熊俊，劉建斌

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川成都 610091)

0 引言

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力值的裝置。主要用于力值傳感器、稱重傳感器、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀等儀器的定度或檢定。按照工作原理力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可分為靜重式、杠桿式、疊加式。

靜重式和杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)雖然具有較高的準(zhǔn)確度等級(jí)，但對(duì)制造成本及工作場(chǎng)所有較高的要求，一般用于國(guó)家基準(zhǔn)或有較大工作場(chǎng)所的單位。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，在近幾年中得以迅速發(fā)展。

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是將被檢測(cè)力儀與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀串聯(lián)安裝，通過(guò)力源對(duì)兩者同時(shí)施加負(fù)荷，使標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀復(fù)現(xiàn)定度時(shí)各力級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)測(cè)出被檢測(cè)力儀所對(duì)應(yīng)的各力級(jí)示值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)力儀的定度、檢定或校準(zhǔn)。要使疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作準(zhǔn)確可靠，必須解決控制系統(tǒng)穩(wěn)定的難題，否則會(huì)出現(xiàn)示值波動(dòng)，無(wú)法讀數(shù)的情況。為滿足傳感器校準(zhǔn)要求，做到長(zhǎng)期穩(wěn)定性能好，準(zhǔn)確度高，并滿足JJG 734－2001力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的要求，研制了由伺服控制、液壓源以及軟件控制所組成的高精度液壓控制系統(tǒng)，準(zhǔn)確度可達(dá)0.03級(jí)的500 kN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的功能需要、組成和各部分的連接關(guān)系，考慮到現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作的需求以及疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作原理，總體布局由兩個(gè)主要部分構(gòu)成:主機(jī)和控制系統(tǒng)。其中系統(tǒng)采用伺服控制、驅(qū)動(dòng)器、油泵作為標(biāo)準(zhǔn)力的施加元件，如圖1所示。

1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的主體主要由機(jī)架、傳動(dòng)箱、絲桿螺套、移動(dòng)梁、反向器、油缸、標(biāo)準(zhǔn)傳感器等組成。

1)主機(jī)框架:由上橫梁及底座通過(guò)四根立柱連接，兩側(cè)立柱間安裝兩根絲桿，上橫梁用于安裝油缸，底座內(nèi)安裝傳動(dòng)箱;

圖1 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2)傳動(dòng)箱:由異步電機(jī)、減速器、同步帶輪等組成，安裝于底座內(nèi)，用于驅(qū)動(dòng)絲桿的旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)移動(dòng)橫梁的上下移動(dòng)用以調(diào)整試驗(yàn)空間;

3)絲桿螺套和移動(dòng)梁:螺套和移動(dòng)梁是剛性連接，絲桿旋轉(zhuǎn)時(shí)移動(dòng)梁在機(jī)架內(nèi)上下移動(dòng)，用于調(diào)整拉壓試驗(yàn)的空間高低;

4)反力向器:反力框架由上拉板、上下壓板、上下反向拉桿等組成;

5)油缸:由油缸和活塞組成，安裝于主機(jī)框架的上支撐板上，通過(guò)液壓回路與高準(zhǔn)確度液壓動(dòng)力源聯(lián)接，用于輸出載荷;

6)標(biāo)準(zhǔn)傳感器組:由壓板、壓頭、傳感器等組成，安裝于油缸活塞上，用于參考標(biāo)準(zhǔn)力值。

由此主機(jī)整體的功能為反力框架的上部安裝于標(biāo)準(zhǔn)傳感器壓頭上，下部安裝于機(jī)架內(nèi)，并通過(guò)移動(dòng)梁將反力框架下部空間分隔成拉向和壓向兩個(gè)工作區(qū)域。其主要作用是將參考標(biāo)準(zhǔn)力值傳遞至被測(cè)傳感器上，并將標(biāo)準(zhǔn)機(jī)輸出力轉(zhuǎn)成壓向和拉向兩種力。工作時(shí)將被測(cè)傳感器裝入反向器和移動(dòng)梁之間 (上空間為拉向，下空間為壓向)，啟動(dòng)控制系統(tǒng)使油缸向上移動(dòng)，油缸通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傳感器推動(dòng)反向器向上移動(dòng)，從而使被測(cè)傳感器受力，如圖2所示。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是使疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作準(zhǔn)確可靠，保證輸出標(biāo)準(zhǔn)力值穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)的主要部件，也是本項(xiàng)目研制的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，根據(jù)疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作原理研制了由液壓部分以及軟件控制所組成的控制系統(tǒng)，以滿足0.03級(jí)準(zhǔn)確度的要求。

