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淺談1500MPa超高壓基準(zhǔn)砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)研制方案 說明：
一、概述
我院超高壓基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室擁有兩套自行研制的超高壓基準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)，分別為1500MPa和2500MPa可控間隙活塞式壓力計(jì)，各需加載500kg和1000kg的砝碼。每塊砝碼50kg左右，手工加載困難。以往采用手控液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載，解除了繁重的體力勞動(dòng)，但每次加載需要人工精確控制大砝碼加載的位置，在測(cè)量過程中還需時(shí)刻監(jiān)控大砝碼的位置并人為加以調(diào)整，操作繁瑣、控制難度大，給活塞式壓力計(jì)的運(yùn)行帶來了一定的不確定性。由于以上種種原因，目前國(guó)際上較高壓力的活塞式壓力計(jì)已試用一些簡(jiǎn)單的半自動(dòng)砝碼加載裝置，但1000MPa以上壓力計(jì)目前國(guó)內(nèi)還沒有任何單位研制出切實(shí)可行的全自動(dòng)程控化的砝碼加載裝置。近來，我們?cè)?500MPa壓力基準(zhǔn)上研制成功了程控化的全自動(dòng)砝碼加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單片機(jī)和微機(jī)連接的方式來控制，通過角度編碼器對(duì)砝碼位置測(cè)量的手段來控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)砝碼自動(dòng)加載。實(shí)踐證明，該自動(dòng)加載系統(tǒng)完全符合基準(zhǔn)的使用要求，取得了理想的效果。
二、原理
整個(gè)系統(tǒng)通過一個(gè)位移－角度轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將砝碼上下位移轉(zhuǎn)換成角度變化，并采用編碼器測(cè)量產(chǎn)生一個(gè)與砝碼位置變化相對(duì)應(yīng)的脈沖輸出，采用MCS51單片機(jī)技術(shù)，將這個(gè)輸出脈沖轉(zhuǎn)換成砝碼的實(shí)際位移量，根據(jù)程序要求驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和電磁閥控制砝碼的升降，使之到達(dá)實(shí)際所需的位置。采用RS232通信技術(shù)與基準(zhǔn)壓力計(jì)測(cè)控系統(tǒng)連接，就可以在基準(zhǔn)壓力計(jì)上直接控制實(shí)際加載的砝碼數(shù)量。我們將本套裝置應(yīng)用于1500MPa基準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)，實(shí)現(xiàn)了程控全自動(dòng)砝碼加載，系統(tǒng)能夠以全自動(dòng)方式加載砝碼至任何一個(gè)整百數(shù)壓力工作點(diǎn)，并具有砝碼下墜自動(dòng)補(bǔ)償、砝碼欠載和過充保護(hù)等功能，使壓力計(jì)的砝碼加載操作簡(jiǎn)便直觀、安全可靠。砝碼加載系統(tǒng)可分為砝碼及液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位移測(cè)量機(jī)構(gòu)、單片機(jī)測(cè)控部件和計(jì)算機(jī)通信與操作軟件四部分。
1．砝碼及液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)砝碼及液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由砝碼、吊掛件、連接件、液壓活塞以及油泵組成。砝碼共有14塊，總質(zhì)量約為450kg，再加上吊掛系統(tǒng)及附加砝碼約為500kg，可平衡1500MPa壓力。在常態(tài)下，砝碼層疊支撐于位于砝碼底部的液壓活塞頂盤上，這時(shí)活塞壓力計(jì)的測(cè)量活塞上的吊掛件與砝碼脫開，在工作狀態(tài)下，油泵帶動(dòng)液壓活塞，使液壓活塞頂盤跟著液壓活塞下降，活塞頂盤上的砝碼也隨之下降，當(dāng)下降達(dá)到砝碼間隔約6mm時(shí)，第一塊砝碼通過橫梁吊掛螺釘加載到壓力計(jì)的活塞上，下面的砝碼吊掛螺釘和加載砝碼的下夾板保持脫開狀態(tài)，大約有（4～5）mm的間隙，因此保證了壓力計(jì)的測(cè)量活塞有（3～4）mm工作區(qū)域。第二塊到最后一塊砝碼的加載原理也是如此。在砝碼吊掛螺釘上有一個(gè)空腔，用于調(diào)整砝碼質(zhì)量。
2．位移測(cè)量機(jī)構(gòu)位移測(cè)量機(jī)構(gòu)由角度編碼器和位移－角度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其作用是將砝碼上下位移通過位移－角度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變成角度編碼器的旋轉(zhuǎn)角度，然后由角度編碼器根據(jù)實(shí)際角度輸出相應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。
3．單片機(jī)測(cè)控部件單片機(jī)測(cè)控部件由輸入鍵盤單元、LED顯示單元、中央控制單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、開關(guān)驅(qū)動(dòng)單元和RS232通信單元組成，達(dá)到整個(gè)加減砝碼過程可采用多種方式由計(jì)算機(jī)或操作面板進(jìn)行控制，其操控模式有手動(dòng)控制模式、自動(dòng)控制模式、單塊控制模式和自動(dòng)復(fù)位模式，可以自動(dòng)補(bǔ)償由于油缸泄漏引起的砝碼下降并擁有砝碼欠載和過沖的測(cè)控雙重保護(hù)功能。
