500 kN液壓式疊加式力標準機的研制

熊俊，劉建斌

(中航工業成都飛機工業 (集團)有限責任公司，四川成都 610091)

0 引言

力標準機是產生標準力值的裝置。主要用于力值傳感器、稱重傳感器、標準測力儀等儀器的定度或檢定。按照工作原理力標準機可分為靜重式、杠桿式、疊加式。

靜重式和杠桿式力標準機雖然具有較高的準確度等級，但對制造成本及工作場所有較高的要求，一般用于國家基準或有較大工作場所的單位。疊加式力標準機由于其結構簡單、操作便捷，在近幾年中得以迅速發展。

疊加式力標準機是將被檢測力儀與標準測力儀串聯安裝，通過力源對兩者同時施加負荷，使標準測力儀復現定度時各力級的標準值，同時測出被檢測力儀所對應的各力級示值，從而實現對測力儀的定度、檢定或校準。要使疊加式力標準機工作準確可靠，必須解決控制系統穩定的難題，否則會出現示值波動，無法讀數的情況。為滿足傳感器校準要求，做到長期穩定性能好，準確度高，并滿足JJG 734－2001力標準機的要求，研制了由伺服控制、液壓源以及軟件控制所組成的高精度液壓控制系統，準確度可達0.03級的500 kN疊加式力標準機。

1 方案設計

根據疊加式力標準機的功能需要、組成和各部分的連接關系，考慮到現場校準工作的需求以及疊加式力標準機的工作原理，總體布局由兩個主要部分構成:主機和控制系統。其中系統采用伺服控制、驅動器、油泵作為標準力的施加元件，如圖1所示。

1.1 主體結構設計

疊加式力標準機的主體主要由機架、傳動箱、絲桿螺套、移動梁、反向器、油缸、標準傳感器等組成。

1)主機框架:由上橫梁及底座通過四根立柱連接，兩側立柱間安裝兩根絲桿，上橫梁用于安裝油缸，底座內安裝傳動箱;

圖1 疊加式力標準機結構圖

2)傳動箱:由異步電機、減速器、同步帶輪等組成，安裝于底座內，用于驅動絲桿的旋轉，從而帶動移動橫梁的上下移動用以調整試驗空間;

3)絲桿螺套和移動梁:螺套和移動梁是剛性連接，絲桿旋轉時移動梁在機架內上下移動，用于調整拉壓試驗的空間高低;

4)反力向器:反力框架由上拉板、上下壓板、上下反向拉桿等組成;

5)油缸:由油缸和活塞組成，安裝于主機框架的上支撐板上，通過液壓回路與高準確度液壓動力源聯接，用于輸出載荷;

6)標準傳感器組:由壓板、壓頭、傳感器等組成，安裝于油缸活塞上，用于參考標準力值。

由此主機整體的功能為反力框架的上部安裝于標準傳感器壓頭上，下部安裝于機架內，并通過移動梁將反力框架下部空間分隔成拉向和壓向兩個工作區域。其主要作用是將參考標準力值傳遞至被測傳感器上，并將標準機輸出力轉成壓向和拉向兩種力。工作時將被測傳感器裝入反向器和移動梁之間 (上空間為拉向，下空間為壓向)，啟動控制系統使油缸向上移動，油缸通過標準傳感器推動反向器向上移動，從而使被測傳感器受力，如圖2所示。

1.2 控制系統設計

控制系統是使疊加式力標準機工作準確可靠，保證輸出標準力值穩定無波動的主要部件，也是本項目研制的關鍵點。為此，根據疊加式力標準機工作原理研制了由液壓部分以及軟件控制所組成的控制系統，以滿足0.03級準確度的要求。

圖2 疊加式力標準機主體結構圖

1.2.1 伺服控制

本項目研制的疊加式力標準機是以液壓輸出為控制方式，并配合安裝于油缸活塞上方的標準力傳感器作為輸出力值的監控設備。購置HBM公司0.01級力傳感器為力值輸出的監控標準，而高準確度的液壓控制系統是用于驅動和控制伺服油泵的轉速和轉矩以達到輸出力值的控制，因此該部分為提供力標準機動力和控制的關鍵部件，并以伺服電機、驅動器和伺服油泵構成。

