倪晉權(quán) 李 濤 胡 剛 蔣繼樂(lè) 倪昔東

(1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

力值計(jì)量屬于傳統(tǒng)的計(jì)量領(lǐng)域，目前國(guó)際計(jì)量局(BIPM)公布的各國(guó)計(jì)量院的力值最佳校準(zhǔn)和測(cè)量能力(CMCs)的下限為0.5N，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為10-5量級(jí)。其中德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)的200N靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，測(cè)量范圍(0.5～200)N，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為2.0×10-5(k=2)[1]；韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)研究院(KRISS)的22N靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，測(cè)量范圍(0.5～22)N，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為1.0×10-4(k=2)[2]。中國(guó)力值最佳校準(zhǔn)和測(cè)量能力(CMCs)的下限為10N[3]。近十幾年來(lái)，一些國(guó)內(nèi)外計(jì)量研究機(jī)構(gòu)也研制了毫牛到牛頓量值的微小力值測(cè)量裝置，并開展微小力值溯源方法的研究工作。該量程范圍的力值測(cè)量裝置通常采用直接施加砝碼(靜重式)或電磁補(bǔ)償天平將力值溯源到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。例如中航工業(yè)長(zhǎng)城計(jì)量所采用靜重砝碼復(fù)現(xiàn)力值的等臂杠桿結(jié)構(gòu)研制的微小力值裝置，測(cè)量范圍100mN～20N，不確定度0.01%～0.05%[4]。德國(guó)PTB研發(fā)的微小力值校準(zhǔn)裝置，采用不同量程的電磁補(bǔ)償天平(ECB)模塊和壓電陶瓷納米微位移臺(tái)組成，力值測(cè)量范圍100μN(yùn)～200mN，力值誤差在0.05%～0.1%[5]。

由于缺少高準(zhǔn)確度的微小力值標(biāo)準(zhǔn)(力基/標(biāo)準(zhǔn)機(jī))，毫牛到牛頓范圍力值測(cè)量不確定度較大，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度較低，采用不同設(shè)備或方法得到的測(cè)量結(jié)果一致性較差，難以滿足相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)αχ禍y(cè)量準(zhǔn)確度的要求。因此，迫切需要研究、建立毫牛到牛頓范圍微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置，研制微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)及智能監(jiān)控系統(tǒng)，研究微小力值溯源方法，確保微小力值的準(zhǔn)確溯源。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置組成

1mN～10N靜重式力標(biāo)準(zhǔn)裝置參考高精度靜重式扭矩基/標(biāo)準(zhǔn)機(jī)和力基/標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)[6-8]，為減小平衡梁支撐的摩擦力，避免刀口式支撐的弊端，保證砝碼加載的準(zhǔn)確定位和微小力值的復(fù)現(xiàn)，1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置采用一種全新的氣浮軸承支撐方式，平衡梁中心位置采用氣浮軸承支撐，平衡梁左側(cè)上部設(shè)計(jì)懸掛加荷框架系統(tǒng)，下部設(shè)計(jì)砝碼吊掛系統(tǒng)，平衡梁右側(cè)為一個(gè)內(nèi)式配重平衡機(jī)構(gòu)，可調(diào)節(jié)配重機(jī)構(gòu)保持梁平衡。

該裝置采用靜重式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)現(xiàn)的力值按式(1)計(jì)算

(1)

式中：F——裝置復(fù)現(xiàn)的力值，N；m——標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m/s2；ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；ρw——標(biāo)準(zhǔn)砝碼密度，kg/m3。

1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成[9]，機(jī)械系統(tǒng)包括：砝碼加卸載系統(tǒng)、砝碼吊掛系統(tǒng)、加荷框架、平衡梁系統(tǒng)、氣浮軸承、平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)、床身機(jī)座等組成?？刂葡到y(tǒng)包括：平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)控制、加荷框架同步平衡恢復(fù)控制、砝碼吊掛系統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)控制、砝碼加卸載控制和砝碼組更換自動(dòng)控制。標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用主從模式，以上位機(jī)(PC)為主，結(jié)合可編程序控制器(PLC)進(jìn)行裝置手動(dòng)、單點(diǎn)、全自動(dòng)三種控制模式。PC部分的組態(tài)軟件通過(guò)各種操作人機(jī)界面、操作按鈕與操作人員交換信息。PLC及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)控制、加荷框架同步平衡恢復(fù)控制、砝碼吊掛系統(tǒng)夾緊機(jī)構(gòu)控制、砝碼加卸載控制和砝碼組更換自動(dòng)控制及一鍵式操作測(cè)量過(guò)程全自動(dòng)控制。

