基于位移和力值组合的静重式力标准机砝码加卸载控制方法研究

2020-09-10李时鑫魏树龙李海根

宇航计测技术 2020年4期

李时鑫王鹏郑辉魏树龙李海根梁伟

(1.天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192;2.绍兴市肯特机械电子有限公司，绍兴 312300；3.福建省计量科学研究院，福州 350003)

1 引言

静重式力标准机是通过实物(砝码)形式复现标准力值的力值计量标准装置，因其准确度高、长期稳定性好，被广泛应用于航空航天、高速铁路、国防武器等尖端装备力值测量传感器的校准[1]。

静重式力标准机的砝码加载方式有三种：砝码连带式、机械拉杆式和独立砝码加卸载式。前两种基本都是通过某些力传感器的量程和力值测量点，预先设定好砝码的组合，并自上而下串联在一起。工作时，通过升降系统，实现一组砝码一个量程或多组砝码多个量程的逐级加载。然而，这种静重式力标准机是针对特定的某些量程型号的力传感器校准，随着科技的发展，力传感器的种类和量程越来越多，需要测量的力值点越来越多，这种“呆板”的加卸载方式不能适应多变的测量需求。因此，独立砝码加卸载方式成为静重式力标准机加卸载控制的主流[2～3]。

独立砝码加卸载方式通过对单块砝码的独立控制，根据所需的力值测量点，调配砝码组合，实现砝码的选择性加卸载。然而，这种加卸载方式存在两个问题：首先，存在“逆程效应”影响。对于某些特定的力值测量点，需要进行砝码交换，即在加载进程中存在“先卸后加”；而在卸载回程中存在“先加后卸”的砝码交换步骤。尽管可以通过增加砝码数量来增加力值点，但是在某些特定量值上，需要进行砝码交换。由于这种现象的存在，无法实现力标准机对力传感器平滑的加卸载，无法满足ISO 376-2011[4]、JJG 391-2009[5]和OIML R60-2000[6]对校准力传感器的要求，影响了测量准确度[7]。其次，加卸载过程稳定性差。现有静重式力标准机基本上采用位移传感器或行程开关确定加载状态。然而，行程开关只能反映砝码加载与否，而位移传感器只能反映和控制砝码在间隙内运动的状态[8]。这两种形式均属于开环控制，无法控制加载速度，在工作过程中无法匀速平稳加荷，容易出现力值过冲现象，且独立加载的每块砝码均采用三点支承，如果某个支承点与其它点不在水平面上，砝码被倾斜地加载到吊挂上，导致砝码的重力产生分力，使吊挂加载后容易产生大的摆动幅度，从而影响了力标准机复现力值的准确度[9]。

本文通过在加卸载机构中增加位移传感器和力传感器叠加系统，监控每块砝码在加卸载过程的位移量和力值量，实时调整加卸载机构的动作量，使砝码加卸载形成闭环控制，实现静重式力标准机对力传感器的平滑加卸载。

2 控制方法设计

为实现力标准机砝码精准平稳的加卸载控制，如图1所示，在被测传感器下方安装了一台参考力传感器叠加系统(由3只量程相同、均匀并联排布的力传感器组成)，用于监控砝码加卸载过程吊挂的载荷分布情况；每块砝码的加卸载机构(每块砝码由3个该机构托住实现上下移动)中增加位移传感器，实现对砝码状态实时监测。

图1 静重式力标准机结构示意图Fig.1 Structure diagram of deadweight force standard machine

2.1 理论模型

如图2所示，当某块砝码并未完全降落到吊挂上时，通过监测三个砝码加卸载机构的位移量，实时调整砝码状态，不仅实现砝码的快速移动，而且使其平稳地放置在吊挂上，避免了因三个机构不同步而使砝码以倾斜的状态落到吊挂上，从而产生剧烈的摆动；当砝码与吊挂接触后，以力传感器叠加系统中三只力传感器的合力值信号作为控制反馈，实现砝码交换过程中加卸载状态的监控，避免逆程效应的影响，而且也可实现加卸载速度的调节控制。此外，如图3所示，根据质心分布原理，当三个加卸载机构同步时，质心与吊挂中心重合，此时叠加系统的三个参考力传感器输出一致；而当某个机构不同步时，某只力传感器输出即发生偏离，这种情况下就应该对该机构加卸载速度进行实时调节，直至三只参考传感器的输出一致。该控制方法不仅实现了砝码在空行程状态下的快速平稳移动，而且实现了砝码加卸载状态下加载速度的实时控制，实现了对力传感器的平滑加卸载，提升了力传感器测量的准确度。

图2 静重机控制系统流程图Fig.2 Flow chart of control system diagram of deadweight force standard machine

图3 参考力传感器叠加系统与砝码加卸载机构排布示意图Fig.3 Layout diagram of force sensor superposition system and weight loading and unloading mechanism

2.2 结构设计

以一台量程为1.2 MN的静重式力标准机为例，按照该方法设计了其加卸载控制系统。每块砝码由三个砝码加卸载机构进行加卸载控制，最大驱动载荷为200 kN。每个砝码加卸载机构如图4所示，由加载座、砝码移动板、直线导轨、滚珠丝杆、减速机和伺服电机等组成。

