1mN～10N力標準裝置控制系統研制

倪晉權 李 濤 胡 剛 蔣繼樂 倪昔東

(1.上海船舶設備研究所，上海 200031；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

力值計量屬于傳統的計量領域，目前國際計量局(BIPM)公布的各國計量院的力值最佳校準和測量能力(CMCs)的下限為0.5N，相對標準不確定度為10-5量級。其中德國物理技術研究院(PTB)的200N靜重式力標準機，測量范圍(0.5～200)N，相對擴展不確定度為2.0×10-5(k=2)[1]；韓國標準和科學研究院(KRISS)的22N靜重式力標準機，測量范圍(0.5～22)N，相對擴展不確定度為1.0×10-4(k=2)[2]。中國力值最佳校準和測量能力(CMCs)的下限為10N[3]。近十幾年來，一些國內外計量研究機構也研制了毫牛到牛頓量值的微小力值測量裝置，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量裝置通常采用直接施加砝碼(靜重式)或電磁補償天平將力值溯源到質量標準。例如中航工業長城計量所采用靜重砝碼復現力值的等臂杠桿結構研制的微小力值裝置，測量范圍100mN～20N，不確定度0.01%～0.05%[4]。德國PTB研發的微小力值校準裝置，采用不同量程的電磁補償天平(ECB)模塊和壓電陶瓷納米微位移臺組成，力值測量范圍100μN～200mN，力值誤差在0.05%～0.1%[5]。

由于缺少高準確度的微小力值標準(力基/標準機)，毫牛到牛頓范圍力值測量不確定度較大，測量結果的準確度較低，采用不同設備或方法得到的測量結果一致性較差，難以滿足相關應用領域對力值測量準確度的要求。因此，迫切需要研究、建立毫牛到牛頓范圍微小力值標準裝置，研制微小力值標準裝置控制系統及智能監控系統，研究微小力值溯源方法，確保微小力值的準確溯源。

2 標準裝置組成

1mN～10N靜重式力標準裝置參考高精度靜重式扭矩基/標準機和力基/標準機的結構型式進行設計[6-8]，為減小平衡梁支撐的摩擦力，避免刀口式支撐的弊端，保證砝碼加載的準確定位和微小力值的復現，1mN～10N力標準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，平衡梁左側上部設計懸掛加荷框架系統，下部設計砝碼吊掛系統，平衡梁右側為一個內式配重平衡機構，可調節配重機構保持梁平衡。

該裝置采用靜重式結構設計，復現的力值按式(1)計算

(1)

式中：F——裝置復現的力值，N；m——標準砝碼的質量，kg；g——重力加速度，m/s2；ρa——空氣密度，kg/m3；ρw——標準砝碼密度，kg/m3。

1mN～10N力標準裝置主要由機械系統和控制系統兩大部分組成[9]，機械系統包括：砝碼加卸載系統、砝碼吊掛系統、加荷框架、平衡梁系統、氣浮軸承、平衡梁保護夾緊機構、床身機座等組成。控制系統包括：平衡梁保護夾緊機構控制、加荷框架同步平衡恢復控制、砝碼吊掛系統夾緊機構控制、砝碼加卸載控制和砝碼組更換自動控制。標準裝置結構如圖1所示。

圖1 1mN～10N力標準裝置結構示意圖

3 裝置控制系統設計

1mN～10N力標準裝置控制系統設計采用主從模式，以上位機(PC)為主，結合可編程序控制器(PLC)進行裝置手動、單點、全自動三種控制模式。PC部分的組態軟件通過各種操作人機界面、操作按鈕與操作人員交換信息。PLC及各執行機構實現平衡梁保護夾緊機構控制、加荷框架同步平衡恢復控制、砝碼吊掛系統夾緊機構控制、砝碼加卸載控制和砝碼組更換自動控制及一鍵式操作測量過程全自動控制。

該裝置砝碼組多，每組砝碼對應的參數都不相同，需要根據監測過程對系統參數進行調整，如預加卸載等待時間、次數，測試加卸載過程中穩定時間、次數，進回程要求等[9]。1mN～10N力值標準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 控制系統的硬件配置

3.1.1可編程控制器系統

可編程控制器的選型從程序容量、輸入輸出I/O點數、功能模塊、CPU的運算速度、安裝方式、抗干擾性能以及性價比等方面綜合考慮，選擇與配套裝置的品牌、機型盡量統一。1mN～10N力值標準裝置的電氣控制系統，采用三菱Q系列模塊化設計產品，PLC程序采用GX Works 2編寫及調試，GX Works 2是專用于三菱品牌可編程控制器設計、調試、維護的編程工具，可實現可編程控制器數據與HMI、運動控制器的數據共享。

