一、項(xiàng)目背景

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化檢測(cè)是未來計(jì)量發(fā)展的方向。近幾年，國(guó)外主要比較儀生產(chǎn)廠家紛紛致力于研制毫克組、克組和公斤組砝碼的自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人，以提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度。然而由于國(guó)內(nèi)外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法之間的差異，國(guó)外先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)并不完全適用于我國(guó)的質(zhì)量計(jì)量，特別是毫克組砝碼的檢定，費(fèi)用昂貴，使用成本高。2014年上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院質(zhì)量技術(shù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中船重工第七〇四研究所，依據(jù)JJG99-2006《砝碼檢定規(guī)程》，憑借國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的加工能力和加工準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)并制造了一套毫克組砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)與相應(yīng)的0.1μg或1μg質(zhì)量比較儀組合后，即可實(shí)現(xiàn)毫克組砝碼的自動(dòng)檢測(cè)。

二、毫克組砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

毫克組砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的一套高精度砝碼加載系統(tǒng)，它可以與任何質(zhì)量比較儀組合實(shí)現(xiàn)毫克組砝碼的自動(dòng)檢測(cè)。該系統(tǒng)具有一定的通用性和可操作性，它是國(guó)內(nèi)科研技術(shù)在毫克組砝碼自動(dòng)化檢測(cè)中的嘗試，其設(shè)計(jì)理念主要表現(xiàn)在突破國(guó)際工位限制，嘗試5工位組合；適應(yīng)國(guó)內(nèi)加工能力，嘗試特制砝碼盤；保證砝碼檢定準(zhǔn)確度，嘗試修改誤差計(jì)算方式3個(gè)方面。

1.多工位垂直疊放設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)5工位組合

毫克組質(zhì)量比較儀防風(fēng)罩內(nèi)的有效工作空間十分有限，如何在有限的秤盤上放置5個(gè)不同規(guī)格的被檢砝碼是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。國(guó)際上慣用的是一字排開設(shè)計(jì)，這類設(shè)計(jì)機(jī)械手定位方便，也方便機(jī)械手同時(shí)夾取和釋放。但是由于質(zhì)量比較儀防風(fēng)罩內(nèi)空間有限，因此最多只能設(shè)計(jì)4個(gè)工位。根據(jù)JJG99-2006，砝碼的組合檢定最多需要5個(gè)砝碼組合，因此必須設(shè)計(jì)5個(gè)待檢工位。如果沿用國(guó)際上的“一字”設(shè)計(jì)，則面臨兩個(gè)難點(diǎn):操作空間有限和比較儀偏載的影響。毫克組質(zhì)量比較儀的操作空間十分狹小，機(jī)械手無法在有限的空間內(nèi)進(jìn)行平鋪5個(gè)砝碼的同時(shí)夾取和釋放。此外，如果5個(gè)不同規(guī)格的砝碼簡(jiǎn)單平鋪，由于砝碼規(guī)格懸殊較大，則在檢測(cè)過程中質(zhì)量比較儀的偏載誤差將嚴(yán)重影響質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果。

經(jīng)過項(xiàng)目組的反復(fù)論證和試驗(yàn)，最終上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院項(xiàng)目組選擇了5個(gè)工位垂直疊放，如圖1所示。通過砝碼的垂直疊放，解決了機(jī)械手同時(shí)夾取和釋放5個(gè)砝碼的問題。同時(shí)，砝碼垂直疊放，即便砝碼規(guī)格不一致，由于各砝碼均在同一中心線左右，因此大幅減少質(zhì)量比較儀偏載對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

