全自動獨立加碼杠桿式力標準機的研究

鄭 輝，張 濤，王 鵬

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津300192）

力標準機作為檢定各種測力儀負荷特性的標準計量器具，是各級標準測力儀器中力值準確度最高的一種，它的各項性能指標決定了整個測力行業的準確度。杠桿式力值標準機是力學計量標準裝置之一[1]，它是以砝碼的重力作為標準負荷，經過一定的杠桿機構放大后按預定順序自動平穩地加到被檢測力儀上的力標準機。杠桿式力標準機往往容易得到更大的力值。

杠桿式力標準機在力值行業普遍使用，但其存在加載過程緩慢、杠桿配平復雜，工作效率低下等問題，本文提出全自動電動獨立加碼杠桿式力標準裝置，提供一種全自動配平、獨立加碼、快速加荷，便捷校準的高準確度杠桿式力標準裝置，旨在探索改進杠桿式力標準機的不足之處，從而對傳統杠桿式力標準機進行結構上的突破，研制效率高、精度高、可靠性高、操作方便的小力值標準裝置，有效解決小力值傳感器的校準工作中的問題。

1 設計方案及工作原理

1.1 工作原理

杠桿式力標準機的原理同靜重式力標準機的原理一致，也是根據力的動力學效應，直接利用已知質量砝碼的重力來復現基準力值，將復現的力值通過一定的杠桿比進行放大。根據牛頓第二定律，并考慮空氣浮力的影響，質量為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的重力加速度是一個常數，對于確定的砝碼質量，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，重力是目前最準確的力源。因此，通過重力來復現力值的杠桿式力標準機，其將砝碼的重力通過杠桿比放大后加載到被檢測力儀上，在原理上是合理可靠的。

1.2 設計方案

2 kN 杠桿式力標準機由兩部分組成：主機部分（主機機架、反力框架、砝碼、吊掛、驅動機構、移動橫梁、杠桿機構、配平機構等）和控制部分（伺服電機、可編程控制器、計算機軟件系統等），如圖1 所示。其中主機部分是實現對被檢測力儀測試的機械裝置，其核心是砝碼組以及砝碼驅動機構，每一塊砝碼都由2 個伺服電機通過砝碼托盤來獨立控制，通過控制不同砝碼組來進行載荷的自由組合；杠桿機構通過配平機構的自動調平功能，使杠桿機構和工作部件可以達到快速平衡，避免了傳統杠桿機復雜繁瑣的人工調平。

控制部分是由計算機軟件系統和PLC 為主要控制元件的控制裝置，是砝碼執行動作的關鍵。通過PLC 控制過程的讀寫，伺服控制單位由伺服驅動器和伺服電機構成，伺服驅動器通過計算機輸入設備，獲取指令控制伺服電機，驅動砝碼區的加載與卸載，同時通過接近開關進行系統平衡調節控制，控制行為通過主界面操作人員可以簡單操作完成整個校準過程的實現。

圖1 2 kN 杠桿式力標準機組成示意圖Fig.1 Composition diagram of 2 kN lever-type force standard machine

2 關鍵技術

2.1 主機機構

主機機構主要由四部分組成：主機機架、杠桿系統、反力框架和移動橫梁。主機機架采用四立柱結構，加工時充分考慮兩邊的同步性，保證足夠的剛度和強度。反力框架和移動橫梁是力標準機安裝被檢測力儀的工作部位。移動橫梁驅動機構采用高精度絲杠、螺套和同步帶，由電機驅動，保證移動橫梁上下移動的兩邊同步性。反力框架通過杠桿系統將工作區與砝碼系統連接，實現主機的整體性。

2.2 砝碼與吊掛

該杠桿式力標準機砝碼總重量為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，通過不同的砝碼自由組合，將實現最大限度的負荷級數，最大限度細化載荷級數，滿足不同檢定點的載荷要求。

