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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；用質量比較儀自動地檢定砝碼的折算質量。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。上海市計量測試技術研究院（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。研究院構思設計并與創(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，選擇質量比較儀 AX64004，它是一臺全自動的質量比較儀，最大載荷為 64kg。該質量比較儀由梅特勒-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)制造和先進技術設備的引進，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。高精度的質量比較儀和相應的輔助設備的缺乏，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 質量比較儀載至比較儀 AX64004 的工作位，進行質量測量。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)完成后的技術指標參見表1。

表1 測量系統(tǒng)的技術指標

項 目  技術指標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會影響砝碼的質量值。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，本次設計中引入超聲波清洗技術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合，從而形成一套潔凈、環(huán)保、科學的清洗技術。經(jīng)過大量的實驗證明超聲波清洗技術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成。圖3是自動加載系統(tǒng)的3D機構圖。

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。通過這一設計，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，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)，都是研究院自主設計的，該設計確保了輔助設備的自動化，提高了檢定效率和準確度