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西华人学硕士学位论文力标准机平滑加载系统应用研究专业计算机应用技术研究生：兴佰明指导教师：蒋明礼测力机是重要的力值计量与检测设备，它是用某种方式将力值复现在力的传感器上，从而达到测定力传感器的目的。在各种各样的测力机中，静重式测力机是以重力作力值复现的来源，其结构相对简单，准确度高是其它力值计量手段所不及的优点，常作为国家力值检测标准( 基准) 设备，在计量、国防、生产等领域被广泛采用。在实际应用中，静重式力标准机用少量砝码交换组合产生各种力值。在依次递增的加载序列中，由于砝码交换出现力值临时下降现象称为“回程”，同样在依次递减的加载序列中出现暂时力值上升现象称为“进程 ，这两种现象统称为“逆程 现象，“逆程 由于静重式力标准机自身的特点而不可避免。同时，就待测传感器本身而言，其输出与所加的力值成线性关系，再加上由于材料本身、弹性体结构设计等因素，传感器输出存在滞后现象，由于传感器自身这些特点，“逆程 现象会对检测结果造成不良影响。本课题针对消除“逆程”现象对力传感器检测影响，从力标准机机械结构设计、砝码加载卸载方法、力标准机的整体方案三个方面做深入探讨。首先分析力标准机发展现状，介绍力标准机的工作原理、传感器检测的工作流程和基本机械结构。然后以三种典型力标准机为例，介绍它们结构和工作方式，着重分析它们砝码交换方式，指出优点与不足，总结并探讨了力标准机结构设计原则，在此基础上提出一种满足力标准机检测需求的新结构方案。接着在分析砝码受力基础上，构建了砝码受力模型，对系统加载卸载砝码运动过程以及在这一过程中砝码受力变化进行了详细探讨，定量分析了砝码加载卸载过程中系统i西华大学硕士学位论文弹性形变，找出砝码加载卸载“逆程 现象影响力值检测的关键部分力值波动，从而总结出一种多个砝码互相组合加载卸载的控制方法，使“逆程”加载时系统力值过渡平滑，并结合所提出的系统结构新方案，给出砝码加载卸载控制过程中，砝码支撑机构位置计算方法。除此之外，为了提高系统工作效率，对砝码加卸过程中速度调节做了分析探讨。最后讨论了系统总体控制方案，系统软件的构成与设计原则，针对本文所提出的控制方法进行仿真研究，达到理想的效果。关键词：力标准( 基准) 机，砝码交换，平滑加载两华大学硕士学位论文r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nl o a d i n gw e i g h ts m o o t h l yo fp r i m a r yf o r c es t a n d a r dm a c h i n em a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ym d c a n d i d a t e ：x i n gb a i - m i n gs u p e r v i s o r ：j i a n gm i n g - l ia sa l li m p o r t a n te q u i p m e n tf o rf o r c em e a s u r e m e n ta n dt e s t ，f o r c em e a s u r e m e n tm a c h i n er e p r o d u c e sf o r c eo nf o r c es e n s o rb y s o m ew a y , a c h i e v i n gt h ep u r p o s eo fm e a s u r i n gf o r c es e n s o la m o n gaw i d er a n g eo ff o r c em e a s u r i n gm a c h i n e s ，t h ed e a df o r c em e a s u r i n gm a c h i n ea d o p t sg r a v i t ya st h es o u r c eo ff o r c er e p r o d u c i n g w i t ht h ea d v a n t a g e so fr e l a t i v e l ys i m p l es t r u c t u r e ，h i g ha c c u r a c yb e y o n do t h e r s ，i th a sb e e nv i e w e da sn a t i o n a lp r i m a r yf o r c es t a n d a r dm a c h i n e ，w i d e l yu s e di nm e a s u r e m e n t , d e f e n s e ，m a n u f a c t u r i n ga n do t h e rf i e l d s i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，d e a df o r c es t a n d a r dm a c h i n em a k ea l lk i n d so ff o r c