2.特制砝碼盤設(shè)計(jì)，降低加工難度，避免砝碼遺失

國(guó)際上現(xiàn)有全自動(dòng)質(zhì)量比較儀的機(jī)械抓手和秤盤基本采用插齒設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)砝碼在待檢工位、抓手和秤盤之間的自動(dòng)交換。對(duì)于(1～500)mg毫克組片狀或線狀砝碼，如果抓手和秤盤采用插齒設(shè)計(jì)，則每根插齒寬不足0.2mm，間隙不足0.2mm，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位準(zhǔn)確度需要0.005mm。插齒上任何細(xì)微的毛刺均可能造成插齒誤碰撞，插齒間隙的誤差容易造成位置交換時(shí)砝碼的遺落。經(jīng)過多方調(diào)研，目前我國(guó)的機(jī)加工水平無法實(shí)現(xiàn)如此高精度的設(shè)計(jì)。即便是發(fā)達(dá)國(guó)家的加工準(zhǔn)確度，也不能完全避免位置交換時(shí)(1～5)mg砝碼的遺落。鑒于插齒設(shè)計(jì)的弊端和加工的困難，項(xiàng)目組經(jīng)過反復(fù)爭(zhēng)論，最終選定以特制砝碼盤參與檢定的方式，實(shí)現(xiàn)砝碼交換。其設(shè)計(jì)原理是:設(shè)計(jì)一組與標(biāo)準(zhǔn)砝碼同材質(zhì)的同一規(guī)格、同一形狀和統(tǒng)一尺寸大小的砝碼盤(如圖2所示)，砝碼盤質(zhì)量和砝碼盤之間的質(zhì)量差均按規(guī)定預(yù)先檢定。標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢砝碼均放在砝碼盤中，機(jī)械手只夾取和釋放砝碼盤，砝碼盤參與砝碼檢定的過程，測(cè)量結(jié)果中扣除砝碼盤之間的質(zhì)量差即可得到砝碼的質(zhì)量值3.運(yùn)行流程設(shè)計(jì)，修改砝碼誤差計(jì)算公式，減小砝碼盤誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

本系統(tǒng)工位設(shè)計(jì)如表2所示。

該裝置采用ABBA的方式，在組合比較法檢定中，該系統(tǒng)運(yùn)行流程如下:

(1)機(jī)械抓手抓取組合被檢砝碼B至被檢組合工位。

(2)機(jī)械抓手抓取標(biāo)準(zhǔn)砝碼A，移動(dòng)至質(zhì)量比較儀前，控制器發(fā)出命令，打開質(zhì)量比較儀防風(fēng)罩門，機(jī)械抓手將標(biāo)準(zhǔn)砝碼A加載至質(zhì)量比較儀秤盤。機(jī)械抓手退出，控制器發(fā)出命令，關(guān)閉質(zhì)量比較儀防風(fēng)罩門。

(3)等待設(shè)置的讀數(shù)時(shí)間后，讀取質(zhì)量比較儀穩(wěn)定數(shù)據(jù)A1。

(4)機(jī)械抓手將標(biāo)準(zhǔn)砝碼A從質(zhì)量比較儀中移出，加載至標(biāo)準(zhǔn)組合工位。

(5)機(jī)械抓手抓取被檢組合工位上的被檢砝碼B，加載至質(zhì)量比較儀秤盤上，等待設(shè)置的讀數(shù)時(shí)間后，讀取質(zhì)量比較儀穩(wěn)定數(shù)據(jù)B1。

(6)機(jī)械抓手將被檢砝碼B從質(zhì)量比較儀中移出，再重新將被檢砝碼B加載至質(zhì)量比較儀秤盤上，等待設(shè)置的讀數(shù)時(shí)間后，讀取質(zhì)量比較儀穩(wěn)定數(shù)據(jù)B2。

(7)機(jī)械抓手將被檢砝碼B于質(zhì)量比較儀中移出，加載至被檢組合工位。

(8)機(jī)械抓手抓取標(biāo)準(zhǔn)組合工位上的砝碼A，加載至質(zhì)量比較儀秤盤上，等待設(shè)置的讀數(shù)時(shí)間后，讀取質(zhì)量比較儀穩(wěn)定數(shù)據(jù)A2。

(9)機(jī)械抓手將標(biāo)準(zhǔn)砝碼A從質(zhì)量比較儀中移出，放回至該砝碼原工位。機(jī)械抓手將被檢砝碼B從被檢組合工位中移出，分別放回至各砝碼原工位。

以上步驟可完成一組ABBA的檢測(cè)，重復(fù)該步驟，完成整套組合砝碼的量傳。為了準(zhǔn)確地檢定砝碼盤之間的質(zhì)量差值，在開始前可以讓機(jī)械手抓取空砝碼盤進(jìn)行檢定，并增加檢定循環(huán)次數(shù)，以多次循環(huán)的平均值作為砝碼盤之間差值的最佳估計(jì)值。在明確砝碼盤間差值之后，再在砝碼盤上放置砝碼，按同樣程序依據(jù)規(guī)程規(guī)定的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行檢定，可以得出砝碼和砝碼盤的修正值。通過計(jì)算將砝碼盤的差值扣除后得出砝碼的修正值，即

Δm砝碼=Δm砝碼+砝碼盤-Δm砝碼盤差值

式中:Δm砝碼——待測(cè)砝碼修正值；Δm砝碼+砝碼盤——通過測(cè)試得到的砝碼以及砝碼盤的修正值，單個(gè)砝碼盤為600mg標(biāo)稱值；Δm砝碼盤差值——ABBA測(cè)試中，砝碼A參與測(cè)試的秤盤與砝碼B參與測(cè)試的秤盤間的差值。

