E2等级公斤组砝码自动检测系统的研制

上海市计量测试技术研究院自主研发了 E2 等级公斤组砝码自动测量系统。整个系统由超声波清洗车、自动加载系统和 50kg 质量比较仪三个部分组成。使用自动测量系统时，可以自动加载系统、远程遥控地加载砝码；用超声波清洗车，自动清洗砝码；用质量比较仪自动地检定砝码的折算质量。文章介绍了整个系统的原理，并用图表说明了各个部分的功能。

1 系统介绍

E2 等级公斤组砝码自动测量系统的研制过程可分为 3 个阶段：制定方案、自主研发和引进技术。上海市计量测试技术研究院（以下称研究院）制定的方案包含很多调研工作，例如制作测量流程图，分析质量和工艺的需求，统计所有类型砝码的形状等等。研究院构思设计并与创新科技公司一起自主研发了砝码加载系统和超声波清洗车，可以自动地

清洗和运输公斤砝码。在整个系统中，测量是最重要的环节。根据 OIML R111 国际建议，E2 等级公斤标准砝码 1kg~50kg 的允差要求（MPE）为1.6mg~80mg，质量比较仪的不确定度必须小于相应砝码允差（MPE）的 1/9，所以对于质量比较仪的不确定度，相应的极限要求为 0.16mg~8mg。通过详尽的调研，选择质量比较仪 AX64004，它是一台全自动的质量比较仪，最大载荷为 64kg。该质量比较仪由梅特勒-托利多公司制造，50kg 重复性标准偏差为 0.4mg，公斤组砝码的量值传递要求。通过方案的制定、研发制造和先进技术设备的引进，建立了 E2 等级公斤组砝码自动测量系统。该系统提高了砝码的测量精度，同时也提高了测量效率。

2 制定方案：自动检测系统的设计

2006年，JJG 99-2006《砝码检定规程》正式实施。这一规程，与OIML R111的范围相一致，将E2级砝码的范围扩展到50kg。这使得10kg以上E2级砝码的检定，变得愈加困难。高精度的质量比较仪和相应的辅助设备的缺乏，制约了E2级公斤组砝码的检定能力。截至目前，国内所有的E2级公斤组砝码的检定都是手动的，在砝码的检定和运输过程中需要花费大量的人力成本，对于研究院较大的砝码日常检定量来说困难尤为突出。为了提高检定的准确度度和测量能力，我们计划建立一套E2等级公斤组砝码自动测量系统。通过这一系统，将砝码的检定能力扩大到50kg，同时将检定的不确定度降低至0.4mg。此外，E2等级公斤组砝码自动测量系统也使得砝码检定过程更简单、轻松。整个测量过程，实验工作人员都不必进入实验区域。根据OIML R111国际建议，初步设想时主要考虑了以下这些因素：1）砝码的清洗；2）砝码的磁性；3）质量检定。根据这些要求，制作了3D视图（参见图1）来说明整个测量系统的规划。首先，自动加载系统抓取被检砝码，将其移至超声波清洗车处。将砝码浸没在蒸馏水中，通过超声波清洗车清洗后，自动加载系统将砝码卸载至工作平台进行等温。其次，通过自动加载系统，将待测砝码加载至磁化率仪上，以测量砝码的磁性。最后，自动加载系统加砝码加E2 等级公斤组砝码放置平台加载系统 robot超声波清洗车AX64004 质量比较仪载至比较仪 AX64004 的工作位，进行质量测量。整个过程都可以实现电脑远程遥控，实现测量过程自动化。

E2等级公斤组自动监测系统完成后的技术指标参见表1。

表1 测量系统的技术指标

项 目  技术指标E2 等级公斤组

砝码测量系统测量范围：1kg~50kg

精度：E1 Class

第一部分 超声波清洗车

清洗溶液：蒸馏水  频率：>50kHz

第二部分 自动加载系统

操作范围：4.5m×6m

定位重复性：<0.05mm

第二部分 质量比较仪

最大测量载荷：50kg；

可读性：0.1mg；

重复性：≤0.4mg

3 自主研发：超声波清洗车和砝码自动加载系统

3.1 超声波清洗车

在检定前，砝码的清洗很重要，砝码表面的灰尘和其他的微小颗粒需要清洗干净，因为砝码表面的杂质会影响砝码的质量值。在清洗的整个过程中砝码必须易于搬运和储存，同时清洗过程和清洗剂的选择应与砝码的材质特性相适应。在砝码检定前，如果某一砝码的表面有大量难以清除的灰尘，可以用干净的无水乙醇或二次蒸馏水来清洗砝码或其部