3.1.2伺服及步進控制器系統

1mN～10N力值標準裝置的伺服控制器系統，設計采用了三菱HG-KR系列伺服電機，伺服放大器加裝電池，采用絕對位置方式控制，系統只需進行一次原點設定后，正常情況下不需要每次上電原點回歸。

1mN～10N力值標準裝置設計加荷框架升降工作臺、砝碼加卸載機構的升降模組、平衡梁保護夾緊機構、砝碼吊掛系統保護夾緊機構采用伺服電機自成閉環控制；設計砝碼加卸載機構的水平移動模組、旋轉模組采用模組配置的步進電機控制。伺服系統采用三菱電機的MR-J4A系列伺服控制器，步進系統采用5相步進電機控制器MSDR24-C控制器，Q系列QD75P4模塊發送脈沖串對伺服系統和步進系統進行精確定位控制。

3.2 控制系統的設計

根據靜重式力值標準裝置檢定規程要求，實現1mN～10N力值標準裝置全自動加載，各級砝碼在預加卸載、加卸載過程中的停頓時間可設置，加卸載過程中要求加卸載平穩、無沖擊，加卸載過程中無逆程出現；加荷框架升降工作臺同步平衡恢復控制要求平衡平穩，無超調、振蕩。

1mN～10N力值標準裝置各機構控制系統具體設計如下。

加荷框架升降工作臺采用速度模式控制，控制系統對工作臺運動位置及平衡梁狀態進行檢測，通過運動定位模塊發送變速脈沖信號驅動伺服控制器，對工作臺做升降運動，激光位移傳感器反饋平衡梁水平信號，實現對工作臺機構自動閉環控制。

砝碼加卸載機構采用位置模式控制，控制系統對砝碼加卸載機構升降、水平移動、旋轉及左右兩組砝碼加卸載機構的位置檢測進行檢測，通過運動定位模塊發送脈沖信號驅動伺服控制器和步進控制器，對多臺伺服電機和步進電機做升降、移動、旋轉定位運動，實現對100個砝碼精確加卸載定位控制和砝碼托盤旋轉、移動的自動控制。由于在標準砝碼的質量作用下，加卸載機構及懸掛機構會產生微量變形，控制系統會作出相應的位置修正，保證位置控制精準，避免砝碼加卸載錯誤或砝碼支架與砝碼吊掛發生碰撞。系統設計采用組合對稱式激光位移傳感器無接觸式測量，保證標準力臂始終保持水平及解決位移傳感器零漂問題。

平衡梁保護夾緊機構采用位置模式控制，平衡梁保護夾緊機構采用對稱設計，左右平衡梁保護夾緊機構可分別設定移動行程，控制系統對夾緊位置狀態、夾緊力進行檢測，通過運動定位模塊發送脈沖信號驅動伺服控制器，對伺服電機夾緊，放松移動做定位運動，實現對平衡梁保護夾緊機構自動控制。控制系統設計夾緊位置錯誤或造成力傳感器超載或發生碰撞時自動保護功能報警功能，避免造成裝置的損壞。

砝碼吊掛保護夾緊機構采用位置模式控制，砝碼吊掛保護夾緊機構控制系統設計移動行程可設定，控制系統對夾緊位置狀態進行檢測，通過運動定位模塊發送脈沖信號驅動伺服控制器，對伺服電機夾緊，放松移動做定位運動，實現對砝碼吊掛保護夾緊自動控制。

3.3 智能監測控制和數據處理軟件系統設計

1mN～10N力標準裝置智能監測控制和數據處理軟件系統主要包括：裝置狀態監測和保護系統模塊、安全操作智能管理系統模塊、運行控制和數據處理軟件系統模塊。

3.3.1裝置狀態監測和保護系統模塊

在安裝被測力傳感器時，必須對平衡梁進行“間隙夾緊”，避免氣浮軸承因意外情況受到較大外力而損壞，這就要求裝置狀態監測模塊對平衡梁的夾緊壓力、夾緊位置平行度等各項數值進行實時監測。為保證砝碼加卸載機構能夠安全運行，保護系統模塊必須對每套加卸載機構的移動位置、旋轉狀態和升降位置等進行實時的位置檢測，防止因位置偏差或操作人員的誤操作造成機構的損壞。此外，加卸載保護系統還必須對十個移動軸的正、反方向極限位置進行監測和預警保護[10]。

