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10 MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的研制

胡紹誠(chéng)1，陳勤2，劉宇澄3

（1.杭州坦司特儀器設(shè)備有限公司，浙江杭州311106；2.浙江省質(zhì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，浙江杭州310013；3.浙江大學(xué)，浙江杭州310000）

摘要：簡(jiǎn)述10 MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作原理，通過對(duì)橫梁、加載系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并采用新的力值加載結(jié)構(gòu)和滿足稱重傳感器、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的測(cè)試系統(tǒng)，成功研制高精度10 MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。該10 MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)示值重復(fù)性不大于0.02%，力值誤差在±0.05%內(nèi)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.1%（k=2）。關(guān)鍵詞：疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；大力值；示值重復(fù)性；力值誤差；相對(duì)擴(kuò)展不確定度

收到修改稿日期：2013-05-19

0　引言

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)（BM）為常見力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的一種，近幾年得到了快速發(fā)展，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，成為了測(cè)力、稱重行業(yè)的重要技術(shù)裝備[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要采用機(jī)械加載或液壓加載兩種加載系統(tǒng)。使用機(jī)械加載方式的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)具有可操作性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、控制穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但是受材料強(qiáng)度與機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，采用機(jī)械加載方式進(jìn)行加載的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)無法滿足對(duì)大載荷的測(cè)試需求，目前國(guó)際上使用機(jī)械加載方式的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的最大載荷均難以突破5 MN。液壓加載系統(tǒng)能夠產(chǎn)生足夠大的載荷，滿足了大力值力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的加載需求。國(guó)內(nèi)大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)現(xiàn)狀：

中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，疊加式（液壓），30 kN～30 MN，0.3～3×10-3（k=3）；中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，液壓放大式，500 kN～20 MN，1×10-4（k=3）；航天7140站，液壓放大式，100 kN～5 MN，5×10-4（k=2）；廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，機(jī)械加載式，30 kN～3 MN，3×10-4（k=2）。

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中，力的測(cè)量和控制向大型化發(fā)展，許多情況下都需要對(duì)兆牛級(jí)乃至十幾兆牛級(jí)的力進(jìn)行測(cè)量。因此，解決大力值測(cè)量的問題就顯得越發(fā)重要和迫切。由于測(cè)量準(zhǔn)確度的保證要通過一系列測(cè)量鏈最終溯源到國(guó)家的力基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)，因此，急需開發(fā)一種能夠產(chǎn)生足夠大載荷，同時(shí)準(zhǔn)確度高、效率高、穩(wěn)定性好且操作簡(jiǎn)便的高精度液壓加載式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。

1　工作原理

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)利用力源對(duì)串聯(lián)同軸安裝的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢傳感器施加負(fù)荷，根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)來確定被檢測(cè)力儀的各項(xiàng)計(jì)量性能指標(biāo)。由于作為承載和測(cè)力元件的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器受到的負(fù)荷是彈性力，所以需要選用足夠高準(zhǔn)確度的傳感器作為參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器；施力裝置對(duì)作用于傳感器上力的控制精度決定了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值準(zhǔn)確度和使用性能。研制的10 MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作原理，如圖1所示。

圖1　力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作原理圖

1.1動(dòng)橫梁調(diào)節(jié)

移動(dòng)橫梁調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過交流電機(jī)提供動(dòng)力，交流電機(jī)由可編程控制器經(jīng)由變頻器進(jìn)行控制；交流電機(jī)的動(dòng)力先經(jīng)由減速器傳遞至套筒滾子鏈，之后再經(jīng)由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至螺旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)螺套上；傳動(dòng)螺套在固定的絲杠上運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)橫梁上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上壓板的位置調(diào)節(jié)。同時(shí)該機(jī)構(gòu)在頂端還設(shè)有橫梁形成限位開關(guān)，避免橫梁移動(dòng)超程。該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了橫梁位置的快速調(diào)節(jié)。

1.2加載控制

該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用液壓加載方式；可編程控制器經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)液壓齒輪泵工作，調(diào)節(jié)液壓油缸中液壓油量來移動(dòng)活塞，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加載卸載過程[4]。測(cè)量過程中，控制系統(tǒng)接收傳感器反饋的信號(hào)，并將反饋信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定值比對(duì)后控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)齒輪泵轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力的精確控制；整個(gè)加載過程中，伺服電機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)向控制系統(tǒng)反饋轉(zhuǎn)角信號(hào)[5]，控制系統(tǒng)依據(jù)該信號(hào)對(duì)伺服電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)加載過程的精確控制。

