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靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼交換力平衡控制技術(shù)的研究：

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)利用少量的砝碼,進(jìn)行相等力值間隔逐級加、卸荷時,需要交換砝碼。當(dāng)砝碼進(jìn)行交換時出現(xiàn)逆負(fù)荷現(xiàn)象,會對被檢測力儀的示值產(chǎn)生影響。闡述了靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(dá)到平衡的基本原理。提出了實現(xiàn)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼交換時系統(tǒng)達(dá)到力平衡的*種預(yù)加荷裝置,經(jīng)砝碼交換力平衡控制的力學(xué)分析與實驗驗證,靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用預(yù)加負(fù)荷實施倒碼力平衡控制的方法在理論上和技術(shù)上是可行的、有效的。

1引言

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是以砝碼的重力作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷,通過負(fù)荷機(jī)架施加到被檢測力儀上[5]。在實際應(yīng)用中,靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)利用少量砝碼,以1,2,2,5,10(或1,1,2,5,10)方式進(jìn)行組合[6],實現(xiàn)等力值間隔(10%、20%、……100%Fnom)逐級加、卸荷;當(dāng)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作遞增、遞減(進(jìn)、回程)試驗時,在加卸荷過程中需要交換砝碼,當(dāng)砝碼進(jìn)行交換時會出現(xiàn)逆負(fù)荷現(xiàn)象[1,5]。圖1為力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在施加遞增、遞減負(fù)荷過程中,當(dāng)砝碼進(jìn)行逆程交換(counterspanchange)時的加卸荷過程曲線。為實現(xiàn)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼交換時系統(tǒng)達(dá)到無逆負(fù)荷現(xiàn)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(dá)到力平衡的基本原理和試驗方法,以及靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼交換時系統(tǒng)達(dá)到力平衡過程控制的*種預(yù)加荷裝置。

2預(yù)加荷裝置的作用原理

為了實現(xiàn)倒碼力平衡過程控制,采用了如圖2*示的倒碼預(yù)加荷裝置;倒碼工作時,*先由伺服電動機(jī)驅(qū)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(dāng)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(jī)SM1驅(qū)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(dá)到倒碼時力值波動受控的目標(biāo)。預(yù)加荷裝置的作用原理是:以卸倒碼為例,設(shè)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(fù)作用,必然導(dǎo)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(jī)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(dǎo)致的力值增加,使S1受到的作用力恢復(fù)到初始值。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼提升框架采用液壓或機(jī)械控制系統(tǒng)驅(qū)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(yù)加荷裝置的力學(xué)模型設(shè)系統(tǒng)為線性的。

4力值變化理論分析

根據(jù)虎克定律,卸砝碼W保持力值不變的原理如下:初始狀態(tài):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(biāo):ΔP=0系統(tǒng)達(dá)到力平衡的倒碼控制結(jié)果:P=W+ΔP≈W砝碼W脫離吊掛。

5力平衡控制實驗驗證

根據(jù)倒碼力值控制基本原理:Δx=v×t,因v由電動機(jī)產(chǎn)生,即倒碼力值控制的速度和*度與預(yù)加荷裝置控制電機(jī)的控制性能相關(guān),關(guān)鍵技術(shù)是預(yù)加荷裝置的控制電機(jī)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的速度和位移的控制。預(yù)加荷裝置采用獨(dú)立的數(shù)字伺服控制單元,這種數(shù)字伺服控制技術(shù)的關(guān)鍵是通過微位移控制技術(shù)實現(xiàn)*力值控制,這項技術(shù)已在我們過去的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值控制單元中成功應(yīng)用。

為驗證靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)預(yù)加荷裝置倒碼力平衡控制的性能,用*只0.1級2kN標(biāo)準(zhǔn)測力儀在*臺6kN靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行了實驗;測力機(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行*組200N~2kN遞增、遞減序列負(fù)荷試驗,砝碼以1,2,2,5方式進(jìn)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(yù)加荷裝置進(jìn)行力平衡控制。實現(xiàn)了砝碼交換時系統(tǒng)達(dá)到力平衡的過程控制,初步達(dá)到了控制砝碼交換時出現(xiàn)逆負(fù)荷現(xiàn)象的目的。

6結(jié)論

(1)經(jīng)砝碼交換力平衡控制的力學(xué)分析與實驗驗證,靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用預(yù)加負(fù)荷實施倒碼力平衡控制的方法在理論上和技術(shù)上是可行的、有效的。為靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)性能的提*、力值傳遞技術(shù)水平的提*和發(fā)展提供了*種新的技術(shù)方法。

(2)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用倒碼力平衡控制方式,初步實現(xiàn)了砝碼無逆程交換的過程。為進(jìn)*步研究減小以至消除加、卸砝碼及砝碼交換運(yùn)動過程中的逆負(fù)荷現(xiàn)象,提供了*種新的試驗技術(shù)手段。

(3)采用預(yù)加荷裝置可以有效地減緩砝碼交換運(yùn)動過程的力值波動,為提*靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的加、卸荷速度,滿足稱重傳感器、力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)測力儀負(fù)荷試驗的加、卸荷時間要求創(chuàng)造了條件。

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼交換力平衡控制技術(shù)的研究