1电动独立加码全自动静重式力标准机电动独立加码全自动静重式力标准机一、一、静重式力标准机的基本工作原理静重式力标准机的基本工作原理 静重式力标准机是根据力的动力效应，直接利用已知质量砝码的重力来复现基准力值的。 根 据牛顿第二定律，并考虑空气浮力的影响，质量为 m 的砝码在空气中的重力 f 为（1） Wamgf1式中g 砝码所在地的重力加速度，砝码所在地的空气密度，a砝码材料的密度。W静重式力标准机在结构上，将砝码的重力通过力反向器加到被检测力仪上，如图 1 所示。机 架 3 与反向器 1 之间的上部空间为压空间，下部空间为拉空间，分别用于检定压、拉式测力仪。 通过反向器下部的承载吊杆（通常称吊挂）对被检测力仪 施加重力砝码，根据式(1)，只要知道所挂砝码的质量便可 计算出作用于被检测力仪的力。 根据不同测力仪检测要求， 按照一定规则对被检测力 仪施加不同质量的砝码，即可实现对被检测力仪的检测。 由于砝码质量可以通过高精度天平标定， 重力加速度和密 度都是常数，所以只要力标准机的机械结构、加卸砝码的 方式合理，静重式力标准机可以达到很高的力值不确定 度。 二、独立加码原理与机械结构二、独立加码原理与机械结构静重式力标准机独立加码方法， 是通过单独的驱动机 构执行每一块砝码独立的加卸动作， 可以使机器上的砝码 任意组合，单独或者成组地同时对被检测力仪施加作用 力。由于砝码可以独立动作，无需首先从放置砝码的机架 支撑转角上提升起砝码，移开支撑转角，然后才能将砝码 降落到中心吊挂上的复杂过程； 省去了从放置砝码的支撑 转角上提升砝码、移开支撑转角的过程，托架在同样的升 降移动速度下，加荷速度至少提高一倍。由于独立动作， 加卸砝码的运动、位移和速度可以实施必要的控制，从而 最大限度满足各种被检测力仪或称重传感器不同负荷特 性试验对负荷级数、加荷速度、加荷方式等的需求。 独立加码方式的结构原理见图2。由电动机驱动凸轮机 构转动,带动托架做升降运动,托架上放置砝码。 从而当 托架升降时,砝码随之升降,实现砝码往吊挂上的加卸动 作。托架升降 最大距离吊挂凸轮 机构托架吊挂托盘与砝码 之间的初始距离托架升降 最大距离 砝码图2 独立加砝码方式的结构原 理图 1 静重式力标准机结构示意图1反向器；2被检压式测力仪；3机架；4被检拉式测力仪；5砝码2具体实施过程是： 初始状态，由一个偏心轮构成的凸轮使托架连同砝码处于最上部,两侧的托架把砝码支撑住, 吊挂则处于自由状态,其上的托盘与砝码之间有一初始距离（h） 。 加砝码， 电动机驱动凸轮机构转动,带动托架向下运动,托架上放置的砝码随之下降,直到砝码与吊挂上的托盘接触并被托住。随后托架继续向下运动直至最底端位置。托架的这一空行程理论 值为,托架的最大升降距离（H）的一半，加上托盘与砝码之间的初始距离h。托架的这一空行程 越大，越有利于防止吊挂与砝码之间和砝码与砝码之间产生刮碰现象。因被检测力仪及其它构件 受力变形,使两块砝码之间以及吊挂托盘与砝码之间的初始距离h减小，因而该空行程值减小。所 以该空行程的最小值不应小于上述变形值。 卸砝码，电动机驱动凸轮机构转动,带动托架向上运动,直到托架与放置在吊挂上的砝码接触 并把砝码托起。随后托架带动砝码继续向上运动直至最顶端位置。托架从吊挂上托起砝码之前的这一行程理论值与上述加砝码过程中托架脱离砝码向下运动的空行程相同。 上述电动托架独立加码方式， 多层砝码可以根据需要同时或者分时， 或者按照某种规则加卸 。 托架的行程取决于凸轮的偏心量，升降的速度取决于驱动电动机。因而通过适当的控制方法，实 现砝码快速、平稳加卸；通过不同的砝码自由组合，实现最大限度的负荷级数，扩大使用范围是 可能的。电动驱动有利于实现数字化控制，由于分层独立加卸砝码，加之每一层砝码的驱动具有 相同的结构，对驱动功率要求大大降低；随着电子技术、电动机技术的进步，为电动驱动提供了 技术和价格基础。 因而电动托架独立加码方式力标准机具有结构简单、 自动化程度高、 可靠性高 、 易于维护、造价低等优点。 作为力标准机的力源的砝码配置与组合砝码配置与组合是力标准机的重要内容。砝码配置与组合有多种，例 如一种500kN的电动独立加码力标准机备选方案由两种： 方案 1：砝码质量的标称值及组合方式 ：吊挂吊挂 500kg500kg500kg500kg，500kg500kg500kg500kg，1000kg1000kg1000kg1000kg、1000kg1000kg1000kg1000kg、1000kg1000kg1000kg1000kg、 、 1000kg1000kg1000kg1000kg、1000kg1000kg1000kg1000kg、1000kg1000kg1000kg1000kg、1000kg1000kg1000kg1000kg、1000kg1000kg1000kg1000kg、1000kg1000kg1000kg1000kg，2000kg2000kg2000kg2000kg、2000kg2000kg2000kg2000kg、2000kg2000kg2000kg2000kg、2000kg2000kg2000kg2000kg、 、 2000kg2000kg2000kg2000kg，5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg，共，共 21212121个砝码个砝码，总质量总质量 50,000kg50,000kg50,000kg50,000kg，采用倒塔形安装。 