3.3.2安全操作智能管理系統模塊

安全操作智能管理系統模塊是一個結合各相關模塊的狀態數據進行綜合管理的模塊，實現對各種傳感器、限位開關等監測到的數據與操作者確認的設備狀態等多方面的信息進行綜合分析，得出裝置當前的運行狀況，再根據操作者在上位機上選定的選擇開關位置進行邏輯判斷，確定該時刻允許進行的手動操作項目，并顯示在屏幕上，而不允許的操作則自動禁止。采用這種方式，一是可以提示操作者當前允許的操作項目，更重要的是避免誤操作的發生，有效保障了裝置的運行安全[11]。

3.3.3運行控制和數據處理軟件系統模塊

裝置的運行控制和數據處理軟件系統模塊主要包括PLC控制軟件和組態軟件兩大部分。裝置的運行控制系統模塊對裝置的重復定位精度要求極高。數據處理軟件系統模塊用于對被測力傳感器的數據進行分析處理，得到傳感器的各項性能結果，并自動生成原始記錄和測試報告。

1mN～10N標準裝置軟件最主要實現的操作控制過程為：系統檢測前首先由PC事先發送各個設置參數，手動操作各機構進入測前狀態，完成測前準備工作。接著由PC發送指定的“加載量程”命令，PLC自動計算出應加載(或卸載)的砝碼數量并確定相應的砝碼組。當PC發送“檢測進行”命令之后，PLC即進行砝碼加載(或卸載)操作，完成單次允許的最大力加、卸載操作后，驅動平衡恢復機構進行平衡梁平衡操作。當平衡梁達到平衡狀態后，如果尚未完成“主令加載量”規定的力值，則重復上一項，繼續進行下一輪的砝碼加卸載作業。當平衡梁達到平衡狀態后，如果已完成“主令加載量”規定的力值，則保持平衡狀態并按“調平維持時間”進行計時，直到發送“檢測完成”回應信息，并復位“檢測進行”。接收到下一個“檢測進行”命令后復位“檢測完成”。根據需要，PC發送新的“加載量程”和“檢測進行”命令，操作系統將重復上述過程，完成全部量程的預加載、預卸載、檢測加載、檢測卸載等操作。

4 性能試驗

1mN～10N力標準裝置的力值測量范圍較寬，控制系統比較復雜，因此，選用兩只高準確度力傳感器及精密數字測量儀DMP40對1mN～10N標準裝置進行性能試驗，試驗點覆蓋了該機的全量程范圍。

4.1 重復性試驗

1mN～10N力標準裝置的重復性試驗按以下步驟進行：施加預負荷4遍，第1、2、3遍直接加至試驗的最大負荷，第4遍按試驗負荷點逐級施加。預負荷完成后，從最大負荷的10%開始，按照均勻分布的10個點逐級施加至最大負荷，再直接退回到零負荷[12]。以上試驗過程重復進行3遍。試驗時，每級負荷穩定后等待60s讀數；退回到零負荷后等待60s讀數。得到的試驗結果見表1、如圖3所示。

表1 力值重復性試驗結果

圖3 力值重復性試驗結果圖

該裝置采用靜重式結構設計，力值重復性按式(2)計算

(2)

從表1、圖3的試驗結果表明1mN～10N力標準裝置的力值重復性優于4.0×10-5。

4.2 靈敏度試驗

1mN～10N力標準裝置在安裝完成后，采用高準確度力傳感器，在施加載荷的情況下進行了靈敏度試驗。在某一力值點，力傳感器輸出穩定后，在平衡梁的一端施加標準砝碼，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)計算

(3)

式中：△m1——使力傳感器輸出變化的最小砝碼的質量；m1——該力值點相應標準砝碼的質量。

施加載荷情況下的靈敏度試驗結果見表2，靈敏度滿足裝置設計要求。

表2 施加載荷情況下的靈敏度試驗結果

5 結束語

1mN～10N力值標準裝置的控制系統對兩套砝碼加卸載機構的升降、托盤旋轉、移動進行了自動控制，實現了對10組砝碼100個力值點的自動加卸載和砝碼組自動更換功能。1mN～10N力值標準裝置的力值測量范圍寬，裝置通過選擇不同量程的高準確度力傳感器對其相應量程的計量性能和控制系統進行驗證，試驗點覆蓋了該裝置的全量程范圍：1mN～0.5N，力值擴展不確定度1.0×10-4(k=2)；(0.5～10)N，力值擴展不確定度4.0×10-5(k=2)。裝置通過了各項性能驗證，證明裝置控制系統的功能和控制精度滿足設計要求，控制程序及組態軟件編寫滿足計量檢定規范要求。