全自動(dòng)獨(dú)立加碼杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的研究

鄭 輝，張 濤，王 鵬

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津300192）

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作為檢定各種測(cè)力儀負(fù)荷特性的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具，是各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀器中力值準(zhǔn)確度最高的一種，它的各項(xiàng)性能指標(biāo)決定了整個(gè)測(cè)力行業(yè)的準(zhǔn)確度。杠桿式力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置之一[1]，它是以砝碼的重力作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，經(jīng)過(guò)一定的杠桿機(jī)構(gòu)放大后按預(yù)定順序自動(dòng)平穩(wěn)地加到被檢測(cè)力儀上的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)往往容易得到更大的力值。

杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在力值行業(yè)普遍使用，但其存在加載過(guò)程緩慢、杠桿配平復(fù)雜，工作效率低下等問(wèn)題，本文提出全自動(dòng)電動(dòng)獨(dú)立加碼杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置，提供一種全自動(dòng)配平、獨(dú)立加碼、快速加荷，便捷校準(zhǔn)的高準(zhǔn)確度杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置，旨在探索改進(jìn)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的不足之處，從而對(duì)傳統(tǒng)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的突破，研制效率高、精度高、可靠性高、操作方便的小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，有效解決小力值傳感器的校準(zhǔn)工作中的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 工作原理

杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的原理同靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的原理一致，也是根據(jù)力的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，直接利用已知質(zhì)量砝碼的重力來(lái)復(fù)現(xiàn)基準(zhǔn)力值，將復(fù)現(xiàn)的力值通過(guò)一定的杠桿比進(jìn)行放大。根據(jù)牛頓第二定律，并考慮空氣浮力的影響，質(zhì)量為m 的砝碼在空氣中的重力f 為

式中：g 為砝碼所在地的重力加速度；ρα為砝碼所在地的空氣密度；ρω為砝碼材料密度。

由于地球上固定地點(diǎn)的重力加速度是一個(gè)常數(shù)，對(duì)于確定的砝碼質(zhì)量，在空氣密度和砝碼材料密度不變的情況下，重力是固定不變的，重力是目前最準(zhǔn)確的力源。因此，通過(guò)重力來(lái)復(fù)現(xiàn)力值的杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，其將砝碼的重力通過(guò)杠桿比放大后加載到被檢測(cè)力儀上，在原理上是合理可靠的。

1.2 設(shè)計(jì)方案

2 kN 杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)由兩部分組成：主機(jī)部分（主機(jī)機(jī)架、反力框架、砝碼、吊掛、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、移動(dòng)橫梁、杠桿機(jī)構(gòu)、配平機(jī)構(gòu)等）和控制部分（伺服電機(jī)、可編程控制器、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)等），如圖1 所示。其中主機(jī)部分是實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)力儀測(cè)試的機(jī)械裝置，其核心是砝碼組以及砝碼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每一塊砝碼都由2 個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)砝碼托盤(pán)來(lái)獨(dú)立控制，通過(guò)控制不同砝碼組來(lái)進(jìn)行載荷的自由組合；杠桿機(jī)構(gòu)通過(guò)配平機(jī)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)平功能，使杠桿機(jī)構(gòu)和工作部件可以達(dá)到快速平衡，避免了傳統(tǒng)杠桿機(jī)復(fù)雜繁瑣的人工調(diào)平。

控制部分是由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)和PLC 為主要控制元件的控制裝置，是砝碼執(zhí)行動(dòng)作的關(guān)鍵。通過(guò)PLC 控制過(guò)程的讀寫(xiě)，伺服控制單位由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，獲取指令控制伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)砝碼區(qū)的加載與卸載，同時(shí)通過(guò)接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)控制，控制行為通過(guò)主界面操作人員可以簡(jiǎn)單操作完成整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

圖1 2 kN 杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of 2 kN lever-type force standard machine

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 主機(jī)機(jī)構(gòu)

主機(jī)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主機(jī)機(jī)架、杠桿系統(tǒng)、反力框架和移動(dòng)橫梁。主機(jī)機(jī)架采用四立柱結(jié)構(gòu)，加工時(shí)充分考慮兩邊的同步性，保證足夠的剛度和強(qiáng)度。反力框架和移動(dòng)橫梁是力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)安裝被檢測(cè)力儀的工作部位。移動(dòng)橫梁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用高精度絲杠、螺套和同步帶，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證移動(dòng)橫梁上下移動(dòng)的兩邊同步性。反力框架通過(guò)杠桿系統(tǒng)將工作區(qū)與砝碼系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)主機(jī)的整體性。

2.2 砝碼與吊掛

該杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼總重量為2000 N，共17塊，砝碼配置如下：6 塊20 N、2 塊40 N，4 塊100 N，3 塊200 N，2 塊400 N，通過(guò)不同的砝碼自由組合，將實(shí)現(xiàn)最大限度的負(fù)荷級(jí)數(shù)，最大限度細(xì)化載荷級(jí)數(shù)，滿足不同檢定點(diǎn)的載荷要求。

該杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的吊掛通過(guò)設(shè)計(jì)，與被檢區(qū)的反力框架重量基本一致，使空載情況下杠桿兩側(cè)達(dá)到大致平衡，使自動(dòng)調(diào)平實(shí)現(xiàn)快速化，其中，吊掛材質(zhì)為鋁合金，而砝碼材質(zhì)為304 不銹鋼，并經(jīng)過(guò)消磁和熱處理表面鍍硬鉻以達(dá)到防腐和耐磨，最終確保力值可長(zhǎng)期保持恒定。

2.3 砝碼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)獨(dú)立加碼是通過(guò)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行每一塊砝碼的加卸動(dòng)作，具體是以伺服電機(jī)和減速器作為驅(qū)動(dòng)砝碼加卸載機(jī)構(gòu)，工作原理如圖2 所示，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)托架（滑塊）做垂直升降運(yùn)動(dòng)，從而提升或降落托架上的砝碼。當(dāng)托架升降時(shí)，砝碼隨之升降，實(shí)現(xiàn)砝碼在中心吊桿上的加載與卸載[2]。

圖2 砝碼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Weight drive system

對(duì)于電動(dòng)獨(dú)立加碼方式，每塊砝碼加卸動(dòng)作均由電動(dòng)機(jī)控制。托架的行程取決于凸輪的偏心量，升降的速度取決于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因而通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?shí)現(xiàn)砝碼快速、平穩(wěn)加卸，多層砝碼可以根據(jù)需要同時(shí)或者單獨(dú)工作，或者按照預(yù)設(shè)程序加卸載。

2.4 計(jì)算機(jī)軟件控制

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主界面十分簡(jiǎn)潔，操作具有手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)3 種模式，具有檢定所需要的全部功能。在示意圖狀態(tài)顯示框中觀察，是否顯示設(shè)備狀態(tài)正常（正常狀態(tài)即初始狀態(tài)為移動(dòng)橫梁在下位，砝碼被砝碼托盤(pán)托起-呈綠色，每塊砝碼兩邊限位標(biāo)志為上顯示紅色，吊掛底部的防擺輪松開(kāi)）。如果正常點(diǎn)擊右邊工作欄里的“啟動(dòng)”按鈕直接進(jìn)入加載模式，否則點(diǎn)擊“進(jìn)入手動(dòng)控制”開(kāi)啟“手動(dòng)控制面板”如圖3 所示，根據(jù)當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)通過(guò)“反力框架”欄下的合上和斷開(kāi)，調(diào)整杠桿的位置配平，通過(guò)“砝碼”欄下的“加載”和“卸載”，控制砝碼的驅(qū)動(dòng)。

圖3 手動(dòng)控制界面Fig.3 Manual control interface

3 性能測(cè)試

依據(jù)JJG 734-2001《力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程》的相關(guān)要求對(duì)本2 kN 杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行力值性能測(cè)試。性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)使用0.01 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器及精密數(shù)字測(cè)量?jī)xDMP40，負(fù)荷點(diǎn)覆蓋了2 kN 杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的全量程范圍（40～2000）N。

將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器正確安裝在力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上，對(duì)其施加3 次額定預(yù)負(fù)荷，第三次預(yù)負(fù)荷逐級(jí)施加。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器初始安裝位置上（0°）重復(fù)測(cè)量3次，再轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)力儀，在相對(duì)初始位置的90°、180°和270°的方位上進(jìn)行測(cè)量。力值重復(fù)性R 和示值誤差δ 分別由式（2）、式（3）計(jì)算得到：

式中：X0max，X0min，X0為在本機(jī)同一負(fù)荷下，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器在0°方位上的輸出最大值、 最小值和平均值；Xs為檢定前和檢定后，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器在力基準(zhǔn)機(jī)的某個(gè)負(fù)荷下，兩次定度所輸出的平均值；X 為在本機(jī)同一負(fù)荷下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器在0°方位上測(cè)出的第一次輸出與90°、180°、270°方位上得到的輸出平均值[3]。

測(cè)試結(jié)論如表1 所示。

表1 性能測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)論Tab.1 Performance test items and conclusions

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)論的判斷，該2 kN 杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)滿足JJG734-2001《力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程》的要求，符合0.03 級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)電動(dòng)獨(dú)立加碼杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)裝置，采用了全新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的全自動(dòng)獨(dú)立加碼、自動(dòng)配平等關(guān)鍵技術(shù)，每一個(gè)砝碼都由2 個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)砝碼托盤(pán)來(lái)獨(dú)立控制，通過(guò)控制不同砝碼組來(lái)進(jìn)行載荷的自由組合，而杠桿部件通過(guò)平衡坨的自由移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，使杠桿部件和工作部件可以達(dá)到快速、便捷平衡，避免了復(fù)雜繁瑣的人工調(diào)平及逐點(diǎn)加荷，同時(shí)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的多種模式控制確保整機(jī)操作的準(zhǔn)確無(wú)誤。整機(jī)經(jīng)過(guò)性能試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了力值重復(fù)性和示值誤差都控制在0.03%以內(nèi)，測(cè)試結(jié)果表明整機(jī)的準(zhǔn)確度滿足杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)0.03 級(jí)的計(jì)量指標(biāo)要求，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。