CN105181088A - 一种适于多等级精密天平的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于多等级精密天平的设计方法，根据测量电路能测得最小电流值所能发生的力与最小称量精度的质量所产生的重力比值确定精密天平平衡机构的杠杆比范围；根据所建立精密天平平衡机构的空间体积要求、运动数学模型及测位机构能确定最小的位移量确定该机构a，l，x，y参数尺寸大小；如不能选择合适的参数，则天平测位机构的分辨力及电路的磁感生电流测量精度需选用更高级别的器件，且进行重新选择参数；再设计平衡机构的装配机构，限位机构和调平机构。有益效果是：对于不同精度要求的天平设计，针对于精密天平的核心部件平衡机构和杠杆放大机构，给出了一种该机构的各尺寸参数的设计方法。为精密天平的研发提供了便捷的途径。

Description

一种适于多等级精密天平的设计方法

技术领域

本发明涉及一种精密天平，特别是涉及一种适于多等级精密天平的设计方法。

背景技术

随着科学技术的进步和制造工艺水平的提高，各行业对高精度称量的要求不断提高，例如在生物医学工程和生物制药等领域，经常会遇到微小质量分析，在化学领域，经常需要精确反应物的质量，在工业生产中，也常常需要精确材料的质量。对于精密天平的制造，杠杆平衡法称重是常用的方法，例如公开号为CN104374451A的发明专利申请公开了一种用于称量的单体传感器机械结构。但是，对于杠杆平衡法称重所使用的平衡机构的设计方法，暂时还未发现有具体的理论进行说明和明确的设计方法进行指导。因此，申请人对精密天平的平衡机构的设计方法进行了研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以解决设计不同精度要求的天平的天平设计方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适于多等级精密天平的设计方法，步骤如下：

步骤一：根据测量电路能测得最小电流值所能发生的力与最小称量精度的质量所产生的重力的比值确定精密天平的平衡机构的杠杆比范围；

步骤二：根据所建立精密天平的平衡机构的空间体积要求、运动数学模型及测位机构能确定的最小的位移量确定该机构a，l，x，y参数的尺寸大小；

步骤三：如步骤二不能选择合适的参数，则天平的测位机构的分辨力及电路的磁感生电流测量精度需选用更高级别的器件，且进行重新选择参数；

步骤四：重复步骤一至步骤三的参数选择，设计平衡机构的装配机构，限位机构和调平机构。

所述步骤一的杠杆比x/y的范围为大于最小电流值所能发生的力与最小精度的质量所产生的重力的比值，且x/y的值的范围小于力发生机构所能稳定发生的最大力与所称重物质量的所产生的重力最大值的比值。

所述步骤二为先根据精密天平的平衡机构的空间体积选取l，a的最大值，且a值小于l值，再根据运动数学模型选择杠杆比范围符合D值大于测位机构最高精度距离的x、y值。

所述步骤三如不能选择符合条件的平衡机构的值，则可提高测位机构的精度，或者提高测量电路的精度后，重新进行参数选择，直到可成功选择合适的参数。

本发明的有益效果是：对于不同精度要求的天平设计，本发明针对于精密天平的核心部件平衡机构和杠杆放大机构，给出了一种该机构的各尺寸参数的设计方法。节省了时间，节约了成本。

附图说明

图1是本发明的平行四杆柔性铰链机构、杠杆机构及拉带机构的整体结构示意图；

图2是平行四杆柔性铰链机构的结构示意图；

图3是杠杆机构的结构示意图；

图4是拉带机构的结构示意图；

图5是本发明涉及的一种平衡机构的设计参数示意图；

图6是平衡机构的立体示意图；

图7是本发明天平设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，精密天平的常用基本原理为杠杆平衡法称重，即通过所施加力F_b与被测物的重力F通过杠杆平衡，在初始位置达到平衡状态时，通过测量所施加力的大小和已知的杠杆比即可求得被测物的质量，常见的实施方式为采用光电检测测位法，利用电磁力反馈平衡零位法原理，实现对被称物体质量的称量。加载前，平衡机构处于初始平衡状态。加载后，被称量物体的质量通过平衡机构的可动部分发生位移，位移量的大小与光电传感器的光电流成正比，光电流信号经光电检测电路转换为电压信号。电压信号通过PID调节，向电磁线圈提供一个与被称物体的质量m成正比的电流，线圈在磁缸永磁体的磁场作用下，将产生向上的力F，使电磁力平衡机构的可动部分向上移动，使光电检测电路的输出电压减少，PID积分环节使流经线圈的电流继续增大，直至可动部分恢复到初始平衡的位置。此时，线圈电流在永磁体磁场作用下产生的力F_b与被称量物体的质量产生的重力通过杠杆平衡，传感器处于平衡状态。通过检测平衡状态下线圈电流的大小和杠杆比即可得到被称物体的质量。

