力基准机独立连续加码装置的设计

康博，张伟，陈守强，张弘

(1.安阳工学院机械工程学院，河南安阳455000;2.西华大学机械工程与自动化学院，四川成都610039;3.洛阳中硅高科技有限公司，河南洛阳471003)

力基准机是国家力值计量检测机构必备的设备。它通过某种特定的方式将规定的力值复现在负荷传感器上，从而用来检测负荷传感器的各项技术指标。在力值准确度和力值稳定度方面，静重式力基准机占有明显的优势，有着其他力基准机难以替代的作用。

随着近几十年来工业自动控制领域的迅猛发展，传统的力基准机已经不能满足实际测量中的高效、高精度、高稳定性的要求，这就需要对原有力基准机的机械部分和控制部分进行改进，使其性能得到提高。为了使力基准机能够高性能地工作，国内的一些研究机构采用了一种独立加码方式，这种方式虽然可以基本满足力基准机的工作要求，但是在砝码加卸过程中，力值成阶梯形变化，加载过程冲击力较大，而且不能利用有限的砝码实现无级加载的过程。作者在此研究的基础上创造性地提出了一种力基准机独立连续加码方式，利用有限的砝码组合实现平稳无级的加载过程，保证加载过程平稳运行，并且设计了实现该方式的机械传动结构，较好地解决了国内现有加载方式存在的问题，使得加载过程平稳，冲击小，从而使得测试精度有了一定的提高。

1 静重式力基准机的结构及工作原理

静重式力基准机的结构如图1所示，静重式力基准机将砝码的重力通过反向器加到被检测力仪上。被检测力仪的压空间为机架与反向器之间的上部空间，被检测力仪的拉空间为机架与反向器之间的下部空间，这两个空间可以分别用于检测压式和拉式测力仪。静重式力基准机砝码的质量是通过反向器下面的承载吊杆 (通常称为吊挂)施加到被测力仪上的。

图1 静重式力基准机结构示意图

式中:m为砝码的质量;

V为砝码的体积;

ρa为砝码所在地的空气密度;ρw为砝码材料的密度;

g为砝码所在地的重力加速度。根据式 (1)可知，只需知道吊挂上所挂砝码的质量即可计算出作用于被检测力仪上所加载的力。根据不同测力仪的检测要求，按照一定规则对被检测力仪施加不同质量的砝码，即可实现对被检测力仪的检测。由于砝码质量可以通过高精度天平标定，砝码材料密度、空气密度和重力加速度都可以准确测量，所以只要静重式力基准机的机械结构、加卸砝码的方式合理，它就可以达到很小的力值不确定度。

2 独立连续加码的实现原理及其机械结构

2.1 独立连续加码的实现原理

为了提高力基准机的精度、稳定性并使其具有较大的检测范围，实现这一目标的关键技术就是使每个砝码均有自己的驱动装置，并且在加码装置中采用机械柔性机构，这样就可以使得各个砝码都可以任意组合，同时每个砝码在加载的过程当中均可以实现从零加到砝码本身质量的无级加载过程。为此，对力基准机独立连续加码方法和加码装置提出如下功能要求:

(1)每个砝码必须能够独立地完成整个加载过程;

(2)每个砝码在加载过程中能够实现力值从零到最大值的无级加载;

(3)在加载的过程当中，即使发生轻微晃动或者发生微小的位移误差，加码装置都可以实现自身调整，直至平稳;

(4)整个装置具有较强的自锁功能。

针对以上所提出的功能要求，设计了力基准机独立连续加码方法和加码装置，其原理图如图2。

静重式力基准机是根据力的动力效应，直接利用已知质量砝码的重力来复现基准力值的。根据牛顿第二定律，并考虑空气浮力的影响，砝码在空气中的重力f为

图2 力基准机独立连续加码原理图

如图2，该方法利用伺服电动机驱动蜗杆，蜗杆带动蜗轮，使蜗轮进行转动，在蜗轮上固定有螺母，螺母随着蜗轮转动，从而带动丝杆实现升降运动。丝杆的升降运动通过砝码支撑板进而带动砝码完成升降运动。在砝码支撑板上安装弹簧装置，由于弹簧提供的支撑力可以从零到弹簧的极限力值连续变化，这样也就可以使得力基准机的砝码加 (卸)载过程实现无级加载，同时弹簧是弹性装置，也可以大大减轻砝码加 (卸)载时力基准机对被测传感器的冲击。利用伺服电动机可以方便、精确地控制砝码升降时的速度和位置。在每个砝码的左右两侧均有一套这样的机构，并且严格保证这两套机构关于吊挂中心对称，这样就可以使砝码在升降过程中受力均匀，不产生偏心。