該裝置砝碼組多，每組砝碼對(duì)應(yīng)的參數(shù)都不相同，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如預(yù)加卸載等待時(shí)間、次數(shù)，測(cè)試加卸載過(guò)程中穩(wěn)定時(shí)間、次數(shù)，進(jìn)回程要求等[9]。1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的電氣控制流程如圖2所示。

圖2 電氣控制流程框圖

3.1 控制系統(tǒng)的硬件配置

3.1.1可編程控制器系統(tǒng)

可編程控制器的選型從程序容量、輸入輸出I/O點(diǎn)數(shù)、功能模塊、CPU的運(yùn)算速度、安裝方式、抗干擾性能以及性價(jià)比等方面綜合考慮，選擇與配套裝置的品牌、機(jī)型盡量統(tǒng)一。1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的電氣控制系統(tǒng)，采用三菱Q系列模塊化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，PLC程序采用GX Works 2編寫及調(diào)試，GX Works 2是專用于三菱品牌可編程控制器設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的編程工具，可實(shí)現(xiàn)可編程控制器數(shù)據(jù)與HMI、運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)據(jù)共享。

3.1.2伺服及步進(jìn)控制器系統(tǒng)

1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的伺服控制器系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用了三菱HG-KR系列伺服電機(jī)，伺服放大器加裝電池，采用絕對(duì)位置方式控制，系統(tǒng)只需進(jìn)行一次原點(diǎn)設(shè)定后，正常情況下不需要每次上電原點(diǎn)回歸。

1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)加荷框架升降工作臺(tái)、砝碼加卸載機(jī)構(gòu)的升降模組、平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)、砝碼吊掛系統(tǒng)保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)自成閉環(huán)控制；設(shè)計(jì)砝碼加卸載機(jī)構(gòu)的水平移動(dòng)模組、旋轉(zhuǎn)模組采用模組配置的步進(jìn)電機(jī)控制。伺服系統(tǒng)采用三菱電機(jī)的MR-J4A系列伺服控制器，步進(jìn)系統(tǒng)采用5相步進(jìn)電機(jī)控制器MSDR24-C控制器，Q系列QD75P4模塊發(fā)送脈沖串對(duì)伺服系統(tǒng)和步進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行精確定位控制。

3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)靜重式力值標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程要求，實(shí)現(xiàn)1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置全自動(dòng)加載，各級(jí)砝碼在預(yù)加卸載、加卸載過(guò)程中的停頓時(shí)間可設(shè)置，加卸載過(guò)程中要求加卸載平穩(wěn)、無(wú)沖擊，加卸載過(guò)程中無(wú)逆程出現(xiàn)；加荷框架升降工作臺(tái)同步平衡恢復(fù)控制要求平衡平穩(wěn)，無(wú)超調(diào)、振蕩。

1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置各機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)如下。

加荷框架升降工作臺(tái)采用速度模式控制，控制系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置及平衡梁狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)定位模塊發(fā)送變速脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服控制器，對(duì)工作臺(tái)做升降運(yùn)動(dòng)，激光位移傳感器反饋平衡梁水平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)機(jī)構(gòu)自動(dòng)閉環(huán)控制。

砝碼加卸載機(jī)構(gòu)采用位置模式控制，控制系統(tǒng)對(duì)砝碼加卸載機(jī)構(gòu)升降、水平移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及左右兩組砝碼加卸載機(jī)構(gòu)的位置檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)定位模塊發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服控制器和步進(jìn)控制器，對(duì)多臺(tái)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)做升降、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)定位運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)100個(gè)砝碼精確加卸載定位控制和砝碼托盤旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)的自動(dòng)控制。由于在標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量作用下，加卸載機(jī)構(gòu)及懸掛機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生微量變形，控制系統(tǒng)會(huì)作出相應(yīng)的位置修正，保證位置控制精準(zhǔn)，避免砝碼加卸載錯(cuò)誤或砝碼支架與砝碼吊掛發(fā)生碰撞。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用組合對(duì)稱式激光位移傳感器無(wú)接觸式測(cè)量，保證標(biāo)準(zhǔn)力臂始終保持水平及解決位移傳感器零漂問(wèn)題。

