CN103411730A - 力标准机用砝码交换方法和砝码交换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种力标准机用砝码交换方法，包括步骤：1）确定力标准机的本级负荷；2）判断是否需要交换砝码；3）当需要交换砝码时，确定待加载砝码和待卸载砝码；4）判断力标准机的负荷是否递增；5）当力标准机的负荷递增时，在待加载砝码的加载过程中完成待卸载砝码的卸载，且V_x>V_y，当力标准机的负荷递减时，在待卸载砝码的卸载过程中完成待加载砝码的加载，且V_y>V_x。上述力标准机用砝码交换方法，通过控制砝码对吊挂的作用力控制吊挂的负荷，实现了对作用于被检测力仪负荷的控制，消除了在交换砝码过程中产生的逆负荷现象，消除了砝码交换对被检测力仪示值的影响；同时提高了力标准机的工作效率。本发明还提供了一种力标准机用砝码交换装置。

Description

力标准机用砝码交换方法和砝码交换装置

技术领域

本发明涉及力标准机砝码交换技术领域，更具体地说，涉及一种力标准机用砝码交换方法和砝码交换装置。

背景技术

力标准机，是产生标准力值及用于检定标准测力仪的机器。根据其力产生原理可分为四类：静重式力标准机、杠杆式力标准机、液压式力标准机和叠加式力标准机。其中，静重式力标准机，直接利用已知质量的砝码的重力复现标准力值。

如图1所示，静重式力标准机主要包括：机架16，设置于机架16上的反向器11，与机架16相连的吊挂14，位于吊挂14上的砝码15，其中，机架16与反向器11之间的上部空间为压空间，用于检定压式测力仪12，机架16与反向器11之间的下部空间为拉空间，用于检定拉式测力仪13。

为了减小静重式力标准机的体积以及增大力值级数，通常将一个较大的砝码按照一定的规则分成若干小砝码，以实现较少数量的砝码组合成较多力级。例如，一台10kN的静重式力标准机，吊挂为100N，砝码组合为100N，200N，200N，500N，1kN，2kN，2kN，2kN，2kN系列，共计9块砝码，总力值为10kN，可以组合成为最小100N，最大10kN，最小级差100N，共100个力级。

当静重式力标准机做递增（或递减）负荷试验，从一级负荷加载到另一级负荷的过程中，在剩余的砝码中可能找不到适合下一级负荷的某块（或几块)砝码，此时砝码需要交换使用，首先需要卸下原已加上的某块（或几块)砝码，然后再加上合适的砝码，达到欲施加负荷的要求。例如，设上级负荷，即已加负荷为200N（100N吊挂+100N砝码），本级负荷欲施加到300N，而100N砝码已被施加的200N负荷占用，剩有的为200N砝码；所以欲实现300N负荷，必须要先卸下100N砝码，待完全卸下100N砝码后再加上200N砝码，最终实现的负荷是300N，其中，100N砝码为待卸载砝码，200N砝码为待加载砝码。

但是，在静重式力标准机做递增负荷试验中，交换砝码时出现了负荷减少的现象，例如，卸下100N砝码，即会出现负荷减少，再加上200N砝码，出现了负荷增加；同样，在做递减负荷试验中，交换砝码时也可出现负荷递增的现象。则对于静重式力标准机，在交换砝码时出现了逆负荷现象，如图2所示，对被检测力仪的示值产生影响。其中，逆负荷现象是指，在施加递增负荷（或者递减负荷）过程中，出现负荷减少（或者增加）的现象。

综上所述，如何消除在交换砝码过程中产生的逆负荷现象，以消除砝码交换对被检测力仪示值的影响，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种力标准机用砝码交换方法，以消除在交换砝码过程中产生的逆负荷现象，进而消除砝码交换对被检测力仪示值的影响。本发明的另一目的是提供一种力标准机用砝码交换装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种力标准机用砝码交换方法，包括步骤：

1）确定所述力标准机的本级负荷；

2）判断是否需要交换砝码；

3）当需要交换砝码时，确定待加载砝码和待卸载砝码；

4）判断所述力标准机的负荷是否递增；

5）当所述力标准机的负荷递增时，在所述待加载砝码的加载过程中完成所述待卸载砝码的卸载，且V_x>V_y，当所述力标准机的负荷递减时，在所述待卸载砝码的卸载过程中完成所述待加载砝码的加载，且V_y>V_x，

