虞躍凌 康張宜 胡瀟寅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

一種新型疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機

虞躍凌 康張宜 胡瀟寅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

在新建500 kN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機時，對于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的機械結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計，拓展了力標(biāo)準(zhǔn)機的測量范圍，實現(xiàn)了全自動檢測，從而大大提高力標(biāo)準(zhǔn)機的工作效率。

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機；測量范圍；自動化檢測系統(tǒng)

0 引言

在新建500 kN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機（以下簡稱疊加機）時，利用新研發(fā)的多量程比對式加載機構(gòu)技術(shù)，對于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的機械結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計，拓展了力標(biāo)準(zhǔn)機的測量范圍，同時利用新研發(fā)的變形量自動補償裝置技術(shù)實現(xiàn)了全自動檢測，從而大大提高力標(biāo)準(zhǔn)機的工作效率。

1 工作原理

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機作為國家的基標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，是用一個 (或組)比被檢定的測力儀準(zhǔn)確度高的標(biāo)準(zhǔn)測力儀作為標(biāo)準(zhǔn)，與被檢測力儀串聯(lián)，以液壓或機械方式施加負荷的力標(biāo)準(zhǔn)機。是一種高準(zhǔn)確度等級的力值計量標(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)機的工作原理如圖1所示。

圖1 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機工作原理

工作時，力發(fā)生器（液壓油缸系統(tǒng)或機械加卸載系統(tǒng)）對標(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承受同一載荷。載荷大小由標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出來確定，當(dāng)輸出達到用高一級傳感器（或測力機）標(biāo)定的定度值時，所施加的載荷為一標(biāo)準(zhǔn)力值，傳感器輸出信號分別由標(biāo)準(zhǔn)表和檢測儀表發(fā)送給計算機，穩(wěn)定該力值，記錄下被檢傳感器的輸出。逐級加載和卸載，完成對被檢傳感器的檢測。

2 傳統(tǒng)疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機在進行檢定校準(zhǔn)工作時存在的問題

根據(jù)原理和結(jié)構(gòu)形式的不同，力標(biāo)準(zhǔn)機可分為靜重式、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)展和近年來控制技術(shù)的日趨成熟，疊加機得到越來越廣泛的應(yīng)用。雖然該機具有結(jié)構(gòu)形式簡單、造價相對低廉、能夠連續(xù)加卸載等優(yōu)點，但是任然存在一些問題。

2.1 疊加機的測量范圍較小，適用性較低

力標(biāo)準(zhǔn)機是通過標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼復(fù)現(xiàn)力值，其測量下限可達到測量上限的1%，如100 kN杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機的測量范圍為1～100 kN，6 000 N靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機的測量范圍為10～6 000 N。疊加機與之相比有著本質(zhì)的區(qū)別，是通過高準(zhǔn)確度等級的參考力傳感器來復(fù)現(xiàn)力值。目前，疊加機的參考力傳感器基本都采用德國HBM公司的TOP-Z系列或德國GTM公司的KTN-D系列產(chǎn)品，其測量范圍出廠指標(biāo)只有20%～100%。經(jīng)中國計量院檢定和長期穩(wěn)定性考核后，一般可以將測量下限拓展至10%。因此疊加機的測量范圍至多為10%～100%，如一臺500 kN疊加機只能開展測量范圍為50～500 kN的500 kN測力儀的檢定校準(zhǔn)工作，而無法開展測量范圍為40～400 kN的400 kN測力儀、測量范圍為45～450 kN的450 kN測力儀等其他規(guī)格測力儀的檢定校準(zhǔn)工作。同時，根據(jù)最新的JJG 1116—2015《疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機》檢定規(guī)程要求，“每級加荷時間小于30 s”，即使使用多臺疊加機對一臺被檢測力儀進行檢定，顯然無法在30 s這么短的時間內(nèi)，完成從一臺設(shè)備到另外一臺設(shè)備上的轉(zhuǎn)換，無法滿足檢定規(guī)程要求，因此每開展一種規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)測力儀的檢定校準(zhǔn)，就必須配備一套相應(yīng)測量范圍的疊加機，不僅大大增加了設(shè)備成本和實驗室使用面積，同時也大大降低了疊加機的適用性。

2.2 影響疊加機準(zhǔn)確度等級的因素較多，自動化程度不高

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

疊加機的力值波動性。如0.03級的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的力值波動性要求是0.01%，即萬分之一。 如果疊加機主測參考傳感器的靈敏度為2 mV/V，標(biāo)準(zhǔn)測力儀讀數(shù)達到小數(shù)點后面第五位，即20萬個顯示值。在滿量程時，30 s時間內(nèi)，則波動的數(shù)字有20個左右（波動性合格）。計量檢定員通過人工記錄，讀數(shù)時往往是瞪大了眼睛，捕捉一個波動峰值，捕捉一個波動谷值，然后取平均值，實際上是一個估計值，人為誤差較大。

