高精度微扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)試儀

王麗芳+黃星+程磊

摘 要：在很多相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中，高精度微扭矩的測(cè)試，都是一項(xiàng)十分重要的工作。在這一過(guò)程中，需要對(duì)高精度微扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)試儀進(jìn)行應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，高精度、非接觸式的為扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)試儀，其關(guān)鍵性的技術(shù)主要包括了非接觸微力制動(dòng)、微力自動(dòng)加載等技術(shù)?；诖耍疚闹饕治隽诉@兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)儀器準(zhǔn)確分析和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞： 高精度；微扭矩；動(dòng)態(tài)；測(cè)試儀

前言：在微操作系統(tǒng)、微機(jī)械等領(lǐng)域當(dāng)中，微驅(qū)動(dòng)器是一項(xiàng)較為前沿的研究?jī)?nèi)容。在微驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中，輸出扭矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，是一項(xiàng)重要的機(jī)電參數(shù)。由于結(jié)構(gòu)尺寸很小，因而通常只能采取計(jì)算的方法，對(duì)微驅(qū)動(dòng)器的扭矩進(jìn)行獲取。以往接觸的間接方法進(jìn)行測(cè)試，只能夠?qū)?0-5Nm以上的輸出扭矩進(jìn)行測(cè)量。對(duì)此，可以利用高精度、微扭矩的動(dòng)態(tài)測(cè)試儀，對(duì)微驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，能夠提高測(cè)量精度和測(cè)量準(zhǔn)度。

1 測(cè)量原理

在測(cè)試裝置當(dāng)中，主要包括了計(jì)算機(jī)控制部分，測(cè)速光電管，微力自動(dòng)加載線(xiàn)圈，對(duì)天平平衡進(jìn)行控制，天平，勵(lì)磁線(xiàn)圈、制動(dòng)磁極等非接觸制動(dòng)組件，以及微驅(qū)動(dòng)器輸出軸中安裝的薄鋁盤(pán)等部分構(gòu)成。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，勵(lì)磁線(xiàn)圈中有電流流經(jīng)，在兩個(gè)制動(dòng)磁極的縫隙當(dāng)中，會(huì)有一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)產(chǎn)生。在被測(cè)微驅(qū)動(dòng)器的帶動(dòng)之下，鋁盤(pán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在磁場(chǎng)中，其邊緣對(duì)磁力線(xiàn)造成切割，因而由渦電流產(chǎn)生于其內(nèi)部。在磁場(chǎng)的作用下，渦電流會(huì)對(duì)鋁盤(pán)產(chǎn)生力的作用，與其運(yùn)動(dòng)方向是相反的[1]。

同時(shí)，在制動(dòng)磁極當(dāng)中，也具有方向相反、大小相同的力，對(duì)其產(chǎn)生反作用。對(duì)天平右端的砝碼數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓天平恢復(fù)到平衡的狀態(tài)。利用這一方法，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出反作用力的大小。這一反作用力，和制動(dòng)磁極與微驅(qū)動(dòng)器軸心距離的乘積，就是在該轉(zhuǎn)速之下，微驅(qū)動(dòng)器的輸出扭矩值。對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈當(dāng)中的電流大小進(jìn)行改變，也會(huì)同時(shí)概念微驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。因此，能夠?qū)ξⅡ?qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速、扭矩之間變化的關(guān)系，進(jìn)行明確。

2 非接觸式微力制動(dòng)

在非接觸式微力制動(dòng)中，主要包括直流勵(lì)磁制動(dòng)、罩極制動(dòng)等方法。其中，直流勵(lì)磁制動(dòng)，主要在轉(zhuǎn)速達(dá)到150rpm以上的微驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用。不過(guò)，在磁極飽和中，具有一定的限制，會(huì)對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈中安培匝數(shù)的最大值進(jìn)行限制。在鋁盤(pán)的磁路磁阻、磁極端面寬度之間，具有相互限制的關(guān)系，所以，如果微驅(qū)動(dòng)器處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，制動(dòng)磁極無(wú)法對(duì)充足的制動(dòng)力進(jìn)行提供，無(wú)法降低微驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速[2]。對(duì)此，可以對(duì)罩極制動(dòng)方法進(jìn)行使用。當(dāng)微驅(qū)動(dòng)器處于低轉(zhuǎn)速或零轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，對(duì)于輸出力矩的測(cè)量，可以在鋁盤(pán)邊緣，設(shè)置具有與其旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可以使用相應(yīng)的罩極磁極結(jié)構(gòu)，對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)生。