这样的力基准机独立连续加码方法，使得每个砝码均可以独立地进行控制，所有的砝码均可任意组合，大大扩大了力基准机的检测范围。利用伺服电机，保证了力基准机的工作精度。利用弹性系统进行加载的方式，使整个系统的柔性大幅提高，大大减轻了砝码加 (卸)载过程中巨大的冲击。

其具体工作过程是:

初始状态，丝杆升起使升降托架连同砝码处于最上部，两侧的升降托架把砝码支撑住，吊挂则处于不受力的自由状态，吊挂上的托盘与砝码之间有一定的降落距离。

加载砝码时，伺服电机驱动丝杆升降机，使丝杆下降，带动升降托架向下运动，升降托架上放置的砝码也随之下降，直到砝码与吊挂上的托盘接触并拖住，随后升降托架继续向下运动，使其完全脱离砝码。

卸载砝码时，伺服电机驱动丝杆升降机，使丝杆上升，带动升降托架向上运动，直到升降托架与放置在吊挂上的砝码接触并把砝码托起，随后升降托架带动砝码继续向上运动直至最顶端位置。

上述加码方式，多层砝码可以根据需要同时或者分开进行加卸载。升降托架的速度取决于伺服电机。升降托架的位置控制是由行程开关和编码器共同控制，这样就可以保证砝码升降位置足够精确。同时每块砝码左右两侧的伺服电机驱动在控制上要保证同步性。伺服电机能够保证加卸砝码的速度均匀、平稳。通过不同的砝码自由组合，实现最大限度的负荷级数，从而扩大检测范围。

2.2 独立连续加码方式的机械结构

从图2中不难看出力基准机的独立连续加码装置主要由蜗杆、蜗轮、丝杆螺母副和砝码支撑板等部分构成。其中，可以将蜗杆、蜗轮和丝杆螺母副这一套传动设备称为丝杆升降装置。力基准机的独立连续加码装置的总体机械结构如图3所示。

图3 独立连续加码装置的结构图

在图3中，将蜗杆、蜗轮和丝杆螺母副这一套传动设备做成一个整体并在其外加上机架，这样更有利于传动部件内部的润滑与密封。为了更加安全平稳地完成力基准机的加码过程，同时使得加码装置的其他结构简单化，对于蜗杆蜗轮连接丝杆螺母副的传动方式，在结构设计上，将螺母与丝杆的连接中加入键，使得丝杆仅仅做直线运动，而不转动。虽然蜗轮蜗杆传动本身具有一定的自锁能力，但是为了增加整个加码装置的自锁能力，丝杆的结构采用小螺距梯形丝杆。2.2.1 力基准机的独立连续加码装置缓冲装置的设计

为了最大限度地减小力基准机测试时对被测传感器的冲击，使得砝码加 (卸)载时力值平滑地变化，就需要使力基准机的整个砝码加 (卸)载系统具有一定的柔性，这样可以使整个装置具有一定的缓冲作用。同时，也为了使力基准机的砝码加 (卸)载过程实现无级加载，在力基准机独立连续加码装置中加入了弹簧这一机械弹性装置，使得整个系统的柔性得到了大幅的提高。砝码支撑板直接与砝码接触，可以考虑在砝码支撑板上或者其内部加入弹簧，这样可以最大限度地发挥弹簧弹性形变的能力，利用这样的弹性形变增加系统的缓冲能力。

在图2中的砝码支撑板两端的弹簧孔中装入弹簧，弹簧孔与弹簧安装的具体结构如图4。

图4 弹簧安装的结构图

在图4中，在弹簧的上端装入一弹簧套，使得弹簧与砝码的接触为面接触，扩大了接触面积，使工作过程更稳定。在弹簧孔的前后外表面加工一螺钉孔并在弹簧套的相应位置加工一长槽孔，这样可以在安装的时候对弹簧施加一定得预紧力F0，使弹簧可靠地稳定在安装位置。同时还需要保证图4中的L2＞L1，这样就能够充分地利用弹簧的弹性形变。在砝码没有受到弹簧的压力时，即弹簧在只受到预紧力时，弹簧套应伸出孔一段距离，使得弹簧在受到砝码重力的时候有充足的运动距离。在弹簧的下端安装力值传感器，可以检测砝码加载的力值，有利于力值的控制。