其中，V_x为所述待加载砝码加载到所述力标准机的吊挂上的加载速度，且所述待加载砝码为一个时，

所述待加载砝码为n个时，

n≥2，V_y为所述待卸载砝码自所述吊挂卸载的卸载速度，且所述待卸载砝码为一个时，

所述待卸载砝码为n个时，

n≥2，W_x为所述待加载砝码对所述吊挂的作用力，W_y为所述待卸载砝码对所述吊挂的作用力，t_x为所述待加载砝码的加载时间，t_y为所述待卸载砝码的卸载时间。

优选的，上述力标准机用砝码交换方法，所述步骤5）中，还包括步骤：检测所述待加载砝码对第一弹性支撑件的作用力F_x，所述待卸载砝码对第二弹性支撑件的作用力F_y，W_x=G_x-F_x，W_y=G_y-F_y，其中，G_x为所述待加载砝码的重力，G_y为所述待加载砝码的重力，W_x、W_y、F_y、F_x、G_x和G_y均为标量值。

优选的，上述力标准机用砝码交换方法，所述步骤5）中，所述加载过程与所述卸载过程同步。

优选的，上述力标准机用砝码交换方法，所述步骤5）中，当所述力标准机的负荷递增时，所述加载过程先于所述卸载过程开始，且所述卸载过程先于所述加载过程结束；当所述力标准机的负荷递减时，所述卸载过程先于所述加载过程开始，且所述加载过程先于所述卸载过程结束。

优选的，上述力标准机用砝码交换方法，在所述步骤2）后还包括步骤：

当不需要交换砝码时，确定待操作砝码；

判断所述力标准机的负荷是否递增；

当所述力标准机的负荷递增时，将所述待操作砝码加载到所述力标准机的吊挂上，所述待加载砝码为一个时，加载速度

所述待加载砝码为n个时，加载速度

n≥2，当所述力标准机的负荷递减时，将所述待操作砝码自所述吊挂卸载，所述待卸载砝码为一个时，卸载速度

所述待卸载砝码为n个时，卸载速度

n≥2。

本发明提供的力标准机用砝码交换方法，当力标准机负荷递增时，在加载过程中完成卸载，且V_x>V_y，当力标准机负荷递减时，在卸载过程中完成加载，且V_y>V_x，其中，

这样，当力标准机负荷递增时，在交换砝码过程中保证了对吊挂加载的负荷大于对吊挂卸载的负荷，即使得吊挂的负荷递增，被检测力仪的负荷递增；当力标准机负荷递减时，在交换砝码过程中保证了对吊挂卸载的负荷大于对吊挂加载的负荷，即使得吊挂的负荷递减，被检测力仪的负荷递减。即通过控制砝码对吊挂的作用力控制吊挂的负荷，进而控制了作用于被检测力仪的负荷，从而消除了在交换砝码过程中产生的逆负荷现象，进而消除了砝码交换对被检测力仪示值的影响。

同时，本发明提供的力标准机用砝码交换方法，在加载过程中完成卸载，或者在卸载过程中完成待加载，与现有技术先完成加载再卸载或者先完成卸载再加载相比，很显然，提高了力标准机的测试效率。

基于上述提供的力标准机用砝码交换方法，本发明还提供了一种力标准机用砝码交换装置，该力标准机用砝码交换装置包括：

确定所述力标准机的本级负荷，当需要交换砝码时确定待加载砝码和待卸载砝码，判断所述力标准机的负荷是否递增，若是，则发出第一控制信号，若否，则发出第二控制信号的第一控制器；

能够以预设速度加载和卸载砝码负荷的砝码加卸机构；

与所述第一控制器相连，当接收到所述第一控制信号后，在所述待加载砝码的加载过程中完成所述待卸载砝码的卸载，且V_x>V_y，当接收到所述第二控制信号后，在所述待卸载砝码的卸载过程中完成所述待加载砝码的加载，且V_y>V_x的第二控制器；

其中，V_x为所述待加载砝码加载到所述力标准机的吊挂上的加载速度，且所述待加载砝码为一个时，

所述待加载砝码为n个时，

n≥2，V_y为所述待卸载砝码自所述吊挂卸载的卸载速度，且所述待卸载砝码为一个时，所述待卸载砝码为n个时，

n≥2，W_x为所述待加载砝码对所述吊挂的作用力，W_y为所述待卸载砝码对所述吊挂的作用力，t_x为所述待加载砝码的加载时间，t_y为所述待卸载砝码的卸载时间。

优选的，上述力标准机用砝码交换装置中，所述砝码加卸机构包括：

能够支撑所述砝码的弹性支撑件；

与所述弹性支撑件相连，且检测所述砝码对所述弹性支撑件的作用力的负荷传感器；

与所述负荷传感器相连，且驱动所述弹性支撑件沿竖直方向往复移动的驱动部件。

优选的，上述力标准机用砝码交换装置中，所述弹性支撑件包括：能够支撑所述砝码的支撑部，分别与所述支撑部和所述负荷传感器相连的弹簧；其中，所述弹簧与所述负荷传感器相连。

