熊俊，劉建斌

(中航工業(yè)成都飛機工業(yè) (集團)有限責任公司，四川成都 610091)

0 引言

力標準機是產(chǎn)生標準力值的裝置。主要用于力值傳感器、稱重傳感器、標準測力儀等儀器的定度或檢定。按照工作原理力標準機可分為靜重式、杠桿式、疊加式。

靜重式和杠桿式力標準機雖然具有較高的準確度等級，但對制造成本及工作場所有較高的要求，一般用于國家基準或有較大工作場所的單位。疊加式力標準機由于其結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷，在近幾年中得以迅速發(fā)展。

疊加式力標準機是將被檢測力儀與標準測力儀串聯(lián)安裝，通過力源對兩者同時施加負荷，使標準測力儀復(fù)現(xiàn)定度時各力級的標準值，同時測出被檢測力儀所對應(yīng)的各力級示值，從而實現(xiàn)對測力儀的定度、檢定或校準。要使疊加式力標準機工作準確可靠，必須解決控制系統(tǒng)穩(wěn)定的難題，否則會出現(xiàn)示值波動，無法讀數(shù)的情況。為滿足傳感器校準要求，做到長期穩(wěn)定性能好，準確度高，并滿足JJG 734－2001力標準機的要求，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)，準確度可達0.03級的500 kN疊加式力標準機。

1 方案設(shè)計

根據(jù)疊加式力標準機的功能需要、組成和各部分的連接關(guān)系，考慮到現(xiàn)場校準工作的需求以及疊加式力標準機的工作原理，總體布局由兩個主要部分構(gòu)成:主機和控制系統(tǒng)。其中系統(tǒng)采用伺服控制、驅(qū)動器、油泵作為標準力的施加元件，如圖1所示。

1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

疊加式力標準機的主體主要由機架、傳動箱、絲桿螺套、移動梁、反向器、油缸、標準傳感器等組成。

1)主機框架:由上橫梁及底座通過四根立柱連接，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)安裝傳動箱;

圖1 疊加式力標準機結(jié)構(gòu)圖

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

3)絲桿螺套和移動梁:螺套和移動梁是剛性連接，絲桿旋轉(zhuǎn)時移動梁在機架內(nèi)上下移動，用于調(diào)整拉壓試驗的空間高低;

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，安裝于主機框架的上支撐板上，通過液壓回路與高準確度液壓動力源聯(lián)接，用于輸出載荷;

6)標準傳感器組:由壓板、壓頭、傳感器等組成，安裝于油缸活塞上，用于參考標準力值。

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

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是使疊加式力標準機工作準確可靠，保證輸出標準力值穩(wěn)定無波動的主要部件，也是本項目研制的關(guān)鍵點。為此，根據(jù)疊加式力標準機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級準確度的要求。

圖2 疊加式力標準機主體結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 伺服控制

本項目研制的疊加式力標準機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準力傳感器作為輸出力值的監(jiān)控設(shè)備。購置HBM公司0.01級力傳感器為力值輸出的監(jiān)控標準，而高準確度的液壓控制系統(tǒng)是用于驅(qū)動和控制伺服油泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以達到輸出力值的控制，因此該部分為提供力標準機動力和控制的關(guān)鍵部件，并以伺服電機、驅(qū)動器和伺服油泵構(gòu)成。

1)伺服電機和驅(qū)動器的設(shè)計

力標準機通過伺服電機、驅(qū)動器驅(qū)動和控制伺服油泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩以達到提供動力和力源控制的目的。工作功率與轉(zhuǎn)矩是選擇伺服電機的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)伺服電機的工作原理，其工作功率等于油缸腔內(nèi)壓強與油管輸出流量的乘積，因此，假設(shè)電機工作時功率為P，油缸腔內(nèi)壓強為F，油管輸出流量為Q，由此可得

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

由公式 (1)，(2)可得

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

由此可知，只要動態(tài)調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，就能提供疊加式力標準機所需的液壓動力和流量。

本項目選用排量為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

伺服油泵用于液壓油路的輸出控制，根據(jù)電機選型配合選用排量為0.3 mL/r，齒數(shù)為100，額定壓強為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，遠遠高于油泵本身的分度值。并且當油泵在工作區(qū)域下限運轉(zhuǎn)時，由于油泵的脈動變大會導(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目要求，故而選用雙油泵控制方式，采用兩個油泵同時控制油缸的進回油。

