王連芳 馬以墨 胡順杰 肖芳遠(yuǎn) / 山東省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

在我國(guó)量值傳遞體系中，砝碼處于一個(gè)非常重要的位置，不僅是質(zhì)量量值體系中的唯一標(biāo)準(zhǔn)器，而且還作為標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)衡器、天平等稱量類工作計(jì)量器具進(jìn)行校準(zhǔn)，其量傳方式包括組合檢定法和直接比較法。砝碼組合檢定法是指利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼與一整套被檢砝碼進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)多次比較稱量，由標(biāo)準(zhǔn)砝碼真實(shí)值校準(zhǔn)得到被檢砝碼質(zhì)量值。衡量過(guò)程中，被檢砝碼組合標(biāo)稱值與標(biāo)準(zhǔn)砝碼標(biāo)稱值相同，同時(shí)衡量方程式數(shù)目要多于未知砝碼的個(gè)數(shù)。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于含有多余測(cè)量，提高了測(cè)量結(jié)果的可信度。本文所述四工位分量組合法不同于JJG 99-2006《砝碼》給出的五工位分量組合法，而是根據(jù)國(guó)際建議R111《砝碼》的典型衡量設(shè)計(jì)，通過(guò)最多四個(gè)工位自動(dòng)加載的方式，來(lái)完成由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼向一組砝碼進(jìn)行量值傳遞的方法。由于是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)砝碼與最多個(gè)數(shù)為四個(gè)的被檢砝碼組合比較，所以稱為四工位分量組合法

在砝碼質(zhì)量量值傳遞中，稱量設(shè)備是關(guān)鍵的配套設(shè)備。受稱量設(shè)備自身計(jì)量特性的影響，砝碼放置在稱重盤不同位置而得到的數(shù)值有可能不一樣，而標(biāo)準(zhǔn)砝碼與被檢砝碼比較應(yīng)盡量避免這種由配套設(shè)備引起的誤差，因此在進(jìn)行砝碼量值檢定時(shí)要求操作者在加、卸砝碼時(shí)放置位置要盡可能保持一致；稱重設(shè)備特有的蠕變特性也要求操作者在操作時(shí)間間隔上盡可能的一致，這兩個(gè)細(xì)節(jié)是影響砝碼量值傳遞準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵；同時(shí)，人員誤操作和誤讀數(shù)在工作量大的情況下也時(shí)有發(fā)生。以上因素均源于我國(guó)目前質(zhì)量量值傳遞中一直沿用的人工操作方式，而只要是人工操作檢定，這些因素就難以避免。本方法利用計(jì)算機(jī)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毫克組、克組砝碼質(zhì)量值檢測(cè)，并完成智能化控制自動(dòng)加、卸載砝碼、自動(dòng)采集檢定數(shù)據(jù)。由于本方法實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人系統(tǒng)，有效地減小了砝碼量值檢測(cè)中的隨機(jī)誤差，所以使得檢測(cè)數(shù)據(jù)更加可靠。

1 成組砝碼量值傳遞需求

砝碼質(zhì)量量值傳遞需借助標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行，傳遞過(guò)程由高準(zhǔn)確度等級(jí)砝碼向低準(zhǔn)確度等級(jí)砝碼逐級(jí)傳遞。根據(jù)國(guó)際建議R111和國(guó)家檢定規(guī)程JJG 99-2006規(guī)定，砝碼量值傳遞所需設(shè)備除了作為標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)砝碼外，還應(yīng)具備不同量程和分度值的質(zhì)量比較儀或電子天平作為配套設(shè)備。

本方法所用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，包括E1等級(jí)克和千克標(biāo)準(zhǔn)砝碼。量傳路線為：E1等級(jí)克標(biāo)準(zhǔn)砝碼傳遞E2等級(jí)毫克組砝碼，E1等級(jí)千克標(biāo)準(zhǔn)砝碼傳遞E2等級(jí)克組砝碼。所配置的衡量?jī)x器是一體式智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，其中包括具有梳狀秤盤結(jié)構(gòu)（見圖1）的質(zhì)量比較儀兩臺(tái)，質(zhì)量比較儀的參數(shù)配置如表1所示。