1)伺服電機和驅動器的設計

力標準機通過伺服電機、驅動器驅動和控制伺服油泵的轉速和轉矩以達到提供動力和力源控制的目的。工作功率與轉矩是選擇伺服電機的關鍵參數。根據伺服電機的工作原理，其工作功率等于油缸腔內壓強與油管輸出流量的乘積，因此，假設電機工作時功率為P，油缸腔內壓強為F，油管輸出流量為Q，由此可得

而流量等于伺服電機的轉速與油泵排量的乘積。同樣，假設伺服電機的轉速為n，r/s;油泵排量為q，m3/r?？傻?/p>

由公式 (1)，(2)可得

由公式 (3)可知伺服電機的功率與油缸腔內壓力、電機轉速和油泵排量成正比。而伺服電機轉矩與電機功率成正比，與轉速成反比，可得轉矩公式為

由此可知，只要動態調整伺服電機的轉矩、轉速，就能提供疊加式力標準機所需的液壓動力和流量。

本項目選用排量為0.3 mL/r的油泵，根據公式(1)，(4)可分別求得所選用電機的工作功率以及轉矩應滿足150 W和0.95 Nm。

2)伺服油泵的設計

伺服油泵用于液壓油路的輸出控制，根據電機選型配合選用排量為0.3 mL/r，齒數為100，額定壓強為25 MPa的內合齒輪油泵，該油泵最小出油分度值為0.3 mL/100=0.003 mL。

而在平均轉速為10 r/min的工作條件下，要求油泵的供油情況為:0.3 mL/r×10 r/min=3.0 mL/min，如控制頻率為100 Hz(即為每秒鐘調整100次)，即60×100=6000(次/min)，可得出油泵輸出流量的最小分度數為:3.0/6000=0.0005(mL)，小于0.003 mL，遠遠高于油泵本身的分度值。并且當油泵在工作區域下限運轉時，由于油泵的脈動變大會導致油源輸出非線性加大，表現為液壓系統的不穩定。

3)問題及軟件控制解決方案

根據上述分析，單油泵控制方式不足以滿足本項目要求，故而選用雙油泵控制方式，采用兩個油泵同時控制油缸的進回油。

在設計中，將進、回油時油泵的最大轉速分別設定為310 r/min和300 r/min，其轉速差與油泵排量的乘積為油泵對油缸的供油量。即為10 r/min×0.3 mL/r=3.0 mL/min。此時，雖然油泵工作時產生的供油量依然為3.0 mL/min，但經過油泵流量疊加后其最小分度數將變為0.0001 mL，該值小于0.0005 mL的最低分度值要求。

因此，利用兩個伺服電機分別驅動兩個油泵，并分別控制油缸進回油，通過兩個油泵的轉速差決定油缸壓力的增減，解決油泵低速運行的脈動現象，實現力源的高準確度控制。

伺服電機一般采用調節閥或溢流閥的方式來調節液壓動力裝置的輸出壓力和響應速度，該工作方式均可保證轉速、轉矩的參數固定不變，但其缺點表現為:①油泵始終處于大量出油狀態，會導致油溫升高，必須額外配置冷卻系統，研制成本過高;②對液壓油源質量要求較高;③適應范圍較小、靈活性差;④低速或小流量啟動時，響應速度慢，系統動態響應慢，適用范圍局限性大。

而在過程的控制中，PID算法是利用比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)的偏差進行控制，是應用最為廣泛的自動控制器。具有原理簡單、易于實現、適用面廣、控制參數相互獨立、參數的選定比較簡單等優點。其調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，如圖3所示。通過對液壓控制系統的研究分析發現，在校準過程中油源的波動會產生“逆向效應”影響力值輸出的準確性，而快速加壓會因液壓的滯后性產生輸出力值過沖等問題。