該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用專用可編程控制器實(shí)現(xiàn)整機(jī)的控制，控制器作為控制系統(tǒng)的核心，發(fā)送數(shù)據(jù)至控制系統(tǒng)中的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、變頻器從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備調(diào)節(jié)和加載的控制。同時(shí)，控制器還接收通過接收標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、壓力傳感器以及行程開關(guān)等部件的信號(hào)，通過計(jì)算和反饋實(shí)現(xiàn)精確加載與設(shè)備工作狀況的監(jiān)測(cè)。控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用現(xiàn)代化控制理論，使得控制器在系統(tǒng)被控量偏離給定值而振蕩時(shí)具有良好的抑制震蕩能力，被控量趨近希望值迅速，并且滿足了當(dāng)系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后被控量相對(duì)希望值偏差小的要求。

1.3檢測(cè)控制

該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通過使用同一力源對(duì)串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)設(shè)備同時(shí)施加負(fù)荷，通過監(jiān)測(cè)儀表實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)經(jīng)采集后送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)合被測(cè)器具的輸出數(shù)據(jù)來確定被測(cè)器具的各項(xiàng)計(jì)量性能指標(biāo)。由于作為承載和測(cè)力元件的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器受到的負(fù)荷是彈性力，故選用單只精確度達(dá)到0.03%的特質(zhì)柱式高精度傳感器作為參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器，保證了整機(jī)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓式疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，主要由絲桿、橫梁、底座、標(biāo)準(zhǔn)傳感器及標(biāo)準(zhǔn)儀表、油缸、齒輪泵、伺服電機(jī)及控制器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、交流電機(jī)及控制器、數(shù)據(jù)采集卡、微機(jī)等組成[6]。

2.1主體結(jié)構(gòu)

圖2　力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主體主要受力構(gòu)件包括底座、絲桿、上橫梁、下橫梁、舉升機(jī)構(gòu)等。上橫梁起著調(diào)節(jié)試驗(yàn)空間和固定傳感器的作用。下橫梁和舉升機(jī)構(gòu)提供試驗(yàn)所需壓力。在具體結(jié)構(gòu)上，包括從動(dòng)鏈輪、傳動(dòng)滾子鏈、減速器、交流電機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)蓋頂板、橫梁行程限位開關(guān)、傳動(dòng)螺套、橫梁、軸承、軸承支撐板、絲杠、上螺母、下螺母、底座、底座蓋板、舉升機(jī)構(gòu)、上壓板座、下壓板座等。交流電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過減速器與鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過傳動(dòng)滾子鏈與從動(dòng)鏈輪連接，從動(dòng)鏈輪固定在傳動(dòng)螺套之上，傳動(dòng)螺套與橫梁之間通過軸承相配合固定，軸承安裝在軸承支撐板上，傳動(dòng)螺套可在絲桿上移動(dòng)，絲杠下端通過上螺母和下螺母固定在底座上，底座上安裝有底座蓋板和舉升機(jī)構(gòu)，上壓板座固定在橫梁上。有限元分析表明，在10 MN荷載下，機(jī)器變形量小于0.09mm。

2.2液壓系統(tǒng)

圖3　油缸結(jié)構(gòu)圖

液壓系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)、油缸、齒輪泵及油箱等。控制系統(tǒng)通過控制伺服電機(jī)，進(jìn)行油壓的調(diào)節(jié)，控制舉升結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢傳感器力和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的加力，油缸結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該油缸結(jié)構(gòu)包括下壓板座、定位板、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷傳感器、柱塞蓋板、防塵圈、導(dǎo)向帶、斯特封、柱塞、O型圈、柱塞底座和缸體等部件[7]，如圖3所示，定位板固定在下壓板座上，用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)符合傳感器定位；標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷傳感器上端穿過定位板并與下壓板座固定，同時(shí)下端穿過柱塞，與柱塞底座固定，避免了機(jī)械間隙對(duì)測(cè)量造成的影響；柱塞蓋板固定在柱塞頂端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器主要部分的保護(hù)；柱塞與柱塞底座固定，O型圈嵌入柱塞的凹槽中，實(shí)現(xiàn)了柱塞與柱塞底座之間的密封，避免液壓油對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器造成污染；柱塞嵌入缸體中，防塵圈、導(dǎo)向帶和斯特封嵌入缸體的凹槽中，實(shí)現(xiàn)了柱塞與油缸之間的密封和導(dǎo)向。設(shè)備在工作時(shí)，缸體固定，液壓油從注油口經(jīng)齒輪油泵壓入，推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力的加載。

