游码式标准力源技术与试验研究

　　0　引　言

　　杠杆式标准力源装置是一种根据第一类杠杆原理,对具有精确质量的重力砝码进行放大从而产生标准力值的精密仪器设备[1],例如杠杆式力标准机、试验机等.它们在力值计量、测力仪生产以及需要施加精确载荷的各种场合和领域得到广泛应用.但是迄今为止,杠杆式力源装置存在着加载速度慢、效率低、操作不便、成本高等缺点.人们关于杠杆式标准力源装置的研究工作基本上停顿于自动化改造方面,基于新原理的杠杆式力源装置的研发工作偶尔可以看到,但是没有相应的理论和技术分析研究报道[2-4].随着力学计量技术的发展,标准力源技术的相对滞后,使力学计量及相关技术的进步受到严重制约.尤其是中国目前作为测力仪器的生产大国,迫切需求性能价格比高的标准力源技术和装置,完成高效、高精度、低成本测力仪的校准.

　　为了解决以上问题,本文讨论和研究一种新型的杠杆式标准力源装置及其技术问题,即把传统杠杆式标准力源装置采用的固定杠杆比,改变重力砝码大小和数量的加载方式,变为单一固定重力砝码,通过改变杠杆比来达到加载目的;利用伺服马达和滚珠丝杠及计算机组成控制驱动系统,将精密力值控制转换为固定质量砝码(这里称作游码)位置的精确控制,实现设备的高精度、高效率、自动化工作等目标,并使设备体积大大减小、安装调试操作简单、测试过程实时动画显示.

　　1　游码式标准力源工作原理与结构实现

　　1.1　基本工作原理

　　设杠杆横梁AB,支点C处左右两侧的质量产生的重力分别为W2,W1,质心的位置距离支点的长度分别为L21,L11(见图1).质量为m的砝码可以沿着杠杆横梁AB移动,设其某时刻的位置距支点距离L1,其重力为F1.杠杆上点B为被施加力的作用点,力大小设为F2.略去支点和力点摩擦、横梁变形等影响,根据静力学原理

　　可见,当杠杆结构确定后,则m,W2,W1,L21,L11,L2即已确定.质量为m的砝码产生的向下作用力F1经杠杆放大后,作用到测力仪上的力F2与砝码m的位置L1成正比.即可以在不更换砝码m的情况下,通过改变L1的大小实现对被检测力仪施加所需要的载荷级数和大小,从而将对F2大小的控制转换为对位移L1的控制.

　　式(2)求导得dF2/dL1=F1/L2, (3)即单位位移L1引起的力值F2的变化与砝码质量成正比,与距离L2成反比.设L1的位移分辨率为δL,根据式(3)因位移分辨率造成的力值误差

　　1.2　结构实现

　　在位移分辨率足够的条件下,这种通过改变砝码位置从而改变力臂比达到施加不同载荷大小的目的的装置,与传统杠杆式力标准机相比工作原理上唯一的区别就是它的砝码是游动的,而不是固定位置.为实现简化结构、缩小体积、降低成本、提高工作效率的目标,采用单级杠杆系统结构最为简单.而游动的砝码m不应当也不太可能太大,这必然要增大放大比以适应较大力值输出的需要.结构上为减小设备体积,放大比的增大显然不得不缩短短臂尺寸L2,尽管这样会使δFL增大(根据式(4)的结论).在式(2)中,设F2=0,是为杠杆的初始平衡,解得L1=L10= (W2·L21-W1·L11)/F1,