吊挂机构对力标准机工作准确度的影响与应对措施

　　静重式力标准机是力值传递、计量检定中十分重要的计量设备[1],其机械结构中的重要部件之一是吊挂。力标准机的加载系统是通过吊挂将砝码施加 到被检测力仪上的。因此,工作时吊挂最好处于不与任何物体接触的自由垂体状态。但是出于保证工作系统稳定性、提高工作效率等方面的考虑,吊挂有时会附加一 些机构。例如DM-100型1MN静重式力标准机(德国Shenck公司制造,力值不确定度为0·002%),在其加载系统中设置有杠杆平衡装置、防摆机 构、预加载装置等与吊挂有关的机构,这是一种典型的复杂吊挂机构,其构成见图1(a)。这些机构对系统的力值计量检测准确度有重要的影响[2]。它们的安 装和实现工作自动化控制是保证高准确度计量的关键问题之一[3,4]。

　　本文以这种力标准机为例,就这些问题进行分析研究。由于预加载装置在稳定计量时与其它加载机构脱离,因此本文不考虑预加载装置对系统的计量准确度造成的影响。

　　1　DM-100型静重式力标准机加载系统机构原理

　　DM-100型静重式力标准机工作时,由杠杆平衡机构将吊挂的自重抵消,使作用于被检测力仪上的载荷仅为标准砝码的重力。为了在加载过程中和加 载后防止吊挂摆动,保证加载稳定性,该设备设置了防摆机构,且在工作过程中通过自动控制系统使其总是与吊挂的中心线垂直。工作时,通过控制系统将标准砝码 施加到吊挂上,从而将砝码的重力作用于被检测力仪上[5],以实现对其力学计量性能的检测。

　　2　平衡机构与水平防摆机构对系统测量精度的影响分析

　　平衡杠杆是用来平衡吊挂的重量,使被检测力仪仅承受砝码的重量。水平防摆机构的作用是防止吊挂作水平方向的摆动。假设图1(b)中平衡杠杆机构 联结点A、B、C、E均无摩擦力存在,杠杆本身为完全刚性且始终保持水平状态,并与吊挂几何中心线(铅垂线)垂直。又设防摆机构工作过程中与吊挂的中心线 垂直。吊挂本身为一材质均匀的对称几何体,则虽然有杠杆机构、水平防摆机构存在,但是吊挂仍如自由垂体一样,杠杆平衡机构和水平防摆机构对测量准确度均不 会有影响。实际上,图1(b)中的联结点是刃口支撑或球铰机构,存在摩擦力。所有机构也不可能是完全刚性,受力后会产生变形[6]。受机械装配精度和检测 精度水平限制,杠杆机构和防摆机构与吊挂的中心线有一定垂直度误差,吊挂的中心线与铅垂线不能完全重合,这些势必造成作用于被检测力仪上的力与理想受力中 心线不重合,甚至产生侧向分力。因此,杠杆机构和水平防摆机构对整个系统的测量准确度会产生影响。

　　DM-100型力标准机加载工作过程通常分为两步。第一步利用杠杆机构通过调节杠杆的配重来实现平衡吊挂的目的,在此过程中,由于防摆机构和摩 擦的存在,造成吊挂顶端中心线偏离理想位置。例如,如果防摆机构对吊挂有向下的拉力,则配重必须比理想配重增加来平衡吊挂,反之亦然。根据力学原理分析可 以求得配重的最大、最小值,平衡吊挂误差。第二步安装被检测力仪及砝码测量,在此过程中配重不再改变,由于防摆机构的存在同样会造成作用于被检测力仪上的 力作用方向偏离理想中心线。根据力学原理分析求得被检测力仪所承受的最大、最小作用力。综合式(1)中的平衡吊挂误差即可得到测量的最终误差。