静重式力标准机砝码交换力平衡控制技术

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 ( counter-span change) 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一种预加荷装置。

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所示的倒码预加荷装置; 倒码工作时, 首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, 则倒码预加荷装置的力学模型如图 3 所示。

     系统达到力平衡的倒码控制结果:

    =W+ΔP≈W

    砝码 W 脱离吊挂。

    加砝码 W₁保持力值不变的原理如下:

    初始状态:

    控制目标: ΔP=0

    系统达到力平衡的倒码控制结果: P=W₁, 砝码W₁加到吊挂上。