力值檢定智能控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計

鄧 彥，吳 彥，朱國璋，神偉銘（廣東省計量科學(xué)研究院，廣東廣州510405）

力值檢定智能控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計

鄧 彥，吳 彥，朱國璋，神偉銘（廣東省計量科學(xué)研究院，廣東廣州510405）

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，各行各業(yè)都朝著信息化、自動化的方向發(fā)展，通過各種技術(shù)改造不斷提高自身的效率和技術(shù)水平。推拉力計、扭矩表和扭矩儀都是被廣泛被用于社會生產(chǎn)的計量工具。計量部門可以設(shè)計一套智能控制系統(tǒng)，通過智能控制模塊和圖像識別技術(shù)實現(xiàn)機(jī)械裝置加載和數(shù)據(jù)讀取自動化，以提高檢定效率，提升檢定水平。

力值；扭矩；智能控制系統(tǒng)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，各行各業(yè)都朝著信息化、自動化的方向發(fā)展，通過各種技術(shù)改造不斷提高自身的效率和技術(shù)水平。推拉力計、扭矩表和扭矩儀等儀器作為一種通用型力值測量工具被廣泛地運(yùn)用于各行各業(yè)。而對于計量檢定和校準(zhǔn)行業(yè)來講，推拉力計、扭矩表和扭矩儀也是傳統(tǒng)計量檢定項目，每年有大量的檢定工作量。研究如何提高計量工作的檢定效率和安全性就顯得十分必要了。

目前在檢定工作測力儀時，大部分實驗室主要采取的是掛砝碼和壓砝碼的方式進(jìn)行檢定，有時也用電動升降臺作為輔助工具檢定。在檢定扭矩表和扭矩儀的時候，大部分實驗室也采取的是杠桿掛砝碼的方式檢定或是利用手動和電動的加扭矩裝置檢定。在檢定過程中耗費大量人力，缺乏安全性，非常容易出現(xiàn)砝碼脫落或傾倒的現(xiàn)象，檢定效率很低。

為了提高檢定效率，減輕檢定過程中的工作強(qiáng)度，提高檢定過程中的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性，有必要設(shè)計一套智能控制系統(tǒng)用于檢定工作。本文通過對推拉力計、扭矩表和扭矩儀等儀器的檢定過程的研究，利用智能控制技術(shù)設(shè)計一套全自動控制系統(tǒng)來操控整個力值和扭矩的檢定流程，最終輸出檢定數(shù)據(jù)，實現(xiàn)檢測過程的智能化、自動化。

2 檢定過程的研究

2.1 力值計量的發(fā)展現(xiàn)狀

力值計量標(biāo)準(zhǔn)分為兩大類：①產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力值的，用于檢定、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測力儀或力傳感器的力標(biāo)準(zhǔn)裝置，稱之為力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常有四種類型：靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。②用于檢定、校準(zhǔn)、比對傳遞力值的標(biāo)準(zhǔn)器，稱之為標(biāo)準(zhǔn)測力儀。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的力學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)也實現(xiàn)了不斷地發(fā)展與完善。信息處理技術(shù)、智能控制理論以及圖形技術(shù)等也應(yīng)用到了實際的力學(xué)計量中。[1]

2.2 推拉力計的檢定

推拉力計的檢定是依據(jù)JJG455-2000工作測力儀檢定規(guī)程來進(jìn)行的。根據(jù)檢定規(guī)程的要求需要對回零誤差或最大零點方位偏差、分度數(shù)和相對分辨率、測力儀示值檢定（示值誤差、重復(fù)性、滯后）等項目進(jìn)行檢定。而對力標(biāo)準(zhǔn)器的要求是根據(jù)測力儀的規(guī)格分別選用相應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)測力砝碼、標(biāo)準(zhǔn)測力儀、標(biāo)準(zhǔn)測力杠桿，材料試驗機(jī)或力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作為檢定測力儀的力標(biāo)準(zhǔn)器。力標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度級別至少應(yīng)優(yōu)于被檢測力儀準(zhǔn)確度級別的3倍[2]。其中規(guī)程還有對加利條件的要求：

（1）測力儀檢定前按說明書要求進(jìn)行準(zhǔn)備。

（2）測力儀的安裝應(yīng)保證其受力軸線與力標(biāo)準(zhǔn)器加力軸線相重合。

（3）壓向測力儀上、下承壓墊應(yīng)具有足夠的剛度，上承壓墊的球面靈活光滑，下承壓墊具有定位功能。

（4）拉向測力儀的兩端使用環(huán)、鉸聯(lián)接件，應(yīng)靈活可靠。[2]

根據(jù)對力標(biāo)準(zhǔn)器的分析，如果選用準(zhǔn)確度級別合適的力值傳感器借助類似材料試驗機(jī)的電動加力機(jī)構(gòu)來檢定推拉力計，可以通過設(shè)計軟件控制的智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)檢定過程的全自動控制，以提高檢定效率。

2.3 扭矩表和扭矩儀檢定過程的研究

2.3.1 扭矩測量的發(fā)展現(xiàn)狀

在生產(chǎn)和科研中，對機(jī)械設(shè)備扭矩的測量已經(jīng)越來越重要，通過對扭矩的測量可以對機(jī)械設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計取得重要的現(xiàn)場參數(shù)，為改進(jìn)設(shè)計取得全面的一手資料。其對生產(chǎn)及科研具有相當(dāng)?shù)闹匾饬x。目前，扭矩測量儀大致可分為以下幾種：應(yīng)變扭矩測量儀，相位差扭矩測量儀，振弦式、電容式、磁彈性式測量儀。由于各種扭矩測量儀的測試方式不同，使得其應(yīng)用范圍不同。扭矩測量技術(shù)的發(fā)展取決于傳感器、信號傳輸和測量儀的研究。扭矩測量儀的智能化、微機(jī)化是當(dāng)今測量儀變革的主流，單片微機(jī)和軟件的開發(fā)應(yīng)用已使信號的檢測、采集、比較、相關(guān)、數(shù)字濾波、域間變換、邏輯和函數(shù)運(yùn)算、程序給定和反饋控制等功能由儀器本身來實現(xiàn)成為可能。軟件擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的性能限制，并使儀器具有智能化。既能適應(yīng)被測參數(shù)的變化來自選量程、自動補(bǔ)償、自動校正、人機(jī)對話、自尋故障，并能方便的與總線接口，進(jìn)行多臺聯(lián)機(jī)通信及控制。

2.3.2 扭矩表和扭矩儀的檢定

扭矩儀的檢定是依據(jù)JJG557-2011標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定規(guī)程來進(jìn)行的。根據(jù)檢定規(guī)程的要求需要對回零差、重復(fù)性、扭矩儀示值檢定（示值誤差、方向誤差、進(jìn)程誤差、內(nèi)插誤差）等項目進(jìn)行檢定。而對扭矩標(biāo)準(zhǔn)器的要求是檢定各個級別扭矩儀的扭矩基（標(biāo)）準(zhǔn)機(jī)或加荷裝置的扭矩值擴(kuò)展不確定度原則上應(yīng)優(yōu)于被檢扭矩儀長期穩(wěn)定度或示值誤差指標(biāo)的1/3[3]。

根據(jù)對扭矩標(biāo)準(zhǔn)器的研究，可以使用準(zhǔn)確度級別合適的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器，設(shè)計制造一套電動加扭矩裝置用于扭矩儀的檢定。軟件控制的智能控制系統(tǒng)能實現(xiàn)檢定過程的全自動控制，以提高檢定效率。

2.4 檢定加載裝置的研究

目前檢定推拉力計的標(biāo)準(zhǔn)器也有使用材料試驗機(jī)對被檢儀器施加拉力或壓力。如圖1所示，推拉力計安裝在材料試驗機(jī)的橫梁上。同時將高準(zhǔn)確度級別的標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器與被測儀器相連。這樣通過向上或向下移動試驗機(jī)橫梁就能對被測儀器施加載荷進(jìn)行檢定。目前材料試驗機(jī)可以通過軟件控制實現(xiàn)對試驗過程的編程。

檢定扭矩儀的標(biāo)準(zhǔn)器較多采用的是標(biāo)準(zhǔn)杠桿懸掛砝碼的方法來進(jìn)行檢定，如圖2所示。對于扳手類帶表的扭矩儀的檢定，采用的是標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀作為標(biāo)準(zhǔn)器。如圖3所示。

通過分析我們?nèi)粘z定過程中遇到的被檢推拉力計和扭矩儀的類型，我們可以設(shè)計一臺同時可用于檢定推拉力計和扭矩儀的多功能機(jī)械裝置。結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該裝置由工控機(jī)控制伺服電機(jī)給被檢儀器施加拉壓力或扭矩。裝置必須有能安裝各種類型的推拉力計和扭矩儀的多功能夾具。該裝置可以通過控制面板直接控制運(yùn)行，也可以通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)全自動檢定。

