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        基于位移和力值組合的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼加卸載控制方法研究

        2020-09-10 03:21:14李時鑫魏樹龍李海根
        宇航計測技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:力值砝碼量程

        李時鑫 王 鵬 鄭 輝 魏樹龍 李海根 梁 偉

        (1.天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院,天津 300192;2.紹興市肯特機(jī)械電子有限公司,紹興 312300;3.福建省計量科學(xué)研究院,福州 350003)

        1 引 言

        靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是通過實物(砝碼)形式復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值的力值計量標(biāo)準(zhǔn)裝置,因其準(zhǔn)確度高、長期穩(wěn)定性好,被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速鐵路、國防武器等尖端裝備力值測量傳感器的校準(zhǔn)[1]。

        靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的砝碼加載方式有三種:砝碼連帶式、機(jī)械拉桿式和獨(dú)立砝碼加卸載式。前兩種基本都是通過某些力傳感器的量程和力值測量點(diǎn),預(yù)先設(shè)定好砝碼的組合,并自上而下串聯(lián)在一起。工作時,通過升降系統(tǒng),實現(xiàn)一組砝碼一個量程或多組砝碼多個量程的逐級加載。然而,這種靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是針對特定的某些量程型號的力傳感器校準(zhǔn),隨著科技的發(fā)展,力傳感器的種類和量程越來越多,需要測量的力值點(diǎn)越來越多,這種“呆板”的加卸載方式不能適應(yīng)多變的測量需求。因此,獨(dú)立砝碼加卸載方式成為靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加卸載控制的主流[2~3]。

        獨(dú)立砝碼加卸載方式通過對單塊砝碼的獨(dú)立控制,根據(jù)所需的力值測量點(diǎn),調(diào)配砝碼組合,實現(xiàn)砝碼的選擇性加卸載。然而,這種加卸載方式存在兩個問題:首先,存在“逆程效應(yīng)”影響。對于某些特定的力值測量點(diǎn),需要進(jìn)行砝碼交換,即在加載進(jìn)程中存在“先卸后加”;而在卸載回程中存在“先加后卸”的砝碼交換步驟。盡管可以通過增加砝碼數(shù)量來增加力值點(diǎn),但是在某些特定量值上,需要進(jìn)行砝碼交換。由于這種現(xiàn)象的存在,無法實現(xiàn)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對力傳感器平滑的加卸載,無法滿足ISO 376-2011[4]、JJG 391-2009[5]和OIML R60-2000[6]對校準(zhǔn)力傳感器的要求,影響了測量準(zhǔn)確度[7]。其次,加卸載過程穩(wěn)定性差?,F(xiàn)有靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)基本上采用位移傳感器或行程開關(guān)確定加載狀態(tài)。然而,行程開關(guān)只能反映砝碼加載與否,而位移傳感器只能反映和控制砝碼在間隙內(nèi)運(yùn)動的狀態(tài)[8]。這兩種形式均屬于開環(huán)控制,無法控制加載速度,在工作過程中無法勻速平穩(wěn)加荷,容易出現(xiàn)力值過沖現(xiàn)象,且獨(dú)立加載的每塊砝碼均采用三點(diǎn)支承,如果某個支承點(diǎn)與其它點(diǎn)不在水平面上,砝碼被傾斜地加載到吊掛上,導(dǎo)致砝碼的重力產(chǎn)生分力,使吊掛加載后容易產(chǎn)生大的擺動幅度,從而影響了力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)復(fù)現(xiàn)力值的準(zhǔn)確度[9]。

        本文通過在加卸載機(jī)構(gòu)中增加位移傳感器和力傳感器疊加系統(tǒng),監(jiān)控每塊砝碼在加卸載過程的位移量和力值量,實時調(diào)整加卸載機(jī)構(gòu)的動作量,使砝碼加卸載形成閉環(huán)控制,實現(xiàn)靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對力傳感器的平滑加卸載。

        2 控制方法設(shè)計

        為實現(xiàn)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼精準(zhǔn)平穩(wěn)的加卸載控制,如圖1所示,在被測傳感器下方安裝了一臺參考力傳感器疊加系統(tǒng)(由3只量程相同、均勻并聯(lián)排布的力傳感器組成),用于監(jiān)控砝碼加卸載過程吊掛的載荷分布情況;每塊砝碼的加卸載機(jī)構(gòu)(每塊砝碼由3個該機(jī)構(gòu)托住實現(xiàn)上下移動)中增加位移傳感器,實現(xiàn)對砝碼狀態(tài)實時監(jiān)測。

        圖1 靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of deadweight force standard machine

        2.1 理論模型

        如圖2所示,當(dāng)某塊砝碼并未完全降落到吊掛上時,通過監(jiān)測三個砝碼加卸載機(jī)構(gòu)的位移量,實時調(diào)整砝碼狀態(tài),不僅實現(xiàn)砝碼的快速移動,而且使其平穩(wěn)地放置在吊掛上,避免了因三個機(jī)構(gòu)不同步而使砝碼以傾斜的狀態(tài)落到吊掛上,從而產(chǎn)生劇烈的擺動;當(dāng)砝碼與吊掛接觸后,以力傳感器疊加系統(tǒng)中三只力傳感器的合力值信號作為控制反饋,實現(xiàn)砝碼交換過程中加卸載狀態(tài)的監(jiān)控,避免逆程效應(yīng)的影響,而且也可實現(xiàn)加卸載速度的調(diào)節(jié)控制。此外,如圖3所示,根據(jù)質(zhì)心分布原理,當(dāng)三個加卸載機(jī)構(gòu)同步時,質(zhì)心與吊掛中心重合,此時疊加系統(tǒng)的三個參考力傳感器輸出一致;而當(dāng)某個機(jī)構(gòu)不同步時,某只力傳感器輸出即發(fā)生偏離,這種情況下就應(yīng)該對該機(jī)構(gòu)加卸載速度進(jìn)行實時調(diào)節(jié),直至三只參考傳感器的輸出一致。該控制方法不僅實現(xiàn)了砝碼在空行程狀態(tài)下的快速平穩(wěn)移動,而且實現(xiàn)了砝碼加卸載狀態(tài)下加載速度的實時控制,實現(xiàn)了對力傳感器的平滑加卸載,提升了力傳感器測量的準(zhǔn)確度。

        圖2 靜重機(jī)控制系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of control system diagram of deadweight force standard machine

        圖3 參考力傳感器疊加系統(tǒng)與砝碼加卸載機(jī)構(gòu)排布示意圖Fig.3 Layout diagram of force sensor superposition system and weight loading and unloading mechanism

        2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        以一臺量程為1.2 MN的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為例,按照該方法設(shè)計了其加卸載控制系統(tǒng)。每塊砝碼由三個砝碼加卸載機(jī)構(gòu)進(jìn)行加卸載控制,最大驅(qū)動載荷為200 kN。每個砝碼加卸載機(jī)構(gòu)如圖4所示,由加載座、砝碼移動板、直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、減速機(jī)和伺服電機(jī)等組成。

        圖4 砝碼加卸載機(jī)構(gòu)Fig.4 Weight loading and unloading mechanism

        直線導(dǎo)軌的直線精度優(yōu)于0.016/1000,砝碼最大移動距離為50mm,因此直線度誤差僅為0.0008mm;滾珠絲桿的偏移精度在7 μm/m,滾珠絲桿導(dǎo)程s為10mm,傳動效率90%;減速機(jī)采用蝸輪蝸桿減速機(jī),其減速比i為80∶1,可實現(xiàn)對絲桿承載時的完全自鎖和任意位置自鎖,保障整機(jī)在斷電等突發(fā)狀態(tài)下的安全;伺服電機(jī)分度值e為1024分度/r的伺服電機(jī),可實現(xiàn)依據(jù)控制系統(tǒng)信號實現(xiàn)(0~2000)r/min的任意調(diào)速,進(jìn)而實現(xiàn)加載速度控制;加載座、砝碼移動板:采用合金鋼制造,安全系數(shù)為3倍。

        力傳感器疊加系統(tǒng)由3只力傳感器ρ為500kN組成,傳感器輸出聯(lián)接多通道高精度儀表,每個通道高精度儀表碼數(shù)γ為24萬碼。加卸載機(jī)構(gòu)位移控制精度為

        (1)

        式中:α——位移控制精度;s——滾珠絲杠導(dǎo)程;i——減速比;e——電機(jī)分度值。

        最大位移速度為

        v=σ×s÷i

        (2)

        v=2000×10÷80=250mm/min

        式中:v——最大位移速度:σ——伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。

        該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)最小砝碼τ為10kN,力值按照10倍分辨值控制,其最大位移速度控制精度為

        δ=3×ρ÷10γ÷τ

        (3)

        δ=3×500÷2400000÷10=0.006%

        式中:δ——最大位移速度控制精度;ρ——傳感器最大力值;γ——高精度儀表碼數(shù);τ——力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)最小砝碼值。

        2.3 控制過程

        在砝碼加卸載過程中,必須保證三個加卸載機(jī)構(gòu)的同步性,否則將導(dǎo)致砝碼傾斜而嚴(yán)重影響測量精度。本文采用“一主兩副”的伺服控制方法,即伺服電機(jī)通過伺服電機(jī)驅(qū)動器與控制系統(tǒng)通訊,設(shè)定同一砝碼的其中一個伺服電機(jī)為主電機(jī),其余兩個伺服電機(jī)為副伺服電機(jī),控制系統(tǒng)發(fā)送位移信號或力值信號給主伺服電機(jī),主伺服電機(jī)按控制指令運(yùn)行,其余副伺服電機(jī)跟蹤主伺服電機(jī)的位置運(yùn)行,主伺服電機(jī)與副伺服電機(jī)設(shè)置一定的允差,當(dāng)檢測到主副伺服電機(jī)的位置偏差超過允差值時,自動調(diào)整主副伺服電機(jī)的速度,保證主副伺服電機(jī)的同步運(yùn)行。當(dāng)設(shè)定三個伺服電機(jī)同步允差μ為500分度時,同步誤差為

