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E2等級公斤組砝碼自動檢測系統(tǒng)的研制
點擊次數(shù):769 更新時間:2023-06-30

E2等級公斤組砝碼自動檢測系統(tǒng)的研制

上海市計量測試技術(shù)研究院自主研發(fā)了 E2 等級公斤組砝碼自動測量系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由超聲波清洗車、自動加載系統(tǒng)和 50kg 質(zhì)量比較儀三個部分組成。使用自動測量系統(tǒng)時,可以自動加載系統(tǒng)、遠程遙控地加載砝碼;用超聲波清洗車,自動清洗砝碼;用質(zhì)量比較儀自動地檢定砝碼的折算質(zhì)量。文章介紹了整個系統(tǒng)的原理,并用圖表說明了各個部分的功能。


1 系統(tǒng)介紹

E2 等級公斤組砝碼自動測量系統(tǒng)的研制過程可分為 3 個階段:制定方案、自主研發(fā)和引進技術(shù)。上海市計量測試技術(shù)研究院(以下稱研究院)制定的方案包含很多調(diào)研工作,例如制作測量流程圖,分析質(zhì)量和工藝的需求,統(tǒng)計所有類型砝碼的形狀等等。研究院構(gòu)思設(shè)計并與創(chuàng)新科技公司一起自主研發(fā)了砝碼加載系統(tǒng)和超聲波清洗車,可以自動地

清洗和運輸公斤砝碼。在整個系統(tǒng)中,測量是最重要的環(huán)節(jié)。根據(jù) OIML R111 國際建議,E2 等級公斤標準砝碼 1kg~50kg 的允差要求(MPE)為1.6mg~80mg,質(zhì)量比較儀的不確定度必須小于相應砝碼允差(MPE)的 1/9,所以對于質(zhì)量比較儀的不確定度,相應的極限要求為 0.16mg~8mg。通過詳盡的調(diào)研,選擇質(zhì)量比較儀 AX64004,它是一臺全自動的質(zhì)量比較儀,最大載荷為 64kg。該質(zhì)量比較儀由梅特勒-托利多公司制造,50kg 重復性標準偏差為 0.4mg,公斤組砝碼的量值傳遞要求。通過方案的制定、研發(fā)制造和先進技術(shù)設(shè)備的引進,建立了 E2 等級公斤組砝碼自動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)提高了砝碼的測量精度,同時也提高了測量效率。


2 制定方案:自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計

2006年,JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》正式實施。這一規(guī)程,與OIML R111的范圍相一致,將E2級砝碼的范圍擴展到50kg。這使得10kg以上E2級砝碼的檢定,變得愈加困難。高精度的質(zhì)量比較儀和相應的輔助設(shè)備的缺乏,制約了E2級公斤組砝碼的檢定能力。截至目前,國內(nèi)所有的E2級公斤組砝碼的檢定都是手動的,在砝碼的檢定和運輸過程中需要花費大量的人力成本,對于研究院較大的砝碼日常檢定量來說困難尤為突出。為了提高檢定的準確度度和測量能力,我們計劃建立一套E2等級公斤組砝碼自動測量系統(tǒng)。通過這一系統(tǒng),將砝碼的檢定能力擴大到50kg,同時將檢定的不確定度降低至0.4mg。此外,E2等級公斤組砝碼自動測量系統(tǒng)也使得砝碼檢定過程更簡單、輕松。整個測量過程,實驗工作人員都不必進入實驗區(qū)域。根據(jù)OIML R111國際建議,初步設(shè)想時主要考慮了以下這些因素:1)砝碼的清洗;2)砝碼的磁性;3)質(zhì)量檢定。根據(jù)這些要求,制作了3D視圖(參見圖1)來說明整個測量系統(tǒng)的規(guī)劃。首先,自動加載系統(tǒng)抓取被檢砝碼,將其移至超聲波清洗車處。將砝碼浸沒在蒸餾水中,通過超聲波清洗車清洗后,自動加載系統(tǒng)將砝碼卸載至工作平臺進行等溫。其次,通過自動加載系統(tǒng),將待測砝碼加載至磁化率儀上,以測量砝碼的磁性。最后,自動加載系統(tǒng)加砝碼加E2 等級公斤組砝碼放置平臺加載系統(tǒng) robot超聲波清洗車AX64004 質(zhì)量比較儀載至比較儀 AX64004 的工作位,進行質(zhì)量測量。整個過程都可以實現(xiàn)電腦遠程遙控,實現(xiàn)測量過程自動化。

E2等級公斤組自動監(jiān)測系統(tǒng)完成后的技術(shù)指標參見表1。


表1 測量系統(tǒng)的技術(shù)指標

項 目  技術(shù)指標E2 等級公斤組

砝碼測量系統(tǒng)測量范圍:1kg~50kg

精度:E1 Class

第一部分 超聲波清洗車

清洗溶液:蒸餾水  頻率:>50kHz

第二部分 自動加載系統(tǒng)

操作范圍:4.5m×6m

定位重復性:<0.05mm

第二部分 質(zhì)量比較儀

最大測量載荷:50kg;

可讀性:0.1mg;

重復性:≤0.4mg


3 自主研發(fā):超聲波清洗車和砝碼自動加載系統(tǒng)

3.1 超聲波清洗車

在檢定前,砝碼的清洗很重要,砝碼表面的灰塵和其他的微小顆粒需要清洗干凈,因為砝碼表面的雜質(zhì)會影響砝碼的質(zhì)量值。在清洗的整個過程中砝碼必須易于搬運和儲存,同時清洗過程和清洗劑的選擇應與砝碼的材質(zhì)特性相適應。在砝碼檢定前,如果某一砝碼的表面有大量難以清除的灰塵,可以用干凈的無水乙醇或二次蒸餾水來清洗砝碼或其部

