静重式力标准机平滑加载系统改进研究

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静重式力标准机是力标准机的-种，具有高精度、高稳定性的特点。为了降低造价，砝码数量往往不会太多，因此，为了扩大检测范围，获得更多的检测级数，则需要砝码交换加(卸 )载，这样就会产生力值波动，甚至 逆程”现象，影响力值检测精度。

本文提出的独立式砝码加(卸 )载方案，可有效减小砝-5；b[1(卸)载过程中的力值波动，避免 逆程”现象的发生，提高了静重式力标准机的加载精度。

2 力标准机静力学分析力标准机机械主体主要由载物平台、吊挂、固定笼、中心吊杆、砝码及砝码独立加 (卸)载装置组成。其中，砝码独立加卸载装置主要由伺服电机、蜗杆蜗轮机构、滚珠丝杆、砝码托架组成♂构如图 1所示。

静重式力标准机在工作过程中，砝码通过加(卸 )载装置加载到砝码托盘上(或从砝码托盘上卸载 )，通过中心吊杆把砝码力值传递到被测传感器。在此过程中，中心吊杆、吊挂、载物平台、被测传感器由于加 (卸)载砝码的重力作用而产生变形，砝码本身在加(卸)载过程中由于和砝码托盘的相互作用也会产生变形。在本文当中，由于砝码、吊挂、载物平台的刚性较好，其变形量忽略不计。因此，整个系统的弹性系数决定于中心吊杆和被测传感器的综合弹性系数。

98 Servo ControIr------ 珐 图 1静重式力标准机结构设-静重式力标准机，其砝码数量为N，从吊挂底部到每个砝码托盘处之间的中心吊杆弹性系数从上至下依次 k.，k，。 被测传感器的弹性系数为k。。则系统的综合弹性系数为： k- o J；i∈[ ，N] ( )假设第i块砝码重量为 ，加载到第 i个砝码托盘处，则在第i块砝码托盘处引起的变形量为：△h，(wl/k )；i∈[1，N] (2)在第J块砝码托盘处引起的变形量为：，-c j. i ㈣L.--第j块砝码托盘处到被测传感器顶面长度；L.--第 i块砝码托盘处到被测传感器顶面长度。

在第 k块砝码托盘处引起的变形量为：△hkAh ；k∈[i，N] (4)因此，任意砝码托盘i处相对于初始位置的变形量决定于整个系统的砝码加载情况，其相对于初始位置的变形量为：： [ j N( ) j ， k∈[i NJ(5)其中A、B表示砝码加载情况：当砝码托盘J处有砝码加载时A取 1，无砝码加载时A取 0；当砝码托盘k处有砝码加载时B取 1，无砝码加载时B取 0。

3 力标准机运动学分析砝码独立加卸载装置主要由伺服电机、蜗杆蜗轮机构、滚珠丝杆、砝码托架组成。为避免砝码和电机托架的硬接触造成系统冲击，从而产生力值波动，电机托架与砝码之间采用弹簧机构。中心吊杆及被测传感器抽象为-弹簧。示意图如图 2所示。

3.1独立砝码加载运动学分析假设砝码 i处于未加载状态，重量为Wi，此时砝码 i在吊杆上引起的变形量为 0，砝码的重量全部加载到电机托架图2砝码加 (卸 )载受力分析托盘托架噼 ≈%上。电机托架弹簧压缩量为其最大值△x；W Fsk-Ax ； (6)F --电机托架弹簧的弹力；k --电机托架弹簧弹性系数。

加载时，当砝码接触砝码托盘后，砝码同时受中心吊杆的拉力及电机托架弹簧的弹力：WiF1F。； (7)F --吊杆所受拉力。

FIkl×Ay Ay∈[0，Ay]； (8)kl--吊杆综合弹性系数；△y--吊杆变形量。

F ：k。×Ax Ax∈[Ax ，O (9)△x--电机托架弹簧变形量。

在砝码加载过程中，电机托架的行程 s为：S[Ax -△xAy； (10)由(6～1 0)式联立可得吊杆所受拉力与电机托架的位移关系为 ：Fls×(kskl/k k)； (1 1)由伺服电机及蜗轮蜗杆相关理论知伺服电机角速度与电机托架位移关系为 ： E dtP ； (12) 万 ， -，q--滚珠丝杆丝距 ；p--蜗轮蜗杆传动比；()--伺服电机角速度。

由 (11～12)式可得 吊杆所受拉力与伺服 电机角速度关系为： (” ]. ；由此，可根据需要的平滑加载力值曲线求得伺服电机角速度曲线，从而达到平滑加载的目的。

3.2独立砝码卸载运动学分析假设砝码 i处于完全加载状态，电机托架弹簧处于未压缩状态，吊杆所受拉力等于砝码重力：Fl klAy； (14)Aym --砝码i所引起的吊杆最大拉伸量。

电机托架位移等于电机弹簧压缩量与吊杆收缩量之和，即：SAx(Ay -Ay)； (15)由(89)，(14-15)式可得吊杆所受拉力与电机托架位移关系为 ： ) )； ( )亦即吊杆所受拉力与伺服电机角速度关系为：- ]l ；(下转第 81页)