4．計(jì)算機(jī)通信與操作軟件（1）計(jì)算機(jī)通信單片機(jī)和上位工控計(jì)算機(jī)采用RS232串行通信，波特率為9600，8位數(shù)據(jù)1位開始位、1位停止位，無奇偶校驗(yàn)。通信協(xié)議定義了所有操作鍵所具有的操作功能，使上位計(jì)算機(jī)能操控單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)操作功能。（2）操作軟件上位計(jì)算機(jī)操作軟件采用VB編程，具體程序略。通過系統(tǒng)的通信，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上可以執(zhí)行單片機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)加載、單塊加載、手動(dòng)加載、復(fù)位功能以及當(dāng)前加載砝碼塊的位置修正，可以顯示砝碼實(shí)際狀態(tài)的圖像（模擬圖像），實(shí)現(xiàn)砝碼下墜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償，配合活塞位置位移測(cè)量的輸出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)砝碼欠載保護(hù)?；鶞?zhǔn)壓力計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控加載的砝碼，并可以根據(jù)測(cè)量的需要對(duì)加載砝碼進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。
三、主要技術(shù)功能指標(biāo)
1．位置記憶功能位置存儲(chǔ)點(diǎn)為100MPa、200MPa、……、1500MPa等15個(gè)壓力工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)加載0~14的大片砝碼，每一個(gè)加載點(diǎn)在標(biāo)定位置時(shí)都會(huì)將當(dāng)前的編碼器輸出脈沖數(shù)寫入單片機(jī)的E2ROM中。程序?qū)⒚恳黄来a的工作位置存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，斷電后，數(shù)據(jù)仍能保持。砝碼位置數(shù)據(jù)一旦存儲(chǔ)，單片機(jī)就一直會(huì)按存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作。
2．開機(jī)自動(dòng)去除防墜落保護(hù)開機(jī)時(shí)程序會(huì)讓砝碼升起一點(diǎn)，蜂鳴器提示去除保護(hù)墊塊，按確認(rèn)鍵進(jìn)入100MPa起始位置。
3．全自動(dòng)功能自動(dòng)加載砝碼進(jìn)入設(shè)定工作點(diǎn)，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償因液壓系統(tǒng)泄漏而造成的砝碼位置變化。
4．單塊加載功能只要按上升或下降鍵即可進(jìn)入上一個(gè)或下一個(gè)工作點(diǎn)，當(dāng)砝碼位置發(fā)生變化時(shí)，蜂鳴器提示手工按鍵校準(zhǔn)，這樣在測(cè)量時(shí)不會(huì)由于砝碼位置補(bǔ)償動(dòng)作而影響測(cè)量結(jié)果。
5．手動(dòng)功能砝碼加載完全由上升和下降鍵控制，程序只顯示砝碼的實(shí)際位置。
6．自動(dòng)復(fù)位功能在試驗(yàn)結(jié)束后，砝碼必須回歸起始位置，以免壓力計(jì)長(zhǎng)時(shí)間受壓，造成活塞和其他結(jié)構(gòu)件的變形。
7．計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制功能加載大砝碼共14塊，約470kg，整個(gè)系統(tǒng)既可由面板控制也可由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。
8．計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操控功能可由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操控執(zhí)行面板操作的所有基本功能。
9．自動(dòng)砝碼加載系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)位置控制準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1mm；位置控制范圍為（0～200）mm；位置分辨率為0.023mm。
10．標(biāo)準(zhǔn)砝碼欠載和過沖的測(cè)控雙重保護(hù)裝置砝碼欠載保護(hù)就是當(dāng)壓力計(jì)已加壓到某一壓力點(diǎn)時(shí)，由于誤操作使加載砝碼低于實(shí)際要求的數(shù)量。由于欠載時(shí)活塞會(huì)升到活塞限位處，因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，采用激光位移計(jì)測(cè)量活塞的上限位置來提供砝碼欠載保護(hù)。砝碼過沖保護(hù)就是當(dāng)砝碼卸載時(shí)，油泵上升到砝碼全部脫開活塞時(shí)，為了避免油泵進(jìn)一步的上升，引起活塞壓力計(jì)橫梁結(jié)構(gòu)件的損壞而采取的保護(hù)措施。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，采用限位電子開關(guān)探測(cè)砝碼上下限位置來提供過沖保護(hù)。
四、結(jié)束語
活塞式壓力計(jì)是一種古老而又經(jīng)典的壓力測(cè)量?jī)x器，它具有其他壓力計(jì)量器具所無法比擬的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性能，但在實(shí)際測(cè)量中，砝碼加載一直是困擾人們的一個(gè)大問題，這項(xiàng)工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且容易損壞活塞。本項(xiàng)目的研制并成功應(yīng)用于超高壓基準(zhǔn)裝置，不但使超高壓基準(zhǔn)砝碼的運(yùn)行水平有了質(zhì)的飛躍，還為本項(xiàng)目今后用于常壓活塞式壓力計(jì)提供了必需的條件，并對(duì)今后活塞式壓力計(jì)的發(fā)展起到重要作用。
以上是淺談1500MPa超高壓基準(zhǔn)砝碼自動(dòng)加載系統(tǒng)研制方案的詳細(xì)介紹！
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