尚賢平，費利萍，余松青，毛曉輝，李海根

（1.浙江省計量科學(xué)研究院，浙江杭州310018；2.紹興市肯特機(jī)械電子有限公司，浙江紹興312300）

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伺服控制電子吊秤機(jī)械安全檢測裝置研究

尚賢平1，費利萍1，余松青1，毛曉輝1，李海根2

（1.浙江省計量科學(xué)研究院，浙江杭州310018；2.紹興市肯特機(jī)械電子有限公司，浙江紹興312300）

摘要：電子吊秤機(jī)械安全特性主要包含極限載荷和低頻動態(tài)疲勞兩項指標(biāo),為解決其檢測問題，設(shè)計一套專用的檢測裝置。該裝置采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動油泵分別向靜態(tài)油缸和動態(tài)油缸交互供油的方式，動態(tài)地調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，通過動、靜油缸的壓力產(chǎn)生較為穩(wěn)定的極限載荷和低頻動態(tài)載荷施加在電子吊秤上。實驗結(jié)果顯示：該試驗裝置產(chǎn)生的靜態(tài)極限載荷誤差≤±1%、低頻動態(tài)載荷峰值誤差≤±2%，能滿足電子吊秤的機(jī)械安全性能檢測。

關(guān)鍵詞：計量學(xué)；疲勞試驗裝置；伺服控制；電子吊秤

0　引言

電子吊秤在使用中上連起重機(jī)、下連吊具及被秤物，是起重機(jī)械中的一個中間結(jié)構(gòu)件；因此，對電子吊秤而言，在實現(xiàn)計量準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，更應(yīng)保證使用的安全性[1]。電子吊秤的安全性，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的機(jī)械安全性上，包括極限安全載荷和吊掛組件在低應(yīng)力反復(fù)作用下的疲勞影響這兩個因素[2]；因此，在電子吊秤機(jī)械安全性的設(shè)計上，應(yīng)結(jié)合起重機(jī)械設(shè)計規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行有效的試驗驗證[3]，以確保設(shè)計的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿足安全要求。因極限載荷試驗和疲勞特性試驗其試驗力在力值的大小以及力的加載方式上有顯著差異，如極限載荷試驗的力主要是靜態(tài)力，而疲勞特性試驗的力主要是動態(tài)正弦力，加上電子吊秤整機(jī)結(jié)構(gòu)中拉向尺寸較大，施加的動態(tài)力值也相對較大，而目前通用的疲勞試驗裝置其安裝試件的空間及提供的動態(tài)峰值力值相對較小[4]；因此，較難實現(xiàn)電子吊秤的整機(jī)疲勞特性試驗。本文介紹的電子吊秤機(jī)械安全性能試驗裝置，采用高響應(yīng)數(shù)字伺服電機(jī)控制和驅(qū)動油泵，結(jié)合電子吊秤機(jī)械安全試驗的特點，將極限載荷試驗和疲勞特性試驗組合到一臺試驗機(jī)，試驗裝置的成本低，由于一次安裝就可以依次完成電子吊秤額定載荷下低頻疲勞特性試驗和極限載荷試驗，可以大幅提高試驗效率。

1　裝置的工作原理

本裝置采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動油泵向蓄能器（油缸）供油[5]，動態(tài)地調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)對被測電子吊秤的加卸載荷。在理想狀態(tài)下，伺服電機(jī)直接驅(qū)動油泵，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的壓力、流量，通過推導(dǎo)符合以下關(guān)系：

式中：P——系統(tǒng)功率，W；

F——系統(tǒng)壓力，Pa；

Q——系統(tǒng)流量，m3/s。

式中：n——系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；

q——系統(tǒng)油泵排量，m3/r。

由式（1）、式（2）可得：

由于：

式中Tw為系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m。

將式（3）代入式（4）得：

2　裝置的構(gòu)成

2.1裝置的主機(jī)結(jié)構(gòu)

裝置主機(jī)由主機(jī)框架、加載油缸、反向器、標(biāo)準(zhǔn)傳感器、吊秤連接件等組成，如圖1所示。

圖1　裝置的主機(jī)結(jié)構(gòu)

1）主機(jī)框架。主機(jī)框架主要由底座10、絲桿9、移動梁3組成，底座與絲桿剛性連接，移動梁內(nèi)安裝螺套4、蝸輪蝸桿5；通過電機(jī)帶動蝸輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)使螺套在絲桿上移動，從而帶動移動梁上下移動以調(diào)節(jié)試驗空間，適應(yīng)不同規(guī)格的電子吊秤。

