1MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)技術(shù)改造

王燁宇 王壽安 李偉哲 談云峰 吳新華

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所七室，西安 710065)

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1MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)技術(shù)改造

王燁宇 王壽安 李偉哲 談云峰 吳新華

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所七室，西安 710065)

新型疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)由于設(shè)計(jì)制造時(shí)未能有效考慮計(jì)量工作的實(shí)際狀況,造成計(jì)量工作中的諸多不便，為使設(shè)備達(dá)到實(shí)際需求,經(jīng)過(guò)計(jì)量人員集體討論并結(jié)合各位專(zhuān)家建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備投入正常工作。

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；壓電陶瓷力發(fā)生裝置；傳力回形框架

0 引言

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是一種運(yùn)用了壓電陶瓷力發(fā)生裝置和微機(jī)控制技術(shù)的比對(duì)法測(cè)力設(shè)備。其特點(diǎn)是工作精度高、力值穩(wěn)定準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便和效率高、生產(chǎn)成本低等。但由于設(shè)計(jì)制造時(shí)未能充分考慮計(jì)量工作的實(shí)際需求，造成計(jì)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀安裝不方便，拉壓換向難操作，卸載時(shí)不能回零，安裝空間不足等缺陷。為此，計(jì)量部門(mén)通過(guò)多次方案論證、技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)高效、方便、穩(wěn)定的正常運(yùn)行。

1 工作原理

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是利用力源對(duì)串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀(傳感器)和被檢測(cè)力儀(傳感器)施加負(fù)荷，根據(jù)配套標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀來(lái)確定被檢測(cè)力儀的各項(xiàng)計(jì)量性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力裝置。由于作為承載和測(cè)力元件的測(cè)力儀受到的負(fù)荷是彈性力，所以在選用了足夠高精度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀之后，力源施力裝置能夠控制作用于傳感器上的微量位移能力決定著力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值計(jì)量精度和使用性能。

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力源施力裝置設(shè)計(jì)成由粗加載和精密加載兩個(gè)有機(jī)部分組成的系統(tǒng)，分別通過(guò)控制較大位移完成施加某級(jí)載荷的大部分任務(wù)和通過(guò)控制微量位移實(shí)現(xiàn)力值的精確控制。粗加載系統(tǒng)是采用普通機(jī)械或液壓傳動(dòng)方式產(chǎn)生位移對(duì)測(cè)力系統(tǒng)施加負(fù)荷的裝置，精密加載則由壓電陶瓷力發(fā)生裝置完成。壓電陶瓷力發(fā)生裝置是根據(jù)物理學(xué)中的逆壓電效應(yīng)原理，運(yùn)用壓電陶瓷材料，使用專(zhuān)門(mén)的工藝方法制作成的施力裝置。作為力值精密調(diào)節(jié)器，它與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀和被測(cè)測(cè)力儀一起串聯(lián)安裝于測(cè)力系統(tǒng)中。當(dāng)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作時(shí)，在施加粗負(fù)荷后，通過(guò)特殊研制的控制裝置控制施加于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場(chǎng)強(qiáng)度，改變它產(chǎn)生的微小變形量，從而達(dá)到精密控制調(diào)節(jié)力值的目的。控制裝置運(yùn)用微型計(jì)算機(jī)和微電子控制技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的輸出作為反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施加負(fù)荷和力值穩(wěn)定調(diào)節(jié)的閉環(huán)自動(dòng)控制和工作過(guò)程自動(dòng)化。由于壓電陶瓷力發(fā)生裝置可以產(chǎn)生易于控制的非常微小的位移量作用于測(cè)力系統(tǒng)中，通過(guò)微機(jī)自控技術(shù)精密跟蹤標(biāo)準(zhǔn)力值，實(shí)現(xiàn)了精確施加力值和長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定不變的目標(biāo)。同時(shí)，由于運(yùn)用上述先進(jìn)技術(shù)，簡(jiǎn)化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了工作過(guò)程自動(dòng)化，使設(shè)備工作精度、效率和可靠性大幅度提高，成本顯著降低，操作十分方便。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。

圖1 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)組成原理框圖

2 主體結(jié)構(gòu)

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可以分成四個(gè)組成部分，即主機(jī)、壓電陶瓷力發(fā)生裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)、工作儀表及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機(jī)包括機(jī)架(機(jī)器的結(jié)構(gòu)主體)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(用以實(shí)現(xiàn)粗加載的傳動(dòng)系統(tǒng))；微機(jī)控制系統(tǒng)即由計(jì)算機(jī)以及相關(guān)控制卡組成的控制系統(tǒng)；工作儀表包括配套標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀(標(biāo)準(zhǔn)傳感器和指示儀表)和被檢測(cè)力儀。

2.1 主機(jī)

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的主機(jī)是負(fù)荷的承受體和施力執(zhí)行裝置。標(biāo)準(zhǔn)的和被檢的測(cè)力儀正確地安裝于主機(jī)上之后，由微機(jī)控制系統(tǒng)控制施力執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，以完成測(cè)力試驗(yàn)任務(wù)。主機(jī)的機(jī)架必須在規(guī)定的負(fù)荷范圍內(nèi)能夠保證測(cè)力儀的正確受力作用位置，以保證測(cè)量精度。

