机械比对式力标准机.pdf

一种用于称重、测力传感器、电子秤性能检测技术领域的机械比对式力标准机，技术要点是：包括有测量区，力值发生区，在测量区的上部设置有一测力传感器及传力机构，在测量区的底部设置有一加力框架，该加力框架向下分别与导向机构、滚珠丝杠、减速机及伺服电机相连接；电气控制部分为：工业控制终端的输出端与计算机连接，计算机连接有工业控制卡；可编程序控制器通过接口端分别与工业控制卡，位控模块和光电测量反馈系统相连接，位控模块的输出端与伺服驱动器相接，伺服驱动器的输出端与伺服电机连接，伺服电机的输出信号再反馈给光电测量反馈系统。本发明是利用数控技术和精密机械传动技术，首次实现0.00015mm/s微位移进给，保证了所加载荷与要求载荷差值在力机精度范围内，实现动态加载，动态加载力值精度可控制在万分之一以内，首次实现了用机械比对式力标准机做蠕变测量。

权利要求书
1、  一种用于称重、测力传感器、电子秤的线性、迟滞、重复性、蠕变、灵敏度性能检测的机械比对式力标准机，由机械结构与电气控制两部分组成，其中的机械结构部分包括有上板，中板，底板，立柱，测力传感器，导向机构，其特征是：由上板、中板、立柱围成测量区，由中板、底板、立柱围成力值发生区；在测量区的上部设置有一与上板连接的测力传感器及传力机构，在测量区的底部中板处设置有一加力框架，该加力框架向下经力值发生区分别与导向机构、滚珠丝杠、减速机及伺服电机相连接；电气控制部分包括有工业控制终端，计算机，可编程序控制器，工业控制终端的输出端与计算机连接，计算机连接有工业控制卡；可编程序控制器通过接口端分别与工业控制卡，位控模块和光电测量反馈系统相连接，位控模块的输出端与伺服驱动器相连接，伺服驱动器的输出端与伺服电机连接，伺服电机的输出信号再反馈给光电测量反馈系统。

2、  根据权利要求1所述的机械比对式力标准机，其特征是：蠕变的测试步骤为：
①、力机5秒钟内，由零载荷加载至理论值F1载荷，力机停止加载；
②、判断实际力值F与F1的差值ΔF是否大于力机精度F1-ΔF1；
③、如果ΔF大于F1-ΔF1，以0.00015mm/s微位移进给，实现动态加载，动态加载力值精度在万分之一以内；
④、如果ΔF小于F1-ΔF1，停止加载，进行蠕变测试。

