用于精密天平的平衡-放大機構(gòu)的運動數(shù)學(xué)模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精密天平，特別是涉及一種用于精密天平的平衡-放大機構(gòu)的運 動數(shù)學(xué)模型。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的進步和制造工藝水平的提高，各行業(yè)對高精度稱量的要求不斷提 高，例如在生物醫(yī)學(xué)工程和生物制藥等領(lǐng)域，經(jīng)常會遇到微小質(zhì)量分析，在化學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常 需要精確反應(yīng)物的質(zhì)量，在工業(yè)生產(chǎn)中，也常常需要精確材料的質(zhì)量。對于精密天平的制 造，杠桿平衡-放大法稱重是常用的方法，例如公開號為CN 104374451A的發(fā)明專利申請公 開了一種用于稱量的單體傳感器機械結(jié)構(gòu)。但是，對于杠桿平衡-放大法稱重所使用的平 衡-放大機構(gòu)的設(shè)計方法，暫時還未發(fā)現(xiàn)有具體的理論進行說明和明確的設(shè)計方法進行指 導(dǎo)。因此，申請人對精密天平的平衡-放大機構(gòu)的設(shè)計方法進行了研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種研制精密天平的便捷途徑所用的平 衡-放大機構(gòu)運動數(shù)學(xué)模型。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于精密天平的平衡-放大機構(gòu)的運動數(shù)學(xué)模 型，包括：構(gòu)成一體成型剛體的柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、拉帶機構(gòu)及支撐機構(gòu)，所 述柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)包括柔性鉸鏈，所述杠桿機構(gòu)包括柔性鉸鏈及該鉸鏈兩側(cè)剛體， 所述拉帶機構(gòu)包括柔性鉸鏈及鉸鏈間相應(yīng)剛體，該運動模型的近似數(shù)學(xué)模型為：
[0006] 式中參數(shù)=K1為柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)剛度，K 2為柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)剛度，K 3為柔性鉸鏈的 旋轉(zhuǎn)剛度，1為柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)的長度，X、y為杠桿機構(gòu)支點鉸鏈左右剛體部分的長 度，被測力F為在柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)上一端部所施加的力，D為被測力F為最小精度質(zhì) 量產(chǎn)生重力時杠桿機構(gòu)相對于柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)另一端產(chǎn)生的位移。
[0007] 所述參數(shù)1的最大值取分別取為平衡-放大機構(gòu)預(yù)留空間的高度和長度的三分之 二，所述參數(shù)X和y的最大值取為平衡-放大機構(gòu)預(yù)留空間的高度和長度的四分之三。
[0008] 在所述參數(shù)數(shù)值滿足要求的范圍內(nèi)，最優(yōu)值為施加被測力F為測量精度的質(zhì)量產(chǎn) 生的重力時，能使D值為最大值的參數(shù)值。
[0009] 所述測量分辨力為IOmg-O. Olmg的天平。
[0010] 所述精密天平的平衡-放大機構(gòu)還包括上調(diào)節(jié)機構(gòu)，該機構(gòu)可設(shè)有調(diào)節(jié)孔，所述 調(diào)節(jié)孔位于柔性鉸鏈的對稱中心線上。
[0011] 還包括限位機構(gòu)，所述限位裝置包括在所述杠桿機構(gòu)的一端設(shè)置的擋塊、在支撐 機構(gòu)上加工成型的限位剛體。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：對于不同精度要求的天平設(shè)計，給出了平衡-放大機構(gòu)的 運動數(shù)學(xué)模型，為精密天平的研發(fā)提供了便捷的途徑，節(jié)省了研發(fā)時間，節(jié)約了研發(fā)成本。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的平行四桿柔性鉸鏈機構(gòu)、杠桿機構(gòu)及拉帶機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0014] 圖2是平行四桿柔性鉸鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3是杠桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖4是拉帶機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖5是本發(fā)明涉及的一種平衡-放大機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)示意圖；
[0018] 圖6是平衡-放大機構(gòu)的立體示意圖；
