力标准机加载过程砝码倒换的控制方法

　　在传统的静重式力标准机的使用中,同一块砝码在不同的力值组合中只能使用一次,即在一个加载实验循环中,某块砝码一旦被选用,下级载荷组合中就不能再使用它[1]。因此,为实现尽量多的力值组合不得不增加砝码的数量,造成设备体积庞大、结构复杂、力值组合级数少等问题。依据大力值由小力值组成的原理,如果把一个较大的砝码按照某个规则分成若干个小砝码,当由小到大组成不同的力值时,这些砝码可以分时使用, 从而达到以较少数量的砝码组合成较多级力值的目的。如果倒换砝码过程的效果像直接施加砝码过程一样,则采用倒码方法施加载荷不会对设备的计量检测结果造成影响。在倒换砝码过程中,关键是保证力值波动尽量小以及倒码过程满足测力过程对加荷时间的要求[2]。作者在论述倒换砝码式力标准机工作原理的基础上,探讨和研究解决倒换砝码的控制问题以及倒换砝码过程对设备工作精度的影响问题。

　　1　倒换砝码的基本工作原理

　　倒换砝码就是在从某级载荷加载到另一级载荷的过程中,需首先卸下原来已加上的某(几)块砝码,然后再加上另外合适的砝码,达到欲施加力值的要求。例如,一台100 kN的静重式力标准机,若取砝码组合为50(吊挂,以下同), 0. 5, 1, 2,2, 5, 10, 20, 20, 20, 20 kN,共计11块砝码,总重力101 kN,可以组合成最小力值为0. 5 kN,最大100kN,级差0. 5 kN共200级的力值组合。但是从某级载荷加载到另一级载荷的过程中,由于可能在剩余的砝码中找不到适合下一级载荷的某(几)块砝码,需要首先卸下原已加上的某(几)块砝码,然后再加上另外合适的砝码,达到欲施加力值的要求,即所谓倒换砝码(以下简称倒码)。设已加荷20 kN(吊挂计算重量),下一级载荷为30kN,设备的10 kN砝码已被施加的20 kN载荷占用,但剩有20 kN砝码。所以欲实现30 kN载荷,必须要首先卸下10 kN砝码,再加上20 kN砝码。这样最终实现的载荷仍然是30 kN(20-10+20=30)。显然这一过程的结果像在已有的20 kN砝码基础上再加1块10 kN砝码一样。但是条件是,首先在卸下10 kN砝码过程中施加在被检测力仪上的载荷仍应保持原值(即20 kN)不变;接下来施加20 kN砝码的过程中,施加在被检测力仪上的载荷应在20至30 kN之间呈单调上升,如同施加1块10 kN的砝码一样。换言之,应当通过正确的控制方法使得倒换砝码过程中的力值波动尽量小。

　　设加载系统各个机械环节为线性的,则倒换、加卸砝码机构可简化为如图1所示的物理学模型(图中略去移动笼和预加载机构的质量)。

　　图1中:k1为预加载装置、吊挂、和传感器系统的综合刚度;Δx1为预加载装置、吊挂和传感器系统受载后的总变形量; k2为移动笼驱动砝码系统的刚度;Δx2为移动笼驱动砝码系统的变形量;W为重力为W的砝码;f为传感器受力值;f1为预加载装置产生的作用力;f2为移动笼驱动系统产生的作用力。倒码过程的静力平衡满足如下关系: