便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀的研制

王全龍

(國營長虹機(jī)械廠，廣西桂林541003)

0 引言

便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀(以下簡稱校準(zhǔn)儀)，主要用于現(xiàn)場校準(zhǔn)某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)(以下簡稱試車臺(tái))上安裝的某型轉(zhuǎn)速表指示器，通過擴(kuò)展端口，也可以校準(zhǔn)各類電子式或機(jī)械軟軸驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)速表。

由于使用場合為外場環(huán)境，因此要求校準(zhǔn)儀輕便、易于攜帶、精度高、穩(wěn)定性好、使用操作簡單。

通過對試車臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備安裝的是某型轉(zhuǎn)速表指示器。由于試車臺(tái)箱體進(jìn)行了防拆卸處理，所有螺釘都涂抹了螺紋膠，且尺寸小，因此難以拆下轉(zhuǎn)速表指示器進(jìn)行校準(zhǔn)，需要在盡可能不拆卸被校儀表的情況下完成計(jì)量校準(zhǔn)工作，基于此本文研制了一種便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀。

1 設(shè)計(jì)方案

某型轉(zhuǎn)速表由指示器和傳感器兩部分組成。要校準(zhǔn)該轉(zhuǎn)速表指示器，必須有外力帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)，傳感器產(chǎn)生交流電驅(qū)動(dòng)指示器指針偏移到相應(yīng)位置。該轉(zhuǎn)速表指示器刻度范圍是1000～15000 r/min，但配套傳感器實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍是250～3750 r/min。要滿量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表指示器，帶動(dòng)傳感器的動(dòng)力裝置調(diào)速范圍必須覆蓋250～3750 r/min這段區(qū)間。

經(jīng)多方比較，決定采用稀土釹鐵硼印制繞組直流伺服電機(jī)作為校準(zhǔn)儀的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源。使用1.5 V直流電壓驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

設(shè)計(jì)校準(zhǔn)儀原理框圖如圖1所示。電機(jī)雙軸輸出。一端帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn)，用于校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表指示器，另一端帶動(dòng)機(jī)械軟軸或電子式傳感器，用于校準(zhǔn)其它類型的轉(zhuǎn)速表。

圖1 校準(zhǔn)儀原理框圖

2 校準(zhǔn)儀主要技術(shù)指標(biāo)的確定

2.1 準(zhǔn)確度的確定

通常測量標(biāo)準(zhǔn)的精度應(yīng)高于被檢表精度的4倍。根據(jù)被檢表即某型轉(zhuǎn)速表指示器誤差為0.6%，那么標(biāo)準(zhǔn)器誤差至多是0.6%/4=0.15%。

為便于后續(xù)的升級和功能擴(kuò)展，將標(biāo)準(zhǔn)器(即便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀)的轉(zhuǎn)速輸出端口準(zhǔn)確度提高一些，標(biāo)準(zhǔn)器誤差由0.15%定為0.1%(即1×10-3)。

2.2 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定

力矩電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)傳感器、機(jī)械軟軸或其它電子類傳感器。將傳感器置于平臺(tái)上，用測力儀測出輸出軸從靜止到剛剛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力矩為0.015 N·m。機(jī)械軟軸難以用彈簧秤直接測出，采用估算法，用手直接旋動(dòng)，力矩與傳感器相當(dāng)，不會(huì)超過0.02 N·m。電子類傳感器，均為非接觸式，力矩很小，可忽略不計(jì)。因此，校準(zhǔn)儀對力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求為0.035 N·m。綜合考慮，保證裕量，對力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求是大于0.2 N·m。

2.3 轉(zhuǎn)速范圍的確定

考慮到以后其它類型的轉(zhuǎn)速表的校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)儀轉(zhuǎn)速表上限定為5000 r/min，轉(zhuǎn)速范圍定為200～5000 r/min。

3 校準(zhǔn)儀部件選型

3.1 力矩電機(jī)的選擇

對力矩電機(jī)的要求是:調(diào)速范圍寬200～5000 r/min，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)力矩基本恒定，無啟動(dòng)死角，重量輕，響應(yīng)速度快，一般電機(jī)很難兼顧以上性能。

力矩電機(jī)的選擇是校準(zhǔn)儀制作難點(diǎn)之一(普通電機(jī)轉(zhuǎn)速一般只能達(dá)到3000 r/min)，一旦選定后，伺服驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)均以它的技術(shù)參數(shù)為準(zhǔn)進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，若選擇失誤，將重頭操作。通過多方比較，決定采用110SN-03型印制繞組直流伺服電機(jī)(稀土釹鐵硼)，該電機(jī)具有雙軸伸輸出，最高轉(zhuǎn)速大于5000 r/min，自帶測速機(jī)，便于進(jìn)行反饋控制。

3.2 控制系統(tǒng)的選擇

控制系統(tǒng)由電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、光電編碼盤、控制模塊組成。

電源模塊考慮到體積和重量，選用臺(tái)灣明緯公司的開關(guān)電源，輸入電壓180～260VAC，輸出為48 V/9.7 A，功率450 W，為伺服驅(qū)動(dòng)器和控制模塊供電。

伺服驅(qū)動(dòng)器選用ISF10DA60直流伺服驅(qū)動(dòng)器，用測速機(jī)反饋方式，與力矩電機(jī)形成內(nèi)環(huán)速度反饋［1］。

