靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的改進(jìn)

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的改進(jìn)

0力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的交換過程靜重疲勞標(biāo)準(zhǔn)機(jī)根據(jù)力的動態(tài)效應(yīng)直接使用已知質(zhì)量碼頭策略來檢索標(biāo)準(zhǔn)勞動力值。由于砝碼質(zhì)量的準(zhǔn)確度可以做到很高,長期穩(wěn)定性又好。因此,我國1MN及以下的力值國家基準(zhǔn)靜是重式的。力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)除了靜重式的以外,還有杠桿、液壓和疊加式。近幾年來,疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在技術(shù)上有了明顯進(jìn)步,不僅設(shè)備的體積小、操作方便快捷,而且準(zhǔn)確度顯著提高。但是,在力值準(zhǔn)確度和力值穩(wěn)定度方面,靜重式仍然占有明顯的優(yōu)勢,有著其它力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)難以替代的作用。因此,靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的改進(jìn)仍有現(xiàn)實意義。靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的明顯弱點(diǎn)就是載荷級數(shù)少,尤其是80年代以前設(shè)計制造的大型力標(biāo)準(zhǔn)機(jī),為了盡可能降低造價,砝碼數(shù)量往往壓縮到了最低限度。為了獲得盡可能多的載荷級數(shù),就需要交換砝碼。在交換砝碼過程中,如無適當(dāng)措施,就不能保證載荷是逐級增加或逐級減少,也就是說,在加荷過程中,要先減某一級砝碼,再加另一級較大的砝碼;而在卸荷過程中,要先減過頭,再加某一級砝碼。這樣,在加荷過程中,就出現(xiàn)了減荷現(xiàn)象,而在卸荷的過程中出現(xiàn)了先減過頭,再加回來的現(xiàn)象,我們稱之為“逆程”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象猶如古代“朝拜”儀式中的進(jìn)退支作,故也稱為“朝拜”現(xiàn)象。由于材料在變形過程中存在內(nèi)、外摩擦力,因此,所有利用彈性體變形測量力值的測力儀和傳感器都有滯后現(xiàn)象。而這種滯后表現(xiàn)出來的大小與加在該測力儀或傳感器上的力的變化過程有關(guān)。為了便于比較,幾乎所有的有關(guān)測力儀和傳感器的檢定規(guī)程都規(guī)定要逐級加荷、逐級卸荷,也就是說要避免加/卸荷過程中的“逆程”現(xiàn)象。在20世紀(jì)70～80年代,設(shè)計靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)時已考慮到要消除“逆程”現(xiàn)象,有的設(shè)計了機(jī)械千斤頂,在交換砝碼時頂住反向器,有的設(shè)計了液壓抱箍,在交換砝碼時,抱住反向器,在一定程度上減小了“逆程”現(xiàn)象。但這些措施都要操作人員手動完成,其控制精度與操作者的技巧和注意力集中程度有關(guān),運(yùn)行速度也比較慢,總的效果不太理想。80年代初,浙江省稱重技術(shù)研究所的50kN靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在設(shè)計時考慮采用液壓伺服技術(shù),在反向器的橫梁上方預(yù)置了一個伺服油缸,用于交換砝碼時頂住反向器,使施加在被測傳感器上的力值基本保持不變。但是由于當(dāng)時液壓伺服技術(shù)水平的限制,這一設(shè)想未能如期實現(xiàn)。2000年,浙江省稱重技術(shù)研究所與浙江大學(xué)流體傳動與控制國家重點(diǎn)實驗室合作,成功地解決了這一難題。1加/卸載荷結(jié)果液壓伺服系統(tǒng)的成功運(yùn)行使我們有可能對“逆程”現(xiàn)象的影響進(jìn)行實際測試。我們選擇了兩個傳感器來做試驗,一個申克公司的產(chǎn)品,精度較高,另一個則滯后較大。表1和表2是兩個傳感器的實測數(shù)據(jù),圖1和圖2是對應(yīng)的誤差曲線,圖3是對應(yīng)的加/卸載荷曲線。從以上數(shù)據(jù)可以得出這樣一些看法:(1)“逆程”現(xiàn)象對傳感器的進(jìn)程曲線影響很小。RTF型24975(2)“逆程”現(xiàn)象對傳感器的回程曲線影響十分明顯,在砝碼交換點(diǎn)形成了明顯的拐點(diǎn)。