表1 衡量?jī)x器參數(shù)配置

圖1 比較儀稱量盤示意圖

2 四工位分量組合法的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)國(guó)際建議R111《砝碼》提供的檢定序列，標(biāo)準(zhǔn)砝碼為1 kg和1 g，分別附加三個(gè)已知質(zhì)量的較穩(wěn)定的核查標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)計(jì)三組比對(duì)，每組12步比對(duì)循環(huán)，可完成（1～500 g）和（1～500 mg）砝碼質(zhì)量值的量值傳遞。

以下給出每組的測(cè)量序列，選擇如下標(biāo)稱值的標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼：

標(biāo)準(zhǔn)砝碼A ：1×10n(n= 1，2，3或-1，-2，-3)，單位g；

被檢砝碼 B：(5、2、2*、1)×10n-1，單位 g；

核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼：1*×10n-1，單位g。

以n= 1的砝碼組合比較舉例，即標(biāo)準(zhǔn)砝碼A為1 000 g；被檢砝碼 B 為 500 g、200g、200*g、100 g；核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼為100*g。共有以下操作序列，如表2所示。

根據(jù)操作序列可得出兩組線性方程組：

方程組一

表2 比對(duì)循環(huán)操作序列

方程組二

通過(guò)解析上述兩個(gè)方程組，可得到mc5、mc2、mc2*、mc1、mc1*數(shù)值，即得到被檢砝碼5、2、2*、1的量值，整套砝碼中一組（5、2、2*、1）砝碼的數(shù)學(xué)模型如下：

3 四工位組合檢定法的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)所配置的衡量?jī)x器是一體式智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，其硬件架構(gòu)包括：1）中央控制單元，用來(lái)控制衡量設(shè)備的開關(guān)門、機(jī)械臂的行程等。2）具有三維行程控制，可進(jìn)行360°全方位操作的智能機(jī)械手，用于在砝碼倉(cāng)、中轉(zhuǎn)工位和衡量設(shè)備之間運(yùn)送和加卸載砝碼。3）具有梳狀秤盤的質(zhì)量比較儀兩臺(tái)；4）用于放置標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼，具有梳狀結(jié)構(gòu)的砝碼倉(cāng)；5）具有梳狀結(jié)構(gòu)的中轉(zhuǎn)工位。如圖2所示。

圖2 硬件架構(gòu)圖

3.2 四工位組合法自動(dòng)加卸載砝碼的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的質(zhì)量比較儀稱量盤與中轉(zhuǎn)工位均設(shè)計(jì)采用四工位梳狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)衡量設(shè)計(jì)的需要可同時(shí)放置一至四個(gè)砝碼，如圖1所示。

加卸載機(jī)械手有兩種共四個(gè)叉位，大叉與質(zhì)量比較儀Ⅰ以及對(duì)應(yīng)的砝碼倉(cāng)配套，小叉與質(zhì)量比較儀Ⅱ以及對(duì)應(yīng)的砝碼倉(cāng)配套，每種兩個(gè)叉位分別用于承載標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼，即四工位叉和雙工位叉。如圖3所示。機(jī)械手四工位叉可叉取一至四個(gè)砝碼，雙工位叉可叉取一至兩個(gè)砝碼。

智能機(jī)械手臂承擔(dān)了傳運(yùn)機(jī)構(gòu)的作用，帶動(dòng)機(jī)械手在機(jī)構(gòu)空間內(nèi)完成三維X軸、Y軸、Z軸雙向運(yùn)動(dòng)和順時(shí)針逆時(shí)針360°雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，使砝碼根據(jù)衡量設(shè)計(jì)的要求在質(zhì)量比較儀組、中轉(zhuǎn)工位組、砝碼倉(cāng)組之間，以及標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼轉(zhuǎn)換比較在質(zhì)量比較儀上的一至四個(gè)砝碼任意組合自動(dòng)加卸載，從而實(shí)現(xiàn)四工位分量組合法自動(dòng)加卸載砝碼。