圖1 材料試驗機(jī)檢定推拉力計圖

圖2 用標(biāo)準(zhǔn)杠桿懸掛砝碼檢定扭矩儀圖

圖3 用標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定扭矩儀圖

圖4 檢定加載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

檢定裝置的運(yùn)行流程圖如圖5。

圖5 裝置運(yùn)行流程圖

3 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能控制系統(tǒng)由軟件部分和工控機(jī)兩部分構(gòu)成。軟件部分在電腦端WINOWS系統(tǒng)下運(yùn)行。主要功能是試驗參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行指令發(fā)出和收集、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算和輸出、試驗數(shù)據(jù)圖片、圖像的顯示、圖表和報表的生成。工控機(jī)在檢定裝置端運(yùn)行。主要功能是接收和反饋指令、數(shù)據(jù)輸出、電機(jī)控制、警報發(fā)出等。智能控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計如圖6。

圖6 智能控制系統(tǒng)加載試驗機(jī)部分原理圖

3.2 智能控制系統(tǒng)的流程設(shè)計

智能控制系統(tǒng)的流程設(shè)計主要是依據(jù)推拉力計和扭矩儀的檢定規(guī)程規(guī)定的檢定過程。其中加入對試驗實時數(shù)據(jù)的判斷實現(xiàn)對檢定過程的智能控制。流程圖如圖7所示。

圖7 智能控制流程圖

3.3 智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為三個部分。軟件界面設(shè)計、控制軟件設(shè)計、圖像識別及數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件設(shè)計。

（1）軟件界面設(shè)計效果圖如圖8所示。

圖8 軟件界面設(shè)計效果圖

（2）控制軟件部分是通過C#語言來編寫。通過軟件界面人工設(shè)置試驗方案，例如儀器量程、試驗循環(huán)次數(shù)、檢定點、保護(hù)值等。然后將這些試驗設(shè)定值寫入TXT文件，并將該文件與工控機(jī)進(jìn)行實時交換。工控機(jī)將指令執(zhí)行情況、試驗實時數(shù)據(jù)也通過TXT文件與軟件進(jìn)行交換[4]。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計是基于凌華科技的PCI-9524數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字濾波電路構(gòu)建扭矩信號采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由待測量、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)等組成。凌華PCI-9524數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置24位高分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器，并可提供2.5V或10V兩種激勵電壓的選擇，整合自動歸零、遠(yuǎn)程感測以及數(shù)字濾波技術(shù)，可達(dá)到200000 counts以上的精確度和穩(wěn)定性。為滿足基于力值傳感器的材料測量機(jī)（MTS）的復(fù)雜的精密測量及控制需求，其同時提供六大功能，包含4通道24位高精度稱重傳感器輸入、4通道24位通用模擬量輸入、3軸馬達(dá)編碼器輸入、3通道PWM輸出、16通道帶隔離數(shù)字輸出入與2通道16位模擬輸出，可提供完整的高精度測量、伺服控制及運(yùn)動控制的整合接口。

（4）在試驗過程中，軟件在指定時間通過攝像頭捕捉試驗數(shù)據(jù)圖片。圖像識別部分可以采用LabVIEW的NI視覺開發(fā)模塊圖片識別技術(shù)對試驗數(shù)據(jù)圖片進(jìn)行識別[5]，輸出數(shù)據(jù)值。軟件系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)對試驗過程進(jìn)行監(jiān)控并做出判斷，最終在報表中輸出試驗數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文對推拉力計和扭矩表、扭矩儀的檢定過程進(jìn)行了分析和研究，找出了實現(xiàn)力值檢定智能控制系統(tǒng)的方法，并對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。通過分析和研究得出，如果力值檢定智能控制系統(tǒng)被運(yùn)用于對推拉力計和扭矩表、扭矩儀的檢定，就能實現(xiàn)檢定的自動化。對于提高日常設(shè)備的檢定效率，保障檢定質(zhì)量，防止人為誤差，降低標(biāo)準(zhǔn)器成本和人工成本等均具有重要意義，同時也為計量檢定實現(xiàn)自動化的研究邁出了堅實的一步。

[1]孫衛(wèi)東.力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀探析[J].科技傳播，2014（16）.

[2]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.《工作測力儀檢定規(guī)程》（JJG455-2000）[S].北京：中國計量出版社，2000.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.《標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀計量檢定規(guī)》（JJG557-2011）[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[4]陳 瑞.可編程控制器與工控機(jī)通信技術(shù)的研究[J].電氣自動化，2002（5）：19.

[5]闞鈺淇，張 寧，徐熙平.LabVIEW平臺下USB圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（6）：82～84.

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2095-2066（2016）05-0060-03

2016-1-10