昆山市拓恒機(jī)電有限公司
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1 引言
去年,我們公司接到國(guó)內(nèi)某核料企業(yè)生產(chǎn)線需物料稱量的項(xiàng)目,其料罐重約300Kg,而所計(jì)量的物料僅15Kg,要求準(zhǔn)確度0.05%FS,靜態(tài)測(cè)量,這是典型的大皮重小稱量案例。依據(jù)核料企業(yè)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求,我們決定采用電子平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)形式完成此項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)外平衡皮重的有杠桿平衡法、調(diào)整差分放大器反相端電壓平衡法、改變電阻應(yīng)變式傳感器橋臂電阻平衡法三種方法,其中的調(diào)整差分放大器反相端電壓平衡法和改變電阻應(yīng)變式傳感器橋臂電阻平衡法可以簡(jiǎn)單的平衡去除皮重,而這兩種方法平衡的電子秤仍需選用大量程稱重傳感器完成測(cè)量,唯有杠桿平衡法的電子秤可選用小量程傳感器,但杠桿平衡法比另外兩種平衡法結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且杠桿本身也會(huì)引入誤差,從而影響了電子秤的準(zhǔn)確度,同時(shí)這三種平衡法多用于配料和包裝等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)線上的電子秤,而用于電子平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)形式的卻很少;既要保證平衡去除皮重,又要保證電子平臺(tái)秤的精度要求。為此,經(jīng)研究分析,我們采用雙杠桿平衡法和選用數(shù)字式小量程雙傳感器測(cè)量物料的方法,達(dá)到平衡或減少大皮重,提高電子平臺(tái)秤稱量分辨率和準(zhǔn)確度的目的。本文通過(guò)對(duì)該電子平臺(tái)秤的秤體結(jié)構(gòu)原理、主要部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及數(shù)字式小量程傳感器和數(shù)字儀表的選擇的介紹,供同仁們參考和探討。
2 電子平臺(tái)秤的秤體結(jié)構(gòu)原理
2.1 秤體結(jié)構(gòu)原理
用于該電子平臺(tái)秤中杠桿平衡法是把料罐(被稱物)置于秤體的上臺(tái)面上,通過(guò)四個(gè)球頭支柱分別置于杠桿的一端,在杠桿的另一端放置一配重物,從而使傳感器受力適量減小。如圖1所示,設(shè)兩杠桿的拉式稱重傳感器受力分別為WC1、WC2,配重物的重量為WP,料罐和被稱物的重量為WZ,被稱物重量為M,假設(shè)被稱物對(duì)每一杠桿一端施力分別為m1、m2,配重物對(duì)每一杠桿另一端施力分別為p1、p2,根據(jù)杠桿和力平衡原理,則有:
在秤體設(shè)計(jì)時(shí),L1=L2=L=130mm,LC1=LC2=LC=130mm,LP1=LP2=LP=776mm,WC1+WC2=M則有(4)、(5)式為:
(6)、(7)式相加得:(m1+m2)·L=(WC1+WC2)·LC+(p1+p2)·Lp則有:
WZ·L=M·LC+WP·LP
因此,配重物選擇為:
WP=[WZ-M]·130/776=0.167[WZ-M]
可見,適當(dāng)選取配重物,稱重傳感器受力就與稱量物品重量成正比,而選擇適當(dāng)?shù)母軛U比例,可以很容易的平衡掉適量的皮重,從而克服了大皮重占去大部分傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換有效位數(shù)而降低電子秤分辨率的弊病。
圖1 平臺(tái)秤秤體結(jié)構(gòu)原理示意圖 下載原圖
該電子平臺(tái)秤秤體采用雙杠桿結(jié)構(gòu)和雙傳感器測(cè)量形式,一方面是為了保證秤體總體結(jié)構(gòu)對(duì)稱和平衡,另一方面又對(duì)電子平臺(tái)秤秤臺(tái)四角誤差的調(diào)修更加容易,即通過(guò)傳感器先調(diào)修平臺(tái)秤的偏載誤差,然后調(diào)修相應(yīng)邊的角差;為保證電子秤的準(zhǔn)確度,杠桿的結(jié)構(gòu)合理性也須認(rèn)真考慮。
2.2 主要部件的結(jié)構(gòu)
圖2 電子平臺(tái)秤秤體結(jié)構(gòu)圖 下載原圖
