基于位移和力值組合的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼加卸載控制方法研究

李時(shí)鑫 王 鵬 鄭 輝 魏樹龍 李海根 梁 偉

(1.天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192;2.紹興市肯特機(jī)械電子有限公司，紹興 312300；3.福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福州 350003)

1 引 言

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是通過實(shí)物(砝碼)形式復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值的力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，因其準(zhǔn)確度高、長期穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速鐵路、國防武器等尖端裝備力值測量傳感器的校準(zhǔn)[1]。

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的砝碼加載方式有三種：砝碼連帶式、機(jī)械拉桿式和獨(dú)立砝碼加卸載式。前兩種基本都是通過某些力傳感器的量程和力值測量點(diǎn)，預(yù)先設(shè)定好砝碼的組合，并自上而下串聯(lián)在一起。工作時(shí)，通過升降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一組砝碼一個(gè)量程或多組砝碼多個(gè)量程的逐級(jí)加載。然而，這種靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是針對(duì)特定的某些量程型號(hào)的力傳感器校準(zhǔn)，隨著科技的發(fā)展，力傳感器的種類和量程越來越多，需要測量的力值點(diǎn)越來越多，這種“呆板”的加卸載方式不能適應(yīng)多變的測量需求。因此，獨(dú)立砝碼加卸載方式成為靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加卸載控制的主流[2～3]。

獨(dú)立砝碼加卸載方式通過對(duì)單塊砝碼的獨(dú)立控制，根據(jù)所需的力值測量點(diǎn)，調(diào)配砝碼組合，實(shí)現(xiàn)砝碼的選擇性加卸載。然而，這種加卸載方式存在兩個(gè)問題：首先，存在“逆程效應(yīng)”影響。對(duì)于某些特定的力值測量點(diǎn)，需要進(jìn)行砝碼交換，即在加載進(jìn)程中存在“先卸后加”；而在卸載回程中存在“先加后卸”的砝碼交換步驟。盡管可以通過增加砝碼數(shù)量來增加力值點(diǎn)，但是在某些特定量值上，需要進(jìn)行砝碼交換。由于這種現(xiàn)象的存在，無法實(shí)現(xiàn)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)力傳感器平滑的加卸載，無法滿足ISO 376-2011[4]、JJG 391-2009[5]和OIML R60-2000[6]對(duì)校準(zhǔn)力傳感器的要求，影響了測量準(zhǔn)確度[7]。其次，加卸載過程穩(wěn)定性差?，F(xiàn)有靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)基本上采用位移傳感器或行程開關(guān)確定加載狀態(tài)。然而，行程開關(guān)只能反映砝碼加載與否，而位移傳感器只能反映和控制砝碼在間隙內(nèi)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)[8]。這兩種形式均屬于開環(huán)控制，無法控制加載速度，在工作過程中無法勻速平穩(wěn)加荷，容易出現(xiàn)力值過沖現(xiàn)象，且獨(dú)立加載的每塊砝碼均采用三點(diǎn)支承，如果某個(gè)支承點(diǎn)與其它點(diǎn)不在水平面上，砝碼被傾斜地加載到吊掛上，導(dǎo)致砝碼的重力產(chǎn)生分力，使吊掛加載后容易產(chǎn)生大的擺動(dòng)幅度，從而影響了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)復(fù)現(xiàn)力值的準(zhǔn)確度[9]。

本文通過在加卸載機(jī)構(gòu)中增加位移傳感器和力傳感器疊加系統(tǒng)，監(jiān)控每塊砝碼在加卸載過程的位移量和力值量，實(shí)時(shí)調(diào)整加卸載機(jī)構(gòu)的動(dòng)作量，使砝碼加卸載形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)力傳感器的平滑加卸載。

2 控制方法設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼精準(zhǔn)平穩(wěn)的加卸載控制，如圖1所示，在被測傳感器下方安裝了一臺(tái)參考力傳感器疊加系統(tǒng)(由3只量程相同、均勻并聯(lián)排布的力傳感器組成)，用于監(jiān)控砝碼加卸載過程吊掛的載荷分布情況；每塊砝碼的加卸載機(jī)構(gòu)(每塊砝碼由3個(gè)該機(jī)構(gòu)托住實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng))中增加位移傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)砝碼狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of deadweight force standard machine

