1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機控制系統(tǒng)的設(shè)計*

張智敏　李　濤

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中船重工集團第七〇四研究所，上海 200031)

0　引言

扭矩測量是各種機械產(chǎn)品開發(fā)研究、質(zhì)量檢驗、安全和優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容。扭矩量值作為一個基本參量，在船舶、航空、航天、汽車、微機械等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。近些年，隨著航空航天、汽車、電子等行業(yè)的迅速發(fā)展，對微小扭矩的測量提出了迫切的需求。目前國際上先進的工業(yè)國家如德國、日本的國家計量院相繼建立了微小量程扭矩標(biāo)準(zhǔn)機。我國目前有5kN·m、1kN·m、50N·m三臺扭矩基準(zhǔn)機，復(fù)現(xiàn)的扭矩值范圍為1N·m～5kN·m。為滿足1N·m以下微小扭矩測量的需要，2013年中國計量科學(xué)研究院完成了質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項項目——建立1mN·m～1N·m扭矩國家標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡稱1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機)。本文介紹了1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機的技術(shù)方案、電氣控制系統(tǒng)和工作流程。

圖2　1N·m扭矩機控制系統(tǒng)框圖

1　技術(shù)方案

1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機采用靜重式結(jié)構(gòu)，根據(jù)砝碼所產(chǎn)生的重力和空氣對砝碼浮力的合力與力臂杠桿臂長的矢積來復(fù)現(xiàn)扭矩值。該機主要由空氣軸承支撐系統(tǒng)、力臂杠桿系統(tǒng)、砝碼懸掛系統(tǒng)、砝碼加載系統(tǒng)、扭平機構(gòu)、聯(lián)軸器和機身組成。圖1為1N·m扭矩機的機械結(jié)構(gòu)圖。

圖1　1N·m扭矩機機械結(jié)構(gòu)圖

力臂杠桿支撐部分采用空氣軸承支撐系統(tǒng)，以減小支撐部分帶來的摩擦扭矩；力臂杠桿采用低熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料，減小了力臂長度因溫度變化引起的不確定度，力臂采用單梁結(jié)構(gòu)，梁上挖有減輕孔，并配置了力臂平衡機構(gòu)，以保證力臂工作時既穩(wěn)定又有較高的靈敏性，同時解決了力臂杠桿系統(tǒng)中主軸軸線和力臂兩側(cè)鋼帶懸掛面平行度難于保證的問題，確保了力臂長度的高準(zhǔn)確度；力臂杠桿的平衡狀態(tài)由激光位移傳感器測量并通過伺服控制系統(tǒng)進行控制調(diào)整，以保證系統(tǒng)加載后保持初始平衡狀態(tài)；砝碼加載系統(tǒng)首次采用了砝碼吊掛和砝碼支撐系統(tǒng)結(jié)合的方式，砝碼組、砝碼支撐系統(tǒng)和砝碼吊掛巧妙配合，保證了微小砝碼精確可靠地加載，實現(xiàn)了在不同扭矩量程范圍測量時加卸荷中不出現(xiàn)逆程；研發(fā)的砝碼懸掛系統(tǒng)具有多自由度的自適應(yīng)調(diào)整功能，可以確保砝碼所產(chǎn)生的力始終垂直向下，減小了砝碼懸掛給扭矩測量結(jié)果帶來的影響；扭矩機的主動軸和從動軸上裝配撓性聯(lián)軸器，扭矩機與傳感器的聯(lián)接器采用軸鎖緊裝置，以解決由于聯(lián)接件加工安裝和傳感器自重等因素帶來的傳感器與扭矩機不同軸而產(chǎn)生的寄生分量的問題。

2　電氣控制系統(tǒng)

1N·m扭矩機是一臺具有數(shù)十個伺服電機、接近開關(guān)及執(zhí)行器件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)備各個執(zhí)行部件的動作要求精確控制，各部件的動作相互關(guān)聯(lián)。

