小量程称重传感器四角误差标定自动加载机设计Word格式.docx
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automaticloading
machine.Themainpartoftheanalysisistheloadingmethodoftheweight-set,becausetheautomaticloadingmachineforcalibrationofweighingsensor’serrorcornersisbasedonL6D(6KG-30KG)series,wechoosefourcylinderstoloadweighttothescale.Throughtheautomaticloadingmachine,wecanchangethemanualoperationtothemechanicalautomation,inordertoavoidhumanerrorsinoperation.Theloadingmachinecancompletethewholedetectionprocessautomatically,greatlyimprovethedetectionefficiency,savingtime,andfulfilltherequirementsformassproductionofsensorsinthefactory.Comparedwiththeexistingloadingmethods,theloadingmachinehasasimplestructure,easyoperation,highefficiency,precisepositioningandothercharacteristics,whilealsoreducingthelaborintensityoftestingpersonnel.
Keywords:
errorcorners,
weighingsensor,
loading
machine,
calibration,weight,cylinder
目录
引言1
1.L6D系列传感器简介2
1.1产品内容说明2
1.2推荐秤台尺寸2
1.3传感器的外形尺寸2
1.4技术指标2
2.传感器的标定4
2.1传感器标定的意义4
2.2传感器标定的基本方法4
2.3传感器标定的分类4
2.3.1根据被测量进行分类4
2.3.2根据标定的内容分类4
3.四角误差检测与修正方法5
3.1应变式称重传感器的工作原理5
3.2称重传感器的四角误差检测5
3.3称重传感器四角误差测试仪6
3.3.1工作原理6
3.3.2结构特点6
3.3.3测试过程7
3.4称重传感器四角误差的修正方法7
3.4.1单只传感器的电子衡器7
3.4.2多只传感器的电子衡器7
3.4.3多只数字式传感器的电子衡器8
4.总体设计方案10
4.1设计目的10
4.2气缸与电缸的比较与选择10
4.2.1技术性能的比较10
4.2.2气缸的优势10
4.2.3购买和应用成本比较11
4.2.4能源效率的比较11
4.2.5应用场合的比较11
4.2.6执行元件的选择方案12
4.3设计方案12
4.4工作原理13
4.5结构特点13
4.6标定过程13
5.机构的设计14
5.1秤盘14
5.2机架14
5.3传感器夹具的设计16
5.4导轨的选择16
5.5气缸17
5.6Proe三维图及强度分析图17
5.6.1Proe三维图17
5.6.2Proe强度分析图19
结论22
致谢23
参考文献24
引言
该题目来源于生产的需要,根据称重传感器四角误差的检测流程设计一款自动加载机,完成针对L6D(6KG-30KG)系列传感器的四角误差标定,实现标定过程的自动加载。
目前,国内生产小型30kg以下称重传感器的厂家,其测试工序大部分是人工操作,一人单机单台测量,生产效率低,且有人为操作误差的影响。
例如操作人员手工加载,手工将加载砝码放置到称重传感器上,检测称重传感器的相应输出。
但是手工放置的位置无法固定,经常出现偏差,从而影响检测精度,无法满足大批量生产传感器的要求。
称重传感器生产厂家在小量程传感器的制造方面,由于生产批量较大,如何进行检测已成为他们急需解决的问题。
称重传感器四角误差标定自动加载机是为了满足国内对于称重传感器按照称重传感器检定规程要求进行检测而设计的,主要用于称重传感器的四角误差检测。
