郭云峰

(北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

扭矩扳子是一種帶有扭矩測(cè)量機(jī)構(gòu)的擰緊計(jì)量器具，隨著裝配技術(shù)的發(fā)展，扭矩扳子已廣泛應(yīng)用于航天、汽車、電子等領(lǐng)域，主要用于緊固螺栓和螺母，并測(cè)量出擰緊時(shí)的扭矩值。因此，扭矩扳子量值傳遞的準(zhǔn)確可靠對(duì)緊固件螺紋副連接的質(zhì)量和保證各類安裝工作的準(zhǔn)確性、安全性、可靠性起到了至關(guān)重要的作用。

北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院每年承擔(dān)了近兩千件扭矩扳子的檢測(cè)任務(wù)，但因檢定裝置為手動(dòng)加荷，存在持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大，檢測(cè)精度低等問題。因此，急需設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度較高、準(zhǔn)確度較高的扭矩扳子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)控制要求

1.1　扭矩扳子概述

扭矩扳子按測(cè)量用途可分為預(yù)置式和示值式兩種。預(yù)置式扭矩扳子一般采用棘輪頭式結(jié)構(gòu)，當(dāng)扭矩扳子加載到預(yù)置扭矩值時(shí)，棘輪頭瞬間打滑，扭矩自動(dòng)解除載荷，得到的扭矩峰值即該扭矩扳子的預(yù)置值，如圖1所示。

圖1　預(yù)置式扭矩扳子原理示意圖

示值式扭矩扳子分為數(shù)顯式和指針式(表盤式)，使扭矩可視化，現(xiàn)階段都是在預(yù)置式扭矩扳子的原理上工作的。

1.2　扭矩扳子的檢定

1) 預(yù)置式扭矩扳子的檢定。正確選擇標(biāo)準(zhǔn)裝置量程，將扭矩扳子調(diào)整至預(yù)置點(diǎn)，正確安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置上，平穩(wěn)施加標(biāo)準(zhǔn)裝置至扭矩扳子預(yù)置值，此時(shí)扭矩扳子自動(dòng)解除載荷，記錄扭矩值。

2)示值式扭矩扳子的檢定。正確選擇標(biāo)準(zhǔn)裝置的量程，扭矩扳子正確安裝在標(biāo)準(zhǔn)裝置上，按選定的檢定點(diǎn)逐級(jí)平穩(wěn)地施加扭矩至額定扭矩值。每次施加額定扭矩值后，卸除負(fù)載，檢查扭矩扳子指示器回零的情況，并重新調(diào)整零位，指針式有從動(dòng)指針的必須帶動(dòng)從動(dòng)指針進(jìn)行檢定。

1.3　系統(tǒng)控制要求

系統(tǒng)能夠按照規(guī)程要求的步驟，長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行。擁有較高的自動(dòng)化水平，減輕檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高控制精度。在出現(xiàn)意外情況時(shí)，有緊急制動(dòng)的保障措施，且易于改造升級(jí)。

2　總體方案設(shè)計(jì)

2.1　方案設(shè)計(jì)

如圖2所示，扭矩扳子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、二次儀表、絲杠加載機(jī)構(gòu)、工控機(jī)、PLC、伺服電機(jī)等硬件及上位機(jī)自動(dòng)檢測(cè)軟件、下位機(jī)PLC程序等組成。其工作原理是：自動(dòng)檢測(cè)軟件發(fā)出開始指令，循環(huán)采集扭矩傳感器經(jīng)二次儀表轉(zhuǎn)換的扭矩測(cè)量信號(hào)，經(jīng)自動(dòng)控制算法計(jì)算相應(yīng)的動(dòng)作命令，傳輸給PLC。PLC向伺服電機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠及扭矩扳子加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止及速度變化等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)模擬人工過程的自動(dòng)檢測(cè)。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2　控制算法設(shè)計(jì)

