虞躍凌 康張宜 胡瀟寅 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

一種新型疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

虞躍凌 康張宜 胡瀟寅 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

在新建500 kN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)時(shí)，對(duì)于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計(jì)，拓展了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)檢測(cè)，從而大大提高力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作效率。

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；測(cè)量范圍；自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

在新建500 kN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱疊加機(jī)）時(shí)，利用新研發(fā)的多量程比對(duì)式加載機(jī)構(gòu)技術(shù)，對(duì)于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計(jì)，拓展了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測(cè)量范圍，同時(shí)利用新研發(fā)的變形量自動(dòng)補(bǔ)償裝置技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)檢測(cè)，從而大大提高力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作效率。

1 工作原理

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作為國(guó)家的基標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，是用一個(gè) (或組)比被檢定的測(cè)力儀準(zhǔn)確度高的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀作為標(biāo)準(zhǔn)，與被檢測(cè)力儀串聯(lián)，以液壓或機(jī)械方式施加負(fù)荷的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。是一種高準(zhǔn)確度等級(jí)的力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在量值傳遞溯源系統(tǒng)中發(fā)揮著及其重要的作用。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作原理

工作時(shí)，力發(fā)生器（液壓油缸系統(tǒng)或機(jī)械加卸載系統(tǒng)）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢傳感器加載，由于兩者受力串聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢傳感器同時(shí)承受同一載荷。載荷大小由標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出來(lái)確定，當(dāng)輸出達(dá)到用高一級(jí)傳感器（或測(cè)力機(jī)）標(biāo)定的定度值時(shí)，所施加的載荷為一標(biāo)準(zhǔn)力值，傳感器輸出信號(hào)分別由標(biāo)準(zhǔn)表和檢測(cè)儀表發(fā)送給計(jì)算機(jī)，穩(wěn)定該力值，記錄下被檢傳感器的輸出。逐級(jí)加載和卸載，完成對(duì)被檢傳感器的檢測(cè)。

2 傳統(tǒng)疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在進(jìn)行檢定校準(zhǔn)工作時(shí)存在的問(wèn)題

根據(jù)原理和結(jié)構(gòu)形式的不同，力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可分為靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式四種類型。隨著力傳感器技術(shù)的發(fā)展和近年來(lái)控制技術(shù)的日趨成熟，疊加機(jī)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。雖然該機(jī)具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)低廉、能夠連續(xù)加卸載等優(yōu)點(diǎn)，但是任然存在一些問(wèn)題。

2.1 疊加機(jī)的測(cè)量范圍較小，適用性較低

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼復(fù)現(xiàn)力值，其測(cè)量下限可達(dá)到測(cè)量上限的1%，如100 kN杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測(cè)量范圍為1～100 kN，6 000 N靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測(cè)量范圍為10～6 000 N。疊加機(jī)與之相比有著本質(zhì)的區(qū)別，是通過(guò)高準(zhǔn)確度等級(jí)的參考力傳感器來(lái)復(fù)現(xiàn)力值。目前，疊加機(jī)的參考力傳感器基本都采用德國(guó)HBM公司的TOP-Z系列或德國(guó)GTM公司的KTN-D系列產(chǎn)品，其測(cè)量范圍出廠指標(biāo)只有20%～100%。經(jīng)中國(guó)計(jì)量院檢定和長(zhǎng)期穩(wěn)定性考核后，一般可以將測(cè)量下限拓展至10%。因此疊加機(jī)的測(cè)量范圍至多為10%～100%，如一臺(tái)500 kN疊加機(jī)只能開展測(cè)量范圍為50～500 kN的500 kN測(cè)力儀的檢定校準(zhǔn)工作，而無(wú)法開展測(cè)量范圍為40～400 kN的400 kN測(cè)力儀、測(cè)量范圍為45～450 kN的450 kN測(cè)力儀等其他規(guī)格測(cè)力儀的檢定校準(zhǔn)工作。同時(shí)，根據(jù)最新的JJG 1116—2015《疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)》檢定規(guī)程要求，“每級(jí)加荷時(shí)間小于30 s”，即使使用多臺(tái)疊加機(jī)對(duì)一臺(tái)被檢測(cè)力儀進(jìn)行檢定，顯然無(wú)法在30 s這么短的時(shí)間內(nèi)，完成從一臺(tái)設(shè)備到另外一臺(tái)設(shè)備上的轉(zhuǎn)換，無(wú)法滿足檢定規(guī)程要求，因此每開展一種規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的檢定校準(zhǔn)，就必須配備一套相應(yīng)測(cè)量范圍的疊加機(jī)，不僅大大增加了設(shè)備成本和實(shí)驗(yàn)室使用面積，同時(shí)也大大降低了疊加機(jī)的適用性。