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

1.2.1 伺服控制

本項(xiàng)目研制的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是以液壓輸出為控制方式，并配合安裝于油缸活塞上方的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器作為輸出力值的監(jiān)控設(shè)備。購(gòu)置HBM公司0.01級(jí)力傳感器為力值輸出的監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，而高準(zhǔn)確度的液壓控制系統(tǒng)是用于驅(qū)動(dòng)和控制伺服油泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以達(dá)到輸出力值的控制，因此該部分為提供力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)力和控制的關(guān)鍵部件，并以伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和伺服油泵構(gòu)成。

1)伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通過(guò)伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)和控制伺服油泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以達(dá)到提供動(dòng)力和力源控制的目的。工作功率與轉(zhuǎn)矩是選擇伺服電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)伺服電機(jī)的工作原理，其工作功率等于油缸腔內(nèi)壓強(qiáng)與油管輸出流量的乘積，因此，假設(shè)電機(jī)工作時(shí)功率為P，油缸腔內(nèi)壓強(qiáng)為F，油管輸出流量為Q，由此可得

而流量等于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與油泵排量的乘積。同樣，假設(shè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，r/s;油泵排量為q，m3/r。可得

由公式 (1)，(2)可得

由公式 (3)可知伺服電機(jī)的功率與油缸腔內(nèi)壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速和油泵排量成正比。而伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)功率成正比，與轉(zhuǎn)速成反比，可得轉(zhuǎn)矩公式為

由此可知，只要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，就能提供疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)所需的液壓動(dòng)力和流量。

本項(xiàng)目選用排量為0.3 mL/r的油泵，根據(jù)公式(1)，(4)可分別求得所選用電機(jī)的工作功率以及轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足150 W和0.95 Nm。

2)伺服油泵的設(shè)計(jì)

伺服油泵用于液壓油路的輸出控制，根據(jù)電機(jī)選型配合選用排量為0.3 mL/r，齒數(shù)為100，額定壓強(qiáng)為25 MPa的內(nèi)合齒輪油泵，該油泵最小出油分度值為0.3 mL/100=0.003 mL。

而在平均轉(zhuǎn)速為10 r/min的工作條件下，要求油泵的供油情況為:0.3 mL/r×10 r/min=3.0 mL/min，如控制頻率為100 Hz(即為每秒鐘調(diào)整100次)，即60×100=6000(次/min)，可得出油泵輸出流量的最小分度數(shù)為:3.0/6000=0.0005(mL)，小于0.003 mL，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油泵本身的分度值。并且當(dāng)油泵在工作區(qū)域下限運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于油泵的脈動(dòng)變大會(huì)導(dǎo)致油源輸出非線性加大，表現(xiàn)為液壓系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

3)問(wèn)題及軟件控制解決方案

根據(jù)上述分析，單油泵控制方式不足以滿足本項(xiàng)目要求，故而選用雙油泵控制方式，采用兩個(gè)油泵同時(shí)控制油缸的進(jìn)回油。

在設(shè)計(jì)中，將進(jìn)、回油時(shí)油泵的最大轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為310 r/min和300 r/min，其轉(zhuǎn)速差與油泵排量的乘積為油泵對(duì)油缸的供油量。即為10 r/min×0.3 mL/r=3.0 mL/min。此時(shí)，雖然油泵工作時(shí)產(chǎn)生的供油量依然為3.0 mL/min，但經(jīng)過(guò)油泵流量疊加后其最小分度數(shù)將變?yōu)?.0001 mL，該值小于0.0005 mL的最低分度值要求。

因此，利用兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)油泵，并分別控制油缸進(jìn)回油，通過(guò)兩個(gè)油泵的轉(zhuǎn)速差決定油缸壓力的增減，解決油泵低速運(yùn)行的脈動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)力源的高準(zhǔn)確度控制。

伺服電機(jī)一般采用調(diào)節(jié)閥或溢流閥的方式來(lái)調(diào)節(jié)液壓動(dòng)力裝置的輸出壓力和響應(yīng)速度，該工作方式均可保證轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的參數(shù)固定不變，但其缺點(diǎn)表現(xiàn)為:①油泵始終處于大量出油狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致油溫升高，必須額外配置冷卻系統(tǒng)，研制成本過(guò)高;②對(duì)液壓油源質(zhì)量要求較高;③適應(yīng)范圍較小、靈活性差;④低速或小流量啟動(dòng)時(shí)，響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，適用范圍局限性大。

