杜文輝，趙寬教

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是力值計(jì)量的最高標(biāo)準(zhǔn)，也是強(qiáng)度試驗(yàn)、力學(xué)測(cè)試的量值基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)國(guó)防建設(shè)起著重要的作用。獨(dú)立加碼杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)[1]是一種高效率、低成本、高精度的新型全自動(dòng)杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。該機(jī)采用新結(jié)構(gòu)和新工作方式，利用優(yōu)化組合的砝碼加載，每塊砝碼由獨(dú)立的電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)加卸；由PC機(jī)自動(dòng)控制砝碼和各個(gè)工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。適用于在力值計(jì)量領(lǐng)域，及各測(cè)力及力傳感器的生產(chǎn)中，作為一種實(shí)用的基準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)用。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)組成

1.1 電動(dòng)獨(dú)立加碼原理

電動(dòng)獨(dú)立加碼的原理[2]是通過單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行每一塊砝碼獨(dú)立加卸載動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)砝碼的單獨(dú)或同時(shí)加載或卸載，即運(yùn)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)使加卸砝碼的動(dòng)作成為一個(gè)簡(jiǎn)單的垂直直線運(yùn)動(dòng)。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)托架做升降運(yùn)動(dòng)，托架上放置砝碼。從而當(dāng)托架升降時(shí)，砝碼隨之升降，實(shí)現(xiàn)砝碼往吊掛上的加卸動(dòng)作。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)具有最簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而使設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。加碼原理如圖1所示。

圖 1??加碼原理

1.2 結(jié)構(gòu)組成

獨(dú)立加碼杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的機(jī)械裝置；控制系統(tǒng)是由微機(jī)為主控制器的控制裝置[3]。機(jī)械結(jié)構(gòu)由砝碼、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、主機(jī)機(jī)架、杠桿、吊掛、防擺裝置和平衡砣等組成。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)控制卡[4]、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、同步微電機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換卡、PC主機(jī)、顯示儀表、平衡位移傳感器、手動(dòng)控制盒、接近開關(guān)及限位開關(guān)等組成?？刂葡到y(tǒng)通過伺服電機(jī)控制卡控制同步微電機(jī)從而控制砝碼凸輪，實(shí)現(xiàn)砝碼加載；通過控制伺服電驅(qū)動(dòng)器控制主機(jī)部分電機(jī)啟停，拉平杠桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器載荷的加載；在過程中，以平衡位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)杠桿平衡狀態(tài)，作為反饋信號(hào)，與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)后調(diào)整控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)程序設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)檢定的全自動(dòng)化，根據(jù)設(shè)定好的檢定參數(shù)，如檢定點(diǎn)數(shù)、保持時(shí)間、檢定次數(shù)、是否需要回程等，執(zhí)行“開始”按鈕，設(shè)備開始自動(dòng)運(yùn)行，在加載和卸載過程中，實(shí)時(shí)顯示并采集傳感器的數(shù)值，執(zhí)行完成后，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)卸載載荷，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，報(bào)表生成。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件模塊化設(shè)計(jì)

軟件采用VB平臺(tái)設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)有控制模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、錄入信息模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、分路校準(zhǔn)模塊、報(bào)表輸出模塊及主界面設(shè)計(jì)。

3.2 軟件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

3.2.1 主界面設(shè)計(jì)

軟件界面設(shè)計(jì)直觀、簡(jiǎn)潔，主界面右邊顯示設(shè)備工作狀態(tài)，中間為數(shù)據(jù)欄，可實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)信息、項(xiàng)目信息和杠桿平衡指示信息等，右邊下部為程序的手動(dòng)與自動(dòng)切換選擇按鈕，并對(duì)砝碼及防擺狀態(tài)進(jìn)行分顏色：黃色為松開；紅色為抱緊；紫色為正在運(yùn)動(dòng)。主界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖 2??主界面設(shè)計(jì)

3.2.2 信息錄入模塊設(shè)計(jì)

