鄧 彥，吳 彥，朱國(guó)璋，神偉銘（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州510405）

力值檢定智能控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

鄧 彥，吳 彥，朱國(guó)璋，神偉銘（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州510405）

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，各行各業(yè)都朝著信息化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，通過各種技術(shù)改造不斷提高自身的效率和技術(shù)水平。推拉力計(jì)、扭矩表和扭矩儀都是被廣泛被用于社會(huì)生產(chǎn)的計(jì)量工具。計(jì)量部門可以設(shè)計(jì)一套智能控制系統(tǒng)，通過智能控制模塊和圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置加載和數(shù)據(jù)讀取自動(dòng)化，以提高檢定效率，提升檢定水平。

力值；扭矩；智能控制系統(tǒng)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，各行各業(yè)都朝著信息化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，通過各種技術(shù)改造不斷提高自身的效率和技術(shù)水平。推拉力計(jì)、扭矩表和扭矩儀等儀器作為一種通用型力值測(cè)量工具被廣泛地運(yùn)用于各行各業(yè)。而對(duì)于計(jì)量檢定和校準(zhǔn)行業(yè)來講，推拉力計(jì)、扭矩表和扭矩儀也是傳統(tǒng)計(jì)量檢定項(xiàng)目，每年有大量的檢定工作量。研究如何提高計(jì)量工作的檢定效率和安全性就顯得十分必要了。

目前在檢定工作測(cè)力儀時(shí)，大部分實(shí)驗(yàn)室主要采取的是掛砝碼和壓砝碼的方式進(jìn)行檢定，有時(shí)也用電動(dòng)升降臺(tái)作為輔助工具檢定。在檢定扭矩表和扭矩儀的時(shí)候，大部分實(shí)驗(yàn)室也采取的是杠桿掛砝碼的方式檢定或是利用手動(dòng)和電動(dòng)的加扭矩裝置檢定。在檢定過程中耗費(fèi)大量人力，缺乏安全性，非常容易出現(xiàn)砝碼脫落或傾倒的現(xiàn)象，檢定效率很低。

為了提高檢定效率，減輕檢定過程中的工作強(qiáng)度，提高檢定過程中的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性，有必要設(shè)計(jì)一套智能控制系統(tǒng)用于檢定工作。本文通過對(duì)推拉力計(jì)、扭矩表和扭矩儀等儀器的檢定過程的研究，利用智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)控制系統(tǒng)來操控整個(gè)力值和扭矩的檢定流程，最終輸出檢定數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程的智能化、自動(dòng)化。

2 檢定過程的研究

2.1 力值計(jì)量的發(fā)展現(xiàn)狀

力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)分為兩大類：①產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力值的，用于檢定、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀或力傳感器的力標(biāo)準(zhǔn)裝置，稱之為力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常有四種類型：靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。②用于檢定、校準(zhǔn)、比對(duì)傳遞力值的標(biāo)準(zhǔn)器，稱之為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)也實(shí)現(xiàn)了不斷地發(fā)展與完善。信息處理技術(shù)、智能控制理論以及圖形技術(shù)等也應(yīng)用到了實(shí)際的力學(xué)計(jì)量中。[1]

2.2 推拉力計(jì)的檢定

推拉力計(jì)的檢定是依據(jù)JJG455-2000工作測(cè)力儀檢定規(guī)程來進(jìn)行的。根據(jù)檢定規(guī)程的要求需要對(duì)回零誤差或最大零點(diǎn)方位偏差、分度數(shù)和相對(duì)分辨率、測(cè)力儀示值檢定（示值誤差、重復(fù)性、滯后）等項(xiàng)目進(jìn)行檢定。而對(duì)力標(biāo)準(zhǔn)器的要求是根據(jù)測(cè)力儀的規(guī)格分別選用相應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力砝碼、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力杠桿，材料試驗(yàn)機(jī)或力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作為檢定測(cè)力儀的力標(biāo)準(zhǔn)器。力標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度級(jí)別至少應(yīng)優(yōu)于被檢測(cè)力儀準(zhǔn)確度級(jí)別的3倍[2]。其中規(guī)程還有對(duì)加利條件的要求：

（1）測(cè)力儀檢定前按說明書要求進(jìn)行準(zhǔn)備。

（2）測(cè)力儀的安裝應(yīng)保證其受力軸線與力標(biāo)準(zhǔn)器加力軸線相重合。

（3）壓向測(cè)力儀上、下承壓墊應(yīng)具有足夠的剛度，上承壓墊的球面靈活光滑，下承壓墊具有定位功能。

（4）拉向測(cè)力儀的兩端使用環(huán)、鉸聯(lián)接件，應(yīng)靈活可靠。[2]

