力基準機獨立連續加碼裝置的設計

康博，張偉，陳守強，張弘

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

力基準機是國家力值計量檢測機構必備的設備。它通過某種特定的方式將規定的力值復現在負荷傳感器上，從而用來檢測負荷傳感器的各項技術指標。在力值準確度和力值穩定度方面，靜重式力基準機占有明顯的優勢，有著其他力基準機難以替代的作用。

隨著近幾十年來工業自動控制領域的迅猛發展，傳統的力基準機已經不能滿足實際測量中的高效、高精度、高穩定性的要求，這就需要對原有力基準機的機械部分和控制部分進行改進，使其性能得到提高。為了使力基準機能夠高性能地工作，國內的一些研究機構采用了一種獨立加碼方式，這種方式雖然可以基本滿足力基準機的工作要求，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現無級加載的過程。作者在此研究的基礎上創造性地提出了一種力基準機獨立連續加碼方式，利用有限的砝碼組合實現平穩無級的加載過程，保證加載過程平穩運行，并且設計了實現該方式的機械傳動結構，較好地解決了國內現有加載方式存在的問題，使得加載過程平穩，沖擊小，從而使得測試精度有了一定的提高。

1 靜重式力基準機的結構及工作原理

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

圖1 靜重式力基準機結構示意圖

式中:m為砝碼的質量;

V為砝碼的體積;

ρa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。根據式 (1)可知，只需知道吊掛上所掛砝碼的質量即可計算出作用于被檢測力儀上所加載的力。根據不同測力儀的檢測要求，按照一定規則對被檢測力儀施加不同質量的砝碼，即可實現對被檢測力儀的檢測。由于砝碼質量可以通過高精度天平標定，砝碼材料密度、空氣密度和重力加速度都可以準確測量，所以只要靜重式力基準機的機械結構、加卸砝碼的方式合理，它就可以達到很小的力值不確定度。

2 獨立連續加碼的實現原理及其機械結構

2.1 獨立連續加碼的實現原理

為了提高力基準機的精度、穩定性并使其具有較大的檢測范圍，實現這一目標的關鍵技術就是使每個砝碼均有自己的驅動裝置，并且在加碼裝置中采用機械柔性機構，這樣就可以使得各個砝碼都可以任意組合，同時每個砝碼在加載的過程當中均可以實現從零加到砝碼本身質量的無級加載過程。為此，對力基準機獨立連續加碼方法和加碼裝置提出如下功能要求:

(1)每個砝碼必須能夠獨立地完成整個加載過程;

(2)每個砝碼在加載過程中能夠實現力值從零到最大值的無級加載;

(3)在加載的過程當中，即使發生輕微晃動或者發生微小的位移誤差，加碼裝置都可以實現自身調整，直至平穩;

(4)整個裝置具有較強的自鎖功能。

針對以上所提出的功能要求，設計了力基準機獨立連續加碼方法和加碼裝置，其原理圖如圖2。

靜重式力基準機是根據力的動力效應，直接利用已知質量砝碼的重力來復現基準力值的。根據牛頓第二定律，并考慮空氣浮力的影響，砝碼在空氣中的重力f為

圖2 力基準機獨立連續加碼原理圖

如圖2，該方法利用伺服電動機驅動蝸桿，蝸桿帶動蝸輪，使蝸輪進行轉動，在蝸輪上固定有螺母，螺母隨著蝸輪轉動，從而帶動絲桿實現升降運動。絲桿的升降運動通過砝碼支撐板進而帶動砝碼完成升降運動。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變化，這樣也就可以使得力基準機的砝碼加 (卸)載過程實現無級加載，同時彈簧是彈性裝置，也可以大大減輕砝碼加 (卸)載時力基準機對被測傳感器的沖擊。利用伺服電動機可以方便、精確地控制砝碼升降時的速度和位置。在每個砝碼的左右兩側均有一套這樣的機構，并且嚴格保證這兩套機構關于吊掛中心對稱，這樣就可以使砝碼在升降過程中受力均勻，不產生偏心。

這樣的力基準機獨立連續加碼方法，使得每個砝碼均可以獨立地進行控制，所有的砝碼均可任意組合，大大擴大了力基準機的檢測范圍。利用伺服電機，保證了力基準機的工作精度。利用彈性系統進行加載的方式，使整個系統的柔性大幅提高，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，絲桿升起使升降托架連同砝碼處于最上部，兩側的升降托架把砝碼支撐住，吊掛則處于不受力的自由狀態，吊掛上的托盤與砝碼之間有一定的降落距離。

加載砝碼時，伺服電機驅動絲桿升降機，使絲桿下降，帶動升降托架向下運動，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，隨后升降托架繼續向下運動，使其完全脫離砝碼。

卸載砝碼時，伺服電機驅動絲桿升降機，使絲桿上升，帶動升降托架向上運動，直到升降托架與放置在吊掛上的砝碼接觸并把砝碼托起，隨后升降托架帶動砝碼繼續向上運動直至最頂端位置。

上述加碼方式，多層砝碼可以根據需要同時或者分開進行加卸載。升降托架的速度取決于伺服電機。升降托架的位置控制是由行程開關和編碼器共同控制，這樣就可以保證砝碼升降位置足夠精確。同時每塊砝碼左右兩側的伺服電機驅動在控制上要保證同步性。伺服電機能夠保證加卸砝碼的速度均勻、平穩。通過不同的砝碼自由組合，實現最大限度的負荷級數，從而擴大檢測范圍。