eb yd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so fs m a l ln u m b e ro fw e i g h t s i nt h ei n c r e a s i n gs e q u e n c eo fl o a d i n gw e i g h t s ,“r e t u r n ”h a p p e n sw h e nt h ef o r c et e m p o r a r yd e c r e a s e s ，a n d “f o r w a r d a p p e a r sw h e nt h ef o r c et e m p o r a r yi n c r e a s e s b o t ho ft h e ms h o wt h ei n e v i t a b l ep h e n o m e n o no f ”r e v e r s e - w a y ”i nt h ep r o c e s so fl o a d i n gw e i g h t b e s i d e s ，t h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u to ff o r c es e n s o ra n dt h ei n c r e m e n to ff o r c e ，a sw e l la sf a c t o r sl i k em a t e r i a l ，s t r u c t u r a ld e s i g no fe l a s t o m e r , t h eo u to ff o r c es e n s o ri sh y s t e r e t i c t h e r e f o r e ，t h ep h e n o m e n o no f “r e v e r s e - w a y i sb a df o rt h er e s u l to fm e a s u r i n g f o re l i m i n a t i n gt h ei m p a c to f ”r e v e r s e - w a y ”o nf o r c es e n s o r , t h i st h e s i sw i l ld oa nr e s e a r c ho nt h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h em e t h o do fl o a d i n g & u n l o a d i n gw e i g h t sa n dw h o l ep r o j e c to fp r i m a r yf o r c es t a n d a r dm a c h i n ei n - d e p t h f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ff o r c es t a n d a r dm a c h i n e s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo ff o r c es t a n d a r dm a c h i n e ，t h ew o r k f l o wo fs e n s o rd e t e c t i o na n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h i r d l gb yh i两华大学硕士学位论文i l l u m i n a t i n gt h r e ek i n d so ft y p i c a ls t a n d a r dm a c h i n e s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h e i rs t r u c t u r e sa n dw o r km e t h o d s ，e m p h a s i z i n go nt h ea n a l y s i so ft h e i rw a y so fw e i g h te x c h a n g e ，a sw e l la st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o nt h i sb a s i s ，w eb r i n gf o r w a r dan e wp r o g r a mt om e e ta l lm e a s u r i n gn e e d so ff o r c es t a n d a r dm a c h i n e m e a n w h i l e ，w eb u i l taf o r c em o d e lo fw e i g h tb ya n a l y z i n go ft h ef o r c eo fw e i g h t , d i s c u s s i n gt h ep