分表面。無水乙醇的清洗效果優(yōu)于二次蒸餾水,但由于無水乙醇為危險品,因此其毒性和危害性也遠遠大于二次蒸餾水。當清洗公斤砝碼時,特別是大于20kg的E1(或者E2)等級砝碼,必須將砝碼浸沒在無水乙醇中,這樣不得不準備大量的無水乙醇。在一個密封的空間,使用如此大量的無水乙醇是很危險的,對操作者是有害的。為了保護操作者,同時保持環(huán)境的安全,選擇二次蒸餾水作為E2等級公斤組砝碼的清洗溶劑。為了彌補二次蒸餾水在清洗能力方面的不足,本次設(shè)計中引入超聲波清洗技術(shù)以提高二次蒸餾水的清洗能力。

超聲波是超出人們聽力范圍的聲波。工業(yè)清洗中的超聲波大多為20Hz~50Hz。高于50Hz的超聲波,常用于比較小的超聲波清洗機,如珠寶店使用的就是此類清洗機。超聲波用高頻在水溶劑或有機化合物中引起微小氣泡震蕩,產(chǎn)生超聲空化。超聲空化會對污層直接反復沖擊,從而使污物脫離清洗件(如金屬、塑膠、玻璃、橡膠、陶器等)表面并分散到清洗液中??栈瘹馀葸€能“鉆進"裂縫中做振動,使污物脫落。清洗的目的是使所有表面的污物被去除。目前,超聲波清洗被廣泛應用各個領(lǐng)域,如機械、光學、電子等等。自動測量系統(tǒng)將超聲波與二次蒸餾水相結(jié)合,從而形成一套潔凈、環(huán)保、科學的清洗技術(shù)。經(jīng)過大量的實驗證明超聲波清洗技術(shù)不會影響砝碼的表面粗糙度和磁性。為了方便使用,將超聲波清洗機安裝在手推車上,經(jīng)過改裝,制成了超聲波清洗車。圖2是超聲波清洗車的3D視圖。

如圖2所示,超聲波清洗車上安裝的升降平臺,

其目的是將平臺上的砝碼自動地運轉(zhuǎn)至二次蒸餾水中浸潤。該平臺與砝碼加載裝置中的機械手相結(jié)合,從而保證在砝碼清洗過程中無需人員干預,實現(xiàn)砝碼清洗自動化。為了保護砝碼的表面,在升降平臺的底部鋪了一層軟材料,類似特氟綸。清洗車上還有進水和出水裝置,可以方便地更換清洗車中的二次蒸餾水。清洗車底部的車輪設(shè)計,方便操作者將清洗車移至任何地方,從而使得公斤砝碼的清洗工作更便捷。

圖2 超聲波清洗車的3D視圖

3.2 砝碼加載系統(tǒng)

E2等級公斤組砝碼自動檢測系統(tǒng)的研制依據(jù)人體工程學,一個正常人一般地提取重物的能力為10kg~20kg。超過這個范圍,人們在提取時容易引發(fā)肌肉損傷或腰椎疾病。在整個E2等級公斤組砝碼的檢定過程中,依據(jù)JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》,不得不多次加載、卸載砝碼,這就容易給操作者帶來疲勞傷害。通過持續(xù)的觀察和調(diào)研,研究院和創(chuàng)新科技公司合作,制作了砝碼自動加載系統(tǒng),通過計算機控制機械抓手,從而實現(xiàn)有限空間任意位置無限多次的砝碼加載、卸載和運輸?shù)娜蝿?。該系統(tǒng)由不銹鐵框架和機械手構(gòu)成。圖3是自動加載系統(tǒng)的3D機構(gòu)圖。

為了在有限的空間內(nèi)保證機械手在六個方向(上、下、左、右、前進、后退)的平穩(wěn)運行,將機械手安裝在建于實驗室內(nèi)的一個不銹鋼框架上。在框架的頂部,我們設(shè)置了兩根精度高的螺旋導軌,超聲波清洗車升降臺以確保運行過程的低噪音和高精度。通過光位移傳感器,可以控制機械手的運行。使用型的3級機械升縮裝置,以確保機械手的垂直運動距離滿足實驗室要求。圖4顯示了3級機械升縮裝置簡單機構(gòu)。通過這一設(shè)計,機械手的垂直運動距離可以達到2m,保證了機械手可以到不同的工作平臺加載、卸載砝碼。

圖3 自動加載系統(tǒng)的3D機構(gòu)圖

圖4 3級機械升縮裝置的簡單示意圖

不同規(guī)格的砝碼,其形狀尺寸都不相同。甚至同一規(guī)格的砝碼也會有不同的形狀尺寸。國內(nèi),一等外觀形狀的砝碼和OIML型砝碼的尺寸有很大差異。如何才能做到使用不變的機械手抓取不同規(guī)格的砝碼呢?光電傳感器和壓力傳感器幫我們解決了這樣問題。光電傳感器使機械手可以定位至砝碼的頸部,壓力傳感器使機械手可以判斷是否已夾緊砝碼的頸部。機械抓手部分用柔弱的材質(zhì),如特氟綸制作,并用麂皮包裹,從而確保在抓取砝碼的過程中機械抓手不會損害砝碼表面。鑒于上述設(shè)計,砝碼的加載和卸載實現(xiàn)了自動化,操作者只需輕按控件,就能實現(xiàn)實驗室任意位置的砝碼平穩(wěn)、高定位精度的砝碼運輸、加載和卸載工作。超聲波清洗車和砝碼加載系統(tǒng),都是研究院自主設(shè)計的,該設(shè)計確保了輔助設(shè)備的自動化,提高了檢定效率和準確度


 
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