智能加载激光洛氏硬度标准装置C标尺力值加载系统的控制

陶继增，石伟，王丽

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

洛氏硬度是一个试验量。2006年国际硬度工作组第8 次国际会议通过了对改善洛氏硬度试验C 标尺定义中所有参数的初步确定，通过完善定义和参数的准确控制，要求施加主试验力时的速度应可调节，要求末速度Vfis应缓慢变更至30 μm/s，以减少速度的冲击影响。特别增加了试验过程中间环节控制的参数控制描绘曲线，来减小各国间洛氏硬度最高标准测量的差异，提高量值传递的整体水平，从而实现了洛氏硬度的新定义。

目前，我国的洛氏硬度标准装置采用静重砝码方式完成试验力值的加卸荷，不具有全程监测试验力和压痕深度变化的能力，也无法实现主试验力加载过程中变速的要求。本项目静重砝码靠伺服电机的驱动完成洛氏硬度试验的加、卸荷过程，控制系统实时检测安装于主轴上的力值传感器信号，以及用于测量主轴的运行速度与行程的激光干涉仪的信号，不但实现试验过程中试验力值和压痕深度变化的监测要求，而且根据以上两路反馈信号，按照洛氏硬度新定义草案的参数要求来控制电机的运行速度，可以达到主试验力加载过程中的变速要求。

1 控制原理

图1 和图2 分别是洛氏硬度新定义中给出的HRC试验过程中力-时间和压痕深度-时间曲线;表1 是试验过程参数含义及要求［2-3］。

洛氏硬度自动控制试验原理图如图3所示。

控制系统通过控制伺服电机带动滚珠丝杠驱动静重砝码的方式实现试验力值的加、卸载，并将整个施力过程通过高准确度力传感器进行监测和反馈;利用安装在主轴上方的激光干涉仪测量主轴的位移和速度实现压痕深度和加载速度的监测和反馈，实现整个试验过程的闭环控制，从而保证了力值加载和压痕深度测量的高度准确性。

图1 HRC 试验的力-时间曲线

图2 HRC 试验的压痕深度-时间曲线

表1 洛氏硬度新定义参数要求

图3 试验原理图

2 洛氏硬度试验的控制算法

本项目采用伺服电机和精密滚珠丝杠作为试验力加载的驱动系统，其试验过程为伺服电机驱动滚珠丝杠带动静重砝码作上下直线往复运动，实现力值的加卸荷。为满足洛氏硬度新定义中对初试验力的施加时间和主试验力的施加速度应可调节的要求，本项目除了在力加载驱动系统中引入了阻尼器和减振器等装置，还结合控制对象系统结构的特点采用了数字PID 算法进行力加载系统的控制。

数字PID 控制算法通常分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。前者的算法由于是全量输出，计算机的控制输出结果都与过去时刻的状态密切相关，后续的控制量计算输出都对以前的误差进行累加;在系统异常时，容易引起控制量的大幅变化，造成执行机构的运动量过大，系统安全性受到影响。增量式PID算法控制器输出只是控制量的增量，算式中不需要累加，控制量的确定仅与最近的采样值有关，比较容易通过加权处理而获得好的控制效果，在控制方式上较之位置式控制具有很多优点。本项目采用增量式PID控制方式，其控制系统框图如图4所示［1］。

图4 控制原理图

图中设定值r(k)与实际输出值c(t)的采样值之差构成控制偏差e(k)，e(k)经数字PID 增量算法运算后取的控制增量Δu(k)，伺服电机对增量Δu(k)进行积分实现，通过控制其自身转速和运动位移以达到控制静重砝码运动状态的目的。

在本项目中，根据洛氏硬度试验要求，伺服电机控制静重砝码起降的速度要尽可能快，并且整个试验过程中要避免力值加载的较大振荡，以杜绝加载过程中过冲现象的发生。根据以上洛氏硬度试验要求的特点，在以上增量式PID 控制算法中引入积分分离控制算法，即根据控制对象的实际情况，设定一阈值ε ＞0，当短时间内控制系统输出有很大的偏差|e(k)| ＞ε 时，采用PD 控制，分离PID 控制算法中的积分积累作用，避免伺服电机控制量的较大幅度增加，既减小了系统超调量的发生，又能保证其有较快的响应速度;反之当控制系统输出偏差较小时，|e(k)|≤ε，采用PID 控制算法，以保证系统控制的准确度要求。

增量式积分分离控制算法为

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

进行PID 运算时

进行PD 运算时

式中:Ti为积分时间;Td为微分时间;T 为采样周期;Kp为比例因子。一般要根据具体的控制对象数学模型或是通过大量试验的方法整定出最佳的数值。

3 控制程序

控制程序使用虚拟仪器语言LabVIEW 编写［4］，主程序控制界面如图5。程序运行后，系统自动进行洛氏硬度试验的初负荷加载、初负荷保持、主负荷加载、主负荷保持、主负荷卸载、初负荷卸载，并实时绘制试验力值随时间变化的曲线，同时将试验力值和压痕深度随时间变化的数据自动保存，以备后续分析。试验过程中根据加载初负荷时间及时调整初负荷保持时间，同时实时显示加载速度，当超出新定义要求时，系统给出报警提示。

图5 主程序控制界面

4 试验结果

4.1 试验过程控制结果

图6 和图7 分别是HRC 试验中实际的试验力和压痕深度随时间变化的曲线图。其中初试验力加载时间tpa为3.1 s，初试验力保荷时间tpf为1.2 s，主试验力加载的开始阶段加载速度较快，总试验力值达到50%左右时，主试验力的加载速度变缓，满足洛氏硬度新定义草案的指标要求。

图6 HRC 试验的力-时间曲线

图7 HRC 试验的压痕深度-时间曲线

4.2 示值比对

洛氏硬度新定义草案要求的终极目的是硬度示值结果的准确性，对HRC 标尺高、中、低值的硬度块进行了试验比对，按照规程要求，每一硬度块试验5 点，取其平均值作为本硬度块的试验示值，而后与标准值进行比对。根据洛氏硬度标准机与国家基准硬度机的比对要求，其示值误差应满足±0.3HRC。表2 是部分比对结果。从表2 可以看出试验结果的示值误差满足洛氏硬度标准机的要求。

5 结束语

本智能力加载闭环反馈控制系统，实现了洛氏硬度试验的力值自动加载、力值和压痕深度变化的全程监测以及主试验力加载过程中的速度控制，保证了洛氏硬度测量的高准确度和可靠性。试验结果不仅满足洛氏硬度新定义草案的要求，为新定义标准的正式制定提供强有力的硬件基础和数据支撑，同时为我国国防系统硬度量值传递水平的整体提升及标准的全面改造提供了保证。

表2 示值比对结果

［1］余人杰，俞光昀，高祖纲.计算机控制技术［M］.西安:西安交通大学出版社，2005.

［2］Sung-Hoon Kim，Eun-chae Jeon，Dongil Kwon.Determining Brinell Hardness From Analysis of Indentation Load-Depth Curve Without Optical Measurement［J］.Transactions of the ASME，2005，127(1).

［3］E18-08b Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials［S］.West Conshohocken:American Society for Testing and Materials，2008.

［4］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20 程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2007.