在磁極端部1/3的位置，進(jìn)行開(kāi)槽，使用短路環(huán)，保衛(wèi)小部分磁極，直流電流通過(guò)勵(lì)磁線(xiàn)圈，主磁通與短路環(huán)覆蓋磁極，會(huì)有相應(yīng)磁通產(chǎn)生。在低轉(zhuǎn)速的微驅(qū)動(dòng)器中，對(duì)相應(yīng)頻率跛行的交流電通入勵(lì)磁線(xiàn)圈，在短路環(huán)的影響下，產(chǎn)生的磁通大小，將會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)在相位上，與主磁通相比，或產(chǎn)生一定角度的落后。同時(shí)，在空間上，也會(huì)和主磁通產(chǎn)生微小夾角。兩個(gè)磁通合成矢量，隨著電流方向，會(huì)做橢圓運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生。

3 微力自動(dòng)加載技術(shù)

在測(cè)量中，要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的高精度測(cè)量，可使用通電線(xiàn)圈，在天平右端，對(duì)砝碼進(jìn)行替代。在天平底板固定一個(gè)線(xiàn)圈，在天平右端懸掛另一個(gè)線(xiàn)圈。在兩個(gè)線(xiàn)圈之間接通電流，使其產(chǎn)生排斥、吸引的力。線(xiàn)圈通電會(huì)發(fā)熱，因而在電壓控制中，會(huì)得到線(xiàn)性度不佳的結(jié)果。而在電流控制中，在一定范圍之內(nèi)，控制輸入電壓、排斥力、吸引力，線(xiàn)性度能夠達(dá)到較好的狀態(tài)，從而對(duì)精度要求加以滿(mǎn)足。

為了對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行確保，通常對(duì)自動(dòng)加載的方法，只應(yīng)用在0.01mg-10mg之間。對(duì)于加載10mg以上的情況，還是需要對(duì)傳統(tǒng)的砝碼進(jìn)行使用。在線(xiàn)圈不通電的時(shí)候，對(duì)天平的平衡進(jìn)行調(diào)整，將10mg的砝碼加在天平的左端。并對(duì)右邊的線(xiàn)圈進(jìn)行通電，在電流控制中，對(duì)電壓大小進(jìn)行控制，保持在線(xiàn)性范圍中的某一位置。對(duì)天平底板中固定線(xiàn)圈的上下為之進(jìn)行調(diào)節(jié)，使天平達(dá)到平衡狀態(tài)，從而進(jìn)行定標(biāo)。

4 測(cè)量靈敏度與精度

對(duì)于被測(cè)扭矩，可以利用公式M=FL進(jìn)行表達(dá)。其中，L為制定半徑，在取一個(gè)確定值的情況下，天平的分辨率，會(huì)對(duì)測(cè)量的靈敏度產(chǎn)生直接的作用。在高精度微扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)試儀中，具有0.01mg的天平分辨率，將半徑設(shè)定為20mm，通過(guò)計(jì)算能夠得出，最低的測(cè)量靈敏度可達(dá)到2×10-9Nm。在測(cè)量當(dāng)中，通常難以準(zhǔn)確的確定磁極中心的位置。因此，對(duì)于半徑L的測(cè)量精度，如果使用簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，通常難以進(jìn)行確保。

對(duì)此，可以在勵(lì)磁線(xiàn)圈中，對(duì)一定的電流進(jìn)行接通，設(shè)定制動(dòng)半徑為L(zhǎng)1，對(duì)轉(zhuǎn)速n、制動(dòng)力F1進(jìn)行記錄[3]。然后，向磁極方向，對(duì)鋁盤(pán)進(jìn)行移動(dòng)，將移動(dòng)距離設(shè)定為△L。逐漸對(duì)勵(lì)磁線(xiàn)圈中的電流大小進(jìn)行調(diào)整，使微驅(qū)動(dòng)器重新達(dá)到n的轉(zhuǎn)速。對(duì)于儀器相對(duì)測(cè)量精度來(lái)說(shuō)，測(cè)量扭矩?cái)?shù)值，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。例如，假設(shè)測(cè)量的為扭矩值為10-5Nm，同時(shí)將制動(dòng)半徑假設(shè)為20mm，則制動(dòng)力F的數(shù)值為50mg，由此能夠得出，一期相對(duì)測(cè)量誤差為0.045%。而如果取10-6Nm、10-7Nm，能夠計(jì)算出相對(duì)測(cè)量誤差分別在0.47%、4.5%。

結(jié)論：微扭矩動(dòng)態(tài)測(cè)試儀，具有較高的測(cè)量精度，能夠?qū)Ω黝?lèi)微驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩進(jìn)行測(cè)量。最低靈敏度能夠達(dá)到2×10-9Nm，在測(cè)量范圍內(nèi)，具有對(duì)微驅(qū)動(dòng)器影響小，制動(dòng)平穩(wěn)，測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中，能夠?qū)Ω呔?、微扭矩的測(cè)量要求進(jìn)行充分的滿(mǎn)足，從而取得更好的測(cè)量效果。■

參考文獻(xiàn)

[1]熊俊， 劉成杰. 靜態(tài)扭矩測(cè)試儀計(jì)量氣動(dòng)扭矩扳子的分析[J]. 中國(guó)測(cè)試， 2010， 36（6）：49-52.

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