在設(shè)計中，將進、回油時油泵的最大轉(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油缸的供油量。即為10 r/min×0.3 mL/r=3.0 mL/min。此時，雖然油泵工作時產(chǎn)生的供油量依然為3.0 mL/min，但經(jīng)過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，利用兩個伺服電機分別驅(qū)動兩個油泵，并分別控制油缸進回油，通過兩個油泵的轉(zhuǎn)速差決定油缸壓力的增減，解決油泵低速運行的脈動現(xiàn)象，實現(xiàn)力源的高準確度控制。

伺服電機一般采用調(diào)節(jié)閥或溢流閥的方式來調(diào)節(jié)液壓動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，但其缺點表現(xiàn)為:①油泵始終處于大量出油狀態(tài)，會導(dǎo)致油溫升高，必須額外配置冷卻系統(tǒng)，研制成本過高;②對液壓油源質(zhì)量要求較高;③適應(yīng)范圍較小、靈活性差;④低速或小流量啟動時，響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢，適用范圍局限性大。

而在過程的控制中，PID算法是利用比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)的偏差進行控制，是應(yīng)用最為廣泛的自動控制器。具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點。其調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，如圖3所示。通過對液壓控制系統(tǒng)的研究分析發(fā)現(xiàn)，在校準過程中油源的波動會產(chǎn)生“逆向效應(yīng)”影響力值輸出的準確性，而快速加壓會因液壓的滯后性產(chǎn)生輸出力值過沖等問題。

圖3 PID工作圖

因此，必須采用動態(tài)調(diào)整伺服電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的方式來控制流量和壓力。在快速加壓且接近目標值時，控制系統(tǒng)以指數(shù)級衰減輸出的方法實現(xiàn)輸出油壓的定位，多級指數(shù)衰減適應(yīng)性不強，差異較大，所以必須同時提高動態(tài)控制頻率至100 Hz以上，并建立可變參數(shù)表實現(xiàn)快速無過沖力源定位，以達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，本項目力標準機的工作原理為:計算機根據(jù)被測傳感器需要的檢測點 (可多點)設(shè)定標準力值，開始試驗后，計算機通過標準傳感器儀表采集標準傳感器的實際信號，通過運算向1號伺服控制器發(fā)送速度、轉(zhuǎn)矩指令，1號伺服控制器控制對應(yīng)油泵的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，通過換向閥對油缸進油，兩油缸之間的進油切換由另一換向閥負責，同樣另一伺服控制器通過控制伺服電機來控制油泵、油缸的回油;兩油泵間的轉(zhuǎn)速差決定油缸的進退、壓力、速度。油缸通過標準傳感器儀表、標準傳感器實時向計算機發(fā)送信號，計算機實時通過運算向兩個伺服控制器發(fā)送速度、轉(zhuǎn)矩指令，如此形成一個閉環(huán)控制。直到標準傳感器的力值達到設(shè)定的力值，此時被測儀表采集被測傳感器在設(shè)定力值的信號值，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現(xiàn)力傳感器的校準或檢定，流程圖如圖5所示，其主要功能為:實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、自動處理;多單位轉(zhuǎn)換;過沖保護。標準傳感器最大信號保護、被檢傳感器量程過載保護等。

圖5 軟件流程圖

2 設(shè)計驗證

研制后，針對系統(tǒng)裝置實現(xiàn)的各項功能開展驗證工作。選用2H3-G1-300kN等型號300 kN和200 kN的力傳感器，按照國家計量檢定規(guī)程JJG 391-2009《力傳感器檢定規(guī)程》驗證系統(tǒng)在檢定力傳感器項目的功能。檢定力傳感器包括零點輸出、零點漂移、重復(fù)性、蠕變等項目的技術(shù)指標。同樣，選用Z4A/500kN，U2A/20t標準測力儀，按照國家計量檢定規(guī)程JJG144-2007《標準測力儀檢定規(guī)程》驗證自動控制疊加式力標準機系統(tǒng)在檢定標準測力儀項目的功能。檢定標準測力儀包括長期穩(wěn)定度、示值誤差、方位誤差、進回程誤差等項目的技術(shù)指標。通過使用，系統(tǒng)功能符合國家檢定規(guī)程，滿足力傳感器及標準測力儀的校準要求。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的疊加式力標準機分為手動液壓系統(tǒng)與自動液壓控制系統(tǒng)，通常30 s力源波動度為0.02%，100 s力源波動度為0.05%，基本能滿足0.05級力標準的要求，但無法滿足0.03級標準機要求。此次研究的由伺服電機、液壓源以及軟件控制所組成的高準確度自動液壓控制系統(tǒng)，降低工作時油泵的輸出量非線性問題影響油泵的脈動變化所導(dǎo)致的液壓系統(tǒng)的不穩(wěn)定，提高疊加式力標準機的準確度，使其滿足力值誤差±0.03%，30 min負荷波動性0.01%的設(shè)計目標。

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