王貴勇，朱林茂，祝鐵柱，楊 東，王增光，王 蓬，王海舟

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司,北京 100081)

0 引 言

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)主要用來測定材料或機(jī)械構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，以及剪切應(yīng)變相關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以確定其抗扭性能和機(jī)械性能指標(biāo)。另外，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)也應(yīng)用于材料及其制品的扭轉(zhuǎn)破壞等性能試驗(yàn)中[1-2]。

通常情況下，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的工件扭轉(zhuǎn)空間由固定夾頭和主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭兩部分組成，主要用來裝夾試樣。在試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，其主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭夾持試樣的一端做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，固定夾頭夾持試樣的另一端保持不動(dòng)，安裝在旋轉(zhuǎn)夾頭一端的角度測量裝置和扭矩測量裝置實(shí)時(shí)測量試樣的扭轉(zhuǎn)角度和承受的扭矩值，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集測得的扭轉(zhuǎn)角和扭矩值并輸出，通過試驗(yàn)軟件處理得到最終結(jié)果。

確保扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)角度和扭矩的準(zhǔn)確性是保證試驗(yàn)結(jié)果可靠的關(guān)鍵。針對(duì)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭扭轉(zhuǎn)角度的計(jì)量校準(zhǔn)，未見有扭轉(zhuǎn)角度相關(guān)計(jì)量設(shè)備記載。目前常用的測量手段是采用水平傾角儀，但其角度測量范圍有限，不能通過直接測量的方法對(duì)大于90°的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行校準(zhǔn)，難以全量程復(fù)現(xiàn)夾頭的扭轉(zhuǎn)角度。而且水平傾角儀作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，從測量原理上并不能真正復(fù)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)的狀態(tài)。而計(jì)量校準(zhǔn)的很重要的一個(gè)意義就是要最大程度地模擬試驗(yàn)狀態(tài)，相應(yīng)的其校準(zhǔn)方法應(yīng)最大程度地貼合試驗(yàn)狀態(tài)，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

基于上述原因，筆者擬開發(fā)一種可實(shí)現(xiàn)全量程扭轉(zhuǎn)角度，且能夠模擬真實(shí)試驗(yàn)狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)角度計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與控制流程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及其應(yīng)用示意圖，如圖1所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)及扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)示意圖1-固定夾頭端機(jī)架；2-固定夾頭；3-工作試樣；4-主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭；5-主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭端機(jī)架；6-移動(dòng)導(dǎo)向裝置；7-試驗(yàn)機(jī)底座；8-轉(zhuǎn)動(dòng)軸；9-編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)軸；10-編碼器外殼；11-頂絲；12-編碼器；13-固定軸；14-扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)；15-校準(zhǔn)系統(tǒng)顯示裝置

圖1中：

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)由固定夾頭及其機(jī)架、主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭及其機(jī)架、試驗(yàn)機(jī)底座以及動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、扭矩及角度檢測傳感器等組成。

扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)由光電軸角編碼器、角度顯示裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和固定軸等組成。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與光電軸角編碼器的旋轉(zhuǎn)軸連接，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨編碼器一起轉(zhuǎn)動(dòng)；固定軸與編碼器外殼連接。

轉(zhuǎn)動(dòng)軸由金屬加工而成，為保證裝配質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與編碼器的旋轉(zhuǎn)軸配合的部分需要嚴(yán)格控制尺寸公差及表面粗糙度，同時(shí)應(yīng)保證其加工同軸度；將轉(zhuǎn)動(dòng)軸與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭接觸的部分加工成紋路狀，防止夾緊時(shí)打滑。

固定軸也由金屬加工而成，加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其加工同軸度，以及與編碼器外殼連接部分的尺寸公差；固定軸與夾頭接觸的部分也需加工成紋路狀，防止夾緊時(shí)打滑。

轉(zhuǎn)動(dòng)軸、固定軸安裝到編碼器上后，應(yīng)借助相應(yīng)的工裝，使用百分表對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸、固定軸的跳動(dòng)量進(jìn)行檢測，以確保轉(zhuǎn)動(dòng)軸與固定軸之間同軸。

