50kN/500kN静重/杠杆两用式力标准机的设计

　　0　引言

　　自从JJG669—2003《称重传感器》检定规程等效采用了R60《load cell》(2000E)后,原有的力标准机已经不符合规程的要求。为了筹建国家衡器产品质检中心的需要,山东省计量科学研究院与台湾量测技术发展中心联合研制的50kN/500kN静重/杠杆式力标准机,满足R60《load cell》的要求,可对称重传感器进行全面的型式评价工作。

　　1　系统主要构成和技术指标

　　1.1　力标准机技术指标

　　1)力值误差:静重部分为±0.005%;杠杆部分为±0.01%。

　　2)力值重复性误差:静重和杠杆部分均为0.003%。

　　3)灵敏限:无负荷时≤0.3N;满负荷时≤0.003%。

　　1.2　高低温试验箱

　　1)温度调整范围:-20~+70℃。

　　2)温度准确度:±0.5℃。

　　3)温度分布均匀度:±1℃

　　2　采用的设计技术

　　2.1　杠杆的设计

　　装置的杠杆设计至关重要,既要保证足够的刚度,又要保证有足够的灵敏度。按设计要求,空载时的杠杆灵敏度为0.3N。为此,我们应用了计算机有限元分析技术,对杠杆进行了有限元分析和优化设计,得出了杠杆在受力状态下,X、Y方向的位移和整体的von Mises应力分布,如图1所示。

　　2.2　砝码的设计

　　砝码是该力标准机的核心,其设计的成功与否直接影响整机的准确度等级。对砝码设计的要求主要有以下几项:

　　1)砝码的排列组合。按照设计要求,50kN静重部分要实现以1、2、3、5kN为力级的砝码组合,框架部分作为一级负荷处理,杠杆部分实现以10、20、30、50kN为力级的砝码组合。为此,我们对砝码的排列与组合方式进行了精心的设计,满足了上述力级的要求,避免了加卸荷过程中出现逆负荷现象。

　　2)砝码的吊挂、定位方式。采用三连接外挂,中间锥形定位的方式。

　　3)砝码材料。选用一种中炭钢,其稳定性较好,经锻造后,一体化加工成形,表面镀硬硌后再做抛光、消磁处理。

　　4)砝码质量准确度的要求。设计加工砝码时在120°均布调整腔,用1t(分度值1g)和200kg(分度值100mg)的精密天平进行称量,保证砝码质量的扩展不确定度在0.003%(k=3)之内。

　　2.3　控制系统的设计

　　选用西门子公司S300可编程控制器,对开关量和模拟量进行精确控制。应用高精度差动变压器式(LVDT)位移传感器对砝码位置和杠杆位置进行精确测量,其信号输出送至PLC的模拟量输入端,由PLC对其进行精确控制。避免了以往对砝码位置控制时接触式电刷结构的不可靠性和非接触式(如光电开关)定位精度不高的问题。加载位置接近开关、限位开关、杠杆锁紧位置、蠕变加载机构等开关量也都由PLC进行控制。