程和分度值的質(zhì)量比較儀或電子天平作為配套設(shè)備。

本方法所用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，包括E1等級克和千克標(biāo)準(zhǔn)砝碼。量傳路線為：E1等級克標(biāo)準(zhǔn)砝碼傳遞E2等級毫克組砝碼，E1等級千克標(biāo)準(zhǔn)砝碼傳遞E2等級克組砝碼。所配置的衡量儀器是一體式智能檢測機器人系統(tǒng)，其中包括具有梳狀秤盤結(jié)構(gòu)（見圖1）的質(zhì)量比較儀兩臺，質(zhì)量比較儀的參數(shù)配置如表1所示。

表1 衡量儀器參數(shù)配置

圖1 比較儀稱量盤示意圖

2 四工位分量組合法的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)國際建議R111《砝碼》提供的檢定序列，標(biāo)準(zhǔn)砝碼為1 kg和1 g，分別附加三個已知質(zhì)量的較穩(wěn)定的核查標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)計三組比對，每組12步比對循環(huán)，可完成（1～500 g）和（1～500 mg）砝碼質(zhì)量值的量值傳遞。

以下給出每組的測量序列，選擇如下標(biāo)稱值的標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼：

標(biāo)準(zhǔn)砝碼A ：1×10n(n= 1，2，3或-1，-2，-3)，單位g；

被檢砝碼 B：(5、2、2*、1)×10n-1，單位 g；

核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼：1*×10n-1，單位g。

以n= 1的砝碼組合比較舉例，即標(biāo)準(zhǔn)砝碼A為1 000 g；被檢砝碼 B 為 500 g、200g、200*g、100 g；核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼為100*g。共有以下操作序列，如表2所示。

根據(jù)操作序列可得出兩組線性方程組：

方程組一

表2 比對循環(huán)操作序列

方程組二

通過解析上述兩個方程組，可得到mc5、mc2、mc2*、mc1、mc1*數(shù)值，即得到被檢砝碼5、2、2*、1的量值，整套砝碼中一組（5、2、2*、1）砝碼的數(shù)學(xué)模型如下：

3 四工位組合檢定法的實現(xiàn)

3.1 硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)所配置的衡量儀器是一體式智能檢測機器人系統(tǒng)，其硬件架構(gòu)包括：1）中央控制單元，用來控制衡量設(shè)備的開關(guān)門、機械臂的行程等。2）具有三維行程控制，可進(jìn)行360°全方位操作的智能機械手，用于在砝碼倉、中轉(zhuǎn)工位和衡量設(shè)備之間運送和加卸載砝碼。3）具有梳狀秤盤的質(zhì)量比較儀兩臺；4）用于放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼，具有梳狀結(jié)構(gòu)的砝碼倉；5）具有梳狀結(jié)構(gòu)的中轉(zhuǎn)工位。如圖2所示。

圖2 硬件架構(gòu)圖

3.2 四工位組合法自動加卸載砝碼的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的質(zhì)量比較儀稱量盤與中轉(zhuǎn)工位均設(shè)計采用四工位梳狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)衡量設(shè)計的需要可同時放置一至四個砝碼，如圖1所示。

加卸載機械手有兩種共四個叉位，大叉與質(zhì)量比較儀Ⅰ以及對應(yīng)的砝碼倉配套，小叉與質(zhì)量比較儀Ⅱ以及對應(yīng)的砝碼倉配套，每種兩個叉位分別用于承載標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼，即四工位叉和雙工位叉。如圖3所示。機械手四工位叉可叉取一至四個砝碼，雙工位叉可叉取一至兩個砝碼。

智能機械手臂承擔(dān)了傳運機構(gòu)的作用，帶動機械手在機構(gòu)空間內(nèi)完成三維X軸、Y軸、Z軸雙向運動和順時針逆時針360°雙向轉(zhuǎn)動，使砝碼根據(jù)衡量設(shè)計的要求在質(zhì)量比較儀組、中轉(zhuǎn)工位組、砝碼倉組之間，以及標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼轉(zhuǎn)換比較在質(zhì)量比較儀上的一至四個砝碼任意組合自動加卸載，從而實現(xiàn)四工位分量組合法自動加卸載砝碼。

圖3 機械手叉示意圖

3.3 四工位組合法智能控制的實現(xiàn)

本系統(tǒng)為一體式機構(gòu)，其操作過程是在同一個環(huán)境柜中完成。中央控制單元完成控制衡量設(shè)備的開關(guān)門、機械手在各倉位-各中轉(zhuǎn)工位-各比較儀稱量盤之間的砝碼運輸和加卸載，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運算，最后計算得到標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼之間的差值，再進(jìn)一步計算得到被檢砝碼的實際質(zhì)量值。中央控制單元由控制單元數(shù)據(jù)線總成計算機和中央控制計算機組成。數(shù)據(jù)線總成計算機與質(zhì)量比較儀串口、智能機械手臂控制線、以及六個溫度傳感器、兩個濕度傳感器、一個大氣壓傳感器的數(shù)據(jù)線連接，實時傳送指令和采集數(shù)據(jù)信息。中央控制計算機處于一體式檢測機構(gòu)外圍，與數(shù)據(jù)總線計算機連接，同時通過通信電纜與網(wǎng)絡(luò)連接，對機器人實時操作、控制、參數(shù)設(shè)置和比對程序設(shè)計全部在該計算機中完成。中央控制單元原理圖如圖4所示。

圖4 中央控制單元原理圖

4 四工位分量組合法不確定度分析

測量方法不同對測量結(jié)果引入的不確定度分量也不相同，按照ABBA的循環(huán)方式，由于衡量是在同一個比較儀上完成的，不計空氣浮力的影響，每次稱量由衡量儀器引入的不確定度分量為

4.1 四工位分量組合法測量不確定度

根據(jù)四工位分量組合法的數(shù)學(xué)模型，可得：

4.2 四工位分量組合法與其他方法測量不確定度的比較

根據(jù)JJG 99-2006給出的五工位分量組合法和一對一直接比較法給出的砝碼折算質(zhì)量值的計算公式，可得這兩種方法的不確定度如下：

五工位分量組合法：

直接比較法：

匯總四工位分量組合法、五工位分量組合法和一對一直接比較法，測量結(jié)果不確定度如表3所示。

從表中可知，組合法的測量結(jié)果不確定度低于直接比較法，四工位分量組合法的測量結(jié)果不確定度低于五工位分量組合法，由此可知在成組砝碼量值傳遞中采用四工位分量組合法，可極大地提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表3 不同方法測量不確定度比較

5 結(jié)語

本方法利用單個砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)器，通過對被檢砝碼組多次衡量，最高工位是四個的比較，也就是“一對四”砝碼量值組合比較檢定法，實現(xiàn)量傳克組1～500 g和毫克組 1～500 mg的量值傳遞；利用核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式，增加了自校體系，增加了核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼量值穩(wěn)定性功能，使得整套計量標(biāo)準(zhǔn)量傳準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性更加可靠；利用計算機采集技術(shù)和計算機控制技術(shù)，完成智能化控制自動加卸砝碼、自動采集檢定數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)運算處理得到砝碼組的折算質(zhì)量值。

本方法把智能機器人系統(tǒng)引入砝碼量傳檢定領(lǐng)域，將檢定流程中大部分的操作交由智能化系統(tǒng)來完成，將提高砝碼常規(guī)檢定的工作效率，確保檢定結(jié)果公正、科學(xué)、準(zhǔn)確，提高我國質(zhì)量專業(yè)的檢測能力或技術(shù)水平，推動我國質(zhì)量傳遞技術(shù)的發(fā)展。