2）加載油缸。由于本裝置需實現(xiàn)200kN動態(tài)力和800kN靜態(tài)力的測試，為此設(shè)置一只疲勞（動態(tài)）油缸1和兩只靜載油缸2，兩只靜載油缸對稱分布于疲勞油缸兩側(cè)。當(dāng)用于動態(tài)200kN疲勞試驗時疲勞油缸工作，兩只靜載油缸不參與工作；當(dāng)用于靜態(tài)800kN的測試時，3只缸同時工作。

3）反向器。反向器7、71用于使油缸產(chǎn)生的壓向力轉(zhuǎn)換成對電子吊秤的拉向力。

4）標(biāo)準(zhǔn)傳感器。標(biāo)準(zhǔn)傳感器6采用輪幅式結(jié)構(gòu)，最大量程1 MN，用于監(jiān)控液壓發(fā)生的力值，力值的準(zhǔn)確度在靜態(tài)載荷試驗時能達(dá)到±1%，動態(tài)疲勞試驗時其峰值載荷能達(dá)到±2%[6]。

5）吊秤連接件。吊秤連接件8、81用于對20t以下電子吊秤的測試安裝。

2.2裝置的控制系統(tǒng)

本裝置采用多油缸的結(jié)構(gòu)[7]，分別采用不同功率的伺服電機(jī)和交流伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制，當(dāng)進(jìn)行電子吊秤的疲勞試驗時疲勞油缸工作，當(dāng)進(jìn)行電子吊秤靜載極限試驗時疲勞油缸和靜載油缸同時工作。

2.2.1動態(tài)疲勞試驗的液壓控制系統(tǒng)

如圖2所示，該裝置用于低頻動態(tài)疲勞試驗時，微機(jī)根據(jù)工作需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)（載荷范圍、加載頻率、循環(huán)次數(shù)等），關(guān)閉換向閥1、換向閥2（默認(rèn)為關(guān)閉），啟動疲勞試驗控制程序；微機(jī)向疲勞伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)方向指令帶動伺服油泵向疲勞油缸加壓或卸壓，疲勞油缸通過反向器使標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測吊秤受力；標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集到的力值信號實時反饋到微機(jī)，微機(jī)根據(jù)實時力值與設(shè)定相關(guān)參數(shù)對比，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型實時調(diào)整疲勞伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)方向[8]，使實時力值與設(shè)定相關(guān)參數(shù)一致，如此形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2　裝置伺服控制原理圖

2.2.2靜態(tài)極限載荷試驗的液壓控制系統(tǒng)

該裝置用于電子吊秤靜載極限試驗時，微機(jī)根據(jù)工作需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)（力值、力值保持時間等），啟動靜載試驗控制程序；換向閥1打開，使疲勞油缸及2只靜載油缸連通，微機(jī)向靜載伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)方向指令帶動靜載伺服油泵向疲勞油缸及2只靜載油缸加壓或卸壓；疲勞油缸及2只靜載油缸通過反向器使標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測吊秤受力，標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集到的力值信號實時反饋到微機(jī)，微機(jī)根據(jù)實時力值與設(shè)定相關(guān)參數(shù)對比，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型實時調(diào)整疲勞伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)方向，使實時力值與設(shè)定相關(guān)參數(shù)一致，如此形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，試驗結(jié)束，打開換向閥2卸荷。

3　技術(shù)關(guān)鍵問題的解決

由于采用伺服電機(jī)直接驅(qū)動油泵的方式，需要大幅度提高對伺服電機(jī)的響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的控制精度，以滿足控制的要求。

1）采用高響應(yīng)數(shù)字伺服電機(jī)保證控制快速準(zhǔn)確。伺服系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)通常采用交流伺服電機(jī)，只能通過模擬信號來控制，模擬信號存在易漂移、難隔離、存在信號濾波、實時性不夠、準(zhǔn)確度和重復(fù)性低、適應(yīng)性無法達(dá)到水準(zhǔn)的缺點。公開數(shù)字通信協(xié)議的交流伺服電機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，速度慢，控制刷新最快20～30次/s，還是達(dá)不到要求。本文采用高響應(yīng)數(shù)字伺服電機(jī)控制，實時刷新，既具有快速實時通信（控制刷新＞200次/s），又具有數(shù)字輸出，可靠性、易維護(hù)性大大提高。

2）采用定制高準(zhǔn)確度的電流傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器，提高伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制準(zhǔn)確度。