r o c e s so fl o a d i n gw e i g h t sa n de x c h a n g ef o r c eo fw e i g h ti nt h i sp r o c e s s w ec a l c u l a t e dt h ev a l u eo fs y s t e me l a s t i cd e f o r m a t i o nd u d n gl o a d i n gw e i g h t ，a n df o u n do u tt h ek e yo ft h ei m p a c to f “r e v e r s e - w a y ”o nm e a s u r i n g ，t h u sg o tac o n t r o lm e t h o df o rl o a d i n gw e i g h t si ng r o u p sw i t has m o o t h l yc u r v eo fl o a d i n gw e i g h tw h e n“r e v e r s e - w a y h a p p e n e d u n d e rn e wp r o j e c tw ep r o v i d e ，w ea l s op r o p o s e ds o m ef o r m u l a t ef o rt h ec o n t r o lo fl o a d i n gw e i g h t s i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，w ea n a l y z e dt h ev e l o c i t yo fl o a d i n gw e i g h t a tl a s t ，w ed i s c u s s e dt h et o t a lc o n t r o lp r o j e c t ，t h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ma n dap r i n c i p l ef o rs y s t e md e s i g n s i m u l a t i o np r o v e dt h ee f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o lm e t h o dw ep r o p o s e d k e y w o r d s ：p r i m a r yf o r c es t a n d a r dm a c h i n e ，e x c h a n g ew e i g h t ，l o a d i n gw e i g h ts m o o t h l yi v西华人学硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期问在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。储躲珈碉冲伯同名：和刈7 铂伯西华人学硕十学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密留，适用本授权书。( 请在以上口内划)靴敝储签e 1 氨躲聱期：幻口彳6 q 。6 1指导教师签名：了聊。孰日期：卅易rl西华大学硕+ 学位论文1 绪论1 1 本课题研究背景计量是国民经济和社会发展的重要技术基础，是现代科学技术的一个不可分割的重要组成部分。可以说“没有测量，就没有科学 ，而计量科学是进行准确测量的基础，计量科学技术的水平，在一定意义上标志着一个国家的经济和科学技术发展的水平。标准测力机是一个国家的力值计量和传递领域的基准设备，它是用某种方式将力值复现在力的传感器上，从而达到测定力传感器的目的。力标准机是标准测力机的一种，用来检定负荷传感器的各项性能指标。同时力标准机是各种标准测力机中力值准确度较高的一种，它的各项性能指标决定了整个测力行业的准确度。拥有高精确度的标准力机对于一个国家的经济、军事、航空航天等领域具有重要的意义。随着工业农业快速的发展，在各个领域中，各种复杂的大型设备应用越来越多，力标准机作为国家力值计量和传递的设备，应用需求不断增大，从而对力标准机高精确度、高效检测方面提出了更高的要求。中国测试技术研究院1 9 7 7 年建造的1 m n 力标准机，为我国计量事业做出了卓越的贡献。经过3 0 多年的工业飞速发展，电子计算机引入工业控制领域。同时，为与国际接轨，我国制定了新的称重传感器操作规程。由于年代比较久，1 m n 力标准机已不能适应新的操作规程。为适应新要求，前期已经对它进行初步改造，更新了电气和控制系统，设计自动控制软件，现在它已经投入使用。为实现“逆程( 见1 2 ) 力1 1 载的情况下力值过渡平滑，需要对它进一步改造，本课题就是以1 m n 力标准机为蓝本进行改造与设计，所讨论的方法和设计也适用于同类型的设备，对研究设计新型的力标准机也有借鉴意义。1 2 力标准机发展现状力标准机的准确度决定了其它测力机及力传感器的准确度，我国一直重视力标准机的建设。