E2等級(jí)公斤組砝碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院自主研發(fā)了 E2 等級(jí)公斤組砝碼自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波清洗車、自動(dòng)加載系統(tǒng)和 50kg 質(zhì)量比較儀三個(gè)部分組成。使用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，可以自動(dòng)加載系統(tǒng)、遠(yuǎn)程遙控地加載砝碼；用超聲波清洗車，自動(dòng)清洗砝碼；用質(zhì)量比較儀自動(dòng)地檢定砝碼的折算質(zhì)量。文章介紹了整個(gè)系統(tǒng)的原理，并用圖表說(shuō)明了各個(gè)部分的功能。
1 系統(tǒng)介紹 E2 等級(jí)公斤組砝碼自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研制過(guò)程可分為 3 個(gè)階段：制定方案、自主研發(fā)和引進(jìn)技術(shù)。上海市計(jì)量測(cè)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(cè)量流程圖，分析質(zhì)量和工藝的需求，統(tǒng)計(jì)所有類型砝碼的形狀等等。研究院構(gòu)思設(shè)計(jì)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(dòng)地 清洗和運(yùn)輸公斤砝碼。在整個(gè)系統(tǒng)中，測(cè)量是最重要的環(huán)節(jié)。根據(jù) OIML R111 國(guó)際建議，E2 等級(jí)公斤標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)砝碼允差（MPE）的 1/9，所以對(duì)于質(zhì)量比較儀的不確定度，相應(yīng)的極限要求為 0.16mg~8mg。通過(guò)詳盡的調(diào)研，選擇質(zhì)量比較儀 AX64004，它是一臺(tái)全自動(dòng)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(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.4mg，公斤組砝碼的量值傳遞要求。通過(guò)方案的制定、研發(fā)制造和先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的引進(jìn)，建立了 E2 等級(jí)公斤組砝碼自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)提高了砝碼的測(cè)量精度，同時(shí)也提高了測(cè)量效率。
2 制定方案：自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2006年，JJG 99-2006《砝碼檢定規(guī)程》正式實(shí)施。這一規(guī)程，與OIML R111的范圍相一致，將E2級(jí)砝碼的范圍擴(kuò)展到50kg。這使得10kg以上E2級(jí)砝碼的檢定，變得愈加困難。高精度的質(zhì)量比較儀和相應(yīng)的輔助設(shè)備的缺乏，制約了E2級(jí)公斤組砝碼的檢定能力。截至目前，國(guó)內(nèi)所有的E2級(jí)公斤組砝碼的檢定都是手動(dòng)的，在砝碼的檢定和運(yùn)輸過(guò)程中需要花費(fèi)大量的人力成本，對(duì)于研究院較大的砝碼日常檢定量來(lái)說(shuō)困難尤為突出。為了提高檢定的準(zhǔn)確度度和測(cè)量能力，我們計(jì)劃建立一套E2等級(jí)公斤組砝碼自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)這一系統(tǒng)，將砝碼的檢定能力擴(kuò)大到50kg，同時(shí)將檢定的不確定度降低至0.4mg。此外，E2等級(jí)公斤組砝碼自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)也使得砝碼檢定過(guò)程更簡(jiǎn)單、輕松。整個(gè)測(cè)量過(guò)程，實(shí)驗(yàn)工作人員都不必進(jìn)入實(shí)驗(yàn)區(qū)域。根據(jù)OIML R111國(guó)際建議，初步設(shè)想時(shí)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(jiàn)圖1）來(lái)說(shuō)明整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)劃。首先，自動(dòng)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(méi)在蒸餾水中，通過(guò)超聲波清洗車清洗后，自動(dòng)加載系統(tǒng)將砝碼卸載至工作平臺(tái)進(jìn)行等溫。其次，通過(guò)自動(dòng)加載系統(tǒng)，將待測(cè)砝碼加載至磁化率儀上，以測(cè)量砝碼的磁性。最后，自動(dòng)加載系統(tǒng)加砝碼加E2 等級(jí)公斤組砝碼放置平臺(tái)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(jìn)行質(zhì)量測(cè)量。整個(gè)過(guò)程都可以實(shí)現(xiàn)電腦遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化。 E2等級(jí)公斤組自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成后的技術(shù)指標(biāo)參見(jiàn)表1。
表1 測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng) 目 技術(shù)指標(biāo)E2 等級(jí)公斤組 砝碼測(cè)量系統(tǒng)測(cè)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(dòng)加載系統(tǒng) 操作范圍：4.5m×6m 定位重復(fù)性：<0.05mm 第二部分 質(zhì)量比較儀 最大測(cè)量載荷：50kg； 可讀性：0.1mg； 重復(fù)性：≤0.4mg