圖3　1N·m扭矩機工作流程框圖

該機采用工控機作為中央控制器，實現(xiàn)對扭矩機的集中控制管理。運用可編程序控制器(PLC)作為控制裝置，實現(xiàn)對設(shè)備各種執(zhí)行器件的動作控制，包括對三維安裝平臺、扭平機構(gòu)、力臂杠桿、左右兩側(cè)砝碼支撐機構(gòu)、吊掛機構(gòu)等的精確控制。在微機組態(tài)界面中對系統(tǒng)各執(zhí)行部件進行監(jiān)控，設(shè)備運行過程中各個部件的工作狀態(tài)，如力臂平衡狀態(tài)、左右兩側(cè)砝碼加載狀態(tài)、砝碼吊掛狀態(tài)及各運動機構(gòu)的終點限位開關(guān)狀態(tài)等，均在微機屏幕上實時顯示，利用位移傳感器和力傳感器對力臂杠桿的位置進行精確測量，并由伺服控制系統(tǒng)完成控制調(diào)整，以保證系統(tǒng)加載后力臂杠桿保持初始平衡狀態(tài)。微機通過串行口和測量儀表進行通訊，實現(xiàn)了微機與傳感器測量儀表之間的數(shù)據(jù)傳輸。圖2為1N·m扭矩機控制系統(tǒng)框圖。

3　工作流程

1N·m扭矩機的控制系統(tǒng)與主機有機結(jié)合，全部工作過程由微機集中統(tǒng)一管理控制。利用微機軟件技術(shù)，通過設(shè)計和編寫復(fù)雜的微機程序，實現(xiàn)了扭矩機全自動化工作，包括自動加卸載荷、自動采集數(shù)據(jù)、自動完成數(shù)據(jù)處理、繪制符合標(biāo)準(zhǔn)的檢測報告表格；自動實時監(jiān)測、顯示設(shè)備的工作過程和各個部件的工作狀態(tài)。1N·m扭矩機有三種運行模式：

圖4　1N·m扭矩機的操作界面

1)標(biāo)準(zhǔn)模式：按規(guī)定的5個扭矩量程，每個量程均分為10扭矩點，按“預(yù)加載”、“預(yù)卸載”、“測試加載”、“測試卸載”的順序依次完成整個測試過程。

2)單點模式：可任意選擇砝碼的加載數(shù)量，進行一次性的加載、卸載、平衡操作。

3)手動模式：適用于單獨調(diào)整各個執(zhí)行機構(gòu)的運動，以便在意外狀態(tài)下將系統(tǒng)恢復(fù)到檢測前的起始狀態(tài)。

圖3為1N·m扭矩機工作流程框圖，圖4為操作界面。

4　結(jié)束語

1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機采用工控機作為中央控制器，實現(xiàn)對扭矩機的集中控制管理。運用可編程序控制器(PLC)作為控制裝置，實現(xiàn)對設(shè)備各種執(zhí)行器件的動作控制。設(shè)備運行過程中各個部件的工作狀態(tài)均在微機屏幕上實時顯示。通過設(shè)計和編寫復(fù)雜的微機程序，實現(xiàn)了扭矩機全自動化工作，包括自動加卸載荷、自動采集數(shù)據(jù)、自動完成數(shù)據(jù)處理、自動實時監(jiān)測、顯示設(shè)備的工作過程，此外設(shè)備還具有半自動、調(diào)機等功能。1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機的測量范圍為1mN·m～1N·m, 不確定度在1～<5mN·m范圍內(nèi)為5×10-4(k=2)，在5mN·m～1N·m范圍內(nèi)為1×10-4(k=2)，實現(xiàn)了全自動控制的目標(biāo)。

[1]Zhimin Zhang, Yue Zhang, Tao Li，et al.The Design of 1N·m Torque Standard Machine at NIM[C].The 11th Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and torque.International Journal of Modern Physics: Conference Series,Vol.24(2013) Chinese Taipei, 2013, 1360024(7 pages)

[2]張智敏，李濤，張躍，等.基于空氣軸承支撐技術(shù)的100N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機的設(shè)計[J].計量技術(shù)，2007(10)：35-37

[3]張智敏，李濤，張躍，等.全自動高準(zhǔn)確度100N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機[J].計量學(xué)報，2010, 31(1)：1-4

[4]D Roske.Metrological characterization of a 1Nm torque standard machine at PTB, Germany[J].Metrologia，2014，51(1)：87-96

[5]Atsuhiro NISHINO, Koji OHGUSHI, Kazunaga UEDA.Design and Component Evaluation of the 10N·m Dead-Weight[C].The 8th Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and torque, Sydney, Australia, 2007