摘要：从机械设计的角度介绍了玻璃浮计自动衡准装置的两大设计特点，包括用于悬挂标准质量和玻璃浮计的加载机构和用于控制恒温水槽的升降系统，该装置相对手动衡准装置不仅提高了测量精度和安全性，同时提高了测量效率，是一套比较先进的测量系统。
关键词：计量；液体密度；玻璃浮计；自动加载；同步带传动；衡准；标准质量
中图分类号：TH715.2文献标志码：ADOI：10.16443/j.cnki.31-1420.2016.01.004
0引言
本文介绍的是一种可以自动检定密度浮计的衡准装置（以下称玻璃浮计），该装置的功能是将玻璃浮计和标准质量在液体中进行比对称量，从而校验玻璃浮计的刻度。在本装置建立以前，校验操作都是人工进行，效率不高。手动加载中，频繁的挂载动作和入水操作动作容易导致玻璃浮计的细颈处折断或者标准质量意外跌落等后果。随着自动化发展的趋势，一种自动代替手动的操作模式被提出。根据中国计量科学研究院的要求，希望首先建立一台我国自主建立的自动衡准装置，本单位集合多方力量，设计了一种能够完成上述步骤的自动衡准装置，以使用最简便有效的方法实现自动检定的功能。一台德国制造的手动校验装置，它是手动模式的典型代表。手动操作时，将玻璃浮计和标准质量依次挂在天平下挂点上，记录天平示值。玻璃浮计是一种可以测量液体密度的计量器具。它由空心玻璃管制成，类似浮标状，下半部浮体较粗，内有配重；上半部刻度管较细，内有刻度标尺。根据浮力原理，把它投入液体中，不同的液体密度导致排开水的体积不同，刻度管悬浮在水面以上部分的高度也不同。根据液面所处的刻度线位置，判读液面处的刻度数值，可以方便确定被测液体的密度值。
1衡准装置的功能特点
该衡准装置专为校验玻璃浮计而设计。玻璃浮计属于计量器具，需强制检定。手动挂载方式中，将玻璃浮计和圆柱形砝码交替挂取；在自动方式中，为了和天平挂点保持在同一铅垂线上，将标准质量设计成圆环状，玻璃浮计可以从空心圆中穿过以利于吊点设置在中心上。恒温水槽是一种可以精确控制温度并保持恒温的液体储存设备。在测量时，标准质量和玻璃浮计始终浸没在保持恒温的液体中。自动装置主要结构由天平组件、加载机构组件、标准质量组件、密度浮计组件、恒温水槽系统组件等组成。天平下挂点引出上下2个称量挂点，分别挂载玻璃浮计和标准质量。两者之间不会同时挂载，由加载机构的双向丝杠决定交替挂载的动作过程。恒温水槽升降系统由丝杠螺母升降组合，实现了恒温水槽的上下移动，从而可以观察玻璃浮计液面的刻度。在设计自动装置结构中，关键的机械结构是“加载机构组件”和“恒温水槽系统组件”。加载机构组件的作用是代替了手动交替挂载标准质量和玻璃浮计，是测量的执行机构；恒温水槽系统组件的作用是用来控制恒温水槽的精密升降，同时对应观察浮计处于液面的每一个刻度，是刻度判读精密的保证。该装置结构原理是同类型装置中我国首创，机构比较复杂，要求测量精度较高，所以关键结构的设计直接影响了装置的精度，下面选取其中的关键设计特点进行介绍。
2设计特点
2.1加载机构组件
加载机构完全代替了手动加载的功能，将手动的交替加载转变为电动的正反转。电机驱动正反双向螺杆、螺母相对移动，利用这个原理将旋转运动转换为直线运动。当电机正转时，标准质量加载到托盘上，玻璃浮计脱开；当电机反转时，玻璃浮计加载到托盘上，标准质量脱开。图6中，天平下挂十字挂架，挂架由直径3mm的不锈钢通过中间点焊打磨呈十字形状，秤盘通过挂丝始终挂在挂架上。上横臂上装有探入恒温水槽的连杆，用来控制标准质量的加载，下横臂装有定位凹槽，用来控制玻璃浮计的加载。试验过程中发现，难点在于玻璃浮计的浮性和浮计挂绳的柔性作用叠加，处于液面不稳定的情况下，玻璃浮计会产生比较大的漂移，从而导致重复加载位置不确定和加载位置的相互干涉，影响测量精度。定位凹槽的设计很好地解决了该问题，它能够确定加载位置的唯一性，每次加载时，无论浮计是否有微小偏移都可以沿着斜口落到同一位置。
2.2恒温水槽系统组件
恒温水槽安放在一套可以实现精密升降动作的系统平台上，通过恒温水槽的升降来观察玻璃浮计刻度和液面的相互位置。设计要求满足伺服电机每转过120°，平台托动恒温水槽升降距离0.01mm。这样的运动精度通过脉冲电子手轮的驱动，使得玻璃浮计刻度细分的判读精度进一步提高。结构布置采用三套升降设备成为一个稳定的支撑系统。三套升降设备用一套伺服电机驱动。升降螺杆的运动同步性由同步带串联保证，同步带样式采用双面齿形，将同步带绕过三套升降螺杆和伺服电机时齿带双面都会接触同步带轮，然后用压轮张紧，这样的设计让升降螺杆和伺服电机紧密结合成为一个类似三角形的运动布置。由于设备整体布局要求尽量紧凑，平台底层空间局促。为了尽量利用有限的结构空间、防止设备底部结构影响地基，同时要求保证美观的整体效果，设计将螺杆固定使其兼具支撑和导向功能，螺母驱动平台做上下升降运动。这样既满足精密升降的要求，同时各个升降螺杆相互牵制，因而平台更加稳定，不会出现自摆现象。伺服电机布置在中间位置，螺杆螺母布置在周围，环绕的同步带总长度超过2500mm。如果同步带有松动，则三套螺杆达不到同步要求，升降系统可能卡滞或导致平台倾斜，所以需要布置多个点用于张紧同步带。张紧轮也是齿形轮，同步带张紧后刚性足够，满足精密驱动要求。
3结论
国家相关单位一致认为图11所示自动衡准装置外形美观、结构紧凑、功能可靠、符合性能要求。设计上有多处创新，采用正反螺杆设计的加载机构很好地解决了交替加载的问题；采用同步带驱动的多组螺杆升降系统解决了紧凑空间布置的平台精密升降问题。该装置的建立从功能上解决了标准质量和玻璃浮计的自动交替加载难题，它是一种可靠的、利于推广的自动加载模式。
参考文献：
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作者：过立雄 杨启 金征德 单位：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室 中船重工第七〇四研究所
