1 000 Nm參考式扭矩校準(zhǔn)裝置

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

近年來(lái)，伴隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及產(chǎn)品質(zhì)量的提升，一些物理參數(shù)在過(guò)程化控制中扮演著越來(lái)越重要的角色。隨著大量扭矩測(cè)量?jī)x的投入使用，扭矩這一參數(shù)的計(jì)量也越來(lái)越受到從業(yè)人員的重視。為了驗(yàn)證各種各樣扭矩測(cè)量?jī)x的準(zhǔn)確性和可靠性，上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院研制了一款參考式扭矩校準(zhǔn)裝置。

盡管參考式扭矩校準(zhǔn)裝置的構(gòu)造大同小異，但可以通過(guò)軟件的控制，使其操作更便捷，使用更簡(jiǎn)單，檢測(cè)過(guò)程更具效率。經(jīng)由多功能模塊輸出一個(gè)恒定的標(biāo)準(zhǔn)扭矩，結(jié)合PLC控制電路識(shí)別扭矩的加載狀態(tài)，并判斷是否對(duì)扭矩進(jìn)行加載或保持；同時(shí)，通過(guò)圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)對(duì)中功能，從而克服人工對(duì)中的困難和降低由此產(chǎn)生的不準(zhǔn)確性。

1 技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量范圍：50～1 000 Nm；不確定度：0.3%。

2 裝置的構(gòu)成

本裝置由主體框架和控制系統(tǒng)組成。

2.1 主體框架

裝置框架的主要部分如圖1所示。

為防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裝置變形，以及確保整體結(jié)構(gòu)的安全性和高強(qiáng)度，裝置的所有部分包括平臺(tái)、橫梁、導(dǎo)軌、立柱、絲杠和氣閥等，都應(yīng)經(jīng)過(guò)周密的設(shè)計(jì)計(jì)算和仔細(xì)的篩選。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括專用軟件、電腦、手動(dòng)編碼器、觸摸屏、多通道信號(hào)采集裝置、標(biāo)準(zhǔn)方形分度盤、工業(yè)攝像頭與PC攝像頭。其中，工業(yè)攝像頭與PC攝像頭用以控制圖像的計(jì)算。所有加載的過(guò)程和位置的計(jì)算都有專業(yè)的軟件自動(dòng)準(zhǔn)確地完成。運(yùn)用這套控制系統(tǒng)，裝置的操作過(guò)程變得更為方便有效。

圖1 裝置框架的主要部分

2.3 對(duì)扭矩信號(hào)的分析和處理

扭矩信號(hào)的分析和處理過(guò)程如圖2所示。

在額定的工作激勵(lì)電壓下，對(duì)應(yīng)變式扭矩傳感器施加一個(gè)額定的扭矩值，會(huì)輸出一個(gè)相應(yīng)的模擬信號(hào)，精密的A-D轉(zhuǎn)換器會(huì)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。高速信號(hào)采集卡和特殊的數(shù)據(jù)管理卡會(huì)采集信號(hào)并增強(qiáng)其分辨力，并通過(guò)特定的轉(zhuǎn)換和計(jì)算，將相應(yīng)的扭矩值傳達(dá)給控制系統(tǒng)。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理軟件會(huì)根據(jù)傳感器的線性進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和補(bǔ)償，并通過(guò)PID(比例積分微分法)強(qiáng)化對(duì)當(dāng)前輸出扭矩和設(shè)置扭矩值的比較計(jì)算。最終，通過(guò)交互協(xié)議直接反饋至加載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而達(dá)到持續(xù)加載直至目標(biāo)扭矩值。

圖2 扭矩信號(hào)的分析和處理過(guò)程

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 原理

裝置工作原理見(jiàn)圖3。

3.2 對(duì)中的圖像處理程序

結(jié)合安裝于測(cè)量軸系中的300萬(wàn)像素工業(yè)攝像頭、由LABVIEW編譯的軟件以及其他圖像處理技術(shù)，該裝置可以掃描標(biāo)準(zhǔn)方塊標(biāo)度盤（對(duì)中心配件）的位置，調(diào)整連接件的空間角度，繼而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)焦。由于加載夾頭與標(biāo)度盤的間隙僅有0.02 mm，并且系統(tǒng)有可能忽略因轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的軸傾角對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)將作為目標(biāo)的2×2 mm的方形區(qū)域等分成2 236×2 236個(gè)部分進(jìn)行控制，因此即使不作數(shù)據(jù)上的調(diào)整和人為操控，裝置仍可保持在1μm以下的極高的定位精度。

圖3 裝置工作原理

3.3 加載的高精度穩(wěn)定控制

為了保證扭矩的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)需要根據(jù)預(yù)設(shè)的扭矩值對(duì)加載和保持過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。對(duì)于扭矩衰減的有效控制是依賴高減速比的減速機(jī)以及帶自鎖功能的軸減速裝置，由計(jì)算機(jī)協(xié)議控制的傳感器在接近目標(biāo)值時(shí)會(huì)重復(fù)地進(jìn)行細(xì)微的反饋以確保設(shè)備不會(huì)因?yàn)閼T性的影響而出現(xiàn)過(guò)載的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本裝置是國(guó)內(nèi)首套完全適用于串接式扭矩計(jì)量設(shè)備校準(zhǔn)的裝置，尤其是它的對(duì)中技術(shù)在世界上具有創(chuàng)新性，能極大地提高測(cè)量和校準(zhǔn)的效率，值得在扭矩計(jì)量行業(yè)推廣。