圖3 機(jī)械手叉示意圖

3.3 四工位組合法智能控制的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)為一體式機(jī)構(gòu)，其操作過(guò)程是在同一個(gè)環(huán)境柜中完成。中央控制單元完成控制衡量設(shè)備的開關(guān)門、機(jī)械手在各倉(cāng)位-各中轉(zhuǎn)工位-各比較儀稱量盤之間的砝碼運(yùn)輸和加卸載，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算，最后計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼之間的差值，再進(jìn)一步計(jì)算得到被檢砝碼的實(shí)際質(zhì)量值。中央控制單元由控制單元數(shù)據(jù)線總成計(jì)算機(jī)和中央控制計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)線總成計(jì)算機(jī)與質(zhì)量比較儀串口、智能機(jī)械手臂控制線、以及六個(gè)溫度傳感器、兩個(gè)濕度傳感器、一個(gè)大氣壓傳感器的數(shù)據(jù)線連接，實(shí)時(shí)傳送指令和采集數(shù)據(jù)信息。中央控制計(jì)算機(jī)處于一體式檢測(cè)機(jī)構(gòu)外圍，與數(shù)據(jù)總線計(jì)算機(jī)連接，同時(shí)通過(guò)通信電纜與網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)操作、控制、參數(shù)設(shè)置和比對(duì)程序設(shè)計(jì)全部在該計(jì)算機(jī)中完成。中央控制單元原理圖如圖4所示。

圖4 中央控制單元原理圖

4 四工位分量組合法不確定度分析

測(cè)量方法不同對(duì)測(cè)量結(jié)果引入的不確定度分量也不相同，按照ABBA的循環(huán)方式，由于衡量是在同一個(gè)比較儀上完成的，不計(jì)空氣浮力的影響，每次稱量由衡量?jī)x器引入的不確定度分量為

4.1 四工位分量組合法測(cè)量不確定度

根據(jù)四工位分量組合法的數(shù)學(xué)模型，可得：

4.2 四工位分量組合法與其他方法測(cè)量不確定度的比較

根據(jù)JJG 99-2006給出的五工位分量組合法和一對(duì)一直接比較法給出的砝碼折算質(zhì)量值的計(jì)算公式，可得這兩種方法的不確定度如下：

五工位分量組合法：

直接比較法：

匯總四工位分量組合法、五工位分量組合法和一對(duì)一直接比較法，測(cè)量結(jié)果不確定度如表3所示。

從表中可知，組合法的測(cè)量結(jié)果不確定度低于直接比較法，四工位分量組合法的測(cè)量結(jié)果不確定度低于五工位分量組合法，由此可知在成組砝碼量值傳遞中采用四工位分量組合法，可極大地提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

表3 不同方法測(cè)量不確定度比較

5 結(jié)語(yǔ)

本方法利用單個(gè)砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)器，通過(guò)對(duì)被檢砝碼組多次衡量，最高工位是四個(gè)的比較，也就是“一對(duì)四”砝碼量值組合比較檢定法，實(shí)現(xiàn)量傳克組1～500 g和毫克組 1～500 mg的量值傳遞；利用核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式，增加了自校體系，增加了核查標(biāo)準(zhǔn)砝碼量值穩(wěn)定性功能，使得整套計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量傳準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性更加可靠；利用計(jì)算機(jī)采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，完成智能化控制自動(dòng)加卸砝碼、自動(dòng)采集檢定數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理得到砝碼組的折算質(zhì)量值。

本方法把智能機(jī)器人系統(tǒng)引入砝碼量傳檢定領(lǐng)域，將檢定流程中大部分的操作交由智能化系統(tǒng)來(lái)完成，將提高砝碼常規(guī)檢定的工作效率，確保檢定結(jié)果公正、科學(xué)、準(zhǔn)確，提高我國(guó)質(zhì)量專業(yè)的檢測(cè)能力或技術(shù)水平，推動(dòng)我國(guó)質(zhì)量傳遞技術(shù)的發(fā)展。