称重传感器四角误差标定自动加载机能够为生产称重传感器商品的企业提供专业的高精度的称重传感器四角偏载测试,为称重传感器四角偏载修正提供可靠的技术条件和数据依据,从而提高产品质量,提升产品可靠性,最终提升产品的核心竞争力。
现阶段我国称重传感器与工业发达国家处于市场引导地位企业产品的主要差距之一是工艺装备、检测手段不够先进且不配套,生产工艺中手工操作、人为控制成份大,“作坊手艺”痕迹较深,人为因素对产品质量影响较大,所以采用称重传感器四角误差标定自动加载机进行检测,整个检测过程自动完成,快速高效且定位准确;
称重传感器四角误差标定自动加载机的结构简单,操作简便,效率高,定位精确,通用性强等特点是我们所需要研究的。
1.L6D系列传感器简介
1.1产品内容说明
(1)L6D称重传感器可满足2.5kg-50kg量程范围内的测量。
(2)硅橡胶密封,表面阳极化,防腐性能佳。
(3)适用于电子计价秤、电子平台秤等各类电子称重设备。
1.2推荐秤台尺寸
根据L6D系列传感器的技术指标可以查到该系列传感器秤台的推荐尺寸为
。
1.3传感器的外形尺寸
传感器的外形尺寸如图1.1所示:
图1.1传感器外形尺寸图
1.4技术指标
L6D系列传感器的技术指标如表1.1所示:
表1.1L6D系列传感器技术指标
2.传感器的标定
2.1传感器标定的意义
(1)是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。
任何传感器在制造、装配完毕后都须对设计指标进行标定试验,以保证量值的准确传递。
(2)对新研制的传感器,须进行标定试验,才能用标定数据进行量值传递,而标定数据又可作为改进传感器设计的重要依据。
(3)传感器使用、存储一段时间后,也须对其主要技术指标进行复测,称为校准(校准和标定本质上是一样的),以确保其性能指标达到要求。
(4)对出现故障的传感器,若经修理还可继续使用,修理后也必须再次进行标定试验,因为它的某些指标可能发生了变化。
2.2传感器标定的基本方法
将已知的被测量作为待标定传感器的输入,同时用输出量测量环节将待标定传感器的输出信号测量并显示出来(待标定传感器本身包括后续测量电路和显示部分时,标定系统也可不要输出量测量环节);
对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较,从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线,进而得到传感器性能指标的实测结果。
2.3传感器标定的分类
2.3.1根据被测量进行分类
(1)绝对标定法:
被测量是由高精度的设备产生并测量其大小的。
特点:
精度较高,但较复杂。
(2)相对标定法或比较标定法:
被测量是用根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的。
简单易行,但标定精度较低。
2.3.2根据标定的内容分类
(1)静态标定:
确定传感器的静态指标,主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。
(2)动态标定:
确定传感器的动态指标,主要有时间常数、自然振荡频率和阻尼比等。
有时根据需要也对非测量方向(因素)的灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。
对传感器进行标定,目的是依据试验数据确定传感器的各项性能指标,实际上也就是确定传感器的测量精度。
传感器制造出来之后,自身的测量精度就客观确定了。
但标定结果可能因所用的标定装置或标定数据处理方法不同而出现差异。
一个高精度的传感器,如果标定方法不当,则很可能在实测中产生较大的误差;
反之,一个精度不太高的传感器,如果标定方法得当,反而可能在实测中产生较小的误差。
显然,提高标定设备、指示仪器的精度有助于提高标定精度。
按有关规定,标定设备、指示仪器的精度都有一最低要求。
在此规定上,标定设备和指示仪器的精度越高,标定的精度也越高。
数据处理的方法很多,不同的方法有不同的精度,因此,提高对标定数据处理的精度也很重要。
还应注意减小环境变化引起的误差。
传感器一般由制造厂在实验室内按规定条件进行标定。