精密天平的平衡机构为实现精密天平的一种关键器件，图2是平行四杆柔性铰链机构的结构示意图，图3是杠杆机构的结构示意图，图4是拉带机构的结构示意图，图6是平衡机构的立体示意图。本发明所涉及的平衡机构的结构为在刚体上一体成形有柔性铰链平行四杆机构、杠杆机构、拉带机构和其他实用机构。其中柔性铰链平行四杆机构由柔性铰链1、2、3、4、5、6、7、8及相应刚体构成，杠杆机构由柔性铰链11及其两侧相应刚体构成，拉带机构由柔性铰链9、10及柔性铰链9、10之间的相应刚体组成，该模型的几何参数为：l为如图5所示的柔性铰链平行四杆机构的长度，a为如图5所示的拉带机构的长度，x，y为如图5所示的杠杆机构支点铰链左右刚体部分的长度。对于该机构的运动模型，建立有该机构的近似数学运动模型为：

$D=\frac{{\mathrm{Fxyl}}^2}{8K_1{x}^2+(K_2+K_3)l^2}$

式中，K₁为柔性铰链1、2、3、4、5、6、7、8的旋转刚度，K₂为柔性铰链9、10的旋转刚度，K₃为柔性铰链11的旋转刚度，其余各参数如图所示，a为拉带机构的长度，a在建立公式的过程中，由于对D的影响极小，可忽略不计，在实际应用中，将a的值取尽可能大，F为如图1所示的在柔性铰链平行四杆机构上所施加的力，D为被测力F为最小精度质量产生的重力时，杠杆机构右端产生的位移。

在以上电子天平原理的基础上，对精密电子天平的设计的具体实施方式为：首先根据所需制造的天平的需求分析，确定设计的天平所需达到的精度等级以及根据需求分析中的设备尺寸及其余测量电路等器件的尺寸，估算出该传感器的体积参数的范围，其次确定天平与平衡机构相关的外部条件，包括根据加工条件及走刀顺序确定所能加工的该平衡机构各个柔性铰链的尺寸参数以估算各个柔性铰链的旋转刚度K₁、K₂及K₃的值。同时也根据所采用的光电传感器测位机构的信号参数分析测位机构所能稳定判别平衡位置的最高精度。

然后，根据测量电路所能检测到的最小电流值所能发生的力与最小称量精度的质量所产生的重力的比值确定该平衡机构的杠杆比x/y的范围，为了能使天平达到测量精度，可知，杠杆比x/y的范围应大于最小精度的质量所产生的重力与最小电流值所能发生的力的比值。根据平衡机构的所占空间选取尽可能大的l，a的值，取值时应根据该结构所占空间选取尽可能大但小于l的值，再根据运动数学模型选择杠杆比范围符合D值大于测位机构最高精度距离的x、y值。如不能选择符合条件的平衡机构的值，则可提高测位机构的精度，或者提高测量电路的精度后，重新进行参数选择，直到可选择合适的参数为止。

设计时需设被测力F为该精度等级下的质量所产生的重力，如分辨力为1mg的天平的F应为1mg质量所产生的重力，该值约为0.000001N，分辨力为0.1mg的天平的F应为0.1mg质量所产生的重力，该值约为0.0000001N；D为该F作用下，平衡机构杠杆机构的右侧产生的位移，该值的大小与平衡机构的几何参数有关，可由平衡机构的数学模型求得，该值需大于测位机构的分辨力。