該油缸解決了現(xiàn)有油缸設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積龐大、生產(chǎn)成本高、維護(hù)不易等問題[8]；通過綜合利用多層導(dǎo)向帶和斯特封，改善了現(xiàn)有油缸普遍存在的漏油與防塵性能差等問題，在保證運(yùn)動(dòng)精度的基礎(chǔ)上，兼具密封性能好和運(yùn)動(dòng)阻力小等特點(diǎn)。同時(shí)液壓油缸通過采用分體式結(jié)構(gòu)，使得零部件拆卸方便，簡(jiǎn)化了維護(hù)流程，易于清洗和換件維修。標(biāo)準(zhǔn)力傳感器安裝在柱塞中，節(jié)約了空間，同時(shí)避免了外界環(huán)境因素可能對(duì)傳感器造成的損壞。

2.3控制系統(tǒng)

力值加載控制系統(tǒng)采用智能PID控制，并結(jié)合了與現(xiàn)代的模糊控制算法，以標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷傳感器輸出作為反饋信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)油缸壓力，實(shí)現(xiàn)力值的準(zhǔn)確及穩(wěn)定控制?？刂圃韴D如圖4所示。

測(cè)試開始后，首先由控制系統(tǒng)控制橫梁下降至指定位置；之后控制系統(tǒng)控制液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力的加載，同時(shí)控制系統(tǒng)接收標(biāo)準(zhǔn)傳感器的反饋數(shù)據(jù)，并依據(jù)該數(shù)據(jù)對(duì)液壓機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)加載力的高精度閉環(huán)控制；當(dāng)加載力穩(wěn)定在本次設(shè)定值附近并處于誤差允許范圍后，控制系統(tǒng)維持加載力，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器以及被測(cè)設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析；重復(fù)加載和測(cè)試步驟，直至完成所有設(shè)定載荷下的測(cè)試；測(cè)試完成后，液壓加載機(jī)構(gòu)卸載，之后控制橫梁上升，設(shè)備回復(fù)初始狀態(tài)。

表2　力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

3　測(cè)試系統(tǒng)軟件

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)軟件，依據(jù)JJG 391-2009《稱重傳感器檢定規(guī)程》和JJG 144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀》編寫[9-10]，可采用“自動(dòng)加載”和“手動(dòng)加載”兩種控制方式，完成對(duì)傳感器的靈敏度、線性度、重復(fù)性的測(cè)試。此外，該軟件還可以進(jìn)行傳感器、蠕變測(cè)試、計(jì)量校準(zhǔn)等工作，并實(shí)時(shí)顯示過程曲線，如力值-時(shí)間、傳感器檢測(cè)特性曲線等。

4　測(cè)試數(shù)據(jù)

2012年5月經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢測(cè)，力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果如表1、2所示。（表1中要求列為JJG-2001《力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程》0.1級(jí)疊壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)性能參數(shù)要求值[11]）。

檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，10 MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)（1~11 MN）的各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，且示值（力值）相對(duì)擴(kuò)展不確定度均在0.10%以內(nèi)，其中2000～11000點(diǎn)均優(yōu)于±0.05%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

5　結(jié)束語(yǔ)

研制的10 MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用新的力值加載結(jié)構(gòu)和滿足稱重傳感器、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的測(cè)試系統(tǒng)，保證了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制精度高、可靠性好，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力裝置及傳感器的自動(dòng)檢定要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器的靈敏度、線性度、蠕變、疲勞等檢測(cè)，并自動(dòng)分析計(jì)算和打印報(bào)告。經(jīng)過權(quán)威計(jì)量機(jī)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，研制的10 MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05%。

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Preparation of 10 MN build-up force standard machine

HU Shao-cheng1，CHEN Qin2，LIU Yu-cheng3

（1. Hangzhou Tansite Instrument and Equipment Co.Ltd.，Hangzhou 311106，China；2. Zhejiang Test Academy of Quality and Technical Supervision，Hangzhou 310013，China；3. Zhejiang University，Hangzhou 310000，China）

Abstract:The working principle of 10 MN build-up force standard machine（BM）is introduced in the paper. Innovative designs have been done on crossbeam，loading system，control system and testing system；besides，new constructors to load force，and a testing system which meet the weighing sensor and force standard machine have been taken to ensure the accuracy of the whole system so that the 10 MN build-up force standard machine can be successfully manufactured. The performance of the 10 MN BM is measured. The testing results indicate that the indication repeatability is not bigger than 0.02%，force value error is between-0.05% and +0.05%，and the relative expanded uncertainty（k=2）is smaller than 0.1%.

Key words:build-up force standard machine（BM）；great force；indication repeatability；force value error；relative expanded uncertainty

收稿日期：2013-03-14；

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2013.05.006

文章編號(hào)：1674-5124（2013）05-0024-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TP212.1+2；TB931；TM930.114；TP274.+2

作者簡(jiǎn)介：胡紹誠(chéng)（1951-），男，浙江杭州市人，高級(jí)工程師，主要從事力值計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)的研究。