光電編碼器采用B-BXD-1-250。與力矩電機(jī)軸安裝簡單方便，輸出信號(hào)到控制模塊，形成外環(huán)反饋。

控制模塊采用新華龍C8051F410單片機(jī)。

3.3 輸入輸出單元的選擇

1)鍵盤輸入單元

鍵盤采用薄膜面板按鍵。4×4矩陣的鍵盤能夠滿足需要，鍵盤直接與C8051F410的P2口相連，通過單片機(jī)進(jìn)行鍵盤掃描。

2)顯示單元

顯示窗口共兩行，上行為輸出轉(zhuǎn)速顯示，有6位，能夠顯示到小數(shù)點(diǎn)后一位;下行為輸入轉(zhuǎn)速顯示，共有5位，最小顯示為1r/min。數(shù)碼管通過HC595驅(qū)動(dòng)。HC595采用串行接口傳送數(shù)據(jù)，級聯(lián)方便，PCB布線簡潔，占用單片機(jī)資源少。

4 控制系統(tǒng)工作原理簡述

本系統(tǒng)采用PI控制方式。PI控制以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PI控制技術(shù)最為方便［2-4］。

控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示:

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

由圖2可以看出，控制系統(tǒng)共有兩條反饋環(huán)路，內(nèi)環(huán)為測速機(jī)反饋環(huán)路，外環(huán)為光電編碼器反饋環(huán)路，兩條環(huán)路均采用PI控制形式。

測速機(jī)反饋環(huán)路，輸出誤差一般只能達(dá)到3×10-3，無法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)1×10-3，于是增加了第二條環(huán)路即光電編碼器反饋環(huán)路，雙環(huán)路共同作用可以達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。

主程序和中斷程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序和中斷程序流程圖

系統(tǒng)執(zhí)行主程序過程中，每隔40ms采集一次數(shù)據(jù)(執(zhí)行中斷程序)，通過PI處理后得到偏差修正量，經(jīng)控制模塊放大后到伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速。

整機(jī)設(shè)計(jì)完成后，需要對PI控制器參數(shù)進(jìn)行整定，以確定PI控制器的比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti的大小。參數(shù)整定也是校準(zhǔn)儀制作的難點(diǎn)之一，除了需要方法和經(jīng)驗(yàn)外，還要有耐心。經(jīng)過多次試驗(yàn)摸索，當(dāng)比例系數(shù)Kp=0.5、積分時(shí)間常數(shù)Ti=2.5時(shí)，具有最佳控制效果:力矩電機(jī)反應(yīng)靈敏，能夠快速到達(dá)設(shè)定轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速輸出精度滿足要求。

5 整機(jī)安裝調(diào)校

由于力矩電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高，為保證其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，需要將它和傳感器安裝在一塊專用平臺(tái)上。為減輕重量，采用7 mm厚的硬鋁板作為安裝平臺(tái)。

整機(jī)安裝調(diào)校的難點(diǎn)，是力矩電機(jī)和傳感器的同軸度問題。同軸度誤差超過允許值，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)引起電機(jī)或其它部件損壞。由于力矩電機(jī)與傳感器采用膠墊連接，對同軸度要求不是很苛刻，小于0.1 mm就可避免高速時(shí)發(fā)生震動(dòng)。

將力矩電機(jī)和傳感器簡單固定，在三坐標(biāo)測試儀平臺(tái)上細(xì)心調(diào)校，調(diào)校結(jié)果:同軸度誤差為0.08 mm。打上定位銷，擰緊固定螺絲。

校準(zhǔn)儀整體安裝完成后，上電測試，力矩電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小，響應(yīng)速度快，準(zhǔn)確度高。使用頻率計(jì)實(shí)測轉(zhuǎn)速輸出精度，在200～5000 r/min的量程范圍內(nèi)誤差均小于1×10-3，便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

整機(jī)重量10 kg左右，滿足輕捷便攜的設(shè)計(jì)要求。

6 校準(zhǔn)儀試用情況

校準(zhǔn)儀制作完成后，首先對某型轉(zhuǎn)速表指示器進(jìn)行了試校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，試車臺(tái)上所有電纜都與發(fā)動(dòng)機(jī)不相連，均處于斷開狀態(tài)，也就是說，在無需啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)。將校準(zhǔn)儀輸出線與試車臺(tái)相應(yīng)端子連接好，接通電源，從1000～15000 r/min逐點(diǎn)檢查，試車臺(tái)上的某型轉(zhuǎn)速表指示器指針偏轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無跳動(dòng)，誤差值均小于允許值，整個(gè)校準(zhǔn)過程只需5 min左右。

在對軟軸驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)速表進(jìn)行試校準(zhǔn)時(shí)，同樣無需啟動(dòng)地面發(fā)動(dòng)機(jī)，只需將被校表的軟軸拆下，擰上校準(zhǔn)儀配裝的軟軸，逐點(diǎn)校準(zhǔn)即可，一個(gè)人10 min可完成。而常規(guī)校準(zhǔn)方法需要地面發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常啟動(dòng)，用手持標(biāo)準(zhǔn)表對準(zhǔn)曲軸進(jìn)行校準(zhǔn)，整個(gè)過程至少需要2個(gè)人，一人負(fù)責(zé)校準(zhǔn)，另一人負(fù)責(zé)控制油門改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀的研制成功，極大地提高了工作效率，使得外場對轉(zhuǎn)速類儀表的校準(zhǔn)變得簡單方便和快捷。

［1］桂林風(fēng)得控科技有限公司.直流伺服驅(qū)動(dòng)器使用說明書［EB/OL］.http://product.ch.gongchang.com/d33521543.html.

［2］金奇，鄧志杰.PID控制原理及參數(shù)整定方法［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2008，22(5):91-94.

［3］中國人民解放軍總裝備部.GJB 5109-2004裝備計(jì)量保障通用要求檢測和校準(zhǔn)［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2004.

［4］馬忠梅，籍順心.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)，2003.