力基準機獨立連續加碼控制系統的設計

康博，馮利民，張弘，陳守強

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

力基準機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。為此，力基準機的各項性能指標直接影響負荷傳感器的各項技術指標，甚至影響整個國家的計量技術與檢測技術的發展。

現階段我國各計量機構和部門使用的力基準機很多都是20世紀的產品，其加載設備和控制系統都很落后，已經遠遠達不到現代傳感器的高效率、高精度和高穩定的要求。近年來，國內的一些科研機構研究的一些加碼方式和控制系統雖然使得力基準機的性能有了一定的提升，但是從測試效果來看，其力值加載呈階梯變化，對傳感器的沖擊較大。作者在此基礎上提出了一種力基準機獨立連續加碼的方法，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，較好地解決了國內現有研究存在的問題，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。在此基礎上，采用PLC 和組態軟件實現了力基準機獨立連續加碼的自動控制，使得力基準機的穩定性、準確性、高效性等均有了較大幅度的提高。

1 獨立連續加碼的設備和工作過程

1.1 獨立連續加碼的設備

為了保證力基準機的每個砝碼都能獨立、準確、穩定地完成加碼過程，同時要保證每個砝碼都能實現從零到自身重力最大值的無限加載過程。為此，設計力基準機獨立連續加碼方法和加碼裝置如圖1所示。

圖1 力基準機獨立連續加碼原理圖

如圖1所示，該方法利用伺服電動機驅動蝸桿，蝸桿帶動蝸輪轉動，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實現從零到彈簧極限力值的連續變化，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。彈簧安裝的具體結構如圖2所示。

圖2 彈簧安裝的結構圖

在彈簧的下端安裝力值傳感器，可以檢測砝碼加載的力值，實時將測量的力值傳給控制系統，以便于控制系統對力值的實時控制。

圖3 獨立連續加碼裝置的結構圖

同時彈簧是彈性裝置，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。每個伺服電動機前驅動蝸桿蝸輪和絲桿螺母的升降裝置都帶動兩個彈簧裝置，這樣可以增大支撐砝碼的接觸面積，其原理圖如圖3所示。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。

1.2 獨立連續加碼的工作過程

力基準機獨立連續加碼的具體工作過程是:

(1)初始狀態。絲桿支撐砝碼支撐板連同砝碼處于頂部極限位置，兩側的升降托架把砝碼支撐住，力基準機的中心吊桿則處于不受力的自由狀態，中心吊桿上的托盤與砝碼之間有一定的降落距離。

(2)加載砝碼。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，直到砝碼與中心吊桿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。

(3)卸載砝碼。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中心吊桿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。

采用上述加碼方式時，多層砝碼可以根據需要同時或者分開進行加卸載。每個砝碼下的4 個力值傳感器實時檢測砝碼的力值，控制系統根據力值控制伺服電機，從而控制升降托架的速度。升降托架的位置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 力基準機獨立連續加碼的控制系統

2.1 力基準機獨立連續加碼控制系統的總體設計

力基準機獨立連續加碼方法的控制系統由PC機、PLC、傳感器信號、行程開關等輸入設備和顯示器、伺服電動機等輸出設備組成。

PC 機作為上位機，從PLC 讀取數據，向PLC 發送相應的控制信號指令，并且完成力基準機獨立連續加碼工作情況的監視功能。PC 機可以為用戶提供較好的人機界面;可以使系統的工作情況及時、有效、形象地展示出來;用戶可以直接在PC 機上完成對力基準機的控制;當用戶有錯誤的輸入時，可以及時有效地提示用戶，避免了錯誤信號的輸入，增強了力基準機工作的安全性和穩定性。同時，PC 機有豐富的接口資源，能夠和PLC 進行實時通信，完成數據的交換，能夠實現力基準機的實時控制。

在力基準機獨立連續加碼控制系統中，在PC 機上安裝運行組態軟件，利用組態軟件實現對整個控制系統的實時控制和監控。并且，通過RS-232 接口完成PC 機與PLC 間的通訊，從而通過控制PLC 實現對整個系統的控制過程。