优选的，上述力标准机用砝码交换装置中，所述驱动部件为直线电机、气缸或者油缸。

优选的，上述力标准机用砝码交换装置中，所述第一控制器和所述第二控制器集成于所述力标准机的控制主板上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的静重式力标准机的结构示意图；

图2为采用现有技术提供的力标准机用砝码交换方法时力标准机中被检测力仪负荷随时间的变化图；

图3为本发明实施例提供的力标准机用砝码交换方法的流程示意图；

图4为采用本发明实施例提供的力标准机用砝码交换方法的原理示意图；

图5为本发明实施例提供的力标准机用砝码交换装置的使用示意图。

上图1-5中：

11为反向器、12为压式测力仪、13为拉式测力仪、14为吊挂、15为砝码、16为机架、21为待加载砝码、22为吊挂、23为待卸载砝码、24为砝码加卸机构、241为弹性支撑件、242为负荷传感器、243为驱动部件。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种力标准机用砝码交换方法，消除了在交换砝码过程中产生的逆负荷现象，进而消除了砝码交换对被检测力仪示值的影响。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考附图3，本发明实施例提供的力标准机用砝码交换方法，具体包括步骤：

S01：确定力标准机的本级负荷：

根据实际需求确定力标准的本级负荷，即将要施加的负荷。力标准机的负荷是指加载到被检测力仪的负荷。

S02：判断是否需要交换砝码：

根据力标准机的上级负荷（在上级负荷检测时已获得上级负荷值）和本级负荷，以及力标准机的砝码组，判断是否需要交换砝码。例如，一台10kN的静重式力标准机，吊挂100N，砝码组合为100N，200N，200N，500N，1kN，2kN，2kN，2kN，2kN系列，设该力标准机的上级负荷为200N（100N吊挂+100N砝码），若本级负荷欲施加到300N，而100N砝码已被施加的200N负荷占用，所以欲实现300N负荷，必须要交换砝码；若本级负荷欲施加到400N，存在200N砝码未被占用，则不需要交换砝码。

S03：当需要交换砝码时，确定待加载砝码和待卸载砝码：

当需要交换砝码时，根据上级负荷的砝码组合、本级负荷以及未被占用的砝码，进行计算，确定待加载砝码和待卸载砝码。例如，采用步骤S02中的例子，要先卸下100N砝码，再加上200N砝码，最终实现的负荷是300N，其中，100N砝码为待卸载砝码，200N砝码为待加载砝码。

S04：判断力标准机负荷是否递增：

比较力标准机的上级负荷和本级负荷，若力标准机的本级负荷大于上级负荷，则表示该力标准机的负荷递增；若力标准机的本级负荷小于上级负荷，则表示该力标准机的负荷递减。

S05：当力标准机的负荷递增时，在加载过程中完成卸载，且V_x>V_y，当力标准机的负荷递减时，在卸载过程中完成加载，且V_y>V_x：

具体地，当力标准机的负荷递增时，在待加载砝码的加载过程中完成待卸载砝码的卸载，且V_x>V_y，当力标准机的负荷递减时，在待卸载砝码的卸载过程中完成待加载砝码的加载，且V_y>V_x，其中，V_x为待加载砝码加载到力标准机的吊挂上的加载速度，且待加载砝码为一个时，

待加载砝码为n个时，n≥2，V_y为待卸载砝码自吊挂卸载的卸载速度，且待卸载砝码为一个时，

待卸载砝码为n个时，n≥2，W_x为待加载砝码对吊挂的作用力，W_y为待卸载砝码对吊挂的作用力，t_x为待加载砝码的加载时间，t_y为待卸载砝码的卸载时间。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法，通过控制砝码对吊挂的作用力，即控制吊挂的负荷，进而控制整个力标准机的负荷，使得任意一段砝码交换时间内，砝码对吊挂的作用力逐渐增大或者逐渐减小，且砝码对吊挂的作用力的变化速度为对于被检测力仪而言，其负荷响应的增长（下降）速率为当力标准机负荷递增时，任意一段砝码交换时间内，待加载砝码对吊挂的作用力大于待卸载砝码对吊挂的作用力，即使得吊挂负荷递增，则力标准机的负荷递增；当力标准机负荷递减时，任意一段砝码交换时间内，待卸载砝码对吊挂的作用力大于待加载砝码对吊挂的作用力，即使得吊挂负荷递减，则力标准机的负荷递减。很显然，上述力标准机用砝码交换方法消除了逆负荷现象。