4.人性化操作界面，滿足一對(duì)一比較法和組合比較法雙重要求

本系統(tǒng)由于是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)，因此其軟件控制部分按照國(guó)內(nèi)砝碼規(guī)程要求和上海計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院質(zhì)量管理手冊(cè)要求進(jìn)行編譯。檢測(cè)前，用戶可以通過PC主界面中的模式選擇、運(yùn)行操作進(jìn)入設(shè)置界面，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

(1)檢定模式選擇:(1～500)mg組合檢測(cè)、(1～500)mg一對(duì)一檢測(cè)、批量單一檢測(cè)、手動(dòng)設(shè)置檢測(cè)。多種檢測(cè)模式適合實(shí)驗(yàn)室所有可能的檢測(cè)情況。

(2)原始記錄的信息填寫:送檢單位、制造廠名、質(zhì)量范圍、準(zhǔn)確度等級(jí)、被檢砝碼外觀檢查、砝碼器號(hào)、基準(zhǔn)砝碼器號(hào)、實(shí)驗(yàn)室溫濕度、檢定日期、有效日期等。這些信息填寫完畢后直接錄入最終的原始記錄中。

(3)檢測(cè)次數(shù):用戶可以按砝碼的等級(jí)，根據(jù)JJG99-2006的循環(huán)次數(shù)設(shè)置。

(4)運(yùn)行操作參數(shù)設(shè)置:主要是選擇需要檢定的砝碼規(guī)格或者是組合檢定中需要檢定的檢定步驟。該設(shè)計(jì)主要是針對(duì)非成套出現(xiàn)的砝碼的檢定以及因故中斷后的補(bǔ)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

(5)等待時(shí)間設(shè)置:延時(shí)檢測(cè)，即用戶可以預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)起始時(shí)間，讓系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)。

(6)緊急停止按鍵:檢測(cè)過程中有意外情況發(fā)生時(shí)，緊急停止鍵。

(7)碰撞感應(yīng)報(bào)警:檢測(cè)過程中，如機(jī)械抓手與砝碼工位或者質(zhì)量比較儀秤盤發(fā)生碰撞后會(huì)立即停止工作，跳出警報(bào)框，用戶可以在點(diǎn)擊“報(bào)警信息”查看相關(guān)報(bào)警信息。

三、總結(jié)

自動(dòng)化檢測(cè)是未來計(jì)量發(fā)展的方向，世界各國(guó)均致力于計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)。我國(guó)大力發(fā)展信息化、自動(dòng)化技術(shù)，提倡科技興檢，科技強(qiáng)檢。本文介紹的毫克組砝碼自動(dòng)化加載系統(tǒng)是上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院在自動(dòng)化檢測(cè)上的一次嘗試。本系統(tǒng)完成后其測(cè)量范圍為(1～500)mg，機(jī)械抓手的定位準(zhǔn)確度為0.002mm，適用于檢定E2等級(jí)及以下的各種毫克組砝碼。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中放棄以往插齒性抓手的設(shè)計(jì)，改為砝碼盤參與檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案，有效解決了砝碼遺落問題，降低加工難度；本系統(tǒng)設(shè)計(jì)垂直疊放方式，滿足組合量傳中多個(gè)砝碼疊加的檢測(cè)要求，降低偏載誤差影響；機(jī)械抓手、砝碼盤的形狀設(shè)計(jì)保證檢測(cè)過程中砝碼盤能夠迅速自行落位、對(duì)中，并避免砝碼在高速運(yùn)輸過程中的滑落。本系統(tǒng)的研制成功初步實(shí)現(xiàn)了毫克組砝碼自動(dòng)檢測(cè)的功能，但是對(duì)照國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)還存在以下問題:

(1)砝碼盤誤差不能完全消除，引入砝碼盤測(cè)量不準(zhǔn)的不確定度分量，測(cè)量擴(kuò)展不確定度偏大。

(2)砝碼盤與砝碼同材質(zhì)，使得砝碼盤加工困難，而且容易變形造成誤碰撞。

(3)垂直疊放使得秤盤重心升高，增加了穩(wěn)定時(shí)間。

雖然有以上不足，但本套毫克組砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)科研力量向自動(dòng)化檢測(cè)邁出的第一步，這一次嘗試證明了我國(guó)自主研發(fā)自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人的能力和決心。自動(dòng)化檢測(cè)的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，砝碼自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)將在科研技術(shù)的帶動(dòng)下不斷完善，不斷發(fā)展。

摘自：中國(guó)計(jì)量報(bào)