2.2 獨立連續加碼方式的機械結構

從圖2中不難看出力基準機的獨立連續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成。其中，可以將蝸桿、蝸輪和絲桿螺母副這一套傳動設備稱為絲桿升降裝置。力基準機的獨立連續加碼裝置的總體機械結構如圖3所示。

圖3 獨立連續加碼裝置的結構圖

在圖3中，將蝸桿、蝸輪和絲桿螺母副這一套傳動設備做成一個整體并在其外加上機架，這樣更有利于傳動部件內部的潤滑與密封。為了更加安全平穩地完成力基準機的加碼過程，同時使得加碼裝置的其他結構簡單化，對于蝸桿蝸輪連接絲桿螺母副的傳動方式，在結構設計上，將螺母與絲桿的連接中加入鍵，使得絲桿僅僅做直線運動，而不轉動。雖然蝸輪蝸桿傳動本身具有一定的自鎖能力，但是為了增加整個加碼裝置的自鎖能力，絲桿的結構采用小螺距梯形絲桿。2.2.1 力基準機的獨立連續加碼裝置緩沖裝置的設計

為了最大限度地減小力基準機測試時對被測傳感器的沖擊，使得砝碼加 (卸)載時力值平滑地變化，就需要使力基準機的整個砝碼加 (卸)載系統具有一定的柔性，這樣可以使整個裝置具有一定的緩沖作用。同時，也為了使力基準機的砝碼加 (卸)載過程實現無級加載，在力基準機獨立連續加碼裝置中加入了彈簧這一機械彈性裝置，使得整個系統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部加入彈簧，這樣可以最大限度地發揮彈簧彈性形變的能力，利用這樣的彈性形變增加系統的緩沖能力。

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構如圖4。

圖4 彈簧安裝的結構圖

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，擴大了接觸面積，使工作過程更穩定。在彈簧孔的前后外表面加工一螺釘孔并在彈簧套的相應位置加工一長槽孔，這樣可以在安裝的時候對彈簧施加一定得預緊力F0，使彈簧可靠地穩定在安裝位置。同時還需要保證圖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，即彈簧在只受到預緊力時，彈簧套應伸出孔一段距離，使得彈簧在受到砝碼重力的時候有充足的運動距離。在彈簧的下端安裝力值傳感器，可以檢測砝碼加載的力值，有利于力值的控制。

2.2.2 力基準機的獨立連續加碼裝置傳動機構與砝碼支撐板的連接

在力基準機砝碼加 (卸)載的工作過程中，由于存在外界的振動、安裝的誤差和控制精度等問題，使得整個力基準機的工作精度和穩定性受到一定的影響。為了盡可能減小或者消除這種影響，在力基準機獨立連續加碼裝置的機械結構上引入機械自適應的理念，即通過合理的機械結構使其工作時通過自身的調節消除擾動的影響以提高整個系統的工作性能。為此，在絲桿升降設備和砝碼支撐板的連接處進行了合理的結構設計，使其能夠利用自身的調節，消除外界擾動的影響。其具體結構如圖5。

圖5 絲桿升降設備和砝碼支撐板的連接處的結構圖

圖5中，把絲桿的端部加工成球面狀，同時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形弧面，并且在絲桿穿入砝碼支撐板的端部加工一個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。理想情況應該是力基準機在工作時，砝碼支撐板的兩端應同時接觸砝碼，但是由于安裝誤差或者振動的影響，可能在工作時砝碼支撐板的一端先接觸砝碼，這樣的結構可以保證在出現這種情況時，通過機械結構的自我調整，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，從而保證力基準機工作時砝碼不出現偏斜，保證了工作的安全。

3 靜重式力基準機獨立連續加碼過程的力學分析

由于采用伺服電機作為驅動元件，保證了整個系統的平穩運行，使電機模型對整個系統的影響基本可以忽略。因此絲桿升降機驅動升降托架帶動砝碼升降的工作系統的靜力學模型的主要決定因素就是支撐砝碼的彈簧，從而其靜力學模型可以簡化為圖6。

圖6 獨立連續加碼力標準機升降托架支撐砝碼加卸的靜力學模型

圖中:y1為加載砝碼時機構升降托架的位移;y2為卸載砝碼時機構升降托架的位移;P1為加載砝碼時吊掛所受到的作用力;P2為卸載砝碼時吊掛所受到的作用力;W為砝碼在空氣中的重力。

當升降托架與砝碼接觸、砝碼與吊掛接觸的條件同時滿足時，并設彈簧的剛度為，根據胡克定律有:

在彈簧剛度k為定值時，彈簧被壓縮后產生的彈性力隨著壓縮長度的變化呈一次線性函數。在加載砝碼時，當砝碼與吊掛接觸的瞬間，伺服電機驅動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，當砝碼與吊掛接觸的瞬間，伺服電機驅動驅動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，這時砝碼加載吊掛上的重力即為零。因為采用伺服電機控制，能夠保證運動過程中勻速的過程，同時又由于彈簧被壓縮后產生的彈性力隨著壓縮長度的變化呈一次線性函數，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候也是連續線性變化的。這樣就使得砝碼加卸過程變得平穩，不會產生劇烈的沖擊。

4 總結

提出了靜重式力基準機“獨立連續加碼”的全新加碼方式，并且介紹了實現這種加碼方式的機械結構。該加碼方式對于進行靜重式力基準機的設計與改造有一定的實際意義。

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