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毫克组砝码自动检测装置的国内尝试
【来源/作者】周世华 【更新日期】2016-11-11

一、项目背景

随着自动化技术的不断发展,自动化检测是未来计量发展的方向。近几年,国外主要比较仪生产厂家纷纷致力于研制毫克组、克组和公斤组砝码的自动检测机器人,以提高检测效率和准确度。然而由于国内外检测标准、检测方法之间的差异,国外先进的机器人技术并不完全适用于我国的质量计量,特别是毫克组砝码的检定,费用昂贵,使用成本高。2014年上海市计量测试技术研究院质量技术团队联合中船重工第七〇四研究所,依据JJG99-2006《砝码检定规程》,凭借国内现有的加工能力和加工准确度,设计并制造了一套毫克组砝码自动加载系统,该系统与相应的0.1μg或1μg质量比较仪组合后,即可实现毫克组砝码的自动检测。

二、毫克组砝码自动加载系统的设计过程

毫克组砝码自动加载系统是我国自主研发的一套高精度砝码加载系统,它可以与任何质量比较仪组合实现毫克组砝码的自动检测。该系统具有一定的通用性和可操作性,它是国内科研技术在毫克组砝码自动化检测中的尝试,其设计理念主要表现在突破国际工位限制,尝试5工位组合;适应国内加工能力,尝试特制砝码盘;保证砝码检定准确度,尝试修改误差计算方式3个方面。

1.多工位垂直叠放设计,实现5工位组合

毫克组质量比较仪防风罩内的有效工作空间十分有限,如何在有限的秤盘上放置5个不同规格的被检砝码是本次设计的难点。国际上惯用的是一字排开设计,这类设计机械手定位方便,也方便机械手同时夹取和释放。但是由于质量比较仪防风罩内空间有限,因此最多只能设计4个工位。根据JJG99-2006,砝码的组合检定最多需要5个砝码组合,因此必须设计5个待检工位。如果沿用国际上的“一字”设计,则面临两个难点:操作空间有限和比较仪偏载的影响。毫克组质量比较仪的操作空间十分狭小,机械手无法在有限的空间内进行平铺5个砝码的同时夹取和释放。此外,如果5个不同规格的砝码简单平铺,由于砝码规格悬殊较大,则在检测过程中质量比较仪的偏载误差将严重影响质量检测结果。

经过项目组的反复论证和试验,最终上海市计量测试技术研究院项目组选择了5个工位垂直叠放,如图1所示。通过砝码的垂直叠放,解决了机械手同时夹取和释放5个砝码的问题。同时,砝码垂直叠放,即便砝码规格不一致,由于各砝码均在同一中心线左右,因此大幅减少质量比较仪偏载对检测结果的影响。

2.特制砝码盘设计,降低加工难度,避免砝码遗失

国际上现有全自动质量比较仪的机械抓手和秤盘基本采用插齿设计,以实现砝码在待检工位、抓手和秤盘之间的自动交换。对于(1~500)mg毫克组片状或线状砝码,如果抓手和秤盘采用插齿设计,则每根插齿宽不足0.2mm,间隙不足0.2mm,运行机构的重复定位准确度需要0.005mm。插齿上任何细微的毛刺均可能造成插齿误碰撞,插齿间隙的误差容易造成位置交换时砝码的遗落。经过多方调研,目前我国的机加工水平无法实现如此高精度的设计。即便是发达国家的加工准确度,也不能完全避免位置交换时(1~5)mg砝码的遗落。鉴于插齿设计的弊端和加工的困难,项目组经过反复争论,最终选定以特制砝码盘参与检定的方式,实现砝码交换。其设计原理是:设计一组与标准砝码同材质的同一规格、同一形状和统一尺寸大小的砝码盘(如图2所示),砝码盘质量和砝码盘之间的质量差均按规定预先检定。标准砝码和被检砝码均放在砝码盘中,机械手只夹取和释放砝码盘,砝码盘参与砝码检定的过程,测量结果中扣除砝码盘之间的质量差即可得到砝码的质量值3.运行流程设计,修改砝码误差计算公式,减小砝码盘误差对测量结果的影响。

本系统工位设计如表2所示。

该装置采用ABBA的方式,在组合比较法检定中,该系统运行流程如下:

(1)机械抓手抓取组合被检砝码B至被检组合工位。

(2)机械抓手抓取标准砝码A,移动至质量比较仪前,控制器发出命令,打开质量比较仪防风罩门,机械抓手将标准砝码A加载至质量比较仪秤盘。机械抓手退出,控制器发出命令,关闭质量比较仪防风罩门。

