10 MN疊加式力標準機的研制

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10 MN疊加式力標準機的研制

胡紹誠1，陳勤2，劉宇澄3

（1.杭州坦司特儀器設備有限公司，浙江杭州311106；2.浙江省質(zhì)量檢測科學研究院，浙江杭州310013；3.浙江大學，浙江杭州310000）

摘要：簡述10 MN疊加式力標準機的工作原理，通過對橫梁、加載系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及測試系統(tǒng)進行創(chuàng)新設計，并采用新的力值加載結(jié)構(gòu)和滿足稱重傳感器、標準測力儀的測試系統(tǒng)，成功研制高精度10 MN疊加式力標準機。該10 MN疊加式力標準機示值重復性不大于0.02%，力值誤差在±0.05%內(nèi)，相對擴展不確定度優(yōu)于0.1%（k=2）。關(guān)鍵詞：疊加式力標準機；大力值；示值重復性；力值誤差；相對擴展不確定度

收到修改稿日期：2013-05-19

0　引言

疊加式力標準機（BM）為常見力標準機的一種，近幾年得到了快速發(fā)展，應用范圍也逐漸擴大，成為了測力、稱重行業(yè)的重要技術(shù)裝備[1-3]。目前，國內(nèi)外疊加式力標準機主要采用機械加載或液壓加載兩種加載系統(tǒng)。使用機械加載方式的疊加式力標準機具有可操作性強、自動化程度高、控制穩(wěn)定等優(yōu)點，但是受材料強度與機械結(jié)構(gòu)的限制，采用機械加載方式進行加載的力標準機無法滿足對大載荷的測試需求，目前國際上使用機械加載方式的力標準機的最大載荷均難以突破5 MN。液壓加載系統(tǒng)能夠產(chǎn)生足夠大的載荷，滿足了大力值力標準機的加載需求。國內(nèi)大力值標準機現(xiàn)狀：

中國測試技術(shù)研究院，疊加式（液壓），30 kN～30 MN，0.3～3×10-3（k=3）；中國計量科學研究院，液壓放大式，500 kN～20 MN，1×10-4（k=3）；航天7140站，液壓放大式，100 kN～5 MN，5×10-4（k=2）；廣東省計量科學研究院，機械加載式，30 kN～3 MN，3×10-4（k=2）。

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中，力的測量和控制向大型化發(fā)展，許多情況下都需要對兆牛級乃至十幾兆牛級的力進行測量。因此，解決大力值測量的問題就顯得越發(fā)重要和迫切。由于測量準確度的保證要通過一系列測量鏈最終溯源到國家的力基準來實現(xiàn)，因此，急需開發(fā)一種能夠產(chǎn)生足夠大載荷，同時準確度高、效率高、穩(wěn)定性好且操作簡便的高精度液壓加載式力標準機。

1　工作原理

疊加式力標準機利用力源對串聯(lián)同軸安裝的參考標準傳感器和被檢傳感器施加負荷，根據(jù)參考標準傳感器的標準數(shù)來確定被檢測力儀的各項計量性能指標。由于作為承載和測力元件的參考標準傳感器受到的負荷是彈性力，所以需要選用足夠高準確度的傳感器作為參考標準傳感器；施力裝置對作用于傳感器上力的控制精度決定了力標準機的力值準確度和使用性能。研制的10 MN疊加式力標準機工作原理，如圖1所示。

圖1　力標準機工作原理圖

1.1動橫梁調(diào)節(jié)

移動橫梁調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過交流電機提供動力，交流電機由可編程控制器經(jīng)由變頻器進行控制；交流電機的動力先經(jīng)由減速器傳遞至套筒滾子鏈，之后再經(jīng)由鏈傳動機構(gòu)將動力傳遞至螺旋調(diào)節(jié)機構(gòu)的傳動螺套上；傳動螺套在固定的絲杠上運動，并帶動橫梁上下移動，從而實現(xiàn)力標準機上壓板的位置調(diào)節(jié)。同時該機構(gòu)在頂端還設有橫梁形成限位開關(guān)，避免橫梁移動超程。該調(diào)節(jié)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，操作簡便等特點，實現(xiàn)了橫梁位置的快速調(diào)節(jié)。

1.2加載控制

該力標準機采用液壓加載方式；可編程控制器經(jīng)由驅(qū)動器控制伺服電機的運轉(zhuǎn)，伺服電機的運轉(zhuǎn)帶動液壓齒輪泵工作，調(diào)節(jié)液壓油缸中液壓油量來移動活塞，從而實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的加載卸載過程[4]。測量過程中，控制系統(tǒng)接收傳感器反饋的信號，并將反饋信號與系統(tǒng)設定值比對后控制伺服電機調(diào)節(jié)齒輪泵轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)壓力的精確控制；整個加載過程中，伺服電機會實時向控制系統(tǒng)反饋轉(zhuǎn)角信號[5]，控制系統(tǒng)依據(jù)該信號對伺服電機的工作狀態(tài)進行調(diào)整，從而實現(xiàn)加載過程的精確控制。