3、  根据权利要求1所述的机械比对式力标准机，其特征是：在测量区的中部还设置有一高低温测试箱。

4、  根据权利要求1所述的机械比对式力标准机，其特征是：在传力机构上还设置有一扶正气缸，该扶正气缸的另一端与上板连接。

5、  根据权利要求1所述的机械比对式力标准机，其特征是：计算机的输出端还连接有打印机。

说明书机械比对式力标准机
技术领域
本发明属于计量测试技术领域，具体地说是一种用于称重、测力传感器、电子秤性能检测技术的机械比对式力标准机。
背景技术
称重传感器、电子秤大力值性能检测设备都采用比对式力标准机。比对式力标准机是将标准传感器和被检传感器一起串接在力标准机上，通过机械形变产生标准力值，利用标准传感器检测标准力值，通过比对实现被测传感器检测。国家标准(JJG734-2001)规定力标准机的最高等级为0.03级。目前市场上关于力标准机代表性产品：主要有：300KN压电陶瓷比对式力标准机；300KN机械比对式力标准机；500KN全自动液压比对式力标准机；100KN杠杆式力标准机；500KN杠杆式力标准机。
无论是液压、机械、压电陶瓷式力标准机，目前都存在长期稳定性不好，或加载时间、加载方式不符合OIML60号国际建议的要求，其测试数据与国外生产的称重传感器数据不具备“可比性”，因而不利于我国的称重传感器走向国际市场和国际间交流。并且，国内外生产的比对式力标准机均不能真正作蠕变，蠕变是力传感器测试中的重要指标，国内外生产厂家蠕变测量都是通过恢复间接测量的，蠕变与恢复实质上是有区别的，恢复值小于蠕变值，蠕变与恢复的差值与弹性体材料、热处理、应变片、胶、工艺有关。
发明内容
本发明的目的是提供一种能检测称重传感器、电子秤全部静态性能指标的机械比对式力标准机。以解决大量程传感器生产过程中全性能(包括线性、迟滞、重复性、蠕变、灵敏度)测试难题，并符合OIML60号国际建议的要求。
本发明的目的是这样实现的：由机械结构与电气控制两部分组成，其中的机械结构部分包括有上板，中板，底板，立柱，测力传感器，导向机构，其特征是：由上板、中板、立柱围成测量区，由中板、底板、立柱围成力值发生区；在测量区的上部设置有一与上板连接的测力传感器及传力机构，在测量区的底部中板处设置有一加力框架，该加力框架向下经力值发生区分别与导向机构、滚珠丝杠、减速机及伺服电机相连接；电气控制部分包括有工业控制终端，计算机，可编程序控制器，工业控制终端的输出端与计算机连接，计算机连接有工业控制卡；可编程序控制器通过接口端分别与工业控制卡，位控模块和光电测量反馈系统相连接，位控模块的输出端与伺服驱动器相连接，伺服驱动器的输出端与伺服电机连接，伺服电机的输出信号再反馈给光电测量反馈系统。本发明首次将数控技术应用到测试设备上它包括交流伺服驱动系统、交流伺服电机、精密减速机、精密滚珠丝杠付、加力框架、标准传感器和数控技术。计算机发出指令，经伺服驱动卡，控制伺服驱动器调节伺服电机，伺服电机带动减速机，经安装在减速机上的联轴器将回转运动传给滚珠丝杠，滚珠丝杠回转推动丝母上下移动，移动定位由直线轴承导向，丝母带动加力框架上下移动对标准传感器施加到力产生标准力值，同时此标准力值经加力框架施加到被测传感器上。
传感器在额定载荷下其形变为0.3mm，十万传感器分度下，传感器形变位移值0.000003mm，因次，需要最小加荷位移在3nm以下，才能保证测量精度。
利用数控技术和精密机械传动技术，通过伺服驱动模块控制伺服驱动系统，光电测量反馈系统实现闭环速度控制。在国际上首次实现了0.00015mm/s微位移进给，蠕变测试时，保证了所加载荷F与要求载荷F1差值ΔF在力机精度0.01％FS范围内，实现动态加载，动态加载力值精度可控制在万分之一以内，首次实现了用机械比对式力标准机做蠕变测量(如图3所示的蠕变控制原理图)。
蠕变测试步骤(如图4所示)：
1、力机5秒钟内，由零载荷加载至理论值F1载荷，力机停止加载；
2、判断实际力值F与F1的差值ΔF是否大于力机精度(F1-ΔF1)；
3、如果ΔF大于F1-ΔF1，以0.00015mm/s微位移进给，实现动态加载，动态加载力值精度在万分之一以内；
4、如果ΔF小于F1-ΔF1，停止加载，进行蠕变测试。
机械比对式力标准机机械结构由两大部分组成，中板上方是测量区，中板下方是力值发生区。测量区由上板、中板、立柱围成，在测量区安装标准传感器、传力机构。力值发生区由中板、底板、立柱围成，在力值发生区安装伺服电机、减速机、滚珠丝杠副、导向机构、加力框架等。力值的产生：伺服电机经联轴器输入给减速机，减速机换向后传给滚珠丝杠副，滚珠丝杠副将回转运动转变为直线运动，滚珠丝杠将力值加到加力框架上，加力框架上方安放被测传感器，被测传感器通过传力杆将力传给标准传感器，力值大小由标准传感器读出。
在测量区的中部还设置有一高低温测试箱，用以测量传感器环境温度下的性能指标。
电气控制由两部分组成，一是上位机，二是下位机。上位机包括计算机、打印机，下位机包括可编程序控制器、伺服驱动模块、伺服驱动器、光电测量反馈系统、工业控制卡等。上位机负责数据的接收、显示、处理、表格的打印及误差曲线的绘制。下位机负责伺服驱动系统，实现速度控制，对力机加载、卸载及与上位机的通讯。计算机输出信号给工业控制卡，工业控制卡经可编程序控制器处理发出位控指令给位控模块，位控模块输出信号经伺服驱动器将信号放大输出给伺服电机，伺服电机输出扭矩给机械系统，产生力值，伺服电机转动角度经光电测量反馈系统检测并反馈给可编程序控制器，实现闭环控制。