通常希望传感器的标定状态尽可能模拟实际测量状态,但在实验室内不可能模拟各种使用状态。
使用状态改变引起测试数据变化时,将会给测量带来明显的误差。
为此,设计传感器时就应考虑这一因素的影响。
某些环境条件对传感器输出的影响不可消除时,可在特定条件下标定,并给出在不同条件下标定值的修正系数或修正公式。
若能在测量现场进行标定,则效果更好。
3.四角误差检测与修正方法
3.1应变式称重传感器的工作原理
称重传感器是根据力-电转换、由非电量转换为电量的工作原理而工作的,按其工作原理可分为电阻应变式、电容式、电感式、压磁式、压电式、振弦式等多种类型,其中,最常用的是电阻应变式称重传感器。
称重测量采用目前常用并且比较成熟的方法来实现,称重传感器选用双孔梁式传感器,如图3.1所示,4片电阻应变片(图3.1中1、2、3、4)粘贴在双孔梁的应变区,在称重时,双孔梁在由被称物体产生的压力P和系统底盘对双孔梁的支持力N的作用下产生平行四边形形变,由这4片应变片接成的惠斯通(Wheatstone)电桥在供桥电压的激励下随重量不同而输出不同的电压信号,通过放大电路将电桥送来的微弱信号进行放大后送给A/D转换电路,之后单片机对ADC的结果进行处理,最后显示或打印出来完成称重测量。
图3.2是一般使用双孔梁式称重传感器构成称重系统的结构示意图,它主要由1秤盘,2称重传感器,3底盘三部分组成。
图3.1双孔梁式传感器
图3.2称重系统示意图
3.2称重传感器的四角误差检测
将称量物体放在秤盘上的不同位置,其检测结果应大致相同,而允许有一定的偏差,这个值就是最大四角误差,四角误差的检测方法如下:
根据国际建议OIML所述是依据天平满量程的三分之一重量及秤盘半径三分之一的位置来对天平进行测量,四角误差的出现有些是由于传感器的结构与装配上产生的偏差所造成的,而最大的误差是由于上下连动杠杆的长度不一致所产生的。
(秤盘半径是指试验载荷放在称量盘的中心和该称量盘中心到规定的前、后、左、右方向上的正式周边的距离。
)
如图3.3所示:
图3.3秤盘四角误差加载位置示意图
先将砝码放在1的位置上进行测量,然后移到2,3,4各位置上分别进行测量。
如果所检测出来的数值超过最大误差值范围,便需要对四角误差进行调整。
注意:
(1)使用的检测砝码值要取接近天平满量程的最大整数。
(2)砝码放在天平秤盘的最外侧如图3.3所示。
3.3称重传感器四角误差测试仪
3.3.1工作原理
本检测装置称重传感器四角误差测试仪使用单组固定砝码加载的方式对称重传感器进行加载,通过称重传感器自身360°
顺时针和逆时针旋转来模拟秤盘的四角。
砝码到加载装置中心的距离为加载半径,当称重传感器顺时针和逆时针旋转到预定的角度时,砝码即时加载,同时控制系统记录下称重传感器的输出值,作为将来修正的依据。
3.3.2结构特点
称重传感器四角误差测试仪主要有机身、控制系统、回转台、固定夹持装置、加载装置、夹持装置、上固定横梁、砝码组八个部分组成。
称重传感器四角误差测试仪的主要装配结构如下:
机身四脚放置在地面上,机身上部的平台上装有一个由驱动电机驱动的可360°
旋转的回转台;
固定夹持装置可以根据称重传感器大小调换,其一端固定在回转台上,另一端在测试时固定称重传感器;
上固定横梁固定在机身上平台上;
夹持装置固定在上固定横梁上,并可夹持加载装置;
加载装置处于回转台回转中心的正上方;
砝码组与加载装置的悬臂梁相关联并可加卸载荷。
控制系统独立放置,分别与夹持装置、驱动回转台的电机相连。
回转台用来带动称重传感器顺时针和逆时针旋转。
固定夹持装置用来将称重传感器固定在回转台上,其大小可以根据称重传感器的大小进行替换。
夹持装置夹持加载装置,固定在上固定梁上,测试时夹持装置释放加载装置,加载到称重传感器上。
砝码组放置在加载装置的悬臂梁上,砝码的大小可以根据称重传感器量程大小进行替换,加载位置也可以在悬臂梁上前后调节,以满足不同称重传感器模拟加载半径的需要。
控制系统包括一个采集传感器反馈信号的信号采集单元,一个控制驱动电机的控制输出单元和一个显示采集传感器输出显示单元。
信号采集单元采集自传感器的输出数据能按照国家标准规定的方法和格式对数据进行处理、显示、存贮和打印。
具有方便、直观、准确、快速、标准和便于存贮的数据处理效果。
控制系统的控制软件是为称重传感器四角误差测试检测而专门开发,集数据采集、自动控制、数据管理于一体,功能齐全。