工作状态：检定检定 10,000kg10,000kg10,000kg10,000kg、20,000kg20,000kg20,000kg20,000kg、50,000kg50,000kg50,000kg50,000kg传感器时，可以传感器时，可以 10101010级等间隔直接加、级等间隔直接加、卸卸载 。载 。 检定检定 5,000kg5,000kg5,000kg5,000kg、15,000kg15,000kg15,000kg15,000kg、25,000kg25,000kg25,000kg25,000kg、30,000kg30,000kg30,000kg30,000kg、35,000kg35,000kg35,000kg35,000kg、40,000kg40,000kg40,000kg40,000kg、45,000kg45,000kg45,000kg45,000kg传感器时，以传感器时，以 5 5 55 9 9 99级等间隔直接加、级等间隔直接加、卸卸载载。 可可 以以 500kg500kg500kg500kg为最小载荷分级，施加任意不大于为最小载荷分级，施加任意不大于 500kN500kN500kN500kN的载荷，需要交换砝码。的载荷，需要交换砝码。 优点：砝码数量多，检测范围大。优点：砝码数量多，检测范围大。 方案 2： 砝码质量的标称值及组合方式：吊挂吊挂 1000kg1000kg1000kg1000kg， ，1000kg1000kg1000kg1000kg， ，2000kg2000kg2000kg2000kg、 、2000kg2000kg2000kg2000kg、 、5050505000kg00kg00kg00kg、 、 5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg，5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg、5000kg5000kg5000kg5000kg，共，共 12121212个砝个砝码码， 总质量总质量 51,000kg51,000kg51,000kg51,000kg，采用倒塔形安装。 工作状态：检定检定 50,000kg50,000kg50,000kg50,000kg传感器时，可以传感器时，可以 10101010级等间隔直接加、级等间隔直接加、卸卸载。载。 可可 以以 1000kg1000kg1000kg1000kg为最小载荷分级，施加任意不大于为最小载荷分级，施加任意不大于 500kN500kN500kN500kN的载荷，需要交换砝码。的载荷，需要交换砝码。 优点：砝码数量较少，成本低。运用交换砝码技术仍可以有大的检测范围。优点：砝码数量较少，成本低。运用交换砝码技术仍可以有大的检测范围。 三、三、电气控制系统组成与工作原理电气控制系统组成与工作原理 500kN 静重式力标准机可分为主机和控制系统两部分，其中主机部分包括砝码、机械结构、 各运动执行机械和电气装置、检测传感器、限位行程开关（见图 3）。 控制系统它包括一套工业用微机系统，专用的控制、接口板，PLC 控制系统，电机及其控3制系统，配套低压电器装置，PLC 和微机软件（图 4）。采用微机集中控制管理，运用小型可偏程 序控制器（PLC）作为执行器件的核心功率控制装置的方案，运用先进微机软件技术，通过设计和 编写复杂的微机程序，实现静重式力标准机全自动化工作的目标。五、基本性能指标五、基本性能指标 1、工作空间参数 拉压双向，试验空间和工作台尺寸满足传感器试验的要求；拉力连接器：上、下 U 型拉力接头 （可以安装高低温试验箱） 2 2 22、负荷能力：、负荷能力：100%100%100%100%3 3 33、工作精度：优于、工作精度：优于 0.005%0.005%0.005%0.005%（当量）（当量） 4、中心吊挂承载方式，由电动机驱动的机构使砝码升降，达到加卸砝码的目的。 5、加卸砝码及稳定总时间：满足 OIML R60 对传感器检测加载时间要求，而且可以在更短的时 间内完成载荷加卸，包括蠕变试验。 6、可任意选择欲加卸的砝码。 7、全自动工作，人机交互对话，微机动画显示全部工作过程。 8、备有半自动和手动功能，满足特殊试验和调机需要。 9、控制方式：微机+西门子可编程序控制器，全自动控制10、设备使用条件设备使用条件设备使用条件设备使用条件1） 环境温度：5382） 相对湿度：85% RH3） 大气压力：80106KPa4） 周围不应有高浓度粉尘及腐蚀性气体存在，不能在易燃易爆的气氛中使用和贮存， 应有良好的通风条件。主机传感器图图图图4 4 44系统组成框图系统组成框图系统组成框图系统组成框图控制柜主控微机仪表COM1PLCI/O低压电器45） 设备安装现场应有良好的通风条件，便于设备热量的散出。6） 电源电压：AC 380V10%，频率：50Hz2%三相四线制7） 接地电阻10力标准机的力标准机的计量性能计量性能 满足 OIML.R60 / C3C3C3C3 C6C6C6C6级级称重传感器型式评定力标准器的计量性能，试验内容：传感器最 大允许误差（误差包逻线）包括非线性、滞后和灵敏度温度影响；蠕变、最小静负荷输出恢复和 重复性误差。 加、卸荷时间 符合 R60 5.2 条确定误差限（误差包逻线）初读数的加、卸荷时间的规定（读数前的加荷和 负荷稳定所需时间）。例如对于 500kN 规格的机器每加、卸一级负荷（砝码）的时间间隔为每加、卸一级负荷（砝码）的时间间隔为：加或卸荷的时间+ 读 数（采样）前等待砝码稳定的时间小于 30303030秒。秒。 力力标准机的标准机的技术指标技术指标 砝码质量的相对扩展不确定度：不大于砝码标称值的 0.001%0.001%0.001%0.001%（k=3k=3k=