對RTF/33t249750.016%,對Y30t9811從以上兩點(diǎn)可以看出,“逆程”現(xiàn)象對傳感器的重復(fù)性、線性指標(biāo)影響不大,對滯后指標(biāo)影響明顯。上述例子還不是最嚴(yán)重的情況,如果是標(biāo)定20t的傳感器,則是在80～120kN和120～80kN處交換砝碼,此處正是傳感器滯后最大的區(qū)域,又是“逆程”現(xiàn)象最為嚴(yán)重的加/卸荷點(diǎn),影響會更大。因此,在對檢測精度有較高要求時,伺服系統(tǒng)的運(yùn)行是必不可少的。2電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)消除“逆程”現(xiàn)象的最徹底的方法是增加砝碼級數(shù),使加/卸載過程中不必交換砝碼。無疑,這將使設(shè)備結(jié)構(gòu)變復(fù)雜,體積增大,相應(yīng)的控制設(shè)備、土建規(guī)模也要擴(kuò)大,總造價大幅度上升。因此,大型力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)通常要采用交換砝碼的方法,以減少砝碼級數(shù),降低造價。用機(jī)械千斤頂?shù)姆椒ń鉀Q“逆程”問題,是在交換砝碼前預(yù)先用千斤頂頂住反向器,然后再加/卸砝碼。事實上,千斤頂在頂上反向器時,會有一個初始力;在卸砝碼時產(chǎn)生的載荷變化還會引起反向器變形;因此,在交換砝碼過程中,施加在被測傳感器上的力仍有較大的變化。所以,這一方法雖然一定程度上減小了“逆程”現(xiàn)象,但控制精度不高,操作也不方便。用抱箍抱住反向器的情況與千斤頂類似。用電液伺服方法則是在整個交換砝碼過程中,按照預(yù)先設(shè)定的控制值,實時調(diào)整施加在被測傳感器的力值,使其基本保持不變。這一過程完全由電液伺服系統(tǒng)自動完成,無須人的干預(yù),控制精度亦可做得較高。原理方框圖見圖4。電液伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計有三點(diǎn):(1)伺服傳感器總體設(shè)計對伺服傳感器有四個要求:①力值測量的精度。液壓伺服主要依據(jù)伺服傳感器的測量信號控制伺服油缸的動作。因此伺服傳感器的力值測量的精度直接影響液壓伺服精度,希望能達(dá)到0.2%F.S。②伺服傳感器外型尺寸精度。伺服傳感器安裝在承壓墊下方,直接影響承壓墊水平。從而影響整機(jī)的準(zhǔn)確度,因此,對伺服傳感器外型尺寸精度有較高的要求。③伺服傳感器剛度。要求盡量減小對系統(tǒng)剛度的影響。傳感器的剛度要求盡可能大一些。④為了能顯示砝碼是否擦靠,要求傳感器與動橫梁絕緣。此外,結(jié)構(gòu)上對傳感器的外型、尺寸、大小還有一定限制。因此,要同時滿足上述四個要求是有一定難度的。經(jīng)過反復(fù)考慮,我們將原設(shè)計的承壓墊圈,改設(shè)計成一個輪輻式傳感器,既提高了傳感器的精度,又提高了安裝精度,可確保承壓墊的水平度。用兩層聚酯薄膜作為絕緣,以減小絕緣層對水平度的影響。為盡量減小對系統(tǒng)剛度的影響,傳感器的靈敏度設(shè)計得較小。其外形、尺寸和原結(jié)構(gòu)中的承壓墊塊十分接近,最大限度地減小了對力傳遞環(huán)節(jié)的影響。為了提高精度,貼了16片應(yīng)變片。(2)高頻響的伺服閥在砝碼交換過程中,傳感器上的力值變化非常快,實際上是一個階躍信號(見圖5)。最快的僅30ms就變化了50kN。這就需要伺服系統(tǒng)在保證高控制精度的同時,具有很高的響應(yīng)速度,以實時補(bǔ)償傳感器上的力值變化。伺服閥的頻響是限制系統(tǒng)頻響的關(guān)鍵元件。(3)先進(jìn)的變參控制算法在靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中,電液伺服系統(tǒng)所要補(bǔ)償?shù)牟⒉皇且粋€簡單的階躍信號。不同的交換點(diǎn),砝碼的質(zhì)量、組合各不相同,形成了參數(shù)各不相同的幾十種階躍信號。問題的復(fù)雜性還不僅在于此,還有系統(tǒng)參數(shù)的時變性。由于執(zhí)行器件(伺服油缸)不是直接作用在傳感器上,而是通過了一串剛度不等的吊桿、連接螺紋的傳遞,并與具有一定晃動的中心吊桿上的砝碼重量合力后才作用到傳感器上的,構(gòu)成了一個不斷變動的量。被測傳感本身也構(gòu)成傳力系統(tǒng)的一環(huán),其剛度隨型號規(guī)格不同而不同,也直接影響系統(tǒng)剛度。因而還需要在控制算法中對力傳遞環(huán)節(jié)的變形、中心吊桿的晃動進(jìn)行補(bǔ)償,才能達(dá)到所要求的控制性能。針對以上問題,我們在現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試,改進(jìn)算法,最后達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。伺服系統(tǒng)不運(yùn)行時的加荷曲線見圖6,伺