根據(jù)對(duì)力標(biāo)準(zhǔn)器的分析，如果選用準(zhǔn)確度級(jí)別合適的力值傳感器借助類似材料試驗(yàn)機(jī)的電動(dòng)加力機(jī)構(gòu)來檢定推拉力計(jì)，可以通過設(shè)計(jì)軟件控制的智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢定過程的全自動(dòng)控制，以提高檢定效率。

2.3 扭矩表和扭矩儀檢定過程的研究

2.3.1 扭矩測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀

在生產(chǎn)和科研中，對(duì)機(jī)械設(shè)備扭矩的測(cè)量已經(jīng)越來越重要，通過對(duì)扭矩的測(cè)量可以對(duì)機(jī)械設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)取得重要的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)取得全面的一手資料。其對(duì)生產(chǎn)及科研具有相當(dāng)?shù)闹匾饬x。目前，扭矩測(cè)量?jī)x大致可分為以下幾種：應(yīng)變扭矩測(cè)量?jī)x，相位差扭矩測(cè)量?jī)x，振弦式、電容式、磁彈性式測(cè)量?jī)x。由于各種扭矩測(cè)量?jī)x的測(cè)試方式不同，使得其應(yīng)用范圍不同。扭矩測(cè)量技術(shù)的發(fā)展取決于傳感器、信號(hào)傳輸和測(cè)量?jī)x的研究。扭矩測(cè)量?jī)x的智能化、微機(jī)化是當(dāng)今測(cè)量?jī)x變革的主流，單片微機(jī)和軟件的開發(fā)應(yīng)用已使信號(hào)的檢測(cè)、采集、比較、相關(guān)、數(shù)字濾波、域間變換、邏輯和函數(shù)運(yùn)算、程序給定和反饋控制等功能由儀器本身來實(shí)現(xiàn)成為可能。軟件擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的性能限制，并使儀器具有智能化。既能適應(yīng)被測(cè)參數(shù)的變化來自選量程、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校正、人機(jī)對(duì)話、自尋故障，并能方便的與總線接口，進(jìn)行多臺(tái)聯(lián)機(jī)通信及控制。

2.3.2 扭矩表和扭矩儀的檢定

扭矩儀的檢定是依據(jù)JJG557-2011標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定規(guī)程來進(jìn)行的。根據(jù)檢定規(guī)程的要求需要對(duì)回零差、重復(fù)性、扭矩儀示值檢定（示值誤差、方向誤差、進(jìn)程誤差、內(nèi)插誤差）等項(xiàng)目進(jìn)行檢定。而對(duì)扭矩標(biāo)準(zhǔn)器的要求是檢定各個(gè)級(jí)別扭矩儀的扭矩基（標(biāo)）準(zhǔn)機(jī)或加荷裝置的扭矩值擴(kuò)展不確定度原則上應(yīng)優(yōu)于被檢扭矩儀長(zhǎng)期穩(wěn)定度或示值誤差指標(biāo)的1/3[3]。

根據(jù)對(duì)扭矩標(biāo)準(zhǔn)器的研究，可以使用準(zhǔn)確度級(jí)別合適的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器，設(shè)計(jì)制造一套電動(dòng)加扭矩裝置用于扭矩儀的檢定。軟件控制的智能控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)檢定過程的全自動(dòng)控制，以提高檢定效率。

2.4 檢定加載裝置的研究

目前檢定推拉力計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器也有使用材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)被檢儀器施加拉力或壓力。如圖1所示，推拉力計(jì)安裝在材料試驗(yàn)機(jī)的橫梁上。同時(shí)將高準(zhǔn)確度級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)力值傳感器與被測(cè)儀器相連。這樣通過向上或向下移動(dòng)試驗(yàn)機(jī)橫梁就能對(duì)被測(cè)儀器施加載荷進(jìn)行檢定。目前材料試驗(yàn)機(jī)可以通過軟件控制實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程的編程。

檢定扭矩儀的標(biāo)準(zhǔn)器較多采用的是標(biāo)準(zhǔn)杠桿懸掛砝碼的方法來進(jìn)行檢定，如圖2所示。對(duì)于扳手類帶表的扭矩儀的檢定，采用的是標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀作為標(biāo)準(zhǔn)器。如圖3所示。

通過分析我們?nèi)粘z定過程中遇到的被檢推拉力計(jì)和扭矩儀的類型，我們可以設(shè)計(jì)一臺(tái)同時(shí)可用于檢定推拉力計(jì)和扭矩儀的多功能機(jī)械裝置。結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該裝置由工控機(jī)控制伺服電機(jī)給被檢儀器施加拉壓力或扭矩。裝置必須有能安裝各種類型的推拉力計(jì)和扭矩儀的多功能夾具。該裝置可以通過控制面板直接控制運(yùn)行，也可以通過軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢定。