分表面。无水乙醇的清洗效果优于二次蒸馏水，但由于无水乙醇为危险品，因此其毒性和危害性也远远大于二次蒸馏水。当清洗公斤砝码时，特别是大于20kg的E1（或者E2）等级砝码，必须将砝码浸没在无水乙醇中，这样不得不准备大量的无水乙醇。在一个密封的空间，使用如此大量的无水乙醇是很危险的，对操作者是有害的。为了保护操作者，同时保持环境的安全，选择二次蒸馏水作为E2等级公斤组砝码的清洗溶剂。为了弥补二次蒸馏水在清洗能力方面的不足，本次设计中引入超声波清洗技术以提高二次蒸馏水的清洗能力。

超声波是超出人们听力范围的声波。工业清洗中的超声波大多为20Hz~50Hz。高于50Hz的超声波，常用于比较小的超声波清洗机，如珠宝店使用的就是此类清洗机。超声波用高频在水溶剂或有机化合物中引起微小气泡震荡，产生超声空化。超声空化会对污层直接反复冲击，从而使污物脱离清洗件（如金属、塑胶、玻璃、橡胶、陶器等）表面并分散到清洗液中。空化气泡还能“钻进"裂缝中做振动，使污物脱落。清洗的目的是使所有表面的污物被去除。目前，超声波清洗被广泛应用各个领域，如机械、光学、电子等等。自动测量系统将超声波与二次蒸馏水相结合，从而形成一套洁净、环保、科学的清洗技术。经过大量的实验证明超声波清洗技术不会影响砝码的表面粗糙度和磁性。为了方便使用，将超声波清洗机安装在手推车上，经过改装，制成了超声波清洗车。图2是超声波清洗车的3D视图。

如图2所示，超声波清洗车上安装的升降平台，

其目的是将平台上的砝码自动地运转至二次蒸馏水中浸润。该平台与砝码加载装置中的机械手相结合，从而保证在砝码清洗过程中无需人员干预，实现砝码清洗自动化。为了保护砝码的表面，在升降平台的底部铺了一层软材料，类似特氟纶。清洗车上还有进水和出水装置，可以方便地更换清洗车中的二次蒸馏水。清洗车底部的车轮设计，方便操作者将清洗车移至任何地方，从而使得公斤砝码的清洗工作更便捷。

图2 超声波清洗车的3D视图

3.2 砝码加载系统

E2等级公斤组砝码自动检测系统的研制依据人体工程学，一个正常人一般地提取重物的能力为10kg~20kg。超过这个范围，人们在提取时容易引发肌肉损伤或腰椎疾病。在整个E2等级公斤组砝码的检定过程中，依据JJG 99-2006《砝码检定规程》，不得不多次加载、卸载砝码，这就容易给操作者带来疲劳伤害。通过持续的观察和调研，研究院和创新科技公司合作，制作了砝码自动加载系统，通过计算机控制机械抓手，从而实现有限空间任意位置无限多次的砝码加载、卸载和运输的任务。该系统由不锈铁框架和机械手构成。图3是自动加载系统的3D机构图。

为了在有限的空间内保证机械手在六个方向（上、下、左、右、前进、后退）的平稳运行，将机械手安装在建于实验室内的一个不锈钢框架上。在框架的顶部，我们设置了两根精度高的螺旋导轨，超声波清洗车升降台以确保运行过程的低噪音和高精度。通过光位移传感器，可以控制机械手的运行。使用型的3级机械升缩装置，以确保机械手的垂直运动距离满足实验室要求。图4显示了3级机械升缩装置简单机构。通过这一设计，机械手的垂直运动距离可以达到2m，保证了机械手可以到不同的工作平台加载、卸载砝码。

图3 自动加载系统的3D机构图

图4 3级机械升缩装置的简单示意图

不同规格的砝码，其形状尺寸都不相同。甚至同一规格的砝码也会有不同的形状尺寸。国内，一等外观形状的砝码和OIML型砝码的尺寸有很大差异。如何才能做到使用不变的机械手抓取不同规格的砝码呢？光电传感器和压力传感器帮我们解决了这样问题。光电传感器使机械手可以定位至砝码的颈部，压力传感器使机械手可以判断是否已夹紧砝码的颈部。机械抓手部分用柔弱的材质，如特氟纶制作，并用麂皮包裹，从而确保在抓取砝码的过程中机械抓手不会损害砝码表面。鉴于上述设计，砝码的加载和卸载实现了自动化，操作者只需轻按控件，就能实现实验室任意位置的砝码平稳、高定位精度的砝码运输、加载和卸载工作。超声波清洗车和砝码加载系统，都是研究院自主设计的，该设计确保了辅助设备的自动化，提高了检定效率和准确度