2.2.1控制算法要求

大量實(shí)驗(yàn)證明，由于加載絲杠存在間隙及固定扭矩扳子的檔板存在的機(jī)械變形，加載過程中突然停止或降速，會(huì)造成示值波動(dòng)而產(chǎn)生誤差。其次，不同量程的扭矩扳子需要的力度和加載速度也不同，故檢定過程采用一般常用的控制規(guī)則不能有效實(shí)現(xiàn)控制效果，不能采用傳統(tǒng)閉環(huán)速度或PID控制。根據(jù)檢測(cè)扭矩扳子的經(jīng)驗(yàn)可知，在測(cè)量值逼近額定值時(shí)，加載速度平穩(wěn)可有效避免扭矩示值的波動(dòng)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，系統(tǒng)采用模糊PID算法進(jìn)行控制。

2.2.2模糊PID算法實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，模糊PID算法是利用模糊控制將檢定人員的經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)庫(kù)存入軟件，軟件將實(shí)時(shí)采集的扭矩測(cè)量值M與待檢值MC計(jì)算得到偏差e及偏差的變化量eC，經(jīng)過模糊推理得到PID參數(shù)變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，自動(dòng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖3　扭矩扳子模糊PID算法示意圖

1)輸入量、輸出量的模糊化

模糊PID控制器的模糊部分由二維輸入，三維輸出，輸入量為扭矩測(cè)量值M與待檢值MC相減的偏差值e及偏差值變化量eC，輸出量為PID參數(shù)的自整定變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD。

當(dāng)輸入偏差小于15％MC時(shí)進(jìn)行模糊PID控制，設(shè)定偏差e的基本論域?yàn)閇-15％MC，15％MC]Nm，其量化論域?yàn)镋=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]，則得到偏差量化論域E的量化因子Ke=4/(15％MC)，選擇7個(gè)語(yǔ)言值PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB為偏差量化論域E的模糊子集，偏差變化量eC的基本論域?yàn)閇-10,10]Nm，其量化論域?yàn)镋C=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4]，則可得到偏差變化量量化論域EC的量化因子KeC=4/10=1/2.5。

三個(gè)輸出變量，比例調(diào)節(jié)變化量ΔKP的基本論域?yàn)閇-3,3]，積分調(diào)節(jié)變化量ΔKI的基本論域?yàn)閇-1,1]，微分調(diào)節(jié)變化量ΔKD的基本論域?yàn)閇-3,3]，量化論域范圍ΔKP、ΔKI、ΔKD=[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4]，量化因子KΔKP=3/4，KΔKI=1/4，KΔKD=3/4，選取7個(gè)語(yǔ)言值：PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB。

如圖4所示，輸入偏差的量化論域E、輸入偏差量的量化論域EC以及輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD在整數(shù)論域均采用三角形隸屬度函數(shù)。

圖4　語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)

可得，E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬度函數(shù)表，見表1。

2)確定模糊控制器的控制規(guī)則

總結(jié)PID參數(shù)調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，獲取ΔKP、ΔKI、ΔKD三個(gè)參數(shù)的控制規(guī)則表，見表2、表3、表4。

表1　E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD隸屬度函數(shù)表

表2　表2　ΔKP模糊控制規(guī)則表

表3　ΔKI模糊控制表

上述三個(gè)模糊控制規(guī)則表可構(gòu)成49條模糊控制語(yǔ)句：

1ife=NB andec=NSthenΔKP=PMΔKI=NMΔKD=Z

2ife=NB and ec= NMthenΔKP=PBΔKI=NBΔKD=PS

…………

49ife=PB andec= PMthenΔKP=NBΔKI=PBΔKD=PB

表4　ΔKD模糊控制規(guī)則表

這49條語(yǔ)句構(gòu)成了模糊控制模型。利用MATLAB中對(duì)模糊控制模型進(jìn)行輸入經(jīng)軟件計(jì)算后，即可得到模糊決策表。

3)模糊PID參數(shù)自整定計(jì)算

依據(jù)偏差e和偏差變化量eC利用查詢法得到，根據(jù)下列調(diào)整公式，每次得出不同的最佳PID參數(shù)值：

(1)

2.3　硬件選型及設(shè)計(jì)

扭矩扳子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。按功能可將整個(gè)系統(tǒng)的硬件劃分為數(shù)據(jù)采集和控制兩個(gè)部分。

圖5　扭矩扳子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、標(biāo)準(zhǔn)扭矩測(cè)量?jī)x、串口通信器件、工控機(jī)及外設(shè)等部分組成。標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器采集扭矩扳子的扭矩值，由二次儀表將扭矩信號(hào)放大并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過串口通訊模塊傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，完成扭矩?cái)?shù)據(jù)采集。