图4 砝码加卸载机构Fig.4 Weight loading and unloading mechanism

直线导轨的直线精度优于0.016/1000，砝码最大移动距离为50mm，因此直线度误差仅为0.0008mm；滚珠丝杆的偏移精度在7 μm/m，滚珠丝杆导程s为10mm，传动效率90%；减速机采用蜗轮蜗杆减速机，其减速比i为80∶1，可实现对丝杆承载时的完全自锁和任意位置自锁，保障整机在断电等突发状态下的安全；伺服电机分度值e为1024分度/r的伺服电机，可实现依据控制系统信号实现(0～2000)r/min的任意调速，进而实现加载速度控制；加载座、砝码移动板：采用合金钢制造，安全系数为3倍。

力传感器叠加系统由3只力传感器ρ为500kN组成，传感器输出联接多通道高精度仪表，每个通道高精度仪表码数γ为24万码。加卸载机构位移控制精度为

(1)

式中：α——位移控制精度；s——滚珠丝杠导程；i——减速比；e——电机分度值。

最大位移速度为

v=σ×s÷i

(2)

v=2000×10÷80=250mm/min

式中：v——最大位移速度：σ——伺服电机最大转速。

该力标准机最小砝码τ为10kN，力值按照10倍分辨值控制，其最大位移速度控制精度为

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——传感器最大力值；γ——高精度仪表码数；τ——力标准机最小砝码值。

2.3 控制过程

在砝码加卸载过程中，必须保证三个加卸载机构的同步性，否则将导致砝码倾斜而严重影响测量精度。本文采用“一主两副”的伺服控制方法，即伺服电机通过伺服电机驱动器与控制系统通讯，设定同一砝码的其中一个伺服电机为主电机，其余两个伺服电机为副伺服电机，控制系统发送位移信号或力值信号给主伺服电机，主伺服电机按控制指令运行，其余副伺服电机跟踪主伺服电机的位置运行，主伺服电机与副伺服电机设置一定的允差，当检测到主副伺服电机的位置偏差超过允差值时，自动调整主副伺服电机的速度，保证主副伺服电机的同步运行。当设定三个伺服电机同步允差μ为500分度时，同步误差为

φ=μ×α

(4)

φ=500×1.2×10-4=0.06mm

式中：φ——同步误差；μ——三个伺服电机同步允差。

砝码的直径d为2400mm，采用该控制方法，砝码的最大倾斜度为

ω=φ÷d

(5)

ω=0.06÷2400×1000=0.025mm/m

式中：ω——砝码的最大倾斜度；d——砝码的直径。

3 试验测试

为验证该砝码加卸载控制方法的效果，采用一台1.2MN的静重式力标准机对一只德国HBM公司生产的量程为1MN、型号为C18的力传感器进行了实验测试，传感器仪表采用DMP 41，如图5所示。

力标准机分别采用本控制方法(即闭环控制)和普通开环控制(仅将位移量作为砝码是否加卸载到位的判定依据而未将位移量和力值量作为反馈控制)对力传感器进行了测试。整个加卸载过程通过计算机软件与DMP 41仪表通讯，实时采集力传感器输出量，采样频率3Hz，由此对比不同控制方法情况下力传感器输出的平滑性；此外，在吊挂底端安装一支激光笔，并在正下方放置一张坐标纸，在砝码加卸载过程中标记激光扫过的坐标位置，以对比不同控制方法情况下吊挂的摆动。

实验依据ISO 376进行，在(0～1000)kN范围内均匀选择5个力值测量点，即200kN、400kN、600kN、800kN和1000kN。根据该力标准机砝码配置的情况，在400kN力值点加载到600kN力值点以及800kN加载到1000kN时，分别需要卸载100kN砝码，以验证两种控制方法是否会产生逆程效应。

图5 力传感器测试照片Fig.5 Testing of force sensor

两种控制方法条件下，砝码加卸载过程被测力传感器输出结果如图6所示，从图中可以明显看出，在0kN加载到200kN再到400kN以及600kN加载到800kN过程中，由于无需卸除砝码，两种控制方法情况下被检力传感器输出基本一致，均不存在逆程现象，加载过程均比较平稳。然而，在400kN力值点加载到600kN以及800kN加载到1000kN力值点时，由于人为设置卸载100kN砝码，采用开环控制砝码加载的速度低于卸除的速度，测量得到的结果明显存在逆程现象。而采用本文提出的控制方法，砝码加载和卸载速度受参考力传感器叠加系统所反馈的力值的控制，实现了稳步均匀加载，并未出现逆程现象。

图6 不同控制方法情况下，砝码加卸载过程被测力传感器输出结果Fig.6 Output results of the force sensor during the loading and unloading process of the weight in different control methods

图7 吊挂摆动极限值Fig.7 Limit value of hanging swing

试验结果发现，当第一块砝码加载到吊挂时，吊挂摆动幅度最大，且激光扫过的路径呈椭圆形，但不同控制方法情况下，椭圆形的极限值大小不同，如图7所示。当采用开环控制，吊挂摆动的在x方向最大近60mm，在y方向约为35mm；而采用本文提出的闭环控制方法，吊挂摆动的幅度明显减小，在x方向最大仅10mm，在y方向约为4.5mm。对比两种结果，可以明显看出，通过位移实时监测与反馈控制，可以保证砝码较水平地加载到吊挂上，从而避免吊挂产生较大的摆动。