目前，力标准机主要分为杠杆式力标准机、液压式力标准机、叠加式力标准机、静重式力标准机等几种类型：【1 1 1 2 1两华人学硕士学位论文1 杠杆式力标准机( l m ) 一杠杆式力标准机是指以砝码的重力作为标准负荷，经过一定的杠杆机构放大后按预定顺序自动平稳地加到被检测力仪上的力标准机。2 液压式力标准机( h m ) - 一液压式力标准机是指以砝码的重力作为标准负荷，经过一定的两组油缸活塞的组合油路系统放大后，按预定顺序自动平稳在加到被测力仪上的力标准机【7 】【8 】【9 l 【l o l 。3 叠加式力标准机叠加式力标准机是按比较法进行测量的标准设备。它是把性能己知的标准传感器和被检传感器相串联，利用一台高稳定度的力源逐级施加负荷，根据标准传感器的标准数和被检传感器的读数，即可确定被检传感器的性能指标，实现比较标定和力值传递口的一种力标准机1 3 】【4 1 【5 1 1 6 】。4 静重式力标准机( d w m ) 静重式力标准机是指以砝码的重力作为标准负荷，通过适当的机构按预定顺序自动平稳地把负荷直接地施加到被检测测力仪上的力标准机。其中静重式力标准机准确度比较高，静重式力标准机是利用砝码质量所产生的重力加载到被检测测力仪上，结构相对简单，由于没有过多的外界干扰因素，所以它的准确度最高。在静重式力标准机中，机械组成是其最重要的结构部分，但是任何设备的正常自动运行都离不开电气装置。静重式力标准机的正常运行离不开测控系统，测控系统的运行性能直接影响静重式力标准机的力值准确度。良好的测控系统的稳定运行也能有效保证力标准机工作的可靠性。它产生的力值精度非常高并具有较高的复现性。普通的力标准机的准确度为1 0 4 数量级，而静重式力标准机准确度则可以高出一个数量级，大力值力标准机大多是静重式力标准机。在国家计量院间进行的静重式力标准机的国际比对中，最大的相对偏差不超过5 x l o - 5 。偏差的产生与力标准机本身结构、使用的传递标准、测量程序及力标准机的附加力值分量等综合因素有关。在力值复现和力标准机的国际比对中还有多少其它因素造成了测量不确定度仍不能十分确定。砝码摆动就是这些因素中有代表性的一个i l l j 。从根本上来讲最准确的力标准机必须以最原始的力值作为力标准机的力源，所以国家基准就要通过标准机来实现。由于静重式标准机的高精度特点，2西华大学硕+ 学位论文每个国家都有必要使用静重式力标准机作为本国的大力值基准，以提升本国力值测量的准确度。中国测试技术研究院1 9 7 7 年建立并通过国家级鉴定的1 m n 基准测力机，是根据物体在重力场中受到地球引力作用的原理，利用标准砝码的静重来产生基准力值。该基准测力机测量范围2 0 k n w l m n ，经过历年周期检定，证明其力值不确定度小- 于l x l 0 ，由砝码质量变化带来的力值误差，每年小- 于l x l 0 _ 6 。对于大于1 m n 国家基准机一般采用液压式的力标准机，目前我们最大的力标准机为5 0 m n l l 御。我国1m n 及以下的力值国家标准机是静重式的标准机。静重式标准机的原理决定了该种设备是质量大、功率高、机构庞大、控制部件繁杂的机电一体化系统。其机械系统、信号检测和控制系统的设计决定整机的工作性能。静重式标准测力机的主要缺点是载荷级数少，尤其是7 0 、8 0 年代以前设计制造的大型力标准机，为了尽可能降低造价，砝码数量往往比较少，仅能进行特定的检测。为了扩大检测范围，就要获得较多的载荷级数，为了充分利用现有的砝码，就需要用砝码更换获得较多的载荷级数。而砝码更换过程又会影响检测精度，这就降低了静重式基准机的整体精度，这与设计静重式基准机的初衷不符，为了既获得较多的载荷级数，又不破坏静重式基准机的精度，就要在砝码更换过程中作到精确控制，既要保证在砝码更换的过程中力值波动不大于允许值，还有在检测进程中不要出现“回程 ( o p 在加载的过程中出现卸载的现象) ，在检测回程过程中不要出现“进程 ( 即在卸载的过程中出现加载的现象) ，以免影响传感器的性能和检测的准确性。改革开放以来，我国计量行业引进了很多先进设备及技术，但总体上讲与发达国家相比还有相当的差距，主要表现在两方面，第一，现在使用的设备普遍陈旧，有比较多的设备年久失修。第二，自动化程度比较落后，以p c 为核心的自动控制系统、信息处理系统没有得到推广应用。计量部门在局域网、数据库，管理决策系统的应用方面就更落后，大多数计量部门工作还处在手工或半自动操作水平。力传感器一般是由弹性形变原理制成，其特点是力的表现有所滞后，如果在测定传感器的时候出现“回程或“进程 会影响到检测结果，目前的静重3西华大学硕士学位论文式力标准机，由于其砝码数量上的限制在力加载卸载过程中必然要进行砝码交换，现有的静重式力标准机均采用机械的方式直接加载卸载砝码，这样不可避免地会出现“回程 或“进程”，影响到检测结果。1 3 研究的目的和意义随着科技的进步，经济的繁荣，现代工业迅速发展，与之在工业中对各种物理量的测量要求也在不断提高，特别是在对精确度、稳定性及测量效率方面要求越来越高。与此同时在计量领域，对计量的准确度、设备的工作可靠性、执行效率提出了更高的要求，如何利用现代科学技术高精确度、更简便、更高效的实现测量是科技人员重要的研究课题。