实施例：

如图7所示，以精度为1毫克、最大量程为200g的实验室天平的设计为例对本发明的具体实施方式进行阐述：

根据权利要求4和5所述，先确定杠杆比及x/y的范围，在此，我们使用电流与电磁体作为力发生装置，此时，测量电路的电流检测精度为100nA，该电流能发生的力为10E-6N，1毫克重物产生的重力为被测力，此值大小为10E-5N，因此x/y的值应大于1/10，同时力发生机构所能稳定产生的最大力为0.5N，同时最大量程200g的质量所产生的重力为被测力为2N,因此x/y的值应小于1/4。考虑到便携性，所设计的实验室天平的内部体积长度为50cm以内，宽度为30cm以内，高度在8cm以内，由于考虑到内部还需放置测量电路，防护罩等零件，因此规划给平衡机构的空间为长12cm，宽9cm，高6cm的长方体空间，因此在此处取尺寸参数l和a的最大值分别为长和高的三分之二，即为8cm和4cm，x与y的和为9cm。考虑到加工能力及成本，平行四杆柔性铰链机构的铰链为t＝0.1mm半径为R＝0.9mm宽度b＝18mm的直圆型柔性铰链，其旋转刚度为K₁＝0.3N.m/rad；定义E、F柔性铰链为最小厚度t＝0.1mm半径为R＝0.9mm宽度b＝12mm的直圆型柔性铰链，其旋转刚度为K₂＝0.2N.m/rad；定义支点铰链G为最小厚度t＝0.1mm半径为R＝0.9mm,宽度b＝18mm的直圆型柔性铰链，其旋转刚度为K₃＝0.3N.m/rad。此时的光电测位机构的精度为100nm，此时此时不存在范围内的x和y的值使被测力为10E-5N的力产生的位移D的值大于100nm，因此需要提高光电测位机构的精度，在此使用光电测位精度为10nm的器件从新进行设计，在使用更高标准的光电测位机构后，存在x和y的值使使被测力为10E-5N的力产生的位移D的值大于10nm，因此存在x和y的值满足条件，x的范围为大于0.6cm小于6cm，由于x和y的值应大于1/10且小于1/4，且x和y的和为9cm，因此x的取值范围为大于0.82cm小于1.8cm。为了实现参数的最优化设计选取x和y的值使同样被测力的条件下能产生的位移D为最大值的x和y的值。将x和y的和为9cm，K₁、K₂及K₃的值等条件带入平衡机构的数学模型即可得到x和y的值的最优值，其中x为1.8cm,y为7.2cm，该机构的基本尺寸参数以确定。

最后，在确定以上基本尺寸参数后，为了保证传感器的加工和正常使用，还需围绕以上参数增加一些其他实用机构，如需加上调节机构，该机构可设置成图6中的调节孔12、13的形式，调节孔12、13的位置位于柔性铰链5、6的对称中心线上。调节孔12、13为通孔且孔下方的刚体结构上设有螺纹孔，可方便安装调节螺钉，通过调节调节螺钉改变孔12、13所在的梁与下面刚体结构的距离，可实现罗伯威尔机构的两侧的平衡性微调，使机构调平以校正加工误差及装配误差。此外，还需设置所需要的限位机构以防止位移过大对柔性铰链造成损坏，如可以添加挡块14，在挡块上方及下方可以设置固定刚体17、18限制挡块运动的位移来限制柔性铰链变形过大。此外，需留有加工时留用的刚体支撑结构，并在上面设置安装孔以使该机构能够装配使用，如可设置刚体15以便安装力发生机构电磁机构的电磁线圈，设置刚体16以可在刚体16下方打螺纹孔使该平衡机构能与天平外壳底座通过安装螺钉固定，以进行平衡机构的装配。

Claims (4)

1.一种适于多等级精密天平的设计方法，其特征为如下步骤：

步骤一：根据测量电路能测得最小电流值所能发生的力与最小称量精度的质量所产生的重力的比值确定精密天平的平衡机构的杠杆比范围；

步骤二：根据所建立精密天平的平衡机构的空间体积要求、运动数学模型及测位机构能确定的最小的位移量确定该机构a，l，x，y参数的尺寸大小；

步骤三：如步骤二不能选择合适的参数，则天平的测位机构的分辨力及电路的磁感生电流测量精度需选用更高级别的器件，且进行重新选择参数；

步骤四：重复步骤一至步骤三的参数选择，设计平衡机构的装配机构，限位机构和调平机构。

2.根据权利要求1所述的一种适于多等级精密天平的设计方法，其特征为：所述步骤一的杠杆比x/y的范围为大于最小电流值所能发生的力与最小精度的质量所产生的重力的比值，且x/y的值的范围小于力发生机构所能稳定发生的最大力与所称重物质量的所产生的重力最大值的比值。

3.根据权利要求1所述的一种适于多等级精密天平的设计方法，其特征为：所述步骤二为先根据精密天平的平衡机构的空间体积选取l，a的最大值，且a值小于l值，再根据运动数学模型选择杠杆比范围符合D值大于测位机构最高精度距离的x、y值。

4.根据权利要求1所述的一种适于多等级精密天平的设计方法，其特征为：所述步骤三如不能选择符合条件的平衡机构的值，则可提高测位机构的精度，或者提高测量电路的精度后，重新进行参数选择，直到可成功选择合适的参数。