杠杆式力标准机自动控制系统设计与开发

　　0　引言

　　目前,国内大多计量部门使用的杠杆式力标准机仍是上世纪六七十年代的产品。由于设备的有效使用寿命以及当时的技术限制,大多数器具的电控系统元器件严重老化,可靠性低,出现了不同程度的故障,对精确力值计量造成很大的影响,有些甚至存在安全隐患。但由于机械部分的耐用性,加之在整台器具中占有很大比重,如果把整台设备报废很可惜,而且添置一台新的杠杆式力标准机需十几甚至几十万元,致使用户不愿更换新机。

　　随着计算机软硬件技术和现代测控技术的发展,在力值计量中,数字式、数控化装备以其操作方便、控制系统先进、稳定性好等优点,越来越受欢迎[1]。为此,开展了现有杠杆式力标准机的自动化改造,以实现其计量操作和数据处理的自动化。

　　1　机械结构和工作原理

　　杠杆式力标准机是用于检定负荷传感器、进行力值计量和力值比对的复杂、精密的设备。保证正确、可靠地对被检传感器或测力仪施加砝码是杠杆式力标准机工作的基本要求。因此,其机械结构都是围绕加/卸砝码而设计和配备的。目前计量部门使用的杠杆式力标准机主要有60 kN、300 kN、600 kN和1MN杠杆式力标准机,它们的机械结构组成和工作原理大致相同,现以最庞大的1MN杠杆式力标准机为例,简单介绍其机械结构组成和工作原理,机器的结构如图1所示[2]。

　　图1　杠杆式力标准机结构图

　　Fig. 1　Structure of the lever type force standardmachine

　　该机可实现砝码直荷检测和杠杆间接检测2种检测方式。从图1可以看出,当使用该机的直荷检测方式时,须先夹紧杠杆,卸下中心吊架的卡环和下梁。电机通过齿轮变速装置控制砝码托盘升降运动,当托盘向下运动时,砝码被逐级挂到吊挂上,通过反向器将载荷加于被检器具。只要控制托盘的移动距离,就可以控制砝码的加载数量,从而决定加载载荷的大小。当使用杠杆间接检测方式时,砝码的加挂方式与直荷检测类似,其差别在于将砝码施加到杠杆的长臂端,通过杠杆放大原理,在短臂端由反向器2将放大后的载荷加到被检器具上。

　　2　控制系统要求

　　杠杆式力标准机结构庞大、组成零部件多、监控点多,控制系统须对预加载过程、进回程过程、被检器具的示值、托盘的升降、砝码的位置、杠杆平衡状态等动作和状态进行实时监测和控制。为实现加载与检测过程的高性能控制,杠杆式力标准机的控制系统应满足以下要求[3-4]:①控制过程和数据采集的可靠性、②控制过程和执行结果的可见性、③故障诊断和故障处理的实时性、④力标准机控制系统的通用性。