該杠桿式力標準機的吊掛通過設計，與被檢區的反力框架重量基本一致，使空載情況下杠桿兩側達到大致平衡，使自動調平實現快速化，其中，吊掛材質為鋁合金，而砝碼材質為304 不銹鋼，并經過消磁和熱處理表面鍍硬鉻以達到防腐和耐磨，最終確保力值可長期保持恒定。

2.3 砝碼驅動機構

電動獨立加碼是通過單獨的驅動機構執行每一塊砝碼的加卸動作，具體是以伺服電機和減速器作為驅動砝碼加卸載機構，工作原理如圖2 所示，由電動機驅動凸輪機構轉動，帶動托架（滑塊）做垂直升降運動，從而提升或降落托架上的砝碼。當托架升降時，砝碼隨之升降，實現砝碼在中心吊桿上的加載與卸載[2]。

圖2 砝碼驅動系統Fig.2 Weight drive system

對于電動獨立加碼方式，每塊砝碼加卸動作均由電動機控制。托架的行程取決于凸輪的偏心量，升降的速度取決于電動機的轉速。因而通過適當的控制方法，實現砝碼快速、平穩加卸，多層砝碼可以根據需要同時或者單獨工作，或者按照預設程序加卸載。

2.4 計算機軟件控制

計算機軟件系統主界面十分簡潔，操作具有手動、半自動和自動3 種模式，具有檢定所需要的全部功能。在示意圖狀態顯示框中觀察，是否顯示設備狀態正常（正常狀態即初始狀態為移動橫梁在下位，砝碼被砝碼托盤托起-呈綠色，每塊砝碼兩邊限位標志為上顯示紅色，吊掛底部的防擺輪松開）。如果正常點擊右邊工作欄里的“啟動”按鈕直接進入加載模式，否則點擊“進入手動控制”開啟“手動控制面板”如圖3 所示，根據當前設備狀態通過“反力框架”欄下的合上和斷開，調整杠桿的位置配平，通過“砝碼”欄下的“加載”和“卸載”，控制砝碼的驅動。

圖3 手動控制界面Fig.3 Manual control interface

3 性能測試

依據JJG 734-2001《力標準機檢定規程》的相關要求對本2 kN 杠桿式力標準機進行力值性能測試。性能測試實驗使用0.01 級標準測力傳感器及精密數字測量儀DMP40，負荷點覆蓋了2 kN 杠桿式力標準機的全量程范圍（40～2000）N。

將標準測力傳感器正確安裝在力標準機上，對其施加3 次額定預負荷，第三次預負荷逐級施加。在標準測力傳感器初始安裝位置上（0°）重復測量3次，再轉動測力儀，在相對初始位置的90°、180°和270°的方位上進行測量。力值重復性R 和示值誤差δ 分別由式（2）、式（3）計算得到：

式中：X0max，X0min，X0為在本機同一負荷下，標準測力傳感器在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，標準測力傳感器在力基準機的某個負荷下，兩次定度所輸出的平均值；X 為在本機同一負荷下，根據標準測力傳感器在0°方位上測出的第一次輸出與90°、180°、270°方位上得到的輸出平均值[3]。

測試結論如表1 所示。

表1 性能測試項目及結論Tab.1 Performance test items and conclusions

通過對測試結論的判斷，該2 kN 杠桿式力標準機滿足JJG734-2001《力標準機檢定規程》的要求，符合0.03 級。

4 結語

全自動電動獨立加碼杠桿式力標準裝置，采用了全新的設計理念和先進的全自動獨立加碼、自動配平等關鍵技術，每一個砝碼都由2 個伺服電機通過砝碼托盤來獨立控制，通過控制不同砝碼組來進行載荷的自由組合，而杠桿部件通過平衡坨的自由移動實現自動平衡調節，使杠桿部件和工作部件可以達到快速、便捷平衡，避免了復雜繁瑣的人工調平及逐點加荷，同時計算機軟件系統的多種模式控制確保整機操作的準確無誤。整機經過性能試驗測試，驗證了力值重復性和示值誤差都控制在0.03%以內，測試結果表明整機的準確度滿足杠桿式力標準機0.03 級的計量指標要求，符合預期設計目標。