而在過(guò)程的控制中，PID算法是利用比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)的偏差進(jìn)行控制，是應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)控制器。具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，如圖3所示。通過(guò)對(duì)液壓控制系統(tǒng)的研究分析發(fā)現(xiàn)，在校準(zhǔn)過(guò)程中油源的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生“逆向效應(yīng)”影響力值輸出的準(zhǔn)確性，而快速加壓會(huì)因液壓的滯后性產(chǎn)生輸出力值過(guò)沖等問(wèn)題。

圖3 PID工作圖

因此，必須采用動(dòng)態(tài)調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的方式來(lái)控制流量和壓力。在快速加壓且接近目標(biāo)值時(shí)，控制系統(tǒng)以指數(shù)級(jí)衰減輸出的方法實(shí)現(xiàn)輸出油壓的定位，多級(jí)指數(shù)衰減適應(yīng)性不強(qiáng)，差異較大，所以必須同時(shí)提高動(dòng)態(tài)控制頻率至100 Hz以上，并建立可變參數(shù)表實(shí)現(xiàn)快速無(wú)過(guò)沖力源定位，以達(dá)到輸出油源力源的穩(wěn)定可靠。

4)工作原理

根據(jù)上述解決方案，本項(xiàng)目力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作原理為:計(jì)算機(jī)根據(jù)被測(cè)傳感器需要的檢測(cè)點(diǎn) (可多點(diǎn))設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)力值，開始試驗(yàn)后，計(jì)算機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)際信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算向1號(hào)伺服控制器發(fā)送速度、轉(zhuǎn)矩指令，1號(hào)伺服控制器控制對(duì)應(yīng)油泵的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，通過(guò)換向閥對(duì)油缸進(jìn)油，兩油缸之間的進(jìn)油切換由另一換向閥負(fù)責(zé)，同樣另一伺服控制器通過(guò)控制伺服電機(jī)來(lái)控制油泵、油缸的回油;兩油泵間的轉(zhuǎn)速差決定油缸的進(jìn)退、壓力、速度。油缸通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傳感器儀表、標(biāo)準(zhǔn)傳感器實(shí)時(shí)向計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通過(guò)運(yùn)算向兩個(gè)伺服控制器發(fā)送速度、轉(zhuǎn)矩指令，如此形成一個(gè)閉環(huán)控制。直到標(biāo)準(zhǔn)傳感器的力值達(dá)到設(shè)定的力值，此時(shí)被測(cè)儀表采集被測(cè)傳感器在設(shè)定力值的信號(hào)值，如圖4所示。

圖4 伺服控制工作原理圖

1.2.2 軟件控制

軟件的作用是配合硬件實(shí)現(xiàn)力傳感器的校準(zhǔn)或檢定，流程圖如圖5所示，其主要功能為:實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)處理;多單位轉(zhuǎn)換;過(guò)沖保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)傳感器最大信號(hào)保護(hù)、被檢傳感器量程過(guò)載保護(hù)等。

圖5 軟件流程圖

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

研制后，針對(duì)系統(tǒng)裝置實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能開展驗(yàn)證工作。選用2H3-G1-300kN等型號(hào)300 kN和200 kN的力傳感器，按照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 391-2009《力傳感器檢定規(guī)程》驗(yàn)證系統(tǒng)在檢定力傳感器項(xiàng)目的功能。檢定力傳感器包括零點(diǎn)輸出、零點(diǎn)漂移、重復(fù)性、蠕變等項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)。同樣，選用Z4A/500kN，U2A/20t標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀，按照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀檢定規(guī)程》驗(yàn)證自動(dòng)控制疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)在檢定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀項(xiàng)目的功能。檢定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度、示值誤差、方位誤差、進(jìn)回程誤差等項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)使用，系統(tǒng)功能符合國(guó)家檢定規(guī)程，滿足力傳感器及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的校準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)分為手動(dòng)液壓系統(tǒng)與自動(dòng)液壓控制系統(tǒng)，通常30 s力源波動(dòng)度為0.02%，100 s力源波動(dòng)度為0.05%，基本能滿足0.05級(jí)力標(biāo)準(zhǔn)的要求，但無(wú)法滿足0.03級(jí)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)要求。此次研究的由伺服電機(jī)、液壓源以及軟件控制所組成的高準(zhǔn)確度自動(dòng)液壓控制系統(tǒng)，降低工作時(shí)油泵的輸出量非線性問(wèn)題影響油泵的脈動(dòng)變化所導(dǎo)致的液壓系統(tǒng)的不穩(wěn)定，提高疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的準(zhǔn)確度，使其滿足力值誤差±0.03%，30 min負(fù)荷波動(dòng)性0.01%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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