(3)等待设置的读数时间后,读取质量比较仪稳定数据A1

(4)机械抓手将标准砝码A从质量比较仪中移出,加载至标准组合工位。

(5)机械抓手抓取被检组合工位上的被检砝码B,加载至质量比较仪秤盘上,等待设置的读数时间后,读取质量比较仪稳定数据B1

(6)机械抓手将被检砝码B从质量比较仪中移出,再重新将被检砝码B加载至质量比较仪秤盘上,等待设置的读数时间后,读取质量比较仪稳定数据B2

(7)机械抓手将被检砝码B于质量比较仪中移出,加载至被检组合工位。

(8)机械抓手抓取标准组合工位上的砝码A,加载至质量比较仪秤盘上,等待设置的读数时间后,读取质量比较仪稳定数据A2

(9)机械抓手将标准砝码A从质量比较仪中移出,放回至该砝码原工位。机械抓手将被检砝码B从被检组合工位中移出,分别放回至各砝码原工位。

以上步骤可完成一组ABBA的检测,重复该步骤,完成整套组合砝码的量传。为了准确地检定砝码盘之间的质量差值,在开始前可以让机械手抓取空砝码盘进行检定,并增加检定循环次数,以多次循环的平均值作为砝码盘之间差值的最佳估计值。在明确砝码盘间差值之后,再在砝码盘上放置砝码,按同样程序依据规程规定的循环次数进行检定,可以得出砝码和砝码盘的修正值。通过计算将砝码盘的差值扣除后得出砝码的修正值,即

Δm砝码m砝码+砝码盘m砝码盘差值

式中:Δm砝码——待测砝码修正值;Δm砝码+砝码盘——通过测试得到的砝码以及砝码盘的修正值,单个砝码盘为600mg标称值;Δm砝码盘差值——ABBA测试中,砝码A参与测试的秤盘与砝码B参与测试的秤盘间的差值。

4.人性化操作界面,满足一对一比较法和组合比较法双重要求

本系统由于是国内自主研发,因此其软件控制部分按照国内砝码规程要求和上海计量测试技术研究院质量管理手册要求进行编译。检测前,用户可以通过PC主界面中的模式选择、运行操作进入设置界面,进行参数设置。

(1)检定模式选择:(1~500)mg组合检测、(1~500)mg一对一检测、批量单一检测、手动设置检测。多种检测模式适合实验室所有可能的检测情况。

(2)原始记录的信息填写:送检单位、制造厂名、质量范围、准确度等级、被检砝码外观检查、砝码器号、基准砝码器号、实验室温湿度、检定日期、有效日期等。这些信息填写完毕后直接录入最终的原始记录中。

(3)检测次数:用户可以按砝码的等级,根据JJG99-2006的循环次数设置。

(4)运行操作参数设置:主要是选择需要检定的砝码规格或者是组合检定中需要检定的检定步骤。该设计主要是针对非成套出现的砝码的检定以及因故中断后的补测实验。

(5)等待时间设置:延时检测,即用户可以预设实验起始时间,让系统定时启动。

(6)紧急停止按键:检测过程中有意外情况发生时,紧急停止键。

(7)碰撞感应报警:检测过程中,如机械抓手与砝码工位或者质量比较仪秤盘发生碰撞后会立即停止工作,跳出警报框,用户可以在点击“报警信息”查看相关报警信息。

三、总结

自动化检测是未来计量发展的方向,世界各国均致力于计量自动化技术的研发。我国大力发展信息化、自动化技术,提倡科技兴检,科技强检。本文介绍的毫克组砝码自动化加载系统是上海市计量测试技术研究院在自动化检测上的一次尝试。本系统完成后其测量范围为(1~500)mg,机械抓手的定位准确度为0.002mm,适用于检定E2等级及以下的各种毫克组砝码。

本系统在设计中放弃以往插齿性抓手的设计,改为砝码盘参与检测的设计方案,有效解决了砝码遗落问题,降低加工难度;本系统设计垂直叠放方式,满足组合量传中多个砝码叠加的检测要求,降低偏载误差影响;机械抓手、砝码盘的形状设计保证检测过程中砝码盘能够迅速自行落位、对中,并避免砝码在高速运输过程中的滑落。本系统的研制成功初步实现了毫克组砝码自动检测的功能,但是对照国内外标准,本系统还存在以下问题:

(1)砝码盘误差不能完全消除,引入砝码盘测量不准的不确定度分量,测量扩展不确定度偏大。

(2)砝码盘与砝码同材质,使得砝码盘加工困难,而且容易变形造成误碰撞。

(3)垂直叠放使得秤盘重心升高,增加了稳定时间。

虽然有以上不足,但本套毫克组砝码自动加载系统是国内科研力量向自动化检测迈出的第一步,这一次尝试证明了我国自主研发自动检测机器人的能力和决心。自动化检测的发展任重而道远,砝码自动化检测系统将在科研技术的带动下不断完善,不断发展。

摘自:中国计量报


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