本发明可以检测称重、测力传感器、电子秤等产品的线性、重复性、滞后、蠕变、SPAN等技术性能指标。精度等级可达到0.01级。
本发明的力标准机通过伺服驱动模块控制伺服驱动系统，利用光电测量反馈系统实现闭环速度控制。利用宽速度控制范围，实现低速时微位移进给，保证传感器以纳米级加载，高速时快速进给，实现设备上下移动的速度范围(0.00015mm/s-0.17mm/s)无级调速。
利用高低速变换，保证每级测试时间在满足国际法制计量组织第60号建议“称重传感器计量规程”规定的要求。利用低速时(0.00015mm/s-0.003mm/s)微位移进给，解决了传感器测试线性、滞后、重复性的要求。在国际上首次实现了0.00015mm/s微位移进给，保证了所加载荷与要求载荷差值在力机精度范围内，实现动态加载，动态加载力值精度可控制在万分之一以内，首次实现了用比对式力标准机做蠕变测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意简图
图2是图1的右视图
图3是本发明的蠕变控制原理图
图4是本发明的蠕变测试逻辑框图
图5是本发明的电路控制原理方框图
图6是本发明的电路控制原理图
下面将通过实例对发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
实例1
由图1-2是机械比对式力标准机的机械部分
包括有上板1，中板5，底板12，立柱7，测力传感器2，导向机构8，由上板、中板、立柱围成测量区，由中板、底板、立柱围成力值发生区；在测量区的上部设置有一与上板1连接的测力传感器2及传力机构3，在传力机构上设置有一扶正气缸13，该扶正气缸的另一端与上板连接，在测量区的中部还设置有一高低温测试箱4；在测量区的底部中板处设置有一加力框架6，该加力框架向下经力值发生区分别与导向机构8、滚珠丝杠9、减速机11及伺服电机14相连接。另外图中的10为支承板。
力值的产生：伺服电机经联轴器输入给减速机，减速机换向后传给滚珠丝杠副，滚珠丝杠副将回转运动转变为直线运动，滚珠丝杠将力值加到加力框架上，加力框架上方安放被测传感器，被测传感器通过传力杆将力传给标准传感器，力值大小由标准传感器读出。
电气控制部分包括有工业控制终端，计算机，可编程序控制器(如：图5所示)，工业控制终端的输出端与计算机连接，计算机连接有工业控制卡；可编程序控制器通过接口端分别与工业控制卡，位控模块和光电测量反馈系统相连接，位控模块的输出端与伺服驱动器相连接，伺服驱动器的输出端与伺服电机连接，伺服电机的输出信号再反馈给光电测量反馈系统。按功能分为两部分，一是上位机，二是下位机。上位机包括计算机、打印机，下位机包括可编程序控制器、伺服驱动模块、伺服驱动器、光电测量反馈系统、工业控制卡等。上位机负责数据的接收、显示、处理、表格的打印及误差曲线的绘制。下位机负责伺服驱动系统，实现速度控制，对力机加载、卸载及与上位机的通讯。计算机输出信号给工业控制卡，工业控制卡经可编程序控制器处理发出位控指令给位控模块，位控模块输出信号经伺服驱动器将信号放大输出给伺服电机，伺服电机输出扭矩给机械系统，产生力值，伺服电机转动角度经光电测量反馈系统检测反馈给可编程序控制器，实现闭环控制。
测试方法(如图6所示)，首先将被测传感器安装在测试夹具上，将传感器连同夹具一起放在测量台上，对正；确认传感器安装好后，在计算机上鼠标器上点击选择传感器量程，进行蠕变测试。通过人机界面，即：工业控制终端将测试指令提供给计算机运行，并通过工业控制卡(PCI卡)的信号输出线信号1-信号8传输到可编程序控制器(PLC)，可编程序控制器对输入信号进行数据处理，并通过相关开关Q、Q1、Q2、Q3，显示相应的指示灯HG0-HG3，显示灯HR1-HR3，并发出位控指令给位控模块(354模块)，354模块输出信号经伺服驱动器将信号放大输出给伺服电机M1(图2中的14)，驱动伺服电机M1运转输出扭矩给机械系统，产生力值，利用光电传感器COM1、COM2测量，并将信号经光电测量反馈系统检测通过信号输出线信号9反馈给可编程序控制器(PLC)，再经过工业控制卡输出给计算机将全部信息打印输出。另外，图5中地KM为接触器，K及K1为继电器，SAO为控制按钮，S为控开关，SB1-SB6为控制按钮，FM为蜂鸣器。
3)国家标准(JJG734-2001)规定的最高等级为0.03级。利用上述发明技术研制的机械比对式力标准机，经过中国测试技术研究院检测精度0.01级，蠕变测试方法符合OIML60号国际建议和的国家标准(JJG734-2001)要求。
与国内机械比对式力标准机对比表：  序号    项目  国家标准    国内产品  本发明    1    力机精度  0.03级    0.01级  0.01级    2    力值分辨力  0.0001    0.00004-0.00005  0.00001-0.00003    3    检测项目  蠕变、线性、迟滞、  重复性    线性、迟滞、重复    性  蠕变、线性、迟滞、  重复性、SPAN    4    加荷速率    0.00075mm/s  0.00015mm/s    5    加卸荷时间  30s    小于30s  小于30s    6    控制方式    模拟  数字