3）通過數(shù)學(xué)的方法形成一套計算機(jī)程序算法來實現(xiàn)快速高準(zhǔn)確度定位。

傳統(tǒng)PID算法存在調(diào)整期，在調(diào)整期輸出有波動[9]，無法滿足快速、高準(zhǔn)確度定位。通過對液壓控制研究發(fā)現(xiàn)，因為液壓的滯后性，如果快速加壓則壓力必將過沖；但如果快速加壓到快接近目標(biāo)時以指數(shù)級衰減輸出的方法則很容易實現(xiàn)定位。因此采用多級指數(shù)衰減，該方法適應(yīng)性不強(qiáng)，各種機(jī)器差異比較大，但提高動態(tài)控制頻率后（≥200 Hz），其適應(yīng)性大大加強(qiáng)。為了提高控制效果建立了一個變參數(shù)表來實現(xiàn)快速高準(zhǔn)確度定位。

4　實驗結(jié)果

4.1裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

動態(tài)力值范圍：3～200kN；

動態(tài)力峰值測量準(zhǔn)確度：±2%；

靜態(tài)力值：30～800kN；

靜態(tài)力值測量準(zhǔn)確度：±1%；

動態(tài)波形：正弦波，頻率為1～5 Hz。

4.2裝置的實驗數(shù)據(jù)

為驗證裝置在不同試驗頻率下動態(tài)力峰值和靜態(tài)力值的準(zhǔn)確性，用0.1級標(biāo)準(zhǔn)測力儀（帶峰值保護(hù)）分別在不同的頻率下對動態(tài)力峰值和靜態(tài)力值進(jìn)行測試，靜態(tài)力值測試數(shù)據(jù)如表1所示，動態(tài)力峰值測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　靜態(tài)力值測試數(shù)據(jù)（k=2）

表2　不同試驗頻率下動態(tài)力峰值試驗數(shù)據(jù)

從上述試驗數(shù)據(jù)可以看出本裝置的靜態(tài)力值和不同頻率下動態(tài)峰值的數(shù)據(jù)能完全滿足靜態(tài)力值測量準(zhǔn)確度±1%、動態(tài)力峰值測量準(zhǔn)確度±2%的要求。

5　結(jié)束語

電子吊秤的機(jī)械安全隱患主要來自吊掛組件在低應(yīng)力反復(fù)作用下的疲勞影響[10]，試驗裝置工作頻率通常在低頻，本文采用高響應(yīng)數(shù)字伺服電機(jī)和高準(zhǔn)確度的電流傳感器以及旋轉(zhuǎn)編碼器直接驅(qū)動油泵提高伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制準(zhǔn)確度，也提高動態(tài)液壓力值的控制準(zhǔn)確度，使動態(tài)力值的波動更小。試驗表明裝置測力系統(tǒng)通過靜態(tài)標(biāo)定，動態(tài)使用引起的動態(tài)力值誤差一般≤2%，能夠滿足電子吊秤疲勞特性的測試。

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（編輯：劉楊）

Research of electronic hanging scale safety testing device based on servo control system

SHANG Xianping1，F(xiàn)EI Liping1，YU Songqing1，MAO Xiaohui1，LI Haigen2
（1. Zhejiang Institute of Metrology，Hangzhou 310018，China；2. Shaoxing Kent Mechanical and Electrical Co.，Ltd.，Shaoxing 312300，China）

Abstract:In order to detect the ultimate loads and low frequency dynamic fatigue loads which are the two major safety indicators for electronic hanging scale，a specially designed electronic hanging scale testing devices was introduced in this paper. Driven by servo motor，hydraulic oil was pumped into static and dynamic cylinder separately which dynamically adjusted the torque，speed and direction of rotation of the servo motor. As such，a more stable limited loads and low dynamic loads was guaranteed by the pressure difference between static and dynamic cylinders. According to the experiment，by using this device，a static ultimate load error less than±1% and the low frequency dynamic peak error of less than±2% was obtained. Hence，this device meets the requirements of electronic hanging scale safety test.

Keywords:metrology；fatigue testing equipment；servo control；electronic hanging scale

作者簡介：尚賢平（1966-），男，浙江黃巖市人，高級工程師，主要從事力學(xué)計量檢測及相關(guān)研究工作。

基金項目：浙江省質(zhì)檢局科技項目（20120212）

收稿日期：2015-05-20；收到修改稿日期：2015-07-15

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.018

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0079-04