該力標準機采用專用可編程控制器實現(xiàn)整機的控制，控制器作為控制系統(tǒng)的核心，發(fā)送數(shù)據(jù)至控制系統(tǒng)中的伺服電機驅(qū)動器、變頻器從而實現(xiàn)對設備調(diào)節(jié)和加載的控制。同時，控制器還接收通過接收標準力傳感器、壓力傳感器以及行程開關(guān)等部件的信號，通過計算和反饋實現(xiàn)精確加載與設備工作狀況的監(jiān)測?？刂葡到y(tǒng)在設計時應用現(xiàn)代化控制理論，使得控制器在系統(tǒng)被控量偏離給定值而振蕩時具有良好的抑制震蕩能力，被控量趨近希望值迅速，并且滿足了當系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后被控量相對希望值偏差小的要求。

1.3檢測控制

該力標準機通過使用同一力源對串聯(lián)同軸安裝的標準傳感器和被測設備同時施加負荷，通過監(jiān)測儀表實時顯示數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)經(jīng)采集后送至計算機進行分析計算，根據(jù)參考標準傳感器的標準數(shù)據(jù)結(jié)合被測器具的輸出數(shù)據(jù)來確定被測器具的各項計量性能指標。由于作為承載和測力元件的參考標準傳感器受到的負荷是彈性力，故選用單只精確度達到0.03%的特質(zhì)柱式高精度傳感器作為參考標準傳感器，保證了整機檢測結(jié)果的準確性。

2　結(jié)構(gòu)設計

液壓式疊加式力標準機，主要由絲桿、橫梁、底座、標準傳感器及標準儀表、油缸、齒輪泵、伺服電機及控制器、機械傳動機構(gòu)、交流電機及控制器、數(shù)據(jù)采集卡、微機等組成[6]。

2.1主體結(jié)構(gòu)

圖2　力標準機主體結(jié)構(gòu)圖

力標準機的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，力標準機主體主要受力構(gòu)件包括底座、絲桿、上橫梁、下橫梁、舉升機構(gòu)等。上橫梁起著調(diào)節(jié)試驗空間和固定傳感器的作用。下橫梁和舉升機構(gòu)提供試驗所需壓力。在具體結(jié)構(gòu)上，包括從動鏈輪、傳動滾子鏈、減速器、交流電機、鏈傳動機構(gòu)、機蓋頂板、橫梁行程限位開關(guān)、傳動螺套、橫梁、軸承、軸承支撐板、絲杠、上螺母、下螺母、底座、底座蓋板、舉升機構(gòu)、上壓板座、下壓板座等。交流電機轉(zhuǎn)軸通過減速器與鏈傳動機構(gòu)相連接，鏈傳動機構(gòu)通過傳動滾子鏈與從動鏈輪連接，從動鏈輪固定在傳動螺套之上，傳動螺套與橫梁之間通過軸承相配合固定，軸承安裝在軸承支撐板上，傳動螺套可在絲桿上移動，絲杠下端通過上螺母和下螺母固定在底座上，底座上安裝有底座蓋板和舉升機構(gòu)，上壓板座固定在橫梁上。有限元分析表明，在10 MN荷載下，機器變形量小于0.09mm。

2.2液壓系統(tǒng)

圖3　油缸結(jié)構(gòu)圖

液壓系統(tǒng)主要包括伺服電機、油缸、齒輪泵及油箱等?？刂葡到y(tǒng)通過控制伺服電機，進行油壓的調(diào)節(jié)，控制舉升結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對被檢傳感器力和標準傳感器的加力，油缸結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該油缸結(jié)構(gòu)包括下壓板座、定位板、標準負荷傳感器、柱塞蓋板、防塵圈、導向帶、斯特封、柱塞、O型圈、柱塞底座和缸體等部件[7]，如圖3所示，定位板固定在下壓板座上，用于對標準符合傳感器定位；標準負荷傳感器上端穿過定位板并與下壓板座固定，同時下端穿過柱塞，與柱塞底座固定，避免了機械間隙對測量造成的影響；柱塞蓋板固定在柱塞頂端，實現(xiàn)了對標準傳感器主要部分的保護；柱塞與柱塞底座固定，O型圈嵌入柱塞的凹槽中，實現(xiàn)了柱塞與柱塞底座之間的密封，避免液壓油對標準傳感器造成污染；柱塞嵌入缸體中，防塵圈、導向帶和斯特封嵌入缸體的凹槽中，實現(xiàn)了柱塞與油缸之間的密封和導向。設備在工作時，缸體固定，液壓油從注油口經(jīng)齒輪油泵壓入，推動柱塞運動從而實現(xiàn)標準力的加載。