平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)采用位置模式控制，平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，左右平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)可分別設(shè)定移動(dòng)行程，控制系統(tǒng)對(duì)夾緊位置狀態(tài)、夾緊力進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)定位模塊發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服控制器，對(duì)伺服電機(jī)夾緊，放松移動(dòng)做定位運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡梁保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)夾緊位置錯(cuò)誤或造成力傳感器超載或發(fā)生碰撞時(shí)自動(dòng)保護(hù)功能報(bào)警功能，避免造成裝置的損壞。

砝碼吊掛保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)采用位置模式控制，砝碼吊掛保護(hù)夾緊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)移動(dòng)行程可設(shè)定，控制系統(tǒng)對(duì)夾緊位置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)定位模塊發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服控制器，對(duì)伺服電機(jī)夾緊，放松移動(dòng)做定位運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)砝碼吊掛保護(hù)夾緊自動(dòng)控制。

3.3 智能監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置智能監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)主要包括：裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)模塊、安全操作智能管理系統(tǒng)模塊、運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)模塊。

3.3.1裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)模塊

在安裝被測(cè)力傳感器時(shí)，必須對(duì)平衡梁進(jìn)行“間隙夾緊”，避免氣浮軸承因意外情況受到較大外力而損壞，這就要求裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)平衡梁的夾緊壓力、夾緊位置平行度等各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為保證砝碼加卸載機(jī)構(gòu)能夠安全運(yùn)行，保護(hù)系統(tǒng)模塊必須對(duì)每套加卸載機(jī)構(gòu)的移動(dòng)位置、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和升降位置等進(jìn)行實(shí)時(shí)的位置檢測(cè)，防止因位置偏差或操作人員的誤操作造成機(jī)構(gòu)的損壞。此外，加卸載保護(hù)系統(tǒng)還必須對(duì)十個(gè)移動(dòng)軸的正、反方向極限位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警保護(hù)[10]。

3.3.2安全操作智能管理系統(tǒng)模塊

安全操作智能管理系統(tǒng)模塊是一個(gè)結(jié)合各相關(guān)模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理的模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器、限位開關(guān)等監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與操作者確認(rèn)的設(shè)備狀態(tài)等多方面的信息進(jìn)行綜合分析，得出裝置當(dāng)前的運(yùn)行狀況，再根據(jù)操作者在上位機(jī)上選定的選擇開關(guān)位置進(jìn)行邏輯判斷，確定該時(shí)刻允許進(jìn)行的手動(dòng)操作項(xiàng)目，并顯示在屏幕上，而不允許的操作則自動(dòng)禁止。采用這種方式，一是可以提示操作者當(dāng)前允許的操作項(xiàng)目，更重要的是避免誤操作的發(fā)生，有效保障了裝置的運(yùn)行安全[11]。

3.3.3運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)模塊

裝置的運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)模塊主要包括PLC控制軟件和組態(tài)軟件兩大部分。裝置的運(yùn)行控制系統(tǒng)模塊對(duì)裝置的重復(fù)定位精度要求極高。數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)模塊用于對(duì)被測(cè)力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到傳感器的各項(xiàng)性能結(jié)果，并自動(dòng)生成原始記錄和測(cè)試報(bào)告。