        φ=μ×α

        (4)

        φ=500×1.2×10-4=0.06mm

        式中:φ——同步誤差;μ——三個伺服電機(jī)同步允差。

        砝碼的直徑d為2400mm,采用該控制方法,砝碼的最大傾斜度為

        ω=φ÷d

        (5)

        ω=0.06÷2400×1000=0.025mm/m

        式中:ω——砝碼的最大傾斜度;d——砝碼的直徑。

        3 試驗測試

        為驗證該砝碼加卸載控制方法的效果,采用一臺1.2MN的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對一只德國HBM公司生產(chǎn)的量程為1MN、型號為C18的力傳感器進(jìn)行了實驗測試,傳感器儀表采用DMP 41,如圖5所示。

        力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)分別采用本控制方法(即閉環(huán)控制)和普通開環(huán)控制(僅將位移量作為砝碼是否加卸載到位的判定依據(jù)而未將位移量和力值量作為反饋控制)對力傳感器進(jìn)行了測試。整個加卸載過程通過計算機(jī)軟件與DMP 41儀表通訊,實時采集力傳感器輸出量,采樣頻率3Hz,由此對比不同控制方法情況下力傳感器輸出的平滑性;此外,在吊掛底端安裝一支激光筆,并在正下方放置一張坐標(biāo)紙,在砝碼加卸載過程中標(biāo)記激光掃過的坐標(biāo)位置,以對比不同控制方法情況下吊掛的擺動。

        實驗依據(jù)ISO 376進(jìn)行,在(0~1000)kN范圍內(nèi)均勻選擇5個力值測量點(diǎn),即200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN。根據(jù)該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼配置的情況,在400kN力值點(diǎn)加載到600kN力值點(diǎn)以及800kN加載到1000kN時,分別需要卸載100kN砝碼,以驗證兩種控制方法是否會產(chǎn)生逆程效應(yīng)。

        圖5 力傳感器測試照片F(xiàn)ig.5 Testing of force sensor

        兩種控制方法條件下,砝碼加卸載過程被測力傳感器輸出結(jié)果如圖6所示,從圖中可以明顯看出,在0kN加載到200kN再到400kN以及600kN加載到800kN過程中,由于無需卸除砝碼,兩種控制方法情況下被檢力傳感器輸出基本一致,均不存在逆程現(xiàn)象,加載過程均比較平穩(wěn)。然而,在400kN力值點(diǎn)加載到600kN以及800kN加載到1000kN力值點(diǎn)時,由于人為設(shè)置卸載100kN砝碼,采用開環(huán)控制砝碼加載的速度低于卸除的速度,測量得到的結(jié)果明顯存在逆程現(xiàn)象。而采用本文提出的控制方法,砝碼加載和卸載速度受參考力傳感器疊加系統(tǒng)所反饋的力值的控制,實現(xiàn)了穩(wěn)步均勻加載,并未出現(xiàn)逆程現(xiàn)象。

        圖6 不同控制方法情況下,砝碼加卸載過程被測力傳感器輸出結(jié)果Fig.6 Output results of the force sensor during the loading and unloading process of the weight in different control methods

        圖7 吊掛擺動極限值Fig.7 Limit value of hanging swing

        試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)谝粔K砝碼加載到吊掛時,吊掛擺動幅度最大,且激光掃過的路徑呈橢圓形,但不同控制方法情況下,橢圓形的極限值大小不同,如圖7所示。當(dāng)采用開環(huán)控制,吊掛擺動的在x方向最大近60mm,在y方向約為35mm;而采用本文提出的閉環(huán)控制方法,吊掛擺動的幅度明顯減小,在x方向最大僅10mm,在y方向約為4.5mm。對比兩種結(jié)果,可以明顯看出,通過位移實時監(jiān)測與反饋控制,可以保證砝碼較水平地加載到吊掛上,從而避免吊掛產(chǎn)生較大的擺動。

        4 結(jié)束語

        本文設(shè)計了一種基于位移和力值組合的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)砝碼加卸載控制方法,并經(jīng)過試驗測試驗證,得出結(jié)論如下:

        (1)該砝碼加卸載控制方法通過位移實時監(jiān)測與反饋控制,可以保證砝碼較水平地加載到吊掛上,從而避免吊掛產(chǎn)生較大的擺動,影響力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)復(fù)現(xiàn)力值的準(zhǔn)確度;

        (2)該砝碼加卸載控制方法通過力傳感器疊加系統(tǒng)反饋的信號,實時調(diào)整加卸載過程砝碼的加卸載速度和加卸載荷量,從而實現(xiàn)了對力傳感器平滑加卸載,消除了力值過沖現(xiàn)象,避免了因逆程效應(yīng)而導(dǎo)致的力傳感器輸出偏差。

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