信息錄入模塊主要用于傳感器基本信息及控制參數(shù)錄入，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。在信息錄入時(shí)，錄入內(nèi)容包括傳感器廠家、型號(hào)、量程、檢定方式、循環(huán)次數(shù)、讀數(shù)時(shí)間及數(shù)據(jù)采集儀表信息等。

3.2.3 試驗(yàn)控制模塊設(shè)計(jì)

3.2.3.1 手動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)有手動(dòng)控制模式，可通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)砝碼、防擺裝置、動(dòng)橫梁和平衡砣等進(jìn)行手動(dòng)控制。

3.2.3.2 自動(dòng)控制功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)校準(zhǔn)任務(wù)，參數(shù)設(shè)置完成后，在主控面板選擇“開始”按鈕；首先程序自動(dòng)記錄零點(diǎn)值或提示人工記錄零點(diǎn)值，使其自動(dòng)將橫梁升到位；由程序自動(dòng)判斷每級(jí)所需砝碼，通過砝碼托盤向下運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)砝碼的加載；讀取數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行下一級(jí)砝碼的加載直到回程卸載；回程卸載時(shí)也是由程序自動(dòng)判斷每級(jí)所需砝碼，通過砝碼托盤向上運(yùn)動(dòng)抬起砝碼來(lái)實(shí)現(xiàn)砝碼的卸載；最后將移動(dòng)橫梁降至原位讀取零點(diǎn)值。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理功能，數(shù)據(jù)處理根據(jù)《力傳感器檢定規(guī)程》原理，給出傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)、靈敏度、直線性、滯后、零點(diǎn)輸出、重復(fù)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)保存支持Text、Excel及數(shù)據(jù)庫(kù)3種保存方式，如圖3所示。

3.2.5 ?數(shù)據(jù)查詢模塊設(shè)計(jì)

圖3 ??數(shù)據(jù)處理模塊界面

數(shù)據(jù)查詢模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)已校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，查詢方式支持傳感器號(hào)、證書編號(hào)、有效期等多條件查詢。在“查詢數(shù)據(jù)”框中，按條件查詢的記錄，顯示記錄后，點(diǎn)擊讀取數(shù)據(jù)可以將此記錄的試驗(yàn)信息和數(shù)據(jù)記錄全部讀取顯示。

3.2.6 分路校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

分路校準(zhǔn)是用傳感器正/負(fù)分路校準(zhǔn)值確定放大器放大增益與傳感器線性率的一種方法，分路校準(zhǔn)值的獲取是通過電纜在傳感器橋路某臂上（拉向或壓向）并聯(lián)精密電阻使橋臂上有效電阻發(fā)生變化，傳感器在標(biāo)定時(shí)對(duì)記錄的各級(jí)載荷與傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析處理計(jì)算出拉、壓向分路校準(zhǔn)值。

3.2.7 報(bào)表輸出模塊設(shè)計(jì)

報(bào)表輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定證書、原始數(shù)據(jù)、分路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等打印功能，將當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)以Excel表格的形式打開，并進(jìn)行打印等操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，采用先單動(dòng)、后聯(lián)動(dòng)、再自動(dòng)的順序?qū)υO(shè)備每項(xiàng)功能開展調(diào)試，并用傳感器驗(yàn)證系統(tǒng)精度。控制系統(tǒng)手動(dòng)控制，各機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常，限位開關(guān)、急停的功能正常；通過模擬全自動(dòng)檢定過程，力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)執(zhí)行動(dòng)作符合設(shè)計(jì)流程，數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、報(bào)表輸出功能正常。國(guó)家一級(jí)計(jì)量部門304所測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，符合檢定要求。

表 1??測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)????論

獨(dú)立加碼杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)具有效率高、載荷加卸載時(shí)間短、價(jià)格低和可靠性高等特點(diǎn)，通過對(duì)獨(dú)立加碼杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)、工作原理分析，設(shè)計(jì)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的控制電氣電路及控制系統(tǒng)構(gòu)架，利用微機(jī)控制原理，以VB為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)控制軟件進(jìn)行軟件模塊化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)校準(zhǔn)的自動(dòng)化控制、自動(dòng)化采集及數(shù)據(jù)處理等功能。