本发明实施例提供的力标准机用砝码交换方法，当力标准机负荷递增时，在加载过程中完成卸载，且V_x>V_y，当力标准机负荷递减时，在卸载过程中完成加载，且V_y>V_x，其中，

这样，当力标准机负荷递增时，在交换砝码过程中保证了对吊挂加载的负荷大于对吊挂卸载的负荷，即使得吊挂的负荷递增，被检测力仪的负荷递增；当力标准机负荷递减时，在交换砝码过程中保证了对吊挂卸载的负荷大于对吊挂加载的负荷，即使得吊挂的负荷递减，被检测力仪的负荷递减，即通过控制砝码对吊挂的作用力控制吊挂的负荷，进而控制了作用于被检测力仪的负荷，从而消除了在交换砝码过程中产生的逆负荷现象，进而消除了砝码交换对被检测力仪示值的影响。

同时，本发明实施例提供的力标准机用砝码交换方法，在加载过程中完成卸载，或者在卸载过程中完成待加载，与现有技术先完成加载再卸载或者先完成卸载再加载相比，很显然，提高了力标准机的测试效率。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法中，获知待加载砝码对吊挂的作用力W_x以及待卸载砝码对吊挂的作用力W_y，存在多种方式，可直接检测W_x和W_y，也可间接获得。为了便于检测，优先选择间接获得W_x和W_y。优选的，上述力标准机用砝码交换方法中，步骤S05中，还包括步骤：检测待加载砝码对第一弹性支撑件的作用力F_x，待卸载砝码对第二弹性支撑件的作用力F_y，W_x=G_x-F_x，W_y=G_y-F_y，其中，G_x为待加载砝码的重力，G_y为待加载砝码的重力，W_x、W_y、F_y、F_x、G_x和G_y均为标量值。

需要说明的，W_x、W_y、F_y、F_x、G_x和G_y均为标量值，由于为待加载砝码对第一弹性支撑件的作用力，则第一弹性支撑件对待加载砝码的作用力也为F_x，同理，第二弹性支撑件对卸载砝码的作用力为F_y，因为砝码受到自身重力、弹性支撑件的作用力和吊挂的作用力，则吊挂对待加载砝码的作用力为G_x-F_x，吊挂对待卸载砝码的作用力为G_y-F_y，即，待加载砝码对吊挂的作用力W_x=G_x-F_x，待卸载砝码对吊挂的作用力W_y=G_y-F_y。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法中，第一弹性支撑件和第二弹性支撑件使砝码与吊挂和加载机构间由刚性接触变为柔性接触，大大减小了砝码加卸载过程带来的冲击和振动，有利于提高力标准机的检测精度。需要说明的是，可通过负荷传感器检测待加载砝码对第一弹性支撑件的作用力F_x，以及待卸载砝码对第二弹性支撑件的作用力F_y，同时，负荷传感器还能够指示砝码加载和卸载过程的进度，而且能够指示砝码加载和卸载过程的开始时刻和结束时刻。为了进一步优化上述技术方案，上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法中，步骤S05中，加载过程与卸载过程同步，即待加载砝码的加载过程与待卸载砝码的卸载过程同步，加载过程与卸载过程同时开始且同时结束。此时，加载时间t_x与卸载时间t_y相等。这样，可有效提高了力标准机负荷变化的均匀性，从而降低对被检测力仪示值的影响。

为了便于消除逆负荷现象，上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法中，步骤S05中，当力标准机的负荷递增时，加载过程先于卸载过程开始，且卸载过程先于加载过程结束；当力标准机的负荷递减时，卸载过程先于加载过程开始，且加载过程先于卸载过程结束。这样能够有效保证砝码对吊挂的作用力逐渐递增或者递减，便于控制。以力标准机的的负荷递增为例，如图4所示（纵坐标为吊挂的负荷，曲线L₁为第i层砝码和第j层砝码交换时吊挂总负荷曲线，曲线L₂为卸载第j层砝码的吊挂负荷曲线，速度为V_y，曲线L₃为加载第i层砝码的吊挂负荷曲线，速度为V_x），在交换砝码过程中，控制卸载砝码的起始时刻t₁晚于加载砝码的起始时刻t₀，卸载砝码的结束时刻t₃早于加载砝码的结束时刻t₄，且V_x>V_y。当然，当力标准机的负荷递增时，加载过程可先于卸载过程开始，且加载过程与卸载过程同时结束；当力标准机的负荷递减时，卸载过程可先于加载过程开始，且卸载过程与加载过程同时结束。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法中，以力标准机的负荷递增为例，如图4所示，加载过程先于卸载开始，且卸载过程先于加载结束，可调节t₀-t₁时间段内砝码的加载速度和t₂-t₃时间段内砝码的加载速度，或者调节t₁-t₂时间段内砝码的加载速度，使得力标准机负荷的增长斜率为恒定值。