2.2.2 力基准机的独立连续加码装置传动机构与砝码支撑板的连接

在力基准机砝码加 (卸)载的工作过程中，由于存在外界的振动、安装的误差和控制精度等问题，使得整个力基准机的工作精度和稳定性受到一定的影响。为了尽可能减小或者消除这种影响，在力基准机独立连续加码装置的机械结构上引入机械自适应的理念，即通过合理的机械结构使其工作时通过自身的调节消除扰动的影响以提高整个系统的工作性能。为此，在丝杆升降设备和砝码支撑板的连接处进行了合理的结构设计，使其能够利用自身的调节，消除外界扰动的影响。其具体结构如图5。

图5 丝杆升降设备和砝码支撑板的连接处的结构图

图5中，把丝杆的端部加工成球面状，同时砝码支撑板与丝杆接触的表面也加工成与丝杆头部相配合的环形弧面，并且在丝杆穿入砝码支撑板的端部加工一个键形状使其穿过砝码支撑板，在其上加一螺栓盖，通过螺栓与之固定。理想情况应该是力基准机在工作时，砝码支撑板的两端应同时接触砝码，但是由于安装误差或者振动的影响，可能在工作时砝码支撑板的一端先接触砝码，这样的结构可以保证在出现这种情况时，通过机械结构的自我调整，使砝码支撑板的另一端也迅速接触砝码，起到支撑砝码的作用，从而保证力基准机工作时砝码不出现偏斜，保证了工作的安全。

3 静重式力基准机独立连续加码过程的力学分析

由于采用伺服电机作为驱动元件，保证了整个系统的平稳运行，使电机模型对整个系统的影响基本可以忽略。因此丝杆升降机驱动升降托架带动砝码升降的工作系统的静力学模型的主要决定因素就是支撑砝码的弹簧，从而其静力学模型可以简化为图6。

图6 独立连续加码力标准机升降托架支撑砝码加卸的静力学模型

图中:y1为加载砝码时机构升降托架的位移;y2为卸载砝码时机构升降托架的位移;P1为加载砝码时吊挂所受到的作用力;P2为卸载砝码时吊挂所受到的作用力;W为砝码在空气中的重力。

当升降托架与砝码接触、砝码与吊挂接触的条件同时满足时，并设弹簧的刚度为，根据胡克定律有:

在弹簧刚度k为定值时，弹簧被压缩后产生的弹性力随着压缩长度的变化呈一次线性函数。在加载砝码时，当砝码与吊挂接触的瞬间，伺服电机驱动升降托架渐渐脱离砝码，即y1逐渐减小，从式 (2)中推得吊挂上所受到的作用力P1即逐渐增大，直至升降托架完全脱离砝码，这样砝码的重力才完全加载到吊挂上。在卸载砝码时，当砝码与吊挂接触的瞬间，伺服电机驱动驱动升降托架渐渐顶起砝码，即y2逐渐增大，从式 (3)中推得吊挂上所受到的作用力P2即逐渐减小，直至升降托架将砝码完全顶起脱离吊挂，这时砝码加载吊挂上的重力即为零。因为采用伺服电机控制，能够保证运动过程中匀速的过程，同时又由于弹簧被压缩后产生的弹性力随着压缩长度的变化呈一次线性函数，从式 (2)和式 (3)中也就不难看出吊挂上所受到的砝码重力在加卸砝码的时候也是连续线性变化的。这样就使得砝码加卸过程变得平稳，不会产生剧烈的冲击。

4 总结

提出了静重式力基准机“独立连续加码”的全新加码方式，并且介绍了实现这种加码方式的机械结构。该加码方式对于进行静重式力基准机的设计与改造有一定的实际意义。

【1】蒲良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2001:377－381.

【2】李学铭.1MN多功能杠杆式力标准机［J］.导弹与航天运载技术，1994，221(5):53 －62.

【3】唐纯谦，张学成，于立娟，等.静重式力标准机砝码交换力平衡控制技术［J］.中国测试技术，2006，32(6):20－22.

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