主機(jī)中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)粗加載過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 壓電陶瓷力發(fā)生裝置

壓電陶瓷力發(fā)生裝置是疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值加載核心部件。

壓電陶瓷力發(fā)生裝置作為力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中的精密加載部分，用以執(zhí)行控制器的精細(xì)力值調(diào)節(jié)信號(hào)，完成力值的高精度快速跟蹤穩(wěn)定。該裝置是建立在逆壓電效應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的。它是一個(gè)整體封閉式獨(dú)立器件，一般來(lái)說(shuō)，其基本外形尺寸大小與相應(yīng)載荷級(jí)別的柱式負(fù)荷傳感器相比，軸向尺寸小一些，但為安裝需要，徑向尺寸稍大。壓電陶瓷力發(fā)生裝置的使用，通常與標(biāo)準(zhǔn)傳感器串接在一起,避免經(jīng)常拆卸，防止碰撞。

2.3 控制器(微機(jī)控制系統(tǒng))

控制器亦即微機(jī)控制系統(tǒng)，它是力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作的控制中心。機(jī)器的工作過(guò)程由它按照預(yù)先編制好的程序和參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)，并完成數(shù)據(jù)處理。微機(jī)控制系統(tǒng)的主要部分是伺服電機(jī)控制卡以及A/D轉(zhuǎn)換卡。伺服電機(jī)控制卡主要是通過(guò)微機(jī)編程控制，完成伺服電機(jī)的控制；A/D轉(zhuǎn)換卡通過(guò)微機(jī)編程控制輸出電壓，進(jìn)而控制作用于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場(chǎng)強(qiáng)度大小，改變其產(chǎn)生的變形量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力值的精密跟蹤控制。

2.4 工作儀表

工作儀表是用來(lái)測(cè)量力值大小和力機(jī)工作狀態(tài)的傳感器和指示儀表。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作儀表包括配套的標(biāo)準(zhǔn)儀表和被檢儀表。標(biāo)準(zhǔn)儀表的性能精度決定了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作測(cè)量精度,包括力值的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

2.5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

微機(jī)控制軟件按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和格式自動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存貯和打印。具有方便、直觀、準(zhǔn)確、快速、標(biāo)準(zhǔn)和便于存貯的數(shù)據(jù)處理效果。

3 1MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)原工作狀態(tài)

3.1 改造前現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

改造前力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。1MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行初次安裝和調(diào)試。通過(guò)1MN拉壓雙向加載,發(fā)現(xiàn)拉壓雙向方式轉(zhuǎn)換和傳感器安裝夾具設(shè)計(jì)存在不足,不能滿足實(shí)際檢定工作要求,具體存在以下5個(gè)問(wèn)題:

圖2 1MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖(改造前)

1)拉壓方式轉(zhuǎn)換操作不可行，裝卸夾具時(shí)間長(zhǎng)，效率低，不安全，主要表現(xiàn)為要經(jīng)常裝卸約50kg的壓電陶瓷和反向器部件，在移動(dòng)橫梁上下反復(fù)安裝,一方面帶來(lái)設(shè)備精度難以保證(壓電陶瓷應(yīng)固定不變),另一方面裝卸難度大，耗時(shí)長(zhǎng)(約需近2h)，安裝部位偏高，人工托舉不安全；

2)拉向方式傳感器安裝夾具不符合要求，拉向傳感器安裝夾具為拉耳硬連接,檢定中卸載時(shí)傳感器仍有受力不能回零,有效零點(diǎn)值不能檢出(指?jìng)鞲衅鞑皇苋魏瓮饬r(shí)的輸出值),不符合檢定規(guī)程要求；

3)壓向方式傳感器安裝位置偏高難以裝卸，壓向時(shí)被檢傳感器安裝位置較高(2m以上),又要與標(biāo)準(zhǔn)傳感器直接疊加安裝,同心不好，受力易偏心，同時(shí)還由于20t以上傳感器單只重量都在20～30kg左右,受四周邊框限制空間有限,人工托舉難以完成裝卸工作；

4)夾具擺動(dòng)大,活動(dòng)部位多,難以保持垂直和同心,易產(chǎn)生分力影響精度；

5)拉壓雙向工作空間不足,不滿足1MN以下的所有級(jí)別傳感器安裝要求。

由于存在以上嚴(yán)重問(wèn)題，造成該設(shè)備無(wú)法正常投入使用。

3.2改造原則

針對(duì)存在的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)計(jì)量及技術(shù)人員充分溝通和深入分析,并結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，主要改造臺(tái)面以上拉壓加載方式及傳感器安裝夾具機(jī)械部分(保留絲桿、動(dòng)橫梁)：1)拉壓換向操作力求簡(jiǎn)單、快捷、安全，無(wú)論是拉向還是壓向試驗(yàn)，不拆裝任何笨重的機(jī)構(gòu)，一般應(yīng)能使兩人完成全部操作；2)拉向安裝夾具應(yīng)能使傳感器在檢定中卸載時(shí)回零；3)應(yīng)做到壓電陶瓷、標(biāo)準(zhǔn)傳感器相對(duì)固定,活動(dòng)部位最少；4)擴(kuò)展空間,滿足拉、壓雙向1MN傳感器檢定工作空間需要；5)為保證設(shè)備的準(zhǔn)確度，改造部分需精心設(shè)計(jì)與加工,同時(shí)應(yīng)能方便調(diào)整臺(tái)體水平以及加載機(jī)構(gòu)的垂直和同心。