优选的，上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法中，在步骤S02后还包括步骤：当不需要交换砝码时，确定待操作砝码；判断力标准机的负荷是否递增；当力标准机的负荷递增时，将待操作砝码加载到力标准机的吊挂上，待加载砝码为一个时，加载速度

待加载砝码为n个时，加载速度

n≥2，此时，待操作砝码为待加载砝码，当力标准机的负荷递减时，将待操作砝码自吊挂卸载，待卸载砝码为一个时，卸载速度

待卸载砝码为n个时，卸载速度n≥2，此时，待操作砝码为待卸载砝码。这样，加载砝码逐渐加载到吊挂上，卸载砝码逐渐自吊挂上卸载，砝码在砝码加卸机构和吊挂之间的转换是柔性的转换过程(非刚性)，以避免砝码在较快速度加载或卸载时产生的冲击和振动,对于负荷控制而言，有利于伺服控制。具体地，被检测力仪的负荷响应曲线呈现一定斜率的上升曲线，而非刚性接触的阶跃式曲线，使得力标准机的负荷变化较均匀；同理，卸载砝码逐渐自吊挂卸载，使得力标准机的负荷变化较均匀。

基于上述实施例提供的力标准机用砝码交换方法，本发明实施例还提供了一种力标准机用砝码交换装置，该力标准机用砝码交换装置包括：确定力标准机的本级负荷，当需要交换砝码时确定待加载砝码21和待卸载砝码23，判断力标准机的负荷是否递增，若是，则发出第一控制信号，若否，则发出第二控制信号的第一控制器；能够以预设速度加载和卸载砝码负荷的砝码加卸机构24；与第一控制器相连，当接收到第一控制信号后，在待加载砝码21的加载过程中完成待卸载砝码23的卸载，且V_x>V_y，当接收到第二控制信号后，在待卸载砝码23的卸载过程中完成待加载砝码21的加载，且V_y>V_x的第二控制器；其中，V_x为待加载砝码21加载到力标准机的吊挂22上的加载速度，且待加载砝码21为一个时，待加载砝码21为n个时，

n≥2，V_y为待卸载砝码23自吊挂22卸载的卸载速度，且待卸载砝码23为一个时，

待卸载砝码23为n个时，

n≥2，W_x为待加载砝码21对吊挂22的作用力，W_y为待卸载砝码23对吊挂22的作用力，t_x为待加载砝码21的加载时间，t_y为待卸载砝码23的卸载时间。

需要说明的是，砝码加卸机构24能够以预设速度加载和卸载砝码负荷，其中，砝码负荷是指，砝码自身重力；一个砝码具有至少一个与其对应的砝码加卸机构24，即每个砝码至少配有一个砝码加卸机构24。

本发明实施例提供的力标准机用砝码交换装置，通过第二控制器和砝码加卸机构24实现：当力标准机负荷递增时，第二控制器控制加载速度和卸载速度，以使在加载过程中完成卸载，且V_x>V_y，当力标准机负荷递减时，第二控制器控制加载速度和卸载速度，以在卸载过程中完成加载，且V_y>V_x，其中，

这样，当力标准机负荷递增时，在交换砝码过程中保证了对吊挂22加载的负荷大于对吊挂22卸载的负荷，即使得吊挂22的负荷递增，则被检测力仪的负荷递增；当力标准机负荷递减时，在交换砝码过程中保证了对吊挂22卸载的负荷大于对吊挂22加载的负荷，即使得吊挂22的负荷递减，则被检测力仪的负荷递减。故本发明实施例提供的力标准机用砝码交换装置，通过控制砝码对吊挂22的作用力，即控制吊挂22的负荷，进而控制作用于被检测力仪的负荷，使得任意一段砝码交换时间内，砝码对吊挂22的作用力逐渐增大（或者逐渐减小），消除了在交换砝码过程中产生的逆负荷现象，进而降低了对被检测力仪示值的影响。