软件的界面为标准的Windows界面风格,简洁直观,操作简单,易于掌握。
采集自传感器输出的试验数据采用数据库管理方式,自动保存所有试验数据,并支持多种数据查询方式。
数据输出能够支持中文的数据报表,并能够将数据报表导入到Word或Pdf文档中。
3.3.3测试过程
测试开始前,操作人员首先根据称重传感器的大小选择合适的固定夹持装置,然后将称重传感器一端固定在固定夹持装置上。
再根据称重传感器的检测标准,选择对应质量的砝码组加载到加载装置的悬臂梁上,并根据加载半径要求调节砝码组在悬臂梁上的位置,最后将加载装置下端与称重传感器相连。
测试开始时,操作人员通过控制系统控制夹持装置松开加载装置,砝码组通过加载装置将载荷加载到称重传感器上。
通过控制装置控制回转台按试验流程进行顺时针和逆时针旋转,由于加载装置和回转台的回转中心处于同一直线上,称重传感器与加持装置连接的一端绕被加载的一端旋转,与此同时砝码组进行卸载。
当回转台旋转到试验流程规定的角度时,控制装置记录称重传感器在砝码组加载下,四个不同角度的输出值,再对传感器进行修正标定,存储并显示测试结果,从而完成测试。
测试结束后,操作人员通过控制系统控制夹持装置夹起加载装置,取出称重传感器,并在称重传感器上根据修正标定的数据做出标识,以便后道修正工序修正误差。
3.4称重传感器四角误差的修正方法
3.4.1单只传感器的电子衡器
采用单个传感器的电子秤有计价秤、计重秤、台秤等。
这些类型电子秤产生偏载误差的原因是应变片所贴位置的弹性体受力后,形变不均匀、对称;
从而使同一被称物在秤台不同位置示值不一致。
四角误差调整方法,通常是采用修正传感器弹性体孔边缘的几何尺寸进行实测修正;
即改变应变片所贴位置的弹性体的截面积。
各角对应修正孔边缘位置如图3.4所示:
图3.4修正位置示意图
用锉刀锉显示值最小所对应修正孔边缘的弹性体,减少的弹性体的截面积,改变应变力使示值增大;
然后根据四角示值进行修正,使各角之间差值不超出允许误差范围,若示值超出允许误差范围,重新进行量程标定即可。
这种方法一般是先锉几刀,看示值变化量,然后再逐步接近,以防止矫枉过正。
3.4.2多只传感器的电子衡器
多只传感器的电子衡器只要以电子汽车衡,电子地上衡为主,造成偏载的原因是由于传感器输出灵敏度和输出阻抗的比值不一致造成。
多只传感器并联使用的衡器,偏载校正采用电压调节(俗称调压、调供桥等)和电流调节(俗称调信号)。
(1)电压调节
电压调节如图3.5所示,是通过串联在电源激励电压与传感器电桥电路中的电阻或电位器,达到改变传感器的输出电压在偏载校正时通过这样的调节可使衡器达到使用要求。
这种调节方式一般采用一只50Ω或二只25Ω的精密电位器调节。
特点在于调节范围大,容易将机械安装方面的误差引入整个系统,所以建议非专业技术人员勿使用该调节方式。
图3.5电压调节电路
(2)电流调节
电流调节如图3.6所示,是通过跨接在电桥输出端的电位器,达到调节电桥输出的分流电流,同样使偏载得以校正。
图3.6中R为隔离电阻,目的在于减少传感器输出阻抗不等对传感器输出的影响,值一般取
左右,
为防短路电阻一般取
,W为可调精密电位器,一般取
这种调节方式特点在于传感器参数一致性要求较高,调节范围适中,因而通常被广泛采用。
图3.6电流调节电路
3.4.3多只数字式传感器的电子衡器
近年来,随着称重传感器技术的发展,数字式传感器在技术上不断创新和改进,可以说已基本成熟。
所以说市场应用上也越来越广泛,数字式传感器组成的电子衡器在偏载的调整上也与模拟式传感器完全不同,数字式传感器虽说保证了输出参数的一致性,但实际应用过程中也存在偏载调试的可能性,就目前国内市场来讲主要有两种调节方式:
自动调整,手动调整。
(1)自动调整:
数字式传感器组成电子衡器是通过地址来确定传感器,在称重仪表或数字称重软件中根据提示用恒定载荷进行压角调整,自动对偏载误差进行修正,完成偏载校正。
(2)手动调整:
由于目前自动调整技术不完美性,手动调整还是被广泛采用,或是在自动调整后再采用手动调整。
手动调整主要依靠地址查找传感器后,通过修改修正系数来完成偏载校正,实际应用过程中已体现出它的精准程度和便捷性。
综上所述,偏载校正在衡器检定中是非常重要的检定项目,对衡器的称量结果影响很大,这里只是从理论上给予了简单的分析,在现实生活中,像影响偏载因素中还有诸如基础施工、机械安装、承载器设计等,在具体工作时都应该有正确的认识和判断。