[0019] 圖7是本發(fā)明天平設(shè)計流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明：
[0021] 如圖1所示，精密天平的常用基本原理為杠桿平衡-放大法稱重，即通過所施加力 Fb與被測物的重力F通過杠桿平衡，在初始位置達到平衡狀態(tài)時，通過測量所施加力的大小 和已知的杠桿比即可求得被測物的質(zhì)量，常見的實施方式為采用光電檢測測位法，利用電 磁力反饋平衡零位法原理，實現(xiàn)對被稱物體質(zhì)量的稱量。加載前，平衡機構(gòu)處于初始平衡狀 態(tài)。加載后，被稱量物體的質(zhì)量通過平衡-放大機構(gòu)的可動部分發(fā)生位移，位移量的大小與 光電傳感器的光電流成正比，光電流信號經(jīng)光電檢測電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。電壓信號通過 PID調(diào)節(jié)，向電磁線圈提供一個與被稱物體的質(zhì)量m成正比的電流，線圈在磁缸永磁體的磁 場作用下，將產(chǎn)生向上的力F，使電磁力平衡機構(gòu)的可動部分向上移動，使光電檢測電路的 輸出電壓減少，PID積分環(huán)節(jié)使流經(jīng)線圈的電流繼續(xù)增大，直至可動部分恢復(fù)到初始平衡的 位置。此時，線圈電流在永磁體磁場作用下產(chǎn)生的力Fy與被稱量物體的質(zhì)量產(chǎn)生的重力通 過杠桿平衡，傳感器處于平衡狀態(tài)。通過檢測平衡狀態(tài)下線圈電流的大小和杠桿比即可得 到被稱物體的質(zhì)量。
[0022] 精密天平的平衡-放大機構(gòu)為實現(xiàn)精密天平的一種關(guān)鍵器件，圖2是平行四桿柔 性鉸鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是杠桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是拉帶機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖6是平衡-放大機構(gòu)的立體示意圖。本發(fā)明所涉及的平衡-放大機構(gòu)的結(jié)構(gòu)為在剛體上 一體成形有柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、拉帶機構(gòu)和其他實用機構(gòu)。其中柔性鉸鏈 平行四桿機構(gòu)由柔性鉸鏈1、2、3、4、5、6、7、8及相應(yīng)剛體構(gòu)成，杠桿機構(gòu)由柔性鉸鏈11及其 兩側(cè)相應(yīng)剛體構(gòu)成，拉帶機構(gòu)由柔性鉸鏈9、10及柔性鉸鏈9、10之間的相應(yīng)剛體組成，該模 型的幾何參數(shù)為為如圖5所示的柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)的長度，a為如圖5所示的拉帶 機構(gòu)的長度，X，y為如圖5所示的杠桿機構(gòu)支點鉸鏈左右剛體部分的長度。對于該機構(gòu)的 運動模型，建立有該機構(gòu)的近似數(shù)學(xué)運動模型為：
[0024] 式中，1(1為柔性鉸鏈1、2、3、4、5、6、7、8的旋轉(zhuǎn)剛度，1( 2為柔性鉸鏈9、10的旋轉(zhuǎn)剛 度，K3為柔性鉸鏈11的旋轉(zhuǎn)剛度，其余各參數(shù)如圖所示，a為拉帶機構(gòu)的長度，a在建立公 式的過程中，由于對D的影響極小，可忽略不計，在實際應(yīng)用中，將a的值取盡可能大，F(xiàn)為 如圖1所示的在柔性鉸鏈平行四桿機構(gòu)上所施加的力，D為被測力F為最小精度質(zhì)量產(chǎn)生 的重力時，杠桿機構(gòu)右端產(chǎn)生的位移。
[0025] 在以上電子天平原理的基礎(chǔ)上，對精密電子天平的設(shè)計的【具體實施方式】為：首先 根據(jù)所需制造的天平的需求分析，確定設(shè)計的天平所需達到的精度等級以及根據(jù)需求分析 中的設(shè)備尺寸及其余電路板等器件的尺寸，估算出該傳感器的體積參數(shù)的范圍，其次確定 天平與平衡-放大機構(gòu)相關(guān)的外部條件，包括根據(jù)加工條件及走刀順序確定所能加工的該 平衡-放大機構(gòu)各個柔性鉸鏈的尺寸參數(shù)以估算各個柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)剛度Kp 1(2及K 3的 值。同時也根據(jù)所采用的光電傳感器測位機構(gòu)的信號參數(shù)分析測位機構(gòu)所能穩(wěn)定判別平 衡-放大位置的最高精度。
[0026] 然后，根據(jù)測量電路所能檢測到的最小電流值所能發(fā)生的力與最小稱量精度的 質(zhì)量所產(chǎn)生的重力的比值確定該平衡-放大機構(gòu)的杠桿比χ/y的范圍，為了能使天平達到 測量精度，可知，杠桿比x/y的范圍應(yīng)大于最小精度的質(zhì)量所產(chǎn)生的重力與最小電流值所 能發(fā)生的力的比值。根據(jù)平衡-放大機構(gòu)的所占空間選取盡可能大的1，a的值，取值時應(yīng) 根據(jù)該結(jié)構(gòu)所占空間選取盡可能大但小于1的值，再根據(jù)運動數(shù)學(xué)模型選擇杠桿比范圍符 合D值大于測位機構(gòu)最高精度距離的x、y值。如不能選擇符合條件的平衡-放大機構(gòu)的值， 則可提高測位機構(gòu)的精度，或者提高測量電路的精度后，重新進行參數(shù)選擇，直到可選擇合 適的參數(shù)為止。