2.1 理論模型

如圖2所示，當(dāng)某塊砝碼并未完全降落到吊掛上時(shí)，通過監(jiān)測三個(gè)砝碼加卸載機(jī)構(gòu)的位移量，實(shí)時(shí)調(diào)整砝碼狀態(tài)，不僅實(shí)現(xiàn)砝碼的快速移動(dòng)，而且使其平穩(wěn)地放置在吊掛上，避免了因三個(gè)機(jī)構(gòu)不同步而使砝碼以傾斜的狀態(tài)落到吊掛上，從而產(chǎn)生劇烈的擺動(dòng)；當(dāng)砝碼與吊掛接觸后，以力傳感器疊加系統(tǒng)中三只力傳感器的合力值信號(hào)作為控制反饋，實(shí)現(xiàn)砝碼交換過程中加卸載狀態(tài)的監(jiān)控，避免逆程效應(yīng)的影響，而且也可實(shí)現(xiàn)加卸載速度的調(diào)節(jié)控制。此外，如圖3所示，根據(jù)質(zhì)心分布原理，當(dāng)三個(gè)加卸載機(jī)構(gòu)同步時(shí)，質(zhì)心與吊掛中心重合，此時(shí)疊加系統(tǒng)的三個(gè)參考力傳感器輸出一致；而當(dāng)某個(gè)機(jī)構(gòu)不同步時(shí)，某只力傳感器輸出即發(fā)生偏離，這種情況下就應(yīng)該對(duì)該機(jī)構(gòu)加卸載速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，直至三只參考傳感器的輸出一致。該控制方法不僅實(shí)現(xiàn)了砝碼在空行程狀態(tài)下的快速平穩(wěn)移動(dòng)，而且實(shí)現(xiàn)了砝碼加卸載狀態(tài)下加載速度的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)力傳感器的平滑加卸載，提升了力傳感器測量的準(zhǔn)確度。

圖2 靜重機(jī)控制系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of control system diagram of deadweight force standard machine

圖3 參考力傳感器疊加系統(tǒng)與砝碼加卸載機(jī)構(gòu)排布示意圖Fig.3 Layout diagram of force sensor superposition system and weight loading and unloading mechanism

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以一臺(tái)量程為1.2 MN的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為例，按照該方法設(shè)計(jì)了其加卸載控制系統(tǒng)。每塊砝碼由三個(gè)砝碼加卸載機(jī)構(gòu)進(jìn)行加卸載控制，最大驅(qū)動(dòng)載荷為200 kN。每個(gè)砝碼加卸載機(jī)構(gòu)如圖4所示，由加載座、砝碼移動(dòng)板、直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、減速機(jī)和伺服電機(jī)等組成。

圖4 砝碼加卸載機(jī)構(gòu)Fig.4 Weight loading and unloading mechanism

直線導(dǎo)軌的直線精度優(yōu)于0.016/1000，砝碼最大移動(dòng)距離為50mm，因此直線度誤差僅為0.0008mm；滾珠絲桿的偏移精度在7 μm/m，滾珠絲桿導(dǎo)程s為10mm，傳動(dòng)效率90%；減速機(jī)采用蝸輪蝸桿減速機(jī)，其減速比i為80∶1，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿承載時(shí)的完全自鎖和任意位置自鎖，保障整機(jī)在斷電等突發(fā)狀態(tài)下的安全；伺服電機(jī)分度值e為1024分度/r的伺服電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)依據(jù)控制系統(tǒng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)(0～2000)r/min的任意調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加載速度控制；加載座、砝碼移動(dòng)板：采用合金鋼制造，安全系數(shù)為3倍。

力傳感器疊加系統(tǒng)由3只力傳感器ρ為500kN組成，傳感器輸出聯(lián)接多通道高精度儀表，每個(gè)通道高精度儀表碼數(shù)γ為24萬碼。加卸載機(jī)構(gòu)位移控制精度為

(1)

式中：α——位移控制精度；s——滾珠絲杠導(dǎo)程；i——減速比；e——電機(jī)分度值。

最大位移速度為

v=σ×s÷i

(2)

v=2000×10÷80=250mm/min

式中：v——最大位移速度：σ——伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。

該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)最小砝碼τ為10kN，力值按照10倍分辨值控制，其最大位移速度控制精度為

δ=3×ρ÷10γ÷τ

(3)

δ=3×500÷2400000÷10=0.006%

式中：δ——最大位移速度控制精度；ρ——傳感器最大力值；γ——高精度儀表碼數(shù)；τ——力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)最小砝碼值。

2.3 控制過程

在砝碼加卸載過程中，必須保證三個(gè)加卸載機(jī)構(gòu)的同步性，否則將導(dǎo)致砝碼傾斜而嚴(yán)重影響測量精度。本文采用“一主兩副”的伺服控制方法，即伺服電機(jī)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制系統(tǒng)通訊，設(shè)定同一砝碼的其中一個(gè)伺服電機(jī)為主電機(jī)，其余兩個(gè)伺服電機(jī)為副伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)發(fā)送位移信號(hào)或力值信號(hào)給主伺服電機(jī)，主伺服電機(jī)按控制指令運(yùn)行，其余副伺服電機(jī)跟蹤主伺服電機(jī)的位置運(yùn)行，主伺服電機(jī)與副伺服電機(jī)設(shè)置一定的允差，當(dāng)檢測到主副伺服電機(jī)的位置偏差超過允差值時(shí)，自動(dòng)調(diào)整主副伺服電機(jī)的速度，保證主副伺服電機(jī)的同步運(yùn)行。當(dāng)設(shè)定三個(gè)伺服電機(jī)同步允差μ為500分度時(shí)，同步誤差為

