一种适于多等级精密天平的设计方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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CN 104374451A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】
[0003] 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。
[0004] 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：
[0005] 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；
[0006] 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，1，X，y参数的尺寸大小；
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 所述步骤一的杜杆比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χ/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。
[0010] 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1，a的最大值，且a值 小于1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。
[0011] 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。
[0012] 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】
[0013] 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；
[0014] 图2是平行四杆柔性铰链机构的结构示意图；
[0015] 图3是杠杆机构的结构示意图；
[0016] 图4是拉带机构的结构示意图；
[0017] 图5是本发明涉及的一种平衡机构的设计参数示意图；
[0018] 图6是平衡机构的立体示意图；
[0019] 图7是本发明天平设计流程图。
【具体实施方式】
[0020] 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：
[0021] 如图1所示，精密天平的常用基本原理为杠杆平衡法称重，即通过所施加力匕与 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Fb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。
[0022] 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：1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：
[0024] 式中，1(1为柔性铰链1、2、3、4、5、6、7、8的旋转刚度，1( 2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。
[0025] 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1、1(2及K 3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。
[0026] 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1，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1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