在现代工业技术中，力值的测量和其它物理量的测量一样具有基础性作用，标准测力机作为力值测量和传递的基础设备，它有向大型化发展的趋势，解决准确测量m n 乃至十几删力的问题显得越发重要和迫切，如冶金工业的大型轧机自动化、大型材料试验机以及航天火箭的推力测量等1 7 1 。大力值的测量需要对应的大型测力机，这样的测力机控制难度也随之加大，要想使之高效稳定的工作就要对其机械结构和控制方式方法进行研究改进。静重式测力机由于其高精度，受干扰少因此稳定性好，标准测力机大多是静重式的。由于静重式力标准机砝码与实际重量相同，这样的测力机体积和质量会很大，这也就给砝码交换控制造成一定的难度，而力的传感器的测定要求要在一定的时间内给出要求的力值，这样砝码的加载卸载的控制效率尤为重要。同时，静重式力标准机，由于其砝码数量上的限制，在力加载卸载过程中要进行砝码交换，现有的静重式力标准机均采用机械的方式直接加载卸载砝码，这样出现“回程或“进程”，它的加载卸载曲线会有很大的波动，影响到检测结果。本课题针对目前力标准机的现状，以平滑加载卸载为着重点，利用先进的控制技术，提出一种新型的力标准机，以图能实现快速、高效、准确地给出所要求的力值，为我国的计量事业做出积极的贡献。4西华大学硕士学位论文1 4 课题研究的主要内容静重式测力机有精确、稳定的特点，一般标准测力机均采用静重式，但是为了能够有较大的测量范围而又能节约成本以降低造价，静重式力标准机的砝码不可能做的很多，不可避免的在前后两次测量过程中添加或卸掉部分砝码，这样，它的加载和卸载曲线剧烈波动，另一方面，一般的力传感器均采用弹性形变的原理制成，由于内外摩擦力的影响，这种传感器有滞后的现象，这就要求在测量时加卸载要逐次加卸，不能出现“逆程”。要解决这样的矛盾本文从力标准机的机械结构和加载卸载的控制方法两方面来考虑。基于目前我国的力标准机的现状，围绕着静重式力标准机精确、高效、稳定地进行测量的目标，从力标准机的结构和加载卸载的控制方法两方面考虑，本论文将主要完成以下几个方面的工作：1 、分析比较了各种力标准机的结构以及砝码交换方式，指出各种方式的不足之处，总结探讨力标准机结构设计原则，在此基础上，本文采用一种适用于平滑加载的力标准机结构设计。2 、针对加载过程中的“逆程 现象的影响，本文在对砝码受力分析的基础上，建立砝码的受力模型，对砝码加载过程详细分析，提出一种高效、稳定的多砝码交换控制方法，并结合所提出的系统结构新方案，给出砝码加载卸载控制过程中，砝码支撑机构位置计算方法。使“逆程 加载时系统力值过渡平滑，最大限度地消除“逆程 现象的影响。3 、在理论分析的基础上，结合所提砝码交换控制方法，完成系统总体方案设计和控制软件的设计。最后针对本文所提出的砝码交换控制方法进行了，软件仿真研究，证明本方法的可行性。5西华大学硕士学位论文2 力标准机的工作原理及结构2 1 力标准机的工作原理大型的静重式力标准机，一般体积庞大，质量也很大，占地面积相对比较多，执行机构多，结构也就比较复杂，不同的力标准机会设计不同的结构，可是它们的原理基本相同，即通过各形式将高精度质量的砝码所产生的重力尽量快速地、少干扰地施加在被检测传感器上。下面将详细介绍这一个过程。通常，静重式力标准机在不工作的时候，载物平台处于下降状态，吊挂和中心吊杆连接在一起处于下降状态，所有的砝码都放在两边的柱体上，重量落在两边的柱体所附带的支撑爪子，如图2 - 1 ( a ) 所示。a 非： 作态b 工作态f i g2 1t h ep r i n c i p l eo fg r a v i t a t i o n a lf o r c es t a n d a r dm a c h i n e图2 1 静重式力标准机的原理当需要检测的时候，把待检测的传感器放在载物平台上，提升载物平台，使传感器托起吊挂和中心吊杆至悬空状态，这时传感器所承受初始的力为吊挂和中心吊杆的重力之和，此时，可以有根据测力机的传感器测定操作规程向中心吊杆的小托盘上加载和卸载砝码，这样通过中心吊杆和吊挂将力施加到被检6西华大学硕士学位论文测的传感器上，当检测完毕后，卸载全部砝码以后，载物平台下降，吊挂和中心吊杆也随之下降，整个检测过程结束，力标准机回到不工作的状态。检测时的情况如图2 - 1 ( b ) 所示。2 2 砝码加载卸载方案分析静重式力标准机是以重力来复现力值的，各种静重式力标准机原理基本相同，关键的不同在于它们的砝码的交换方式，要想获得高效、准确的复现力值，就要找到一种可实现的、快速准确的、易控制的砝码交换方法。目前人们已经有几种砝码的交换方式，下面我们来分析各种方式。1 砝码连带方式，见2 2 图，连带方式加载的砝码的力标准机是在两个砝码之间增加一个连接器，并且这种连接器与砝码之间的机械形状使得连接器可以从砝码上拆卸下来。平时砝码放在两边的柱体上，工作的时候，载物平台上升带动吊挂上升从而提起第1 号砝码，力就加到被检传感器上了，继续提升提载物f i g2 - 2aw a yo fc o n n e c t i o nw e i g h t图2 2 连带方式静重测力机简图7两华大学硕士学位论文平台，第1 号砝码通过连接器提起第2 号砝码，以此类推，所有的砝码都加载上了。卸载向相反方向运动即可。如果想更换砝码，比如想加载第l 号和第2号砝码，把第2 号和3 号砝码之间的连接器卸下即可。