φ=μ×α

(4)

φ=500×1.2×10-4=0.06mm

式中：φ——同步誤差；μ——三個(gè)伺服電機(jī)同步允差。

砝碼的直徑d為2400mm，采用該控制方法，砝碼的最大傾斜度為

ω=φ÷d

(5)

ω=0.06÷2400×1000=0.025mm/m

式中：ω——砝碼的最大傾斜度；d——砝碼的直徑。

3 試驗(yàn)測試

為驗(yàn)證該砝碼加卸載控制方法的效果，采用一臺(tái)1.2MN的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)一只德國HBM公司生產(chǎn)的量程為1MN、型號(hào)為C18的力傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，傳感器儀表采用DMP 41，如圖5所示。

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)分別采用本控制方法(即閉環(huán)控制)和普通開環(huán)控制(僅將位移量作為砝碼是否加卸載到位的判定依據(jù)而未將位移量和力值量作為反饋控制)對(duì)力傳感器進(jìn)行了測試。整個(gè)加卸載過程通過計(jì)算機(jī)軟件與DMP 41儀表通訊，實(shí)時(shí)采集力傳感器輸出量，采樣頻率3Hz，由此對(duì)比不同控制方法情況下力傳感器輸出的平滑性；此外，在吊掛底端安裝一支激光筆，并在正下方放置一張坐標(biāo)紙，在砝碼加卸載過程中標(biāo)記激光掃過的坐標(biāo)位置，以對(duì)比不同控制方法情況下吊掛的擺動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)依據(jù)ISO 376進(jìn)行，在(0～1000)kN范圍內(nèi)均勻選擇5個(gè)力值測量點(diǎn)，即200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN。根據(jù)該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼配置的情況，在400kN力值點(diǎn)加載到600kN力值點(diǎn)以及800kN加載到1000kN時(shí)，分別需要卸載100kN砝碼，以驗(yàn)證兩種控制方法是否會(huì)產(chǎn)生逆程效應(yīng)。

圖5 力傳感器測試照片F(xiàn)ig.5 Testing of force sensor

兩種控制方法條件下，砝碼加卸載過程被測力傳感器輸出結(jié)果如圖6所示，從圖中可以明顯看出，在0kN加載到200kN再到400kN以及600kN加載到800kN過程中，由于無需卸除砝碼，兩種控制方法情況下被檢力傳感器輸出基本一致，均不存在逆程現(xiàn)象，加載過程均比較平穩(wěn)。然而，在400kN力值點(diǎn)加載到600kN以及800kN加載到1000kN力值點(diǎn)時(shí)，由于人為設(shè)置卸載100kN砝碼，采用開環(huán)控制砝碼加載的速度低于卸除的速度，測量得到的結(jié)果明顯存在逆程現(xiàn)象。而采用本文提出的控制方法，砝碼加載和卸載速度受參考力傳感器疊加系統(tǒng)所反饋的力值的控制，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)步均勻加載，并未出現(xiàn)逆程現(xiàn)象。

圖6 不同控制方法情況下，砝碼加卸載過程被測力傳感器輸出結(jié)果Fig.6 Output results of the force sensor during the loading and unloading process of the weight in different control methods

圖7 吊掛擺動(dòng)極限值Fig.7 Limit value of hanging swing

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粔K砝碼加載到吊掛時(shí)，吊掛擺動(dòng)幅度最大，且激光掃過的路徑呈橢圓形，但不同控制方法情況下，橢圓形的極限值大小不同，如圖7所示。當(dāng)采用開環(huán)控制，吊掛擺動(dòng)的在x方向最大近60mm，在y方向約為35mm；而采用本文提出的閉環(huán)控制方法，吊掛擺動(dòng)的幅度明顯減小，在x方向最大僅10mm，在y方向約為4.5mm。對(duì)比兩種結(jié)果，可以明顯看出，通過位移實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋控制，可以保證砝碼較水平地加載到吊掛上，從而避免吊掛產(chǎn)生較大的擺動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于位移和力值組合的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼加卸載控制方法，并經(jīng)過試驗(yàn)測試驗(yàn)證，得出結(jié)論如下：

(1)該砝碼加卸載控制方法通過位移實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋控制，可以保證砝碼較水平地加載到吊掛上，從而避免吊掛產(chǎn)生較大的擺動(dòng)，影響力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)復(fù)現(xiàn)力值的準(zhǔn)確度；

(2)該砝碼加卸載控制方法通過力傳感器疊加系統(tǒng)反饋的信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整加卸載過程砝碼的加卸載速度和加卸載荷量，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)力傳感器平滑加卸載，消除了力值過沖現(xiàn)象，避免了因逆程效應(yīng)而導(dǎo)致的力傳感器輸出偏差。