3 自主研發(fā)：超聲波清洗車和砝碼自動(dòng)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?yàn)轫来a表面的雜質(zhì)會(huì)影響砝碼的質(zhì)量值。在清洗的整個(gè)過(guò)程中砝碼必須易于搬運(yùn)和儲(chǔ)存，同時(shí)清洗過(guò)程和清洗劑的選擇應(yīng)與砝碼的材質(zhì)特性相適應(yīng)。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(wú)水乙醇或二次蒸餾水來(lái)清洗砝碼或其部 分表面。無(wú)水乙醇的清洗效果優(yōu)于二次蒸餾水，但由于無(wú)水乙醇為危險(xiǎn)品，因此其毒性和危害性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二次蒸餾水。當(dāng)清洗公斤砝碼時(shí)，特別是大于20kg的E1（或者E2）等級(jí)砝碼，必須將砝碼浸沒(méi)在無(wú)水乙醇中，這樣不得不準(zhǔn)備大量的無(wú)水乙醇。在一個(gè)密封的空間，使用如此大量的無(wú)水乙醇是很危險(xiǎn)的，對(duì)操作者是有害的。為了保護(hù)操作者，同時(shí)保持環(huán)境的安全，選擇二次蒸餾水作為E2等級(jí)公斤組砝碼的清洗溶劑。為了彌補(bǔ)二次蒸餾水在清洗能力方面的不足，本次設(shè)計(jì)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(tīng)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(jī)，如珠寶店使用的就是此類清洗機(jī)。超聲波用高頻在水溶劑或有機(jī)化合物中引起微小氣泡震蕩，產(chǎn)生超聲空化。超聲空化會(huì)對(duì)污層直接反復(fù)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(jìn)"裂縫中做振動(dòng)，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(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)械、光學(xué)、電子等等。自動(dòng)測(cè)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(xué)的清洗技術(shù)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明超聲波清洗技術(shù)不會(huì)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(jī)安裝在手推車上，經(jīng)過(guò)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(tái)， 其目的是將平臺(tái)上的砝碼自動(dòng)地運(yùn)轉(zhuǎn)至二次蒸餾水中浸潤(rùn)。該平臺(tái)與砝碼加載裝置中的機(jī)械手相結(jié)合，從而保證在砝碼清洗過(guò)程中無(wú)需人員干預(yù)，實(shí)現(xiàn)砝碼清洗自動(dòng)化。為了保護(hù)砝碼的表面，在升降平臺(tái)的底部鋪了一層軟材料，類似特氟綸。清洗車上還有進(jìn)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(jì)，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(jí)公斤組砝碼自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制依據(jù)人體工程學(xué)，一個(gè)正常人一般地提取重物的能力為10kg~20kg。超過(guò)這個(gè)范圍，人們?cè)谔崛r(shí)容易引發(fā)肌肉損傷或腰椎疾病。在整個(gè)E2等級(jí)公斤組砝碼的檢定過(guò)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(lái)疲勞傷害。通過(guò)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(dòng)加載系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制機(jī)械抓手，從而實(shí)現(xiàn)有限空間任意位置無(wú)限多次的砝碼加載、卸載和運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)。該系統(tǒng)由不銹鐵框架和機(jī)械手構(gòu)成。圖3是自動(dòng)加載系統(tǒng)的3D機(jī)構(gòu)圖。 為了在有限的空間內(nèi)保證機(jī)械手在六個(gè)方向（上、下、左、右、前進(jìn)、后退）的平穩(wěn)運(yùn)行，將機(jī)械手安裝在建于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的一個(gè)不銹鋼框架上。在框架的頂部，我們?cè)O(shè)置了兩根精度高的螺旋導(dǎo)軌，超聲波清洗車升降臺(tái)以確保運(yùn)行過(guò)程的低噪音和高精度。通過(guò)光位移傳感器，可以控制機(jī)械手的運(yùn)行。使用型的3級(jí)機(jī)械升縮裝置，以確保機(jī)械手的垂直運(yùn)動(dòng)距離滿足實(shí)驗(yàn)室要求。圖4顯示了3級(jí)機(jī)械升縮裝置簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)。通過(guò)這一設(shè)計(jì)，機(jī)械手的垂直運(yùn)動(dòng)距離可以達(dá)到2m，保證了機(jī)械手可以到不同的工作平臺(tái)加載、卸載砝碼。 圖3 自動(dòng)加載系統(tǒng)的3D機(jī)構(gòu)圖 圖4 3級(jí)機(jī)械升縮裝置的簡(jiǎn)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(huì)有不同的形狀尺寸。國(guó)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(jī)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(wèn)題。光電傳感器使機(jī)械手可以定位至砝碼的頸部，壓力傳感器使機(jī)械手可以判斷是否已夾緊砝碼的頸部。機(jī)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(guò)程中機(jī)械抓手不會(huì)損害砝碼表面。鑒于上述設(shè)計(jì)，砝碼的加載和卸載實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，操作者只需輕按控件，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室任意位置的砝碼平穩(wěn)、高定位精度的砝碼運(yùn)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(jì)的，該設(shè)計(jì)確保了輔助設(shè)備的自動(dòng)化，提高了檢定效率和準(zhǔn)確度 
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