通常连带方式的力标准机上面的砝码质量比较小，这样方便首先加载较小的力值。不难看出，连带方式的力标准机特点是操作简单，且砝码可以交换，但它的砝码加载卸载顺序是不可改变的，要想复现多少级别的力就需要多少砝码，而由于成本问题砝码不可能做很多，所以它只适合小型的、手工操作的场合。2 机械拉杆方式，在“2 4 力标准机结构 一节的举例中就是这种结构，它是应用比较普遍的一种( 详情见2 4 一节图) 。我们做一个语言的约定：小转角转出意思为对应小转角转到提升拉杆可以自由上下的状态，转入与之相反。大转角转出是转出到砝码可以落在托盘上的状态，转入为相反。在载物平台、吊挂、中心拉杆就位的情况下，以同时加载l 号和3 号砝码为例，砝码加载的基本步骤如下，首先为1 号和3 号左右两边对应的小转角转入提升拉杆上提一l 号和3 号两边的大转角转出提升拉杆下降( 此时1 号和3 号法就落在中心吊杆的托盘上了) 1 号和3 号左右两边对应的小转角转出，此时l 号和3 号砝码加载完毕。以卸载l 号砝码同时加载4 号砝码为例过程为，首先l号和4 号砝码的小转角转入提升拉杆上升l 号左右两边的大转角转入，4 号两边的大转角转出提升拉杆下降l 号和4 号左右两边的小转角转出，这样就同时完成了1 号砝码的卸载和4 号砝码的加载。以此类推，可以完成所有砝码的交换。与上一种方式相比，我们可以看出这样的砝码交换方式可以任意选择某个砝码加载卸载，增加了灵活性，它力值复现可选范围从吊挂和中心拉杆的重力之和到吊挂、中心拉杆和所有砝码重力之和，每次填加最小的力值为最小质量砝码的重力，它操作和控制思路也比较简单，但它每次加载和卸载都要至少5个步骤，时间比较长，效率就总是有所限制，另一个重要问题是，有时候为了增加一个力值会涉及到几个法码，这是以砝码为中心的静重式力标准机不可避免的，但这样造成加载卸载曲线的剧烈变化会给检测造成一定的影响。这样就希望在科研和工程上力争避免或将其影响降至最低，提高力值传递的效率和准确性。8两华大学硕士学位论文3 一种改进的独立砝码加载卸载方式，文献 2 1 l e e 提出了一种独立加码的方式，这种独立加码是通过单独的驱动机构来执行每一块砝码独立的加卸动作，因此机器上的砝码能够任意组合，可以单独或与其它砝码组合地同时对被检测传感器旋加作用力。其机械结构原理见2 - 3 图。出永磁同步电机驱动凸轮机构转动来带动托架做升降运动f 托架上放置砝码1 ，从而当托架升降时，砝码随之升降，实现砝码往吊挂上的加卸动作，具体实旋过程是：初始状态，由一个偏心轮构成的凸轮机构使托架连同砝码处于托架行程的最上部，两侧的托架支撑住砝码，吊挂则处于自由状态，吊挂上的托盘与砝码之间有一初始距离。加砝码( 加载) ，电动机驱动凸轮机构转动，带动托架向下运动，托架上放置的砝码随之下降，直到砝码与吊挂上的托盘接触并被托住。随后托架继续向下运动直至托架行程的最底端位置。卸砝码( 卸载) ，电动机驱动凸轮机构转动，带动托架向上运动，直到托架与放置在吊挂上的砝码接触并把砝码托起。随后托架带动砝码继续向上运动直至托架行程的最顶端位置。砝码蝌挂 线轴承托繁，卜降一蛏人h ，离一零一吊挂手e 盘与醢玛之 】的砷始趴凼f i 9 2 - 3 a k i n do f p h y s i l c o n s t r u c t i o no f i n d e p e n d e n t l o a d i n g w e i g h t 【2 1图2 - 3 一种独立加码的机械结构1 2 1 i两华大学硕士学位论文由电动机带动凸轮使托架带着砝码运动完成砝码加载卸载动作，托架的运动规律由电动机和凸轮决定。运动的起始和停止采用微机控制p l c ，并由接近开关发出到位信号实现。我们看到这种独立加载卸载砝码力标准机是一种采用了新结构和新工作方式的静重式力标准机，它优化组合了砝码加载卸过程，与前几种相比有很多优点。多层砝码可以根据需要同时或者分时，或者按照某种规则加卸。托架的行程取决于凸轮的偏心量，升降的速度取决于驱动电动机。因而通过适当的控制方法，可以实现砝码快速加载卸载。且其机械结构比较简单。这种改进的独立加载卸载方式提高了砝码加载卸载的效率，是一个不小的进步，同时我们也注意到，在机械拉杆方式中存在的砝码加载卸载过程中出现力值波动问题，在这里依然有改进的空间。再者支撑同一块砝码的托架有可能因为持久的运行不再同步，这样砝码平面不与中心吊杆垂直，其加载卸载过程由于倾斜会对中心拉杆造成扰动，很可能会影响到检测结果。至此，已经对几种静重式力标准机砝码加载卸载的方式进行了分析，可以看出，连带方式的力标准机操作简单，它的砝码加载卸载顺序是不可以改变的，相当于砝码的半交换，要想复现多少级别的力就需要多少砝码，而由于成本问题砝码不可能做很多，它只适合小型的、手工操作的场合。机械拉杆方式，可以看出这样的砝码交换方式可以任意选择某个砝码加载卸载，增加了灵活性，操作和控制思路相对比较简单，但它每次加载和卸载步骤比较多，时间比较长，加载卸载的效率就会受到影响，另一个方面，有时候为了增加一个力会涉及到几个法码，这是以砝码为中心的静重式力标准机不可避免的，但这样造成加载卸载曲线的剧烈变化会给检测造成一定的影响。