由于量值溯源的需要，傳感器選用0.05級(jí)的LC-11型標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器，二次儀表選用2000型標(biāo)準(zhǔn)扭矩負(fù)荷測(cè)量?jī)x，其準(zhǔn)確度<0.006％，附加高速峰值測(cè)量模塊，經(jīng)中國(guó)計(jì)量院檢定合格，可以滿足常見扭矩扳子的檢定。

2.3.2控制部分

控制部分主要由工控機(jī)向PLC發(fā)送控制信號(hào)，PLC接到信號(hào)后伺服放大器發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)、停止、方向、速度等命令，使用伺服放大器的脈沖位置控制方式，通過編碼器控制伺服電機(jī)使其完成正向快速轉(zhuǎn)動(dòng)、正向慢速轉(zhuǎn)動(dòng)、停止、反向快速轉(zhuǎn)動(dòng)、恢復(fù)零點(diǎn)等動(dòng)作。

通過對(duì)現(xiàn)有絲杠加載機(jī)構(gòu)的分析，選取額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率范圍適宜的伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，通過減速器與絲杠加載機(jī)構(gòu)連接，使電機(jī)能夠在額定功率和扭矩范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并達(dá)到轉(zhuǎn)速/功率比合理的目的，實(shí)現(xiàn)加載速度連續(xù)可調(diào)、正反向加載、過載保護(hù)等功能。

2.4　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。扭矩扳子自動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用軟件包括上位機(jī)測(cè)量模塊和控制模塊以及下位機(jī)控制軟件。

圖6　系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件利用VB6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)包括檢測(cè)人員登陸、被檢儀器信息錄入、信號(hào)及控制端口設(shè)置及數(shù)據(jù)采集和控制程序等模塊。數(shù)據(jù)采集模塊采集自標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)傳輸?shù)呐ぞ販y(cè)量信號(hào)?？刂颇K將實(shí)時(shí)計(jì)算的控制指令傳輸?shù)絇LC中。檢測(cè)界面如圖7所示，具有數(shù)據(jù)采集和處理功能，能顯示當(dāng)前測(cè)量值及峰值，繪制成圖。檢測(cè)完畢后計(jì)算出示值重復(fù)性和相對(duì)誤差，保存數(shù)據(jù)，生成證書。

圖7　檢測(cè)界面示意圖

下位機(jī)軟件用梯形語(yǔ)言在PLC中編程。功能是將PC端傳輸?shù)闹噶钣?jì)算出相應(yīng)脈沖信號(hào)傳輸?shù)剿欧刂破鞫丝?，控制伺服電機(jī)運(yùn)行。

3　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用同一扭矩扳子作為被測(cè)物在扭矩扳子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與其他國(guó)內(nèi)外4種檢測(cè)裝置進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。比對(duì)規(guī)定以下操作：1)選用同一把數(shù)顯扭矩扳子作為標(biāo)準(zhǔn)參照物;2)按照J(rèn)JG 707—2003《扭矩扳子》檢定規(guī)程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參照物進(jìn)行檢測(cè);3)計(jì)算示值相對(duì)誤差、重復(fù)性。

按照以上操作規(guī)范，對(duì)數(shù)顯扭矩扳子分別進(jìn)行10次試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖8。

圖8　采用設(shè)備比對(duì)的結(jié)果示意圖

通過數(shù)據(jù)圖的分析，可得出結(jié)論：使用本檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果波動(dòng)性最小，系統(tǒng)誤差最小，重復(fù)性好，所以本裝置可以消除人手動(dòng)檢測(cè)所帶來的分散性及大部分的系統(tǒng)誤差。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文概述了扭矩扳子自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過控制算法設(shè)計(jì)、硬件選型、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件編程，達(dá)到了提高檢測(cè)效率，降低工作強(qiáng)度，減少系統(tǒng)誤差的預(yù)期目的。該檢測(cè)系統(tǒng)于2012年完成樣機(jī)設(shè)計(jì)及研制工作，經(jīng)過各方面的鑒定試驗(yàn)，已達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的水平。

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