光電軸角編碼器是一種通過數(shù)字電信號(hào)輸出編碼器軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角的高精度傳感器件，其以結(jié)構(gòu)簡單、精度高等優(yōu)勢在自動(dòng)控制、高精度測量等多種領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。根據(jù)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程中主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器具量值傳遞的要求，此處選用品牌為DRC，型號(hào)為HS30B146的高精度光電軸角編碼器作為測量器具；編碼器每圈輸出的脈沖數(shù)為25 000,經(jīng)4倍頻后，每圈輸出的脈沖數(shù)為100 000,分辨率為0.003 6°。

1.2 系統(tǒng)控制流程

基于光電軸角編碼器的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該控制系統(tǒng)主要由微處理器模塊、光電軸角編碼器、電源和液晶顯示模塊等組成。

其工作程序流程圖如圖3所示。

圖3 工作程序流程圖

計(jì)量校準(zhǔn)前，使用同軸度校驗(yàn)棒對(duì)試驗(yàn)機(jī)的同軸度進(jìn)行調(diào)整，并用百分表的測頭頂住校驗(yàn)棒，操作試驗(yàn)機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭，通過百分表觀察同軸度的調(diào)整情況[6]；在確保兩端夾頭的同軸度符合計(jì)量要求的情況下，才能開展扭轉(zhuǎn)角度的校準(zhǔn)。

計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)檢定規(guī)程確定好角度的校準(zhǔn)點(diǎn)，然后啟動(dòng)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)；主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光電軸角編碼器的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，角度顯示裝置實(shí)時(shí)顯示主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；分別記錄扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的角度顯示值和校準(zhǔn)系統(tǒng)的角度顯示值。

2 不確定度評(píng)定與測量結(jié)果計(jì)算

2.1 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定

在室溫為(20±2)℃,相對(duì)濕度為(38～42)%RH的環(huán)境下，筆者使用經(jīng)校準(zhǔn)合格的扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)編號(hào)為UTM14463的電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行角度校準(zhǔn)；并采用GUM法[7-9]，對(duì)其主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭的扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。

2.1.1 測量模型建立

測量模型如下：

Y=X

(1)

式中：Y—扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)的示值；X—扭轉(zhuǎn)角度的測量結(jié)果。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定分量來源分析及評(píng)定

扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要來源于以下幾個(gè)方面：

(1)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1。根據(jù)貝塞爾公式，可得到單次測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

(2)

m次測量的平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

(3)

式中：m—平均值的測量次數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量以相對(duì)值表示，重復(fù)性測量結(jié)果引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量為：

(4)

(2)扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)由上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。其主要根據(jù)校準(zhǔn)證書給出的擴(kuò)展不確定及包含因子求得，即：

(5)

式中：U2—校準(zhǔn)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度；k2—校準(zhǔn)系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度的包含因子。

(6)

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3以相對(duì)值表示，則有：

(7)

式中：φi—扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)在第i校準(zhǔn)點(diǎn)的示值；ε—校準(zhǔn)系統(tǒng)的分辨力。

(4)同軸度引入的不確定度分量u4。同軸度引入的測量不確定主要來源于測量同軸度使用的百分表。可以根據(jù)校準(zhǔn)證書給出的擴(kuò)展不確定及包含因子求得，即：

(8)

式中：U4—百分表的擴(kuò)展不確定度；k4—百分表擴(kuò)展不確定度的包含因子。

2.1.3 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

假設(shè)各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量之間相互獨(dú)立，互不相關(guān)，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(9)

2.1.4 擴(kuò)展不確定計(jì)算

擴(kuò)展不確定計(jì)算公式為：

Urel=k·uc

(10)

式中：k—擴(kuò)展不確定度的包含因子。

2.2 示值相對(duì)誤差與重復(fù)性計(jì)算

在實(shí)際的校準(zhǔn)時(shí)，要將扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)安裝到扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭和固定夾頭上，然后設(shè)定好主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭的扭轉(zhuǎn)速度，再控制試驗(yàn)機(jī)的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭旋轉(zhuǎn)以消除安裝間隙，之后分別將試驗(yàn)機(jī)的角度示值和校準(zhǔn)系統(tǒng)的角度示值清零。

角度示值清零后，按照規(guī)程的要求確定計(jì)量校準(zhǔn)點(diǎn)，并進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，逐點(diǎn)讀取角度校準(zhǔn)系統(tǒng)的示值，并記錄在原始記錄上(校準(zhǔn)中不允許反向旋轉(zhuǎn))。

扭轉(zhuǎn)角度的示值相對(duì)誤差為：

(11)

