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)
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)。
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。
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。
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
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。
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)。
[1]洪寶林.力學(xué)計(jì)量 (上冊(cè))[M].北京:原子能出版社,2002.
[2]范巧成.計(jì)量基礎(chǔ)知識(shí) [M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2004.
[3]唐純謙,高富榮,陳明華,等.3MN疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的研制 [J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2008,34(2):13-15.
[4]馬洪發(fā),張振洲,吳虹,等.6000 kg機(jī)械疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(11):32-33.
[5]王斌,宋華.疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2008,27(11):42-45.
[6]張曉杰,厲巍,姜同敏.力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)改進(jìn)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2010(4):51-55.