同时，本发明实施例提供的力标准机用砝码交换装置，在加载过程中完成卸载，或者在卸载过程中完成待加载，与现有技术先完成加载再卸载或者先完成卸载再加载相比，很显然，提高了力标准机的测试效率。

需要说明的是，加载过程可与卸载过程同步，即待加载砝码21的加载过程与待卸载砝码23的卸载过程同步，此时，加载时间t_x与卸载时间t_y相等。这样，可有效提高了力标准机负荷变化的均匀性，从而降低对被检测力仪示意的影响。当然，当力标准机的负荷递增时，加载过程可先于卸载过程开始，且加载过程与卸载过程同时结束，或者加载过程先于卸载过程开始，且卸载过程先于加载过程结束；当力标准机的负荷递减时，卸载过程可先于加载过程开始，且卸载过程与加载过程同时结束，或者卸载过程先于加载过程开始，且加载过程先于卸载过程结束。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置中，第一控制器根据实际需求确定力标准的本级负荷，即将要施加的负荷，其中力标准机的负荷是指被检测力仪检测到的负荷；根据力标准机的上级负荷（在上级负荷检测时已获得上级负荷值）和本级负荷，以及力标准机的砝码组，判断是否需要交换砝码；当需要交换砝码时，根据砝码载荷组合表，确定待加载砝码和待卸载砝码；比较力标准机的上级负荷和本级负荷，若力标准机的本级负荷大于上级负荷，则表示该力标准机的负荷递增；若力标准机的本级负荷小于上级负荷，则表示该力标准机的负荷递减。例如，一台10kN的静重式力标准机，吊挂100N，砝码组合为100N，200N，200N，500N，1kN，2kN，2kN，2kN，2kN系列，设该力标准机的上级负荷为200N（100N吊挂+100N砝码），若本级负荷欲施加到300N，而100N砝码已被施加的200N负荷占用，所以欲实现300N负荷，必须要交换砝码，先卸下100N砝码，再加上200N砝码，最终实现的负荷是300N，其中，100N砝码为待卸载砝码，200N砝码为待加载砝码；若本级负荷欲施加到400N，存在200N砝码未被占用，则不需要交换砝码。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置中，获知待加载砝码21对吊挂22的作用力W_x以及待卸载砝码23对吊挂22的作用力W_y，存在多种方式，可直接检测W_x和W_y，也可间接获得。为了便于检测，优先选择间接获得W_x和W_y。优选的，上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置中，砝码加卸机构24包括：能够与砝码相连的弹性支撑件241；与弹性支撑件241相连，且检测砝码对弹性支撑件241的作用力的负荷传感器242；与负荷传感器242相连，且驱动弹性支撑件241沿竖直方向往复移动的驱动部件243。这样，通过负荷传感器242检测砝码对弹性支撑件241的作用力，获得弹性支撑件241对砝码的作用力，由于砝码受到自身重力、弹性支撑件241的作用力和吊挂22的作用力，则吊挂22对砝码的作用力为砝码自身重力与弹性支撑件241作用力之差，即获得砝码对吊挂22的作用力。

上述力标准机用砝码交换装置中，设砝码对弹性支撑件241的作用力为F，即弹性支撑件241对砝码的作用力也为F，砝码自身重力为G，则吊挂22对砝码的作用力为G-F，即砝码对吊挂22的作用力也为G-F。需要说明的，G和F均为标量值。

如图5所示，待加载砝码21处于卸载状态时，被置于砝码加卸机构24上，砝码与吊挂22脱离并具有一定的间隙，待加载砝码21的负荷完全由砝码加卸机构24承担，假设砝码待加载砝码21的重量为G_x，砝码加卸机构24对待加载砝码21的作用力为F_x（即为弹性支撑件241对待加载砝码21的作用力，也是待加载砝码21对弹性支撑件241的作用力），此时，负荷传感器242的示值为F_x=G_x，弹性支撑件241的刚度为k_x，此时弹性支撑件241的变形为s_x，则F_x=k_x×s_x。