4.总体设计方案
4.1设计目的
称重传感器四角误差修正的方法有很多,但是无论我们如何修正,首先都需要一个精确的误差检测数据作为修正的依据,这样才能有针对性的对称重传感器进行误差修正,这样的修正结果才会准确无误。
所谓四角误差,是指称重传感器在使用时,由于每次物体放置位置不同,产生偏载并在电阻应变计处引起附加应变,使得称重传感器的输出产生误差的现象。
为了避免影响使用,称重传感器在使用前必须对四角偏载误差进行检测修正,从而消除误差。
目前称重传感器四角误差的检测方式主要是在模拟称重传感器使用时,在不同方向的四个角上,施加符合要求的砝码,通过测量称重传感器的输出值来确定四角偏载误差。
对于砝码的加载,目前主要有手工加载和气缸驱动四个砝码组加载两种方式。
手工加载方式是由操作人员手工将砝码放置与称重传感器上进行检测。
由于放置砝码的位置不能固定,所以经常会出现偏差,检测精度也就随之受到影响。
手工加载的量程有限,对于量程稍大的衡器加载,手工方式加载劳动强度极大,效率低。
气缸驱动加载设备是通过气缸驱动四组砝码加卸载到称重传感器的模拟使用位置上,检测称重传感器的相应输出。
虽然加载位置比手工加载准确,量程也更大,但是其占地面积大,使用的四组砝码自身存在加工误差,因此检测精度也不高,重复性差,加载位置相对固定,设备只适用几个型号的传感器,通用性差。
为此,本题目针对L6D系列传感器设计一台传感器四角误差标定自动加载机,完成传感器四角误差标定的砝码自动加载过程。
小量程称重传感器生产厂家利用该小量程称重传感器四角误差标定自动加载机也就避免了人为操作误差,整个检测过程自动完成,大大提高了检测效率,节约了工作时间,检测精度也有了保证。
与现有的加载方式相比,该加载机具有结构简单,操作简便,效率高,定位精确的特点,同时也降低了检测人员的劳动强度。
4.2气缸与电缸的比较与选择
4.2.1技术性能的比较
众所周知,相比电动执行器,气缸可在恶劣条件下可靠地工作,且操作简单,基本可实现免维护。
气缸擅长作往复直线运动,尤其适于工业自动化中最多的传送要求——工件的直线搬运。
而且,仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流阀就可简单地实现稳定的速度控制,也成为气缸驱动系统最大的特征和优势。
所以对于没有多点定位要求的用户,绝大多数从使用便利性角度更倾向于使用气缸。
目前工业现场使用电动执行器的应用大部分都是要求高精度多点定位,这是由于用气缸难以实现,退而求其次的结果。
而电动执行器主要用于旋转与摆动工况。
其优势在于响应时间快,通过反馈系统对速度、位置及力矩进行精确控制。
但当需要完成直线运动时,需要通过齿形带或丝杆等机械装置进行传动转化,因此结构相对较为复杂,而且对工作环境及操作维护人员的专业知识都有较高要求。
4.2.2气缸的优势
(1)对使用者的要求较低。
气缸的原理及结构简单,易于安装维护,对于使用者的要求不高。
电缸则不同,工程人员必需具备一定的电气知识,否则极有可能因为误操作而使之损坏。
(2)输出力大。
气缸的输出力与缸径的平方成正比;
而电缸的输出力与三个因素有关,缸径、电机的功率和丝杆的螺距,缸径及功率越大、螺距越小则输出力越大。
一个缸径为50mm的气缸,理论上的输出力可达2000N,对于同样缸径的电缸,虽然不同公司的产品各有差异,但是基本上都不超过1000N。
显而易见,在输出力方面气缸更具优势。
(3)适应性强。
气缸能够在高温和低温环境中正常工作且具有防尘、防水能力,可适应各种恶劣的环境。
而电缸由于具有大量电气部件的缘故,对环境的要求较高,适应性较差。
在技术性能方面,气缸的优势体现在下面四个方面:
(1)负载大,可以适应高力矩输出的应用(不过,现在的电动执行器已经逐渐达到目前的气动负载水平了)。
(2)动作迅速、反应快。
(3)工作环境适应性好,特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中,比液压、电子、电气控制更优越。
(4)行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。
4.2.3购买和应用成本比较
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