电子天平(电子秤)自动检定装置机械结构设计

时间：2024-09-03

骆旭，张泽光，李楠

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

电子天平(秤)具有数字显示直观，分辨力强，体积小，安装、校正简单，反应快，效率高等优点。

《中华人民共和国计量法》中第九条“县级以上人民政府计量行政部门对社会公用计量标准器具，部门和企业、事业单位使用的最高计量标准器具，以及用于贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测方面的列入强制检定目录的工作计量器具，实行强制检定。”作为基本称量基本工作器具，需要检定的电子天平(电子秤)的数量十分巨大。

目前，电子天平(电子秤)的检定仍然以人力检定为主。根据检定规程，电子天平(电子秤)的检定必须以下三个项目:线性(示值误差)，偏载，重复性。其中线性和重复性都要用到最大称量的砝码，其中重复性至少要用最大称量砝码加载6遍，这大大的提高了工作强度和工作量。对于量程比较大的电子天平(电子秤)对于人工的耗费是十分巨大的。

因此研制低精度的电子天平和普通电子秤的自动检定装置是十分必要的。本文提出了自动化检定低精度电子天平和普通电子秤装置的机械结构设计方案，能够有效的解决低精度电子天平和普通电子秤的自动检定装置的设计问题。

1 研究对象

目前主要研究低精度电子天平中的MAX=30 kg，d=1g和MAX=15 kg，d=0.5g/1g的两种电子天平以及电子秤中MAX=30 kg，d=10 g和MAX=15 kg，d=5 g的电子秤。

上述电子天平和电子秤是用途最广泛的产品，常见于各种销售场所和工业生产车间。一般厂家命名为ACS-30，ACS-15，产品样式如图1。

图1 电子天平(秤)整体及局部图

这种产品国内、国外均有生产，秤体样式、秤盘大小基本一致，非常有利于标准化计量。

1.1 计量要求

根据JJG 1036-2008《电子天平检定规程》和JJG 539-1997《数字指示秤检定规程》，电子天(电子秤)必须检定重复性、偏载、示值误差(线性)三大项，电子秤还需要检定鉴别力。

1.2 重复性参数计量的自动化实现

根据规程规定，重复性检定必须用80%到100%的单个砝码加载，不得少于6遍。

传统的检定方法是由人工加载砝码，例如30 kg的电子天平(电子秤)需要加载30 kg砝码6遍，15 kg电子天平(电子秤)需要加载15 kg砝码6遍。

自动化检定重复性项目依靠砝码自动加载装置实现，砝码自动加载装置在压力砝码自动加载装置和测力机上都得到了成熟的应用，如图2为压力砝码自动加载装置。

图2 压力砝码自动加载装置

测力机上力值砝码的加载装置可直接用于电子天平(电子秤)的自动检定。力砝码加载装置如图3。

该设备采用砝码钩式结构加载砝码也可用砝码栓式结构加载，如图4所示。

第一种采用钩环式结构，如图5。砝码落于平台时，落下的砝码与上个砝码挂钩不接触，再加载时，后一个砝码落于前一个砝码上，砝码质量为两块砝码加两个挂钩质量。

砝码底部内凹，配有圆形环与钩子，如图6，内凹部分落下时和砝码重合。

图7、图8为栓式结构砝码落下时砝码栓与上个砝码脱离。

规程规定用于检定的砝码的扩展不确定度(k=2)不得大于天平在该载荷下的最大允许误差的1/3。所以根据研究对象，选取M1等级标准砝码进行实验。

做重复性检测时砝码落下的载荷为最大载荷，重复实验6次，读取读数。

1.3 偏载参数的计量和自动化实现

根据规程规定偏载检定必须用1/3(最大称量+最大加法除皮效果)的砝码，优先选择个数较少的砝码，如果不是单个砝码，允许叠放使用。

偏载所需检定位置如图9。

图9 秤盘平面位置分区图

对于本研究对象于30 kg电子秤(电子天平)应该分别于位置1，2，3，4，5放置10 kg砝码并且读取读数，对于15 kg电子秤(电子天平)选取5 kg砝码。

该项目的自动化检定采用机械臂完成应用机械臂伸缩摆动加载，机械臂由控制程序动控制，由于秤盘大小固定，只要程序设定机械臂伸缩长度和摆动角度就可以控制砝码的落点达到偏载自动检定的效果。

图10 可伸缩转动装置建模图

将图10设计为横梁可移动，可左右旋转45°，即可完成秤盘位置全覆盖。以达到可以落到图9的5个位置。

1.4 示值误差参数计量和自动化实现

规程规定示值误差从零点开始逐渐往上加载直到天平的最大称量，然后逐渐的卸下载荷，直到零载荷为止。规程规定检定示值误差不得少于6个点。

根据本研究对象30 kg的天平(秤)检定的点必须包含0，5，10，20，25，30 kg这6个点，其中必要点有零点0 kg，拐点两个5 kg和20 kg，和最大量程30 kg，为满足规程要求使线性更为流畅增加10 kg，25 kg两点。

若换为15 kg的天平(秤)检定的点必须包含0，2.5，5，7.5，10，15 kg。其中必要点零点0 kg，拐点2.5 kg和10 kg，最大称量15 kg为满足规程要求使得线性更为流畅增加5 kg和10 kg两点。

所以考虑到通用性，砝码设计为2.5 kg一块，总共12块采用钩式结构或者栓式结构组合。检定30 kg电子天平(秤)时12块用满，重复性全部落下实验6次，偏载时5个位置每到一个位置落下4个砝码读数后移动到下一个位置，检定示值误差时移动到位置5，依据表1落下砝码读数。实现自动化检定。检定15 kg电子天平(秤)时用12块中的6块即可。重复性落下6块砝码计量6次，偏载5个位置每到一个位置落下2个砝码然后移动到下个位置，检定示值误差时移动到位置5，依据表2落下砝码读数。即可完成自动化计量。

2 电子秤计量的不同和自动化实现

参考JJG 1036-2008《电子天平检定规程》和JJG 539-1997《数字指示称检定规程》，其中电子秤和电子天平的检定方法大体相同，最大的不同在于电子秤由于精度较低需要人为的加1/10d的小砝码做鉴别力测试以提高其精度。也就是说只要在以上加载砝码的每一步都加1/10d的小砝码使其跳变并且记录下示值跳变之后加载的小砝码的值即可。

把加载小砝码做为选作模块即可完成电子秤自动检定的设计。根据实验对象30 kg电子秤d=10 g应该用1g的分辨砝码，15 kg的电子秤的d=5 g应该采用0.5g的分辨砝码。本设计采用自动加载小砝码的机械装置实现分辨砝码的加载问题，图11由液压装控制伸缩置，自动控制程序控制下落高度，每次大块砝码落完后小砝码一个个落下直到跳变。即可完成电子秤自动检定。链码如图11。

图11 链码建模图

自动采集数据可用摄像头采集，该技术已经用于大尺寸测量和硬度自动校准设备。