3.3 主要難點(diǎn)

空間不足解決方法：因受原有結(jié)構(gòu)高度限制，拉、壓雙向工作空間本來(lái)不足，如按上述要求進(jìn)行改造，就要增加反向架，必須尋求擴(kuò)展空間的方法。

拉向夾具解決方案：首先要滿足檢定中卸載時(shí)回零要求，又要拆裝簡(jiǎn)單方便，必須尋求好的解決方案。

4 改造方案簡(jiǎn)介

1)重新設(shè)計(jì)傳力回形框架并增加手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，臺(tái)面上增加反向固定架，將壓電陶瓷部件和標(biāo)準(zhǔn)傳感器固定安裝在移動(dòng)加載橫梁上面，通過(guò)定位球與回形框架連接。拉壓雙向檢定工作時(shí)傳感器均安裝在下方，這樣在低位進(jìn)行裝卸操作，既方便又安全；這樣的布局無(wú)論拉或壓向工作時(shí)移動(dòng)橫梁均向上移動(dòng),壓電陶瓷部件和標(biāo)準(zhǔn)傳感器均受壓力，而壓向工作方式時(shí)只有一個(gè)活動(dòng)點(diǎn),確保了系統(tǒng)穩(wěn)定。

2)在回形框架上方增加的手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，可以使拉壓雙向工作空間互換約250mm，有效地解決了縱向工作空間不足問(wèn)題。

3)拉向工作方式時(shí),在臺(tái)面中間設(shè)計(jì)安裝有固定螺桿,被測(cè)傳感器上端通過(guò)回形框架下橫梁中間的螺桿(下端接觸面設(shè)計(jì)為凹球面)與球連接；在拉向受力時(shí)通過(guò)球與標(biāo)準(zhǔn)傳感器設(shè)計(jì)為凹球面的接頭實(shí)現(xiàn)對(duì)中，確保計(jì)量時(shí)被測(cè)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器保持垂直同心；卸載時(shí)球面處脫開(kāi),被試傳感器可以實(shí)現(xiàn)回零。

4)將固定反向架偏置45°安裝，給被測(cè)傳感器留出較大橫向空間，方便了裝卸操作。

5)在回形框架上方手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置側(cè)面設(shè)計(jì)安裝有兩個(gè)耳架，通過(guò)臺(tái)架上兩個(gè)支桿，配合移動(dòng)橫梁和手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作，將標(biāo)準(zhǔn)傳感器與回形框架脫開(kāi)，可方便地拆裝標(biāo)準(zhǔn)傳感器或不用時(shí)為保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器能使其處于空載狀態(tài)。

以上改造實(shí)施后，該疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)能夠滿足計(jì)量工作的實(shí)際需要,并順利通過(guò)首次檢定。改造后的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 1MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖(改造后)

5 后續(xù)改造

1)壓帽傾斜造成穩(wěn)定性超差，改為螺紋連接后消除影響；2)回型框架支承柱改長(zhǎng)，解決了傳感器安裝空間受限因素；3)軟件修改保證檢定證書(shū)的一致性，并符合計(jì)量人員的操作習(xí)慣；4)增加動(dòng)橫梁限位裝置，保證拉壓換向時(shí)橫梁運(yùn)行安全可靠。

經(jīng)過(guò)以上技改，疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,準(zhǔn)確度符合設(shè)計(jì)要求,且已穩(wěn)定運(yùn)行一年半。

[1] 洪寶林.力學(xué)計(jì)量.原子能出版社，2002

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[3] 蔣雯.設(shè)計(jì)理念—觀念引導(dǎo)設(shè)計(jì).機(jī)電工程技術(shù)，2012(9)

[4] 張智敏,張躍,周宏,張學(xué)成,吳鯤,胡剛.全自動(dòng)1MN靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī).計(jì)量學(xué)報(bào),2008(1)

[5] 石雪松.論力值計(jì)量的實(shí)時(shí)集成自動(dòng)化系統(tǒng).計(jì)量技術(shù),2001(6)[6] 丁躍清,王剛,趙萬(wàn)星,曹進(jìn),王東,周濤,童其強(qiáng).基于兩級(jí)液壓動(dòng)力系統(tǒng)的2MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的設(shè)計(jì),計(jì)量技術(shù),2008(4)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.12