在凸轮机构独立加载卸载方式中，四个凸轮带动的托架在运动过程中同步与共面比较困难，再者托架因为持久的运行也会不再同步，这样砝码平面不与中心吊杆垂直，其加载卸载过程由于倾斜会对中心拉杆造成扰动，会影响到检测结果。在分析各种方案的基础上，提出一种砝码交换的新方案，使砝码交换操作尽可能简单，加载卸载快速高效，在砝码交换过程中“进程 和“回程 的影响降到最低，能够有效地改善加载卸载曲线，使其尽可能的平滑。1 0两华大学硕士学位论文2 3 砝码独立加载卸载方案现代工业发展迅速，由计算机的发明所带来的信息化革命，也深深地影响了现代工业的各个领域，在上一节中我们分析了各种砝码交换方式，针对目前的砝码交换的状况，我们发现许多新的已经发展比较成熟的技术可以应用到力标准机的研究与设计上，因此，在各方案的基础上提出一种独立加载卸载砝码的新方案。为尽可能提高力标准机的工作效率，实现快速地砝码加载卸载和尽可能多的力值级数，需要从以下几个方面来考虑【2 2 l 【2 3 l ：( 1 ) 砝码加载卸载部分的机械结构设计、驱动机构及其它们的控制系统的设计。由于砝码质量比较大，要求机械部分要有一定的钢度和强度，且设计要灵活合理。( 2 ) 满足多级力值复现，所有的砝码可任意组合发挥设备的最大潜能。( 3 ) 采用平滑的砝码加载卸载策略，可能使加载卸载雎线平滑，消除“进程和“回程 带来的不良影响。( 4 ) 由计算机控制实现设备工作过程的全自动化，及时准确的监控设备状态。( 5 ) 从机械结构及控制的角度考虑安全性，使设备具有一定的自保护功能。为解决这几个方面的问题，本课题提出了一种新的力标准机砝码独立加载卸载方式：f i g2 - 4 t h ep h y s i c a lc o n s t r u c t i o no fi n d e p e n d e n tg r a v i t a t i o n a lf o r c es t a n d a r dm a c h i n e图2 4 独立加码方案的机械结构1 1西华大学硕士学位论文为了满足力标准机多力级的复现，将每个砝码设计成一个独立的单元，让它可以独立或与其它砝码组合运动，从速度和可控性方面考虑，将动力来源采用伺服电机。由伺服电机通过丝杆螺母带动砝码升降。由于砝码比较重，为了使它静止时不下滑，砝码机械传动采用蜗轮蜗杆的形式，蜗轮蜗杆具有自锁的功能，可以达到要求。综上所述，本文提出由伺服电动机做动力，采用蜗轮蜗杆的机械传动方式，伺服电动机带动蜗轮蜗杆，再由蜗轮蜗杆带动砝码上下直线运动实现砝码加载卸载。砝码独立加载卸载部分的机械结构方案为：每个砝码两边各设置一个伺服电机1 2 4 j ，电机带动蜗杆旋转，蜗杆与蜗轮咬和，蜗轮纵向不动，滚珠丝杆不转动，从而伺服电机的正向反向转动变为滚珠丝杆的垂直上下运动，实现了自由加载卸载砝码要求。2 4 力标准机结构在介绍了力标准机的工作原理以后，为了便于后面说明，下面就l m n 力标准机的结构做一些简单介绍。静重式力标准机的机械结构可分为载物平台( 动横梁) 、移动笼( 吊挂和中心吊杆) 、固定笼( 四周柱体及支撑) 、支撑爪子( 分别在固定笼、移动笼) 、砝码，加卸载机构、见2 5 图1 1 3 l 【1 4 j l l 5 】l 动横梁，即载物平台，动横梁是可以上下移动的，每次实验的时候，将传感器放在上面，调整好位置，将它向上升，用它带动提升起吊挂及中心吊杆，实验结束的时候将其降下至回归原位，可以看出它要承受所有砝码的重量，所以一定要将其设计有比较大的厚度、强度。2 固定笼，即图中所标的主体，它由四个实心柱体构成，大转角固定在其上，是测力机的主体部分，支撑整个力标准机，平时所有的砝码都放在它的上面。3 吊挂及中心吊杆，力值传递机构。砝码加载到中心吊杆上，中心吊杆作用到吊挂上，吊挂又作用到被检的传感器上。西华大学硕士学位论文f i g2 - 5t h eg r a v i t a t i o n a ls t r u c t u r eo ff o r c es t a n d a r dm a c h i n e图2 5 静重式力标准机的机械结构4 移动笼，即提升拉杆，它上面有小转角，与主体上的大转角和中心吊杆上的托盘( 图中所指示) 组合完成砝码的加载和卸载。由于各种标准机设计有所不同，有的没有移动笼，这取绝决于标准机的砝码交换方式。5 砝码，砝码最为重要，因为砝码是复现力值的核心部件，力标准机准确与否很大程度取决于砝码的精确度。1 3西华大学硕士学位论文2 5 力标准机力传递模型及分析1 力标准机力传递模型力标准机主要由载物平台、吊挂、中心吊杆、砝码、放砝码的柱体等部件组成。在设备工作时，放好被检传感器以后，先将载物平台升起，通过被检测传感器间接带动吊挂及中心吊杆上升至悬空，从而被检测传感器受到吊挂及中心吊杆传递过来的压力，此时如果加载砝码，它的力值可以通过吊挂和中心吊杆传递到被检传感器上。其结构简图如2 6 下。f i g2 - 6 t h es k e t c ho fs y s t e ms t r u c t u r e图2 - 6 系统结构简图为了达到力值传递的精度要求，力标准机力值传递装置应运行平稳，因为吊挂、中心吊杆、砝码的质量都很大，惯性也大，这就要求加卸装置要有很强负载能力，如果其结构设计不好或者不能有效的操控，不仅不能达到力值传递的要求，也有可能由于被控制对象的惯性比较大而损伤设备或被检传感器。