3 新型專利技術(shù)拓展疊加機測量范圍

在新建500 kN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機時，對于疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的機械結(jié)構(gòu)提出了新的設(shè)計，拓展了疊加機的測量范圍。

該疊加機的設(shè)計測量范圍為10～500 kN，按照傳統(tǒng)設(shè)計方法，就是分別建立100 kN和500 kN兩臺疊加機，根據(jù)上文所述，只能開展10～100 kN和50～500 kN兩個測量范圍的標(biāo)準(zhǔn)測力儀的檢定校準(zhǔn)工作，無法實現(xiàn)如15～150 kN、20～200 kN、25～250 kN等其他規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)測力儀的檢定校準(zhǔn)，只是簡單的建立了兩臺疊加機，顯然無法滿足設(shè)計要求。

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

在檢測過程中，當(dāng)被檢儀器為100 kN或500 kN時，無需切換，直接使用相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測力儀進行檢測即可，當(dāng)被檢儀器為200 kN或300 kN等其他規(guī)格時，在檢測過程中需對兩臺標(biāo)準(zhǔn)測力儀進行自動切換，具體如表1所示。

表1 檢測數(shù)據(jù)

任何物體在外力作用下會發(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，這就是彈性形變。當(dāng)疊加機的加載機構(gòu)加載到標(biāo)準(zhǔn)測量點后停止動作，加載機構(gòu)勢必發(fā)生彈性形變，力值就會發(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)程允許的力值波動范圍內(nèi)自動對力值進行快速補償，就成為重中之重的技術(shù)關(guān)鍵。經(jīng)過反復(fù)試驗，利用新研發(fā)的變形量自動補償裝置技術(shù)，對于控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)自動補償檢測過程中產(chǎn)生的微小位移變化，確?？梢栽陬A(yù)定時間內(nèi)進行讀數(shù)，順利完成檢測工作。

4 疊加機的自動化檢定系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，無需人為干預(yù)，實現(xiàn)全自動檢測。工作前，把標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定值輸入計算機作為設(shè)定值。工作開始后，加載系統(tǒng)啟動，標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢傳感器同時受力，傳感器輸出信號分別由標(biāo)準(zhǔn)表和檢測儀表發(fā)送給計算機，計算機計算標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出信號（加載值）與設(shè)定值的差值，并根據(jù)一套算法計算控制脈沖的頻率及電機的轉(zhuǎn)動方向，然后通過控制板向脈沖自動跟蹤系統(tǒng)發(fā)出該頻率的脈沖，進而控制電機的轉(zhuǎn)速與方向。計算機計算標(biāo)準(zhǔn)傳感器的加載值與設(shè)定值的差值。當(dāng)差值大時，電機轉(zhuǎn)動速度快，差值小時電機轉(zhuǎn)速慢。差值為正，電機正轉(zhuǎn)；差值為負，電機反轉(zhuǎn)。加載值接近設(shè)定值時，電機轉(zhuǎn)速變得很慢，使加載值緩慢逼近并達到設(shè)定值。當(dāng)加載值超過設(shè)定值，電機反轉(zhuǎn)，加載值回到設(shè)定值，電機始終處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，保證加載值穩(wěn)定于設(shè)定值。此時所施加的力值為一標(biāo)準(zhǔn)力值，計算機采集并記錄被檢傳感器的輸出值。如此，逐點完成檢測。

同時，可以按照JJG 699—2003《稱重傳感器》檢定規(guī)程、JJG 144—2007《標(biāo)準(zhǔn)測力儀》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，通過計算機進行高速數(shù)據(jù)采集、處理、保存、打印等實現(xiàn)全自動化檢測，并配有自動故障判斷停機系統(tǒng)及人為緊急停止裝置。真正實現(xiàn)全自動檢測。

5 結(jié)語

該疊加機于2017年初通過了中國計量科學(xué)研究院的驗收，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%，大大超過了0.03%的設(shè)計要求，檢定過程全自動控制，實現(xiàn)工作效率的最大化。

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

[2]全國力值硬度計量技術(shù)委員會.JJG 144- 2007 標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2007.

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

[4]封蘇偉.自動化控制系統(tǒng)設(shè)計實例手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]李江全，鄭瑤.計算機典型測控與串口通信開發(fā)軟件應(yīng)用實踐[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]龔順鎰.工業(yè)控制自動化實用技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(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