1mN～10N標(biāo)準(zhǔn)裝置軟件最主要實(shí)現(xiàn)的操作控制過(guò)程為：系統(tǒng)檢測(cè)前首先由PC事先發(fā)送各個(gè)設(shè)置參數(shù)，手動(dòng)操作各機(jī)構(gòu)進(jìn)入測(cè)前狀態(tài)，完成測(cè)前準(zhǔn)備工作。接著由PC發(fā)送指定的“加載量程”命令，PLC自動(dòng)計(jì)算出應(yīng)加載(或卸載)的砝碼數(shù)量并確定相應(yīng)的砝碼組。當(dāng)PC發(fā)送“檢測(cè)進(jìn)行”命令之后，PLC即進(jìn)行砝碼加載(或卸載)操作，完成單次允許的最大力加、卸載操作后，驅(qū)動(dòng)平衡恢復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡梁平衡操作。當(dāng)平衡梁達(dá)到平衡狀態(tài)后，如果尚未完成“主令加載量”規(guī)定的力值，則重復(fù)上一項(xiàng)，繼續(xù)進(jìn)行下一輪的砝碼加卸載作業(yè)。當(dāng)平衡梁達(dá)到平衡狀態(tài)后，如果已完成“主令加載量”規(guī)定的力值，則保持平衡狀態(tài)并按“調(diào)平維持時(shí)間”進(jìn)行計(jì)時(shí)，直到發(fā)送“檢測(cè)完成”回應(yīng)信息，并復(fù)位“檢測(cè)進(jìn)行”。接收到下一個(gè)“檢測(cè)進(jìn)行”命令后復(fù)位“檢測(cè)完成”。根據(jù)需要，PC發(fā)送新的“加載量程”和“檢測(cè)進(jìn)行”命令，操作系統(tǒng)將重復(fù)上述過(guò)程，完成全部量程的預(yù)加載、預(yù)卸載、檢測(cè)加載、檢測(cè)卸載等操作。

4 性能試驗(yàn)

1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置的力值測(cè)量范圍較寬，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此，選用兩只高準(zhǔn)確度力傳感器及精密數(shù)字測(cè)量?jī)xDMP40對(duì)1mN～10N標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)覆蓋了該機(jī)的全量程范圍。

4.1 重復(fù)性試驗(yàn)

1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：施加預(yù)負(fù)荷4遍，第1、2、3遍直接加至試驗(yàn)的最大負(fù)荷，第4遍按試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)逐級(jí)施加。預(yù)負(fù)荷完成后，從最大負(fù)荷的10%開始，按照均勻分布的10個(gè)點(diǎn)逐級(jí)施加至最大負(fù)荷，再直接退回到零負(fù)荷[12]。以上試驗(yàn)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行3遍。試驗(yàn)時(shí)，每級(jí)負(fù)荷穩(wěn)定后等待60s讀數(shù)；退回到零負(fù)荷后等待60s讀數(shù)。得到的試驗(yàn)結(jié)果見表1、如圖3所示。

表1 力值重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 力值重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果圖

該裝置采用靜重式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力值重復(fù)性按式(2)計(jì)算

(2)

從表1、圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置的力值重復(fù)性優(yōu)于4.0×10-5。

4.2 靈敏度試驗(yàn)

1mN～10N力標(biāo)準(zhǔn)裝置在安裝完成后，采用高準(zhǔn)確度力傳感器，在施加載荷的情況下進(jìn)行了靈敏度試驗(yàn)。在某一力值點(diǎn)，力傳感器輸出穩(wěn)定后，在平衡梁的一端施加標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察力傳感器輸出變化情況。施加載荷情況下的靈敏度按式(3)計(jì)算

(3)

式中：△m1——使力傳感器輸出變化的最小砝碼的質(zhì)量；m1——該力值點(diǎn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量。

施加載荷情況下的靈敏度試驗(yàn)結(jié)果見表2，靈敏度滿足裝置設(shè)計(jì)要求。

表2 施加載荷情況下的靈敏度試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)對(duì)兩套砝碼加卸載機(jī)構(gòu)的升降、托盤旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)進(jìn)行了自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)10組砝碼100個(gè)力值點(diǎn)的自動(dòng)加卸載和砝碼組自動(dòng)更換功能。1mN～10N力值標(biāo)準(zhǔn)裝置的力值測(cè)量范圍寬，裝置通過(guò)選擇不同量程的高準(zhǔn)確度力傳感器對(duì)其相應(yīng)量程的計(jì)量性能和控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)點(diǎn)覆蓋了該裝置的全量程范圍：1mN～0.5N，力值擴(kuò)展不確定度1.0×10-4(k=2)；(0.5～10)N，力值擴(kuò)展不確定度4.0×10-5(k=2)。裝置通過(guò)了各項(xiàng)性能驗(yàn)證，證明裝置控制系統(tǒng)的功能和控制精度滿足設(shè)計(jì)要求，控制程序及組態(tài)軟件編寫滿足計(jì)量檢定規(guī)范要求。