加载卸载砝码速度最好可以调节，一是为了提高效率，二是减少对设备本身及传感器的冲击。为了符合惯性原理，在加卸载的中间过程可以稍快些，启动和结束的时候要慢慢的调节速度使其慢下来。1 4西华人学硕士学位论文为了安全起见，工作行程应该能够准确限位，以达到自我保护的目的，从而避免运动超过其行程后给设备造成不必要的损伤。2 力学模型1 4 i1 1 6 儿1 7 l在整个系统工作的过程中，由于受所加载卸载砝码重力的作用，载物平台、被检测传感器、吊挂、中心拉杆均会产生弹性形变，并且形变的大小与砝码的重力大小成j 下比。这些部件由钢等材料制成，尤其砝码其刚性比较好，不易变形，再者，在加载过程中，加载末端速度比较缓慢，由设备自身及砝码的质量所引起的加速度相对会比较小，加速度所产生的力与载荷相比也就微不足道了，其形变可以忽略不计。因此，对整个系统可以用静力学的理论进行分析。理想状态下，力值传递系统可以简化为如2 7 图所示的力学系统。8l8o82f i g2 = 7 t h et r a n s f e rm o d e lo ff o r c ew i t hd a m p图2 7 力值传递力学模型其中，肌为砝码质量，氐为载物平台的形变，6 。为被检传感器的形变，6 ：为吊挂的变形。设载物平台的长度为，o ，由材料力学知识可知，载物平台的z o 2 处挠度为，o - 甚等效弹簧刚度七o - 万p - 丁4 8 e j ；其中，e j 为弯曲刚度。而吊挂的1 5西华大学硕士学位论文拉伸刚度为：七z 一与 其中，z 为中心拉杆的长度。传感器的压缩刚度为：屯一等；其中为传感器高度。综上可得如下关系：朋刚一。等碱( 2 - 1 )馏叱锄竽嫡l(2-2)愕吐喧竽喧2(2-3)合在一起有如下关系：n 小小唼+ 1 七。+ 丢) 胁g( 2 - 4 )因此系统的等效刚度为：“嚎+ 丢+ 耖5 ，由于粘性阻尼存在1 1 羽，系统模型可简化变为图2 - 8 ，此时系统的力学模型为：歧+ 西+ h + 刀曙一0( 2 - 6 )其中，耐为砝码加速产生的力，西阻尼运动产生的力【1 9 1 ，h 为系统形变产生的力，m g 为砝码所受的重力。考虑到设备自身及砝码质量比较大，惯性大，运行的速率比较低，其震动和阻尼运动可以忽略，系统的力学模型简化为：j | b + ，咒譬一0( 2 7 )1 6西华人学硕+ 学位论文f i g2 - 8 t h em o d e lo ff o r c et r a n s f e r图2 - 8 系统力值传递的等效力学模型3 砝码加载卸载运动模型分析砝码加载分为两种类型，一种是单独加载，砝码单独加载不涉及与其它砝码组合交换，这时直接控制伺服电机将其放到中心拉杆上即可，另一种是组合加载，需要和其它砝码组合的砝码交换，所有的力值波动都出现在这一过程中，要想减小加载过程的“回程 对检测结果的影响就要详细分析这一过程的原理，找出砝码加载控制的要领。( 1 ) 关于系统的弹性系数与系统各个砝码初始距离问题由于系统的弹性系数取决于中心吊杆、吊挂、砝码、载物平台和传感器，传感器每次检测都不同，其它的不变，弹性也就系数固定不变。2 1 力标准机的工作原理和2 4 力标准机结构两节得知吊挂、载物平台和传感器均在所有砝码的上方，在有n 个砝码的系统中，将中心吊杆分为n 段从上到下分别为l n ，设每一段弹性系数为k ；i e 儿n 】，为了简化，设载物平台、吊桂和中心吊杆最上端到第1 个砝码处的综合弹性系数设为k ，传感器的弹性系数为k o ，则七和k 。是串联的关系，特别地另k ，包含k 和k o ，则11k 1 - ( + = = l ) 。1( 2 8 )1 7西华人学硕十学位论文其它屯i e 2 ，n 】为中心吊杆在该段上的弹性系数。中心吊杆的第i 段伸长是由于受第i 和i 以后的砝码力的作用，因此结合胡克定律分析得，第i 段中心吊杆本身的净伸长幽；为罗c f a h 竺_ 一i e 1 , n 】( 2 - 9 )k i其中c ；表示第i 个砝码是否在中心吊杆上，若在该值为l ，若不在为0 。由上可得出对于中心吊杆上第i 块砝码对应的中心托盘相对于初始工作状态位移可由前面的从1 到i 段的净变形累加获得a h f 一乏j l ji e 1 , n ( 2 - 1 0 )将公式( 2 9 ) 代入( 2 - 1 0 ) 可以得到第i 个中心托盘的偏移位置酏- 毫 专耋c j w , 】，n ，c 2 一，( 2 ) 砝码组合加载卸载的分析1 2 0 1如下图2 - 9 ，在a 、b 两处分别有重力为暇和两个砝码( w 2 ) ，m 是当前要加载的砝码，职砝码是要卸载的砝码，通常操作顺序是：卸载职 加载形，之后传感器所增加的力为形一峨。传感器、吊挂和中心吊杆抽象为中间的两个弹簧，在没有加载任何砝码的时候，从最上端到a 处的长度为h ，由于当前所加载的砝码重力作用，相对于不加任何砝码时a 处向下移动了h ，h ，是砝码全放在中心吊杆上移动的距离，同样此时b 处，与最上端距离为h 4 ，如果从中心吊杆上卸下移动距离为h ，。根据胡克定律对于砝码职对弹簧k 。所施加的力可计为- k l h 3( 2 1 2 )若将h ，分成n 段，计每- d , 段为 ；，弹簧k 。形变这一小段的距离要施加的力为彤则有w1 k l h