用于精密天平的平衡-放大机构的运动数学模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精密天平，特别是涉及一种用于精密天平的平衡-放大机构的运 动数学模型。
【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-放大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-放大法称重所使用的平 衡-放大机构的设计方法，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-放大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研制精密天平的便捷途径所用的平 衡-放大机构运动数学模型。
[0004] 本发明所采用的技术方案是：一种用于精密天平的平衡-放大机构的运动数学模 型，包括：构成一体成型刚体的柔性铰链平行四杆机构、杠杆机构、拉带机构及支撑机构，所 述柔性铰链平行四杆机构包括柔性铰链，所述杠杆机构包括柔性铰链及该铰链两侧刚体， 所述拉带机构包括柔性铰链及铰链间相应刚体，该运动模型的近似数学模型为：
[0006] 式中参数=K1为柔性铰链的旋转刚度，K 2为柔性铰链的旋转刚度，K 3为柔性铰链的 旋转刚度，1为柔性铰链平行四杆机构的长度，X、y为杠杆机构支点铰链左右刚体部分的长 度，被测力F为在柔性铰链平行四杆机构上一端部所施加的力，D为被测力F为最小精度质 量产生重力时杠杆机构相对于柔性铰链平行四杆机构另一端产生的位移。
[0007] 所述参数1的最大值取分别取为平衡-放大机构预留空间的高度和长度的三分之 二，所述参数X和y的最大值取为平衡-放大机构预留空间的高度和长度的四分之三。
[0008] 在所述参数数值满足要求的范围内，最优值为施加被测力F为测量精度的质量产 生的重力时，能使D值为最大值的参数值。
[0009] 所述测量分辨力为IOmg-O. Olmg的天平。
[0010] 所述精密天平的平衡-放大机构还包括上调节机构，该机构可设有调节孔，所述 调节孔位于柔性铰链的对称中心线上。
[0011] 还包括限位机构，所述限位装置包括在所述杠杆机构的一端设置的挡块、在支撑 机构上加工成型的限位刚体。
[0012] 本发明的有益效果是：对于不同精度要求的天平设计，给出了平衡-放大机构的 运动数学模型，为精密天平的研发提供了便捷的途径，节省了研发时间，节约了研发成本。
【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-放大机构的设计参数示意图；
[0018] 图6是平衡-放大机构的立体示意图；
[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-放大法称重，即通过所施加力 Fb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-放大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Fy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-放大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-放大机构的立体示意图。本发明所涉及的平衡-放大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电路板等器件的尺寸，估算出该传感器的体积参数的范围，其次确定 天平与平衡-放大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-放大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Kp 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-放大位置的最高精度。
[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-放大机构的杠杆比χ/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-放大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距离的x、y值。如不能选择符合条件的平衡-放大机构的值， 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，直到可选择合 适的参数为止。