静重式力标准机砝码交换力平衡控制技术的研究：

静重式力标准机利用少量的砝码,进行相等力值间隔逐级加、卸荷时,需要交换砝码。当砝码进行交换时出现逆负荷现象,会对被检测力仪的示值产生影响。阐述了静重式力标准机采用的交换砝码方法是建立在利用弹性力替代砝码重力,砝码交换过程中重力与弹性力达到平衡的基本原理。提出了实现静重式力标准机砝码交换时系统达到力平衡的*种预加荷装置,经砝码交换力平衡控制的力学分析与实验验证,静重式力标准机采用预加负荷实施倒码力平衡控制的方法在理论上和技术上是可行的、有效的。

1引言

静重式力标准机是以砝码的重力作为标准负荷,通过负荷机架施加到被检测力仪上[5]。在实际应用中,静重式力标准机利用少量砝码,以1,2,2,5,10(或1,1,2,5,10)方式进行组合[6],实现等力值间隔(10%、20%、……100%Fnom)逐级加、卸荷;当力标准机作递增、递减(进、回程)试验时,在加卸荷过程中需要交换砝码,当砝码进行交换时会出现逆负荷现象[1,5]。图1为力标准机在施加递增、递减负荷过程中,当砝码进行逆程交换(counterspanchange)时的加卸荷过程曲线。为实现静重式力标准机砝码交换时系统达到无逆负荷现象的力平衡过程控制,提出并建立了利用弹性力替代砝码重力,砝码交换过程中重力与弹性力达到力平衡的基本原理和试验方法,以及静重式力标准机砝码交换时系统达到力平衡过程控制的*种预加荷装置。

2预加荷装置的作用原理

为了实现倒码力平衡过程控制,采用了如图2*示的倒码预加荷装置;倒码工作时,*先由伺服电动机驱动装有位置接近传感器S3和力传感器S1的横梁1向下移动,当由S1感测到横梁1与承力盘(或吊挂下梁)接触时,提升框架开始卸下(或加上)砝码开始动作;然后依靠伺服电动机SM1驱动横梁2移动,力传感器S2感测横梁2与承力盘的作用力大小。横梁2的移动位移量跟踪传感器S1的初始值,使其保持不变,达到倒码时力值波动受控的目标。预加荷装置的作用原理是:以卸倒码为例,设横梁1与承力盘接触时S1初始力为0,提升框架向上移动开始卸砝码,此时由于弹性恢复作用,必然导致吊挂上的承力盘向上移动,使S1受力的作用增加。随后伺服电动机SM1启动,使横梁2通过传感器S2作用于承力盘上。横梁2作用于承力盘上对其施加向下的作用力使吊挂向下移动,直至抵消由于吊挂上升而导致的力值增加,使S1受到的作用力恢复到初始值。力标准机砝码提升框架采用液压或机械控制系统驱动[3],用以提升或卸下砝码;提升框架在提升或卸下砝码时,升、降速度受到控制,因此不受提升砝码重力大小的影响。

3预加荷装置的力学模型设系统为线性的。

4力值变化理论分析

根据虎克定律,卸砝码W保持力值不变的原理如下:初始状态:P=W,Δx1=0,Δx2=0,P1=0,P=0卸载过程中:P=W-k2·Δx2+k1·Δx1ΔP=P-W=k1·Δx1-k2·Δx2控制目标:ΔP=0系统达到力平衡的倒码控制结果:P=W+ΔP≈W砝码W脱离吊挂。

5力平衡控制实验验证

根据倒码力值控制基本原理:Δx=v×t,因v由电动机产生,即倒码力值控制的速度和*度与预加荷装置控制电机的控制性能相关,关键技术是预加荷装置的控制电机与驱动机构的速度和位移的控制。预加荷装置采用独立的数字伺服控制单元,这种数字伺服控制技术的关键是通过微位移控制技术实现*力值控制,这项技术已在我们过去的叠加式力标准机的力值控制单元中成功应用。

为验证静重式力标准机预加荷装置倒码力平衡控制的性能,用*只0.1级2kN标准测力仪在*台6kN静重式力标准机上进行了实验;测力机有2块2kN、1块1kN、1块500N、2块200N和1块100N的力值砝码。在力标准机上进行*组200N~2kN递增、递减序列负荷试验,砝码以1,2,2,5方式进行组合,实施等力值间隔(10%、20%、……100%Fnom)逐级加、卸荷,在砝码交换的过程中采用了倒码预加荷装置进行力平衡控制。实现了砝码交换时系统达到力平衡的过程控制,初步达到了控制砝码交换时出现逆负荷现象的目的。

6结论

(1)经砝码交换力平衡控制的力学分析与实验验证,静重式力标准机采用预加负荷实施倒码力平衡控制的方法在理论上和技术上是可行的、有效的。为静重式力标准机性能的提*、力值传递技术水平的提*和发展提供了*种新的技术方法。

(2)静重式力标准机采用倒码力平衡控制方式,初步实现了砝码无逆程交换的过程。为进*步研究减小以至消除加、卸砝码及砝码交换运动过程中的逆负荷现象,提供了*种新的试验技术手段。

(3)采用预加荷装置可以有效地减缓砝码交换运动过程的力值波动,为提*静重式力标准机的加、卸荷速度,满足称重传感器、力传感器和标准测力仪负荷试验的加、卸荷时间要求创造了条件。

静重式力标准机砝码交换力平衡控制技术的研究