該油缸解決了現(xiàn)有油缸設計復雜、體積龐大、生產(chǎn)成本高、維護不易等問題[8]；通過綜合利用多層導向帶和斯特封，改善了現(xiàn)有油缸普遍存在的漏油與防塵性能差等問題，在保證運動精度的基礎(chǔ)上，兼具密封性能好和運動阻力小等特點。同時液壓油缸通過采用分體式結(jié)構(gòu)，使得零部件拆卸方便，簡化了維護流程，易于清洗和換件維修。標準力傳感器安裝在柱塞中，節(jié)約了空間，同時避免了外界環(huán)境因素可能對傳感器造成的損壞。

2.3控制系統(tǒng)

力值加載控制系統(tǒng)采用智能PID控制，并結(jié)合了與現(xiàn)代的模糊控制算法，以標準負荷傳感器輸出作為反饋信號，控制電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)油缸壓力，實現(xiàn)力值的準確及穩(wěn)定控制?？刂圃韴D如圖4所示。

測試開始后，首先由控制系統(tǒng)控制橫梁下降至指定位置；之后控制系統(tǒng)控制液壓機構(gòu)實現(xiàn)力的加載，同時控制系統(tǒng)接收標準傳感器的反饋數(shù)據(jù)，并依據(jù)該數(shù)據(jù)對液壓機構(gòu)工作狀態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)加載力的高精度閉環(huán)控制；當加載力穩(wěn)定在本次設定值附近并處于誤差允許范圍后，控制系統(tǒng)維持加載力，同時測試系統(tǒng)對標準傳感器以及被測設備的輸出數(shù)據(jù)進行記錄和分析；重復加載和測試步驟，直至完成所有設定載荷下的測試；測試完成后，液壓加載機構(gòu)卸載，之后控制橫梁上升，設備回復初始狀態(tài)。

表2　力標準機檢測結(jié)果的相對擴展不確定度

3　測試系統(tǒng)軟件

力標準機的測試系統(tǒng)軟件，依據(jù)JJG 391-2009《稱重傳感器檢定規(guī)程》和JJG 144-2007《標準測力儀》編寫[9-10]，可采用“自動加載”和“手動加載”兩種控制方式，完成對傳感器的靈敏度、線性度、重復性的測試。此外，該軟件還可以進行傳感器、蠕變測試、計量校準等工作，并實時顯示過程曲線，如力值-時間、傳感器檢測特性曲線等。

4　測試數(shù)據(jù)

2012年5月經(jīng)中國計量科學研究院檢測，力標準機主要技術(shù)指標實際檢測結(jié)果如表1、2所示。（表1中要求列為JJG-2001《力標準機檢定規(guī)程》0.1級疊壓式力標準機性能參數(shù)要求值[11]）。

檢測數(shù)據(jù)表明，10 MN力標準機（1~11 MN）的各項指標均符合設計要求，且示值（力值）相對擴展不確定度均在0.10%以內(nèi)，其中2000～11000點均優(yōu)于±0.05%，各項指標均達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

5　結(jié)束語

研制的10 MN疊加式力標準機采用新的力值加載結(jié)構(gòu)和滿足稱重傳感器、標準測力儀的測試系統(tǒng)，保證了力標準機控制精度高、可靠性好，能夠滿足標準測力裝置及傳感器的自動檢定要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器的靈敏度、線性度、蠕變、疲勞等檢測，并自動分析計算和打印報告。經(jīng)過權(quán)威計量機構(gòu)檢測數(shù)據(jù)表明，研制的10 MN疊加式力標準機的力值準確度優(yōu)于0.05%。

參考文獻

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Preparation of 10 MN build-up force standard machine

HU Shao-cheng1，CHEN Qin2，LIU Yu-cheng3

（1. Hangzhou Tansite Instrument and Equipment Co.Ltd.，Hangzhou 311106，China；2. Zhejiang Test Academy of Quality and Technical Supervision，Hangzhou 310013，China；3. Zhejiang University，Hangzhou 310000，China）

Abstract:The working principle of 10 MN build-up force standard machine（BM）is introduced in the paper. Innovative designs have been done on crossbeam，loading system，control system and testing system；besides，new constructors to load force，and a testing system which meet the weighing sensor and force standard machine have been taken to ensure the accuracy of the whole system so that the 10 MN build-up force standard machine can be successfully manufactured. The performance of the 10 MN BM is measured. The testing results indicate that the indication repeatability is not bigger than 0.02%，force value error is between-0.05% and +0.05%，and the relative expanded uncertainty（k=2）is smaller than 0.1%.

Key words:build-up force standard machine（BM）；great force；indication repeatability；force value error；relative expanded uncertainty

收稿日期：2013-03-14；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.006

文章編號：1674-5124（2013）05-0024-04

文獻標志碼：A

中圖分類號：TP212.1+2；TB931；TM930.114；TP274.+2

作者簡介：胡紹誠（1951-），男，浙江杭州市人，高級工程師，主要從事力值計量基標準的研究。