圖3 PID工作圖

因此，必須采用動態調整伺服電機的轉速、轉矩的方式來控制流量和壓力。在快速加壓且接近目標值時，控制系統以指數級衰減輸出的方法實現輸出油壓的定位，多級指數衰減適應性不強，差異較大，所以必須同時提高動態控制頻率至100 Hz以上，并建立可變參數表實現快速無過沖力源定位，以達到輸出油源力源的穩定可靠。

4)工作原理

根據上述解決方案，本項目力標準機的工作原理為:計算機根據被測傳感器需要的檢測點 (可多點)設定標準力值，開始試驗后，計算機通過標準傳感器儀表采集標準傳感器的實際信號，通過運算向1號伺服控制器發送速度、轉矩指令，1號伺服控制器控制對應油泵的轉速、轉矩，通過換向閥對油缸進油，兩油缸之間的進油切換由另一換向閥負責，同樣另一伺服控制器通過控制伺服電機來控制油泵、油缸的回油;兩油泵間的轉速差決定油缸的進退、壓力、速度。油缸通過標準傳感器儀表、標準傳感器實時向計算機發送信號，計算機實時通過運算向兩個伺服控制器發送速度、轉矩指令，如此形成一個閉環控制。直到標準傳感器的力值達到設定的力值，此時被測儀表采集被測傳感器在設定力值的信號值，如圖4所示。

圖4 伺服控制工作原理圖

1.2.2 軟件控制

軟件的作用是配合硬件實現力傳感器的校準或檢定，流程圖如圖5所示，其主要功能為:實現數據自動采集、自動處理;多單位轉換;過沖保護。標準傳感器最大信號保護、被檢傳感器量程過載保護等。

圖5 軟件流程圖

2 設計驗證

研制后，針對系統裝置實現的各項功能開展驗證工作。選用2H3-G1-300kN等型號300 kN和200 kN的力傳感器，按照國家計量檢定規程JJG 391-2009《力傳感器檢定規程》驗證系統在檢定力傳感器項目的功能。檢定力傳感器包括零點輸出、零點漂移、重復性、蠕變等項目的技術指標。同樣，選用Z4A/500kN，U2A/20t標準測力儀，按照國家計量檢定規程JJG144-2007《標準測力儀檢定規程》驗證自動控制疊加式力標準機系統在檢定標準測力儀項目的功能。檢定標準測力儀包括長期穩定度、示值誤差、方位誤差、進回程誤差等項目的技術指標。通過使用，系統功能符合國家檢定規程，滿足力傳感器及標準測力儀的校準要求。

3 結論

傳統的疊加式力標準機分為手動液壓系統與自動液壓控制系統，通常30 s力源波動度為0.02%，100 s力源波動度為0.05%，基本能滿足0.05級力標準的要求，但無法滿足0.03級標準機要求。此次研究的由伺服電機、液壓源以及軟件控制所組成的高準確度自動液壓控制系統，降低工作時油泵的輸出量非線性問題影響油泵的脈動變化所導致的液壓系統的不穩定，提高疊加式力標準機的準確度，使其滿足力值誤差±0.03%，30 min負荷波動性0.01%的設計目標。

［1］洪寶林.力學計量 (上冊)［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］范巧成.計量基礎知識 ［M］.北京:中國計量出版社，2004.

［3］唐純謙，高富榮，陳明華，等.3MN疊加式力標準機的研制 ［J］.中國測試技術，2008，34(2):13－15.

［4］馬洪發，張振洲，吳虹，等.6000 kg機械疊加式力標準機的研制［J］.儀表技術與傳感器，2008(11):32－33.

［5］王斌，宋華.疊加式力標準機控制系統設計［J］.測控技術，2008，27(11):42－45.

［6］張曉杰，厲巍，姜同敏.力標準機控制系統改進的設計［J］.測控技術，2010(4):51－55.