当需要加载时，第二控制器控制与待加载砝码21相对的驱动部件243运行，以使砝码加卸机构24向下运动，在走完待加载砝码21与吊挂22间的间隙后（空行程），待加载砝码21与吊挂22接触，此时待加载砝码21的负荷开始转移至吊挂22，弹性支撑件241的弹性变形开始逐渐恢复，则待加载砝码21对吊挂22的作用力逐渐变大，此阶段，待加载砝码21对吊挂22的作用力W_x=G_x-F_x，待加载砝码21的加载速度 $V_x=\frac{{\∂W}_x}{{\∂t}_x}=\frac{\∂(G_x-F_x)}{{\∂t}_x}=\frac{\∂(G_x-k_x\×s_x)}{{\∂t}_x}=-\frac{{\∂s}_x}{{\∂t}_x}\×k_x,$ 取绝对值为 $V_x=\frac{{\∂s}_x}{{\∂t}_x}\×k_x.$ 因此，待加载砝码21的加载速度由砝码加卸机构24的运行速度控制。当弹性支撑件241的弹性变形完全恢复时，待加载砝码21的负荷完全加载至吊挂22上，砝码加卸机构24继续下行，使弹性支撑件241与待加载砝码21保持一定的间隙（空行程），此时，整个加载过程完成。

当需要卸载时，卸载过程与加载过程相反，以待卸载砝码23为例，砝码加卸机构24上行，完成弹性支撑件241和待卸载砝码23的空行程后，待卸载砝码23的负荷开始由吊挂22转移至弹性支撑件241，待卸载砝码23对吊挂22的作用力W_y=G_y-F_y，则待卸载砝码23的卸载速度 $V_y=\frac{{\∂W}_y}{{\∂t}_y}=\frac{\∂(G_y-F_y)}{{\∂t}_y}=\frac{\∂(G_y-k_y\×s_y)}{{\∂t}_y}=-\frac{{\∂s}_y}{{\∂t}_y}\×k_y,$ 取绝对值为 $V_y=\frac{{\∂s}_y}{{\∂t}_y}\×k_y,$ 直至待卸载砝码23与吊挂22完全脱开并保持一定的间隙（空行程），整个卸载过程完成。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置，采用了负荷传感器242、驱动部件243和第二控制器，砝码的加载速度和卸载速度可实时调整控制，而且负荷传感器242又可准确测量指示砝码与吊挂22以及砝码加卸机构24的接触状态。

需要交换砝码时，第二控制器控制与待加载砝码21对应的砝码加卸机构24下行、与待卸载砝码23对应的砝码加卸机构24上行，当力标准机负荷递增时，在加载过程中完成卸载，且V_x>V_y，当力标准机负荷递减时，在卸载过程中完成加载，且V_y>V_x。优选的，当力标准机负荷递增时，加载先于卸载开始，即待加载砝码21先接触吊挂22（先加载）；当力标准机负荷递增时，卸载先于加载开始，待卸载砝码23先接触弹性支撑件241（先卸载），砝码的负荷开始在砝码加卸机构24与吊挂22之间转换，加载速度

卸载速度为

对于被检测力仪而言，其负荷响应的增长（下降）速率为因此，采用该控制法可实现砝码的加载和卸载过程的全程可控。在出现需交换砝码的工况时，其被检传感器的负荷响应与直接加、卸载砝码的工况几乎一致，如图4所示，消除了砝码交换过程产生的逆负荷现象。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置中，弹性支撑件241使砝码与吊挂22和砝码加卸机构24间由刚性接触变为柔性接触，大大减小了砝码加卸载过程带来的冲击和振动，有利于提高力标准机的检测精度；同时，通过负荷传感器242检砝码对弹性支撑件241的作用力，能够指示砝码加载和卸载过程的进度，也能够指示砝码加载和卸载过程的开始时刻和结束时刻。

优选的，上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置中，弹性支撑件241包括：能够支撑砝码的支撑部，分别与支撑部和负荷传感器242相连的弹簧；其中，弹簧与负荷传感器242相连。这样，便于弹性支撑件241支撑砝码，从而便于砝码的加载和卸载。当然，弹性支撑件241还可为其他弹性件结构，本发明实施例对此不做具体地限定。

上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置中，驱动部件243可为电机，也可为气缸或者油缸。为了便于对加载速度和卸载速度的控制，优先选择驱动部件243为伺服驱动部件，从而便于采用伺服驱动系统，对砝码加载过程和卸载过程实施闭环控制。

优选的，上述实施例提供的力标准机用砝码交换装置中，第一控制器和第二控制器集成于力标准机的控制主板上。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种力标准机用砝码交换方法，其特征在于，包括步骤：

1）确定所述力标准机的本级负荷；

2）判断是否需要交换砝码；

3）当需要交换砝码时，确定待加载砝码和待卸载砝码；

4）判断所述力标准机的负荷是否递增；

5）当所述力标准机的负荷递增时，在所述待加载砝码的加载过程中完成所述待卸载砝码的卸载，且V_x>V_y，当所述力标准机的负荷递减时，在所述待卸载砝码的卸载过程中完成所述待加载砝码的加载，且V_y>V_x，

