成組砝碼量值傳遞四工位分量組合法的分析與實現*

王連芳 馬以墨 胡順杰 肖芳遠 / 山東省計量科學研究院

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，不僅是質量量值體系中的唯一標準器，而且還作為標準器具對衡器、天平等稱量類工作計量器具進行校準，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準砝碼與一整套被檢砝碼進行比較，經過多次比較稱量，由標準砝碼真實值校準得到被檢砝碼質量值。衡量過程中，被檢砝碼組合標稱值與標準砝碼標稱值相同，同時衡量方程式數目要多于未知砝碼的個數。此方法的優點在于含有多余測量，提高了測量結果的可信度。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，而是根據國際建議R111《砝碼》的典型衡量設計，通過最多四個工位自動加載的方式，來完成由一個標準砝碼向一組砝碼進行量值傳遞的方法。由于是一個標準砝碼與最多個數為四個的被檢砝碼組合比較，所以稱為四工位分量組合法

在砝碼質量量值傳遞中，稱量設備是關鍵的配套設備。受稱量設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值有可能不一樣，而標準砝碼與被檢砝碼比較應盡量避免這種由配套設備引起的誤差，因此在進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，這兩個細節是影響砝碼量值傳遞準確可靠的關鍵；同時，人員誤操作和誤讀數在工作量大的情況下也時有發生。以上因素均源于我國目前質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和計算機控制技術，實現毫克組、克組砝碼質量值檢測，并完成智能化控制自動加、卸載砝碼、自動采集檢定數據。由于本方法實現了智能機器人系統，有效地減小了砝碼量值檢測中的隨機誤差，所以使得檢測數據更加可靠。

1 成組砝碼量值傳遞需求

砝碼質量量值傳遞需借助標準砝碼進行，傳遞過程由高準確度等級砝碼向低準確度等級砝碼逐級傳遞。根據國際建議R111和國家檢定規程JJG 99-2006規定，砝碼量值傳遞所需設備除了作為標準器的標準砝碼外，還應具備不同量程和分度值的質量比較儀或電子天平作為配套設備。

本方法所用的標準砝碼，包括E1等級克和千克標準砝碼。量傳路線為：E1等級克標準砝碼傳遞E2等級毫克組砝碼，E1等級千克標準砝碼傳遞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，其中包括具有梳狀秤盤結構（見圖1）的質量比較儀兩臺，質量比較儀的參數配置如表1所示。

表1 衡量儀器參數配置

圖1 比較儀稱量盤示意圖

2 四工位分量組合法的數學模型

根據國際建議R111《砝碼》提供的檢定序列，標準砝碼為1 kg和1 g，分別附加三個已知質量的較穩定的核查標準，各設計三組比對，每組12步比對循環，可完成（1～500 g）和（1～500 mg）砝碼質量值的量值傳遞。

以下給出每組的測量序列，選擇如下標稱值的標準砝碼和被檢砝碼：

標準砝碼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；

核查標準砝碼：1*×10n-1，單位g。

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

根據操作序列可得出兩組線性方程組：

方程組一

表2 比對循環操作序列

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）砝碼的數學模型如下：

3 四工位組合檢定法的實現

3.1 硬件架構

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

圖2 硬件架構圖

3.2 四工位組合法自動加卸載砝碼的實現

本系統的質量比較儀稱量盤與中轉工位均設計采用四工位梳狀結構，根據衡量設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，大叉與質量比較儀Ⅰ以及對應的砝碼倉配套，小叉與質量比較儀Ⅱ以及對應的砝碼倉配套，每種兩個叉位分別用于承載標準砝碼和被檢砝碼，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。

智能機械手臂承擔了傳運機構的作用，帶動機械手在機構空間內完成三維X軸、Y軸、Z軸雙向運動和順時針逆時針360°雙向轉動，使砝碼根據衡量設計的要求在質量比較儀組、中轉工位組、砝碼倉組之間，以及標準砝碼和被檢砝碼轉換比較在質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

本系統為一體式機構，其操作過程是在同一個環境柜中完成。中央控制單元完成控制衡量設備的開關門、機械手在各倉位-各中轉工位-各比較儀稱量盤之間的砝碼運輸和加卸載，并進行數據采集和運算，最后計算得到標準砝碼和被檢砝碼之間的差值，再進一步計算得到被檢砝碼的實際質量值。中央控制單元由控制單元數據線總成計算機和中央控制計算機組成。數據線總成計算機與質量比較儀串口、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據線連接，實時傳送指令和采集數據信息。中央控制計算機處于一體式檢測機構外圍，與數據總線計算機連接，同時通過通信電纜與網絡連接，對機器人實時操作、控制、參數設置和比對程序設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果引入的不確定度分量也不相同，按照ABBA的循環方式，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

根據四工位分量組合法的數學模型，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，測量結果不確定度如表3所示。

從表中可知，組合法的測量結果不確定度低于直接比較法，四工位分量組合法的測量結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果的準確度。

表3 不同方法測量不確定度比較

5 結語

本方法利用單個砝碼作為標準器，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，實現量傳克組1～500 g和毫克組 1～500 mg的量值傳遞；利用核查標準砝碼的方式，增加了自校體系，增加了核查標準砝碼量值穩定性功能，使得整套計量標準量傳準確性和穩定性更加可靠；利用計算機采集技術和計算機控制技術，完成智能化控制自動加卸砝碼、自動采集檢定數據，并進行數據運算處理得到砝碼組的折算質量值。

本方法把智能機器人系統引入砝碼量傳檢定領域，將檢定流程中大部分的操作交由智能化系統來完成，將提高砝碼常規檢定的工作效率，確保檢定結果公正、科學、準確，提高我國質量專業的檢測能力或技術水平，推動我國質量傳遞技術的發展。