扭轉(zhuǎn)角度的示值重復(fù)性為：

(12)

校準(zhǔn)結(jié)束后，按照式(11，12)進(jìn)行示值相對(duì)誤差和重復(fù)性的計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

基于光電軸角編碼器的扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用圖，如圖4所示。

圖4 基于光電軸角編碼器的扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用圖1-試驗(yàn)機(jī)的固定夾頭；2-扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)；3-試驗(yàn)機(jī)的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭；4-校準(zhǔn)系統(tǒng)顯示裝置

該角度校準(zhǔn)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的特點(diǎn)，其具體的操作流程為：

將扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)安裝到試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)空間，其中固定軸安裝到固定夾頭上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝到主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭上；安裝后，聯(lián)機(jī)試運(yùn)行消除安裝間隙，并檢查安裝狀態(tài)及設(shè)備是否正常；之后分別將試驗(yàn)機(jī)角度和校準(zhǔn)系統(tǒng)角度清零，即可開始校準(zhǔn)工作。

3.1 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評(píng)定計(jì)算

3.1.1 測量重復(fù)性引入的不確定度分量計(jì)算

此處筆者對(duì)主動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾頭扭轉(zhuǎn)角做10次獨(dú)立重復(fù)測量，并以3次測量的算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測量結(jié)果，通過式(2～4)計(jì)算得到測量重復(fù)性引入的不確定度分量；不確定度取2位有效數(shù)字[10]，測量結(jié)果及其他計(jì)算數(shù)據(jù)保留3位小數(shù)。

重復(fù)性測量數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 重復(fù)性測量數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算結(jié)果

由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量取3點(diǎn)的最大值，即u1=0.093%。

3.1.2 上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量計(jì)算

扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)證書由上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)給出的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度，為U2=0.001%(k2=2)，根據(jù)式(5)計(jì)算得到由上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2=0.000 5%。

3.1.3 校準(zhǔn)系統(tǒng)分辨力引入的不確定度計(jì)算

光電軸角編碼器的分辨力為0.003 6°，根據(jù)式(7)，筆者分別計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，計(jì)算結(jié)果取2位有效數(shù)字。

分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量如表2所示。

表2 分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量

由表2可知，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量取3點(diǎn)的最大值，即u3=0.021%。

3.1.4 同軸度引入的不確定度分量計(jì)算

測量同軸度的百分表，由上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)給出的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度，為U4=0.15%(k4=2)；此處根據(jù)式(8)計(jì)算得到，由同軸度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4=0.075%。

3.1.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度計(jì)算

不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

表3 不確定度分量匯總

根據(jù)式(9)計(jì)算得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uc=0.122%≈0.12%。取置信概率為95%的包含區(qū)間，則包含因子k=2；根據(jù)式(10)，計(jì)算得到的擴(kuò)展不確定度為：Urel=0.24%。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的扭轉(zhuǎn)角度的示值最大允許誤差為：MPE=±1.0%。由于Urel=0.24%<|MPE|/3≈0.33%，由此可見，評(píng)定的測量結(jié)果不確定度滿足扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)的要求。

3.2 示值相對(duì)誤差與重復(fù)性計(jì)算

根據(jù)表1測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此處采用式(11，12)計(jì)算各校準(zhǔn)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角度的示值相對(duì)誤差和示值重復(fù)性，計(jì)算結(jié)果取2位有效數(shù)字。

示值相對(duì)誤差與重復(fù)性計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4中的結(jié)果顯示：扭轉(zhuǎn)角度的示值誤差和示值重復(fù)性均小于1.0%，且不確定度小于最大允許誤差的三分之一；根據(jù)前述理論，該校準(zhǔn)結(jié)果滿足JJG269-2006《扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》的要求。

表4 示值相對(duì)誤差與重復(fù)性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

結(jié)合扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，筆者搭建了基于光電軸角編碼器的扭轉(zhuǎn)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)對(duì)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的角度進(jìn)行了校準(zhǔn)，并對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定度評(píng)定，以及示值相對(duì)誤差及重復(fù)性計(jì)算的分析。

研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠全量程對(duì)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行校準(zhǔn)，滿足JJG269-2006《扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)規(guī)程》的要求，具備投入實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的條件。

該系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用可為行業(yè)有關(guān)扭轉(zhuǎn)角度的檢定、校準(zhǔn)提供設(shè)計(jì)參考。