靜重式力標準機砝碼交換力平衡控制技術的研究：

靜重式力標準機利用少量的砝碼,進行相等力值間隔逐級加、卸荷時,需要交換砝碼。當砝碼進行交換時出現逆負荷現象,會對被檢測力儀的示值產生影響。闡述了靜重式力標準機采用的交換砝碼方法是建立在利用彈性力替代砝碼重力,砝碼交換過程中重力與彈性力達到平衡的基本原理。提出了實現靜重式力標準機砝碼交換時系統達到力平衡的*種預加荷裝置,經砝碼交換力平衡控制的力學分析與實驗驗證,靜重式力標準機采用預加負荷實施倒碼力平衡控制的方法在理論上和技術上是可行的、有效的。

1引言

靜重式力標準機是以砝碼的重力作為標準負荷,通過負荷機架施加到被檢測力儀上[5]。在實際應用中,靜重式力標準機利用少量砝碼,以1,2,2,5,10(或1,1,2,5,10)方式進行組合[6],實現等力值間隔(10%、20%、……100%Fnom)逐級加、卸荷;當力標準機作遞增、遞減(進、回程)試驗時,在加卸荷過程中需要交換砝碼,當砝碼進行交換時會出現逆負荷現象[1,5]。圖1為力標準機在施加遞增、遞減負荷過程中,當砝碼進行逆程交換(counterspanchange)時的加卸荷過程曲線。為實現靜重式力標準機砝碼交換時系統達到無逆負荷現象的力平衡過程控制,提出并建立了利用彈性力替代砝碼重力,砝碼交換過程中重力與彈性力達到力平衡的基本原理和試驗方法,以及靜重式力標準機砝碼交換時系統達到力平衡過程控制的*種預加荷裝置。

2預加荷裝置的作用原理

為了實現倒碼力平衡過程控制,采用了如圖2*示的倒碼預加荷裝置;倒碼工作時,*先由伺服電動機驅動裝有位置接近傳感器S3和力傳感器S1的橫梁1向下移動,當由S1感測到橫梁1與承力盤(或吊掛下梁)接觸時,提升框架開始卸下(或加上)砝碼開始動作;然后依靠伺服電動機SM1驅動橫梁2移動,力傳感器S2感測橫梁2與承力盤的作用力大小。橫梁2的移動位移量跟蹤傳感器S1的初始值,使其保持不變,達到倒碼時力值波動受控的目標。預加荷裝置的作用原理是:以卸倒碼為例,設橫梁1與承力盤接觸時S1初始力為0,提升框架向上移動開始卸砝碼,此時由于彈性恢復作用,必然導致吊掛上的承力盤向上移動,使S1受力的作用增加。隨后伺服電動機SM1啟動,使橫梁2通過傳感器S2作用于承力盤上。橫梁2作用于承力盤上對其施加向下的作用力使吊掛向下移動,直至抵消由于吊掛上升而導致的力值增加,使S1受到的作用力恢復到初始值。力標準機砝碼提升框架采用液壓或機械控制系統驅動[3],用以提升或卸下砝碼;提升框架在提升或卸下砝碼時,升、降速度受到控制,因此不受提升砝碼重力大小的影響。

3預加荷裝置的力學模型設系統為線性的。

4力值變化理論分析

根據虎克定律,卸砝碼W保持力值不變的原理如下:初始狀態:P=W,Δx1=0,Δx2=0,P1=0,P=0卸載過程中:P=W-k2·Δx2+k1·Δx1ΔP=P-W=k1·Δx1-k2·Δx2控制目標:ΔP=0系統達到力平衡的倒碼控制結果:P=W+ΔP≈W砝碼W脫離吊掛。

5力平衡控制實驗驗證

根據倒碼力值控制基本原理:Δx=v×t,因v由電動機產生,即倒碼力值控制的速度和*度與預加荷裝置控制電機的控制性能相關,關鍵技術是預加荷裝置的控制電機與驅動機構的速度和位移的控制。預加荷裝置采用獨立的數字伺服控制單元,這種數字伺服控制技術的關鍵是通過微位移控制技術實現*力值控制,這項技術已在我們過去的疊加式力標準機的力值控制單元中成功應用。

為驗證靜重式力標準機預加荷裝置倒碼力平衡控制的性能,用*只0.1級2kN標準測力儀在*臺6kN靜重式力標準機上進行了實驗;測力機有2塊2kN、1塊1kN、1塊500N、2塊200N和1塊100N的力值砝碼。在力標準機上進行*組200N~2kN遞增、遞減序列負荷試驗,砝碼以1,2,2,5方式進行組合,實施等力值間隔(10%、20%、……100%Fnom)逐級加、卸荷,在砝碼交換的過程中采用了倒碼預加荷裝置進行力平衡控制。實現了砝碼交換時系統達到力平衡的過程控制,初步達到了控制砝碼交換時出現逆負荷現象的目的。

6結論

(1)經砝碼交換力平衡控制的力學分析與實驗驗證,靜重式力標準機采用預加負荷實施倒碼力平衡控制的方法在理論上和技術上是可行的、有效的。為靜重式力標準機性能的提*、力值傳遞技術水平的提*和發展提供了*種新的技術方法。

(2)靜重式力標準機采用倒碼力平衡控制方式,初步實現了砝碼無逆程交換的過程。為進*步研究減小以至消除加、卸砝碼及砝碼交換運動過程中的逆負荷現象,提供了*種新的試驗技術手段。

(3)采用預加荷裝置可以有效地減緩砝碼交換運動過程的力值波動,為提*靜重式力標準機的加、卸荷速度,滿足稱重傳感器、力傳感器和標準測力儀負荷試驗的加、卸荷時間要求創造了條件。

靜重式力標準機砝碼交換力平衡控制技術的研究