2.2 影響疊加機(jī)準(zhǔn)確度等級(jí)的因素較多，自動(dòng)化程度不高

影響疊加機(jī)力值準(zhǔn)確度的因素主要有參考力傳感器、力值波動(dòng)性等因素。參考力傳感器復(fù)現(xiàn)力值的顯著特點(diǎn)是存在時(shí)間效應(yīng)、方位效應(yīng)和進(jìn)回程差別。這造成了疊加機(jī)存在不同的工況，對(duì)疊加機(jī)的準(zhǔn)確度帶來(lái)影響，限制了疊加機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。時(shí)間效應(yīng)包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度和蠕變。在實(shí)際工作中，為了盡量消除傳遞標(biāo)準(zhǔn)蠕變帶來(lái)的影響，負(fù)荷加到后等待讀數(shù)的時(shí)間往往較長(zhǎng)，這對(duì)于疊加機(jī)正常開展工作是不現(xiàn)實(shí)的。為此，一方面疊加機(jī)應(yīng)選擇長(zhǎng)期穩(wěn)定度和蠕變性能較好的參考力傳感器；另一方面加載過(guò)程、加載和讀數(shù)時(shí)間應(yīng)盡量保持一致，若不一致則需要考察影響量的大小。

疊加機(jī)的力值波動(dòng)性。如0.03級(jí)的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值波動(dòng)性要求是0.01%，即萬(wàn)分之一。 如果疊加機(jī)主測(cè)參考傳感器的靈敏度為2 mV/V，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀讀數(shù)達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后面第五位，即20萬(wàn)個(gè)顯示值。在滿量程時(shí)，30 s時(shí)間內(nèi)，則波動(dòng)的數(shù)字有20個(gè)左右（波動(dòng)性合格）。計(jì)量檢定員通過(guò)人工記錄，讀數(shù)時(shí)往往是瞪大了眼睛，捕捉一個(gè)波動(dòng)峰值，捕捉一個(gè)波動(dòng)谷值，然后取平均值，實(shí)際上是一個(gè)估計(jì)值，人為誤差較大。

3 新型專利技術(shù)拓展疊加機(jī)測(cè)量范圍

在新建500 kN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)時(shí)，對(duì)于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計(jì)，拓展了疊加機(jī)的測(cè)量范圍。

該疊加機(jī)的設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為10～500 kN，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，就是分別建立100 kN和500 kN兩臺(tái)疊加機(jī)，根據(jù)上文所述，只能開展10～100 kN和50～500 kN兩個(gè)測(cè)量范圍的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的檢定校準(zhǔn)工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)如15～150 kN、20～200 kN、25～250 kN等其他規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的檢定校準(zhǔn)，只是簡(jiǎn)單的建立了兩臺(tái)疊加機(jī)，顯然無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

利用新研發(fā)的多量程比對(duì)式加載機(jī)構(gòu)技術(shù)，對(duì)于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計(jì)，當(dāng)進(jìn)行小量程檢測(cè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使得小傳感器在向上移動(dòng)給連接托盤施加一加載力用于測(cè)量小量程，此時(shí)大傳感器不工作；當(dāng)進(jìn)行大量程檢測(cè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使得大傳感器向上移動(dòng)給連接托盤施加一加載力用于測(cè)量大量程，小傳感器從連接托盤自動(dòng)脫離，避免小傳感器損壞。相較于現(xiàn)有技術(shù)，既可測(cè)量大量程，也可測(cè)量小量程，操作方便，而且小傳感器保證小量程測(cè)試的穩(wěn)定性，提高測(cè)試的準(zhǔn)確度。實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)能夠進(jìn)行任意點(diǎn)檢測(cè)，自動(dòng)切換，連續(xù)測(cè)量，從而大大提高疊加機(jī)的適用范圍，提高了疊加機(jī)的工作效率。

在檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)被檢儀器為100 kN或500 kN時(shí)，無(wú)需切換，直接使用相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀進(jìn)行檢測(cè)即可，當(dāng)被檢儀器為200 kN或300 kN等其他規(guī)格時(shí)，在檢測(cè)過(guò)程中需對(duì)兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀進(jìn)行自動(dòng)切換，具體如表1所示。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)

任何物體在外力作用下會(huì)發(fā)生形狀或體積改變，當(dāng)外力停止作用后，物體有恢復(fù)原狀的趨勢(shì)，這就是彈性形變。當(dāng)疊加機(jī)的加載機(jī)構(gòu)加載到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)后停止動(dòng)作，加載機(jī)構(gòu)勢(shì)必發(fā)生彈性形變，力值就會(huì)發(fā)生變化，如何確保標(biāo)準(zhǔn)力值能夠穩(wěn)定地加載到被檢儀器上，并且在規(guī)程允許的力值波動(dòng)范圍內(nèi)自動(dòng)對(duì)力值進(jìn)行快速補(bǔ)償，就成為重中之重的技術(shù)關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，利用新研發(fā)的變形量自動(dòng)補(bǔ)償裝置技術(shù)，對(duì)于控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的微小位移變化，確?？梢栽陬A(yù)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行讀數(shù)，順利完成檢測(cè)工作。

4 疊加機(jī)的自動(dòng)化檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，無(wú)需人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢測(cè)。工作前，把標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定值輸入計(jì)算機(jī)作為設(shè)定值。工作開始后，加載系統(tǒng)啟動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢傳感器同時(shí)受力，傳感器輸出信號(hào)分別由標(biāo)準(zhǔn)表和檢測(cè)儀表發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出信號(hào)（加載值）與設(shè)定值的差值，并根據(jù)一套算法計(jì)算控制脈沖的頻率及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后通過(guò)控制板向脈沖自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)發(fā)出該頻率的脈沖，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向。計(jì)算機(jī)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)傳感器的加載值與設(shè)定值的差值。當(dāng)差值大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，差值小時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速慢。差值為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；差值為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。加載值接近設(shè)定值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變得很慢，使加載值緩慢逼近并達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)加載值超過(guò)設(shè)定值，電機(jī)反轉(zhuǎn)，加載值回到設(shè)定值，電機(jī)始終處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，保證加載值穩(wěn)定于設(shè)定值。此時(shí)所施加的力值為一標(biāo)準(zhǔn)力值，計(jì)算機(jī)采集并記錄被檢傳感器的輸出值。如此，逐點(diǎn)完成檢測(cè)。

同時(shí)，可以按照J(rèn)JG 699—2003《稱重傳感器》檢定規(guī)程、JJG 144—2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀》檢定規(guī)程、JJG 391—2009《力傳感器》檢定規(guī)程、GB/T 7551—2008《稱重傳感器》等要求，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集、處理、保存、打印等實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化檢測(cè)，并配有自動(dòng)故障判斷停機(jī)系統(tǒng)及人為緊急停止裝置。真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

該疊加機(jī)于2017年初通過(guò)了中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的驗(yàn)收，主要技術(shù)指標(biāo)如重復(fù)性、示值誤差、方位轉(zhuǎn)角誤差等都優(yōu)于0.01%，大大超過(guò)了0.03%的設(shè)計(jì)要求，檢定過(guò)程全自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)工作效率的最大化。

[1]全國(guó)力值硬度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 1116- 2015疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2015.

[2]全國(guó)力值硬度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 144- 2007 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀檢定規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2007.

[3]張偉、張智敏.JJG 1116-2015《疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程》解讀[J].中國(guó)計(jì)量，2016（2）：127-129.

[4]封蘇偉.自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]李江全，鄭瑤.計(jì)算機(jī)典型測(cè)控與串口通信開發(fā)軟件應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]龔順鎰.工業(yè)控制自動(dòng)化實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

A new Build-up force standard machine

Yu Yueling，Kang Zhangyi，Hu Xiaoyin
（Shanghai Institute of Measurement and Test Technology）

When we are going to build a new BM(build-up force standard machine) of 500 kN, We improve the working principle and have a new mechanical structure design, expand the measuring range, fully automatic detection, greatly improve work ef fi ciency.

Build-up standard machine; measuring range; automatic detection