在力基準機獨立連續加碼控制系統，控制砝碼上下運動位置的準確度是至關重要的，而砝碼上下運動是由伺服電動機驅動的，因此，為了更加精準地獲得砝碼的運動位置，就需要對伺服電動機的運動進行精準的控制。該系統采用力值傳感器反饋的力值信號，實現對伺服電動機位置的控制。如圖2所示，在彈簧的底部安裝有力值傳感器，在加載過程中，隨著彈簧壓縮程度的改變，其加載的力值也發生變化，力值傳感器實時地將加載的力值傳遞給PLC，PLC 通過運算比較，確定是否繼續加(卸)載，若加載的重力達到預定的重力，則停止加載，否則繼續加載，其控制過程圖如圖4。圖4 中，在砝碼的兩端共有4 個力值傳感器，同時得到4 個傳感器信號，傳感器信號1 和傳感器信號2 經過處理經加法器Ⅰ得到的信號A 與傳感器信號3 和傳感器信號4 經過處理經加法器Ⅱ得到的信號B 經過比較器比較得到信號C，如果信號A的值大于信號B 的值，說明砝碼在加載的過程中重心向右邊偏斜，則PLC 應當控制伺服電動機1 的速度大于伺服電動機2 的速度，直至信號A 和信號B相同，再控制兩個伺服電動機以相同的速度運動;如果信號A 的值小于信號B 的值，則情況正好相反;如果信號A 和信號B 的值相同，則只需要控制兩個伺服電動機以相同的速度運動即可。并且，信號A和信號B 經過加法器Ⅲ得到信號D 傳遞給PLC，PLC實時監測信號D 的值，如果信號D 的值達到需要的值，則表明加載重力符合要求，就控制兩個伺服電動機停止運動。

圖4 伺服電動機控制過程圖

2.2 力基準機獨立連續加碼控制系統的組態設計

力基準機是精密度較高的專業化設備，其操作專業性較強并且較復雜。因此，為了使力基準機的操作更大眾化、簡單化，需要將力基準機的操作和控制系統設計圖形化、可視化。這樣既可以使力基準機的操作變得簡單，又可以實現對力基準機運行過程的實時控制和監控。各種監控組態軟件有各自不同的特點，經過分析和比較，在力基準機獨立連續加碼控制系統中采用北京九思易自動化軟件有限公司生產的易控組態軟件，它具有操作簡便、組態方式靈活多樣等特點。

2.2.1 力基準機控制系統組態界面及動畫的設計

在控制系統的組態設計中，首先需要進行組態界面的設計，力基準機控制系統組態界面如圖5所示。

控制系統的組態中，力基準機的實時運動狀態和運動過程通過界面中的顏色變化、位置移動、旋轉和閃爍燈動畫表示出來，下面就以砝碼和砝碼支撐板的狀態變化進行舉例說明:

圖5 控制系統界面

圖6 砝碼和砝碼支撐板的狀態變化圖

砝碼隨著砝碼支撐板運動。當砝碼支撐板支撐砝碼在初始位置時，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別為黃色和紫色，如圖6(a)所示。當砝碼支撐板帶動砝碼運動但未接觸中心吊桿上的小托盤時，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別變化為紅色和綠色，如圖6(b)所示。當砝碼支撐板帶動砝碼運動接觸中心吊桿上的小托盤但加載未結束時，砝碼和砝碼支撐板的顏色仍然為紅色和綠色，中心吊桿上的小托盤顏色變化為藍色，如圖6(c)所示。當砝碼支撐板帶動砝碼運動接觸中心吊桿上的小托盤，砝碼支撐板繼續向下運動，但未完全脫離砝碼、加載重力已經達到要求、加載結束時，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別變化為黃色和紫色，如圖6(d)所示。當砝碼接觸中心吊桿上的小托盤后，砝碼支撐板繼續向下運動直至完全脫離砝碼、加載過程結束時，砝碼和砝碼支撐板的顏色分別變化為黃色和紫色，如圖6(e)所示。并且在各種狀態時，砝碼和砝碼支撐板在移動的過程中，顏色還可以不停地閃爍。

2.2.2 聯機調試

連接上位PC 機和下位PLC，根據力基準機獨立連續加碼工作過程中的各種要求進行調試。系統經過調試運行，完全可以滿足力基準機獨立連續加碼工作的要求，同時，力基準機獨立連續加碼力值的變化較之前的方法更穩定和精確。

3 總結

對力基準機獨立連續加碼的控制系統進行了設計，實現了力基準機獨立連續加碼過程的自動控制和實時監控，實踐證明:該控制系統的方案合理、可行，提高了原力基準機的效率、精度和平穩性。對于同類力基準機的改造和開發具有一定的工程借鑒價值。

【1】蒲良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2001:377－381.

【2】周長明.力標準機工作狀態自動監控問題的研究與應用［D］.長春:吉林大學機械學院，2006.

【3】王永華，現代電氣控制及PLC 應用技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005:100－102.

【4】姚進輝.力標準機控制系統的電子化改造［J］.中國測試技術，2006(7):66－67.

【5】石雪松.可編程序控制器在力標準機上的應用［J］.宇航計測技術，1995(2):61－64.

【6】于麗娟，張學成，馬雁，等.靜重式力標準機控制系統的設計［J］.儀表技術與傳感器，2005(3):31－33.

【7】王斌，宋華.疊加式力標準機控制系統設計［J］.測控技術，2008(11):42－45.

【8】劉濤.力標準機獨立加碼及砝碼交換問題的研究與應用［D］.長春:吉林大學機械學院，2007.