其中，V_x为所述待加载砝码加载到所述力标准机的吊挂上的加载速度，且所述待加载砝码为一个时，

所述待加载砝码为n个时，

n≥2，V_y为所述待卸载砝码自所述吊挂卸载的卸载速度，且所述待卸载砝码为一个时，

所述待卸载砝码为n个时，

n≥2，W_x为所述待加载砝码对所述吊挂的作用力，W_y为所述待卸载砝码对所述吊挂的作用力，t_x为所述待加载砝码的加载时间，t_y为所述待卸载砝码的卸载时间。

2.根据权利要求1所述的力标准机用砝码交换方法，其特征在于，所述步骤5）中，还包括步骤：检测所述待加载砝码对第一弹性支撑件的作用力F_x，所述待卸载砝码对第二弹性支撑件的作用力F_y，W_x=G_x-F_x，W_y=G_y-F_y，其中，G_x为所述待加载砝码的重力，G_y为所述待加载砝码的重力，W_x、W_y、F_y、F_x、G_x和G_y均为标量值。

3.根据权利要求1所述的力标准机用砝码交换方法，其特征在于，所述步骤5）中，所述加载过程与所述卸载过程同步。

4.根据权利要求1所述的力标准机用砝码交换方法，其特征在于，所述步骤5）中，当所述力标准机的负荷递增时，所述加载过程先于所述卸载过程开始，且所述卸载过程先于所述加载过程结束；当所述力标准机的负荷递减时，所述卸载过程先于所述加载过程开始，且所述加载过程先于所述卸载过程结束。

5.根据权利要求1所述的力标准机用砝码交换方法，其特征在于，在所述步骤2）后还包括步骤：

当不需要交换砝码时，确定待操作砝码；

判断所述力标准机的负荷是否递增；

当所述力标准机的负荷递增时，将所述待操作砝码加载到所述力标准机的吊挂上，所述待加载砝码为一个时，加载速度

所述待加载砝码为n个时，加载速度

n≥2，当所述力标准机的负荷递减时，将所述待操作砝码自所述吊挂卸载，所述待卸载砝码为一个时，卸载速度

所述待卸载砝码为n个时，卸载速度

n≥2。

6.一种力标准机用砝码交换装置，包括：确定所述力标准机的本级负荷，当需要交换砝码时确定待加载砝码和待卸载砝码，判断所述力标准机的负荷是否递增，若是，则发出第一控制信号，若否，则发出第二控制信号的第一控制器；其特征在于，所述力标准机用砝码交换装置还包括：

能够以预设速度加载和卸载砝码负荷的砝码加卸机构；

与所述第一控制器相连，当接收到所述第一控制信号后，在所述待加载砝码的加载过程中完成所述待卸载砝码的卸载，且V_x>V_y，当接收到所述第二控制信号后，在所述待卸载砝码的卸载过程中完成所述待加载砝码的加载，且V_y>V_x的第二控制器；

其中，V_x为所述待加载砝码加载到所述力标准机的吊挂上的加载速度，且所述待加载砝码为一个时，

所述待加载砝码为n个时，

n≥2，V_y为所述待卸载砝码自所述吊挂卸载的卸载速度，且所述待卸载砝码为一个时，

所述待卸载砝码为n个时，n≥2，W_x为所述待加载砝码对所述吊挂的作用力，W_y为所述待卸载砝码对所述吊挂的作用力，t_x为所述待加载砝码的加载时间，t_y为所述待卸载砝码的卸载时间。

7.根据权利要求6所述的力标准机用砝码交换装置，其特征在于，所述砝码加卸机构包括：

能够支撑所述砝码的弹性支撑件；

与所述弹性支撑件相连，且检测所述砝码对所述弹性支撑件的作用力的负荷传感器；

与所述负荷传感器相连，且驱动所述弹性支撑件沿竖直方向往复移动的驱动部件。

8.根据权利要求7所述的力标准机用砝码交换装置，其特征在于，所述弹性支撑件包括：能够支撑所述砝码的支撑部，分别与所述支撑部和所述负荷传感器相连的弹簧；其中，所述弹簧与所述负荷传感器相连。

9.根据权利要求7所述的力标准机用砝码交换装置，其特征在于，所述驱动部件为直线电机、气缸或者油缸。

10.根据权利要求6所述的力标准机用砝码交换装置，其特征在于，所述第一控制器和所述第二控制器集成于所述力标准机的控制主板上。

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