圖1 材料試驗(yàn)機(jī)檢定推拉力計(jì)圖

圖2 用標(biāo)準(zhǔn)杠桿懸掛砝碼檢定扭矩儀圖

圖3 用標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定扭矩儀圖

圖4 檢定加載裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

檢定裝置的運(yùn)行流程圖如圖5。

圖5 裝置運(yùn)行流程圖

3 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)由軟件部分和工控機(jī)兩部分構(gòu)成。軟件部分在電腦端WINOWS系統(tǒng)下運(yùn)行。主要功能是試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行指令發(fā)出和收集、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算和輸出、試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖片、圖像的顯示、圖表和報(bào)表的生成。工控機(jī)在檢定裝置端運(yùn)行。主要功能是接收和反饋指令、數(shù)據(jù)輸出、電機(jī)控制、警報(bào)發(fā)出等。智能控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)如圖6。

圖6 智能控制系統(tǒng)加載試驗(yàn)機(jī)部分原理圖

3.2 智能控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)主要是依據(jù)推拉力計(jì)和扭矩儀的檢定規(guī)程規(guī)定的檢定過程。其中加入對(duì)試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的判斷實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定過程的智能控制。流程圖如圖7所示。

圖7 智能控制流程圖

3.3 智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)部分。軟件界面設(shè)計(jì)、控制軟件設(shè)計(jì)、圖像識(shí)別及數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

（1）軟件界面設(shè)計(jì)效果圖如圖8所示。

圖8 軟件界面設(shè)計(jì)效果圖

（2）控制軟件部分是通過C#語言來編寫。通過軟件界面人工設(shè)置試驗(yàn)方案，例如儀器量程、試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)、檢定點(diǎn)、保護(hù)值等。然后將這些試驗(yàn)設(shè)定值寫入TXT文件，并將該文件與工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換。工控機(jī)將指令執(zhí)行情況、試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也通過TXT文件與軟件進(jìn)行交換[4]。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于凌華科技的PCI-9524數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字濾波電路構(gòu)建扭矩信號(hào)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由待測(cè)量、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)等組成。凌華PCI-9524數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置24位高分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器，并可提供2.5V或10V兩種激勵(lì)電壓的選擇，整合自動(dòng)歸零、遠(yuǎn)程感測(cè)以及數(shù)字濾波技術(shù)，可達(dá)到200000 counts以上的精確度和穩(wěn)定性。為滿足基于力值傳感器的材料測(cè)量機(jī)（MTS）的復(fù)雜的精密測(cè)量及控制需求，其同時(shí)提供六大功能，包含4通道24位高精度稱重傳感器輸入、4通道24位通用模擬量輸入、3軸馬達(dá)編碼器輸入、3通道PWM輸出、16通道帶隔離數(shù)字輸出入與2通道16位模擬輸出，可提供完整的高精度測(cè)量、伺服控制及運(yùn)動(dòng)控制的整合接口。

（4）在試驗(yàn)過程中，軟件在指定時(shí)間通過攝像頭捕捉試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖片。圖像識(shí)別部分可以采用LabVIEW的NI視覺開發(fā)模塊圖片識(shí)別技術(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖片進(jìn)行識(shí)別[5]，輸出數(shù)據(jù)值。軟件系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)控并做出判斷，最終在報(bào)表中輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)推拉力計(jì)和扭矩表、扭矩儀的檢定過程進(jìn)行了分析和研究，找出了實(shí)現(xiàn)力值檢定智能控制系統(tǒng)的方法，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過分析和研究得出，如果力值檢定智能控制系統(tǒng)被運(yùn)用于對(duì)推拉力計(jì)和扭矩表、扭矩儀的檢定，就能實(shí)現(xiàn)檢定的自動(dòng)化。對(duì)于提高日常設(shè)備的檢定效率，保障檢定質(zhì)量，防止人為誤差，降低標(biāo)準(zhǔn)器成本和人工成本等均具有重要意義，同時(shí)也為計(jì)量檢定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的研究邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

[1]孫衛(wèi)東.力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀探析[J].科技傳播，2014（16）.

[2]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.《工作測(cè)力儀檢定規(guī)程》（JJG455-2000）[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000.

[3]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.《標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀計(jì)量檢定規(guī)》（JJG557-2011）[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2012.

[4]陳 瑞.可編程控制器與工控機(jī)通信技術(shù)的研究[J].電氣自動(dòng)化，2002（5）：19.

[5]闞鈺淇，張 寧，徐熙平.LabVIEW平臺(tái)下USB圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（6）：82～84.

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2016-1-10