電子平臺(tái)秤秤體結(jié)構(gòu)如圖2所示,秤體外形尺寸長(zhǎng)為1200mm,寬為1200mm,高為189mm,其由上臺(tái)面、支撐臺(tái)面(即下臺(tái)面)、兩套杠桿、配重塊、兩只稱重傳感器、兩塊數(shù)字模塊、接線盒和數(shù)字儀表等組成,上臺(tái)面下由四個(gè)浮動(dòng)支柱浮動(dòng)支撐,四個(gè)浮動(dòng)支柱分別壓在兩套杠桿的一端,而兩只傳感器和配重塊連接掛壓在兩套杠桿的另一端,為了便于傳感器的安裝、維修和平臺(tái)秤調(diào)試,兩只傳感器和接線盒安裝在支撐臺(tái)面(即下臺(tái)面)的外側(cè),兩塊數(shù)字模塊安裝在接線盒內(nèi),接線盒和數(shù)字儀表相連接,該電子平臺(tái)秤系統(tǒng)組成如圖3所示。
圖3 電子平臺(tái)秤系統(tǒng)組成圖 下載原圖
平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)中,將傳感器和數(shù)字接線盒安裝于平臺(tái)秤支撐臺(tái)面(即下臺(tái)面)的外側(cè),除保證傳感器、接線盒的方便安裝和調(diào)校外,最主要的是保證了該平臺(tái)秤的維修性。
2.2.1 雙杠桿的結(jié)構(gòu)
該電子平臺(tái)秤秤體雙杠桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,從圖中可以看出,每一杠桿的支點(diǎn)(如圖1中的支點(diǎn)1和支點(diǎn)2)根據(jù)平臺(tái)秤秤體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的需要一分二,即每一杠桿采用雙臂梁結(jié)構(gòu);在垂直杠桿臂方向上懸掛于平臺(tái)秤秤體支撐臺(tái)面(即下臺(tái)面)四字形結(jié)構(gòu)的其中一中梁上,兩杠桿分別從相對(duì)杠桿的支點(diǎn)中梁下通過(guò),相互交錯(cuò),保證配重桿臂盡可能的長(zhǎng),使得配重盡可能的輕;四個(gè)浮動(dòng)支柱分別壓在兩杠桿短臂的連接懸吊梁上(懸吊點(diǎn)與支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式同),配重梁則懸吊在兩杠桿的長(zhǎng)臂上,這種結(jié)構(gòu)保證了配重和料罐橫向力對(duì)杠桿和平臺(tái)秤準(zhǔn)確度影響較小。
圖4 浮動(dòng)支柱結(jié)構(gòu)組成圖 下載原圖
2.2.2 浮動(dòng)支柱的結(jié)構(gòu)
浮動(dòng)支柱的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示,由橡膠體、球頭支柱和球頭頂尖組成,球頭頂尖分別固定安裝于兩杠桿短臂端的連接懸吊梁上,球頭支柱裝于球頭頂尖上,橡膠體與球頭支柱為一體;一臺(tái)平臺(tái)秤需要四套浮動(dòng)支撐,四個(gè)橡膠體分別支撐于平臺(tái)秤的上臺(tái)面的下部的四個(gè)平底窩中,因此,平臺(tái)秤的上臺(tái)面通過(guò)四套浮動(dòng)支撐與兩杠桿為浮動(dòng)連接,這與四個(gè)傳感器的球頭壓頭或“不倒翁”壓頭支撐一臺(tái)面的普通平臺(tái)秤的結(jié)構(gòu)相類似,以確保因平臺(tái)秤上臺(tái)面變形以及料罐的沖擊等因素不會(huì)影響平臺(tái)秤的精度。
2.2.3 杠桿各支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
該平臺(tái)秤除支撐臺(tái)面(即下臺(tái)面)四角的四個(gè)支腳和上臺(tái)面下的四個(gè)浮動(dòng)支柱外,其他支點(diǎn)、支撐或者浮動(dòng)連接點(diǎn)等均采用杠桿支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式,杠桿支點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成如圖5所示,其由調(diào)節(jié)墊片、平墊片、螺栓、彈簧墊片和薄金屬鋼帶等組成,杠桿支點(diǎn)采用懸吊式結(jié)構(gòu),無(wú)通常刀子、刀承組成的支點(diǎn)結(jié)構(gòu)易磨損、擺動(dòng)、微位移、不易微調(diào)杠桿臂比等缺點(diǎn),這種懸吊式結(jié)構(gòu)可以很好的保證支點(diǎn)的準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定,同時(shí)也能減小或消除因橫向力或者力矩對(duì)杠桿和傳感器的影響,在調(diào)校平臺(tái)秤偏載時(shí),也可方便的通過(guò)調(diào)節(jié)墊片的厚度,調(diào)節(jié)杠桿臂長(zhǎng)的微長(zhǎng),保證平臺(tái)秤的偏載誤差在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。
圖5 杠桿支點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成圖 下載原圖
3 傳感器與數(shù)字儀表的選擇
該平臺(tái)秤作為數(shù)字式稱重系統(tǒng)與常見的稱重系統(tǒng)一樣,其數(shù)字傳感器也是在稱重傳感器內(nèi)部或者接線盒內(nèi)采用高集成化和高智能化的處理單元,將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波等預(yù)處理并進(jìn)行數(shù)字化補(bǔ)償后,輸出數(shù)字信號(hào)。數(shù)字式稱重儀表或所用電腦實(shí)時(shí)采集各傳感器輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后,進(jìn)行顯示;其主要特點(diǎn)是:(1)數(shù)字式稱重系統(tǒng),可對(duì)該系統(tǒng)內(nèi)的每一只傳感器單獨(dú)尋址,從而可對(duì)每只傳感器進(jìn)行監(jiān)控、故障辨認(rèn),以及可以單獨(dú)處理每只傳感器的稱重信息,大大提高了稱重系統(tǒng)的控制能力、靈活性和更加智能,該特點(diǎn)為該平臺(tái)秤內(nèi)的兩傳感器進(jìn)行調(diào)整、調(diào)校平臺(tái)秤的偏載創(chuàng)造了條件;(2)秤臺(tái)標(biāo)定后,每個(gè)傳感器的零點(diǎn)值和滿載(凈輸出)值存儲(chǔ)在儀表或電腦軟件中,對(duì)秤臺(tái)進(jìn)行再次校正時(shí),可與前次標(biāo)定的數(shù)值進(jìn)行比較,這個(gè)特點(diǎn)使該稱重系統(tǒng)中傳感器的穩(wěn)定性監(jiān)控變的簡(jiǎn)單;(3)數(shù)字稱重系統(tǒng)可以直接處理每一只傳感器經(jīng)數(shù)字處理單元處理提供的原始稱重?cái)?shù)據(jù),使得每只傳感器相當(dāng)于可提供高于20bit的分辨力,即相當(dāng)于1,000,000個(gè)計(jì)數(shù),兩只傳感器的系統(tǒng)就可提供2×1,000,000個(gè)計(jì)數(shù)供分析,就該稱重系統(tǒng)而言,這樣高的分辨力的傳感器再結(jié)合對(duì)傳感器高精度的補(bǔ)償(如:溫度補(bǔ)償、線性補(bǔ)償?shù)?,完全滿足該平臺(tái)秤的高分辨率要求。
該平臺(tái)秤選擇的是中航電測(cè)新研發(fā)的數(shù)字模塊,其非線性高達(dá)0.001%,內(nèi)部精度為±1050000(A/D20bit),使用溫度范圍為-10℃~+50℃,采集速度優(yōu)于100次/s。稱重傳感器選用中航電測(cè)生產(chǎn)的兩只滿量程15Kg的平行梁結(jié)構(gòu)的鋁質(zhì)傳感器;數(shù)字式儀表選擇的是可以很方便與中航電測(cè)數(shù)字模塊兼容的上海耀華研制的XK3190-DS7稱重儀表,其基本功能有:可以自動(dòng)/半自動(dòng)/手動(dòng)角差修正、數(shù)字傳感器通訊地址修改功能、單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)查看功能、非線性修正功能和標(biāo)定誤差修正功能、定時(shí)關(guān)機(jī)功能、稱重記錄貯存/檢查/刪除/斷電保護(hù)、配備RS-232C通訊口、配備電流環(huán)大屏幕通訊口、配備標(biāo)準(zhǔn)并行打印接口、可存儲(chǔ)1000組車輛牌號(hào)和皮重,201組貨號(hào),可存儲(chǔ)1001組稱重記錄、可備份和恢復(fù)儀表內(nèi)各種參數(shù)等功能,可靠實(shí)用,完全可滿足該平臺(tái)秤的要求。根據(jù)軍工對(duì)稱重系統(tǒng)的要求,我們對(duì)該儀表、數(shù)字模塊等元器件逐個(gè)進(jìn)行了溫度性能試驗(yàn)和篩選,以保證平臺(tái)秤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著現(xiàn)代制造業(yè)的高速發(fā)展,產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)線需求不斷增加,作為控制和計(jì)量用電子秤將越來(lái)越多,類似這種大皮重小稱量的平臺(tái)秤也常會(huì)用到。本次該平臺(tái)秤交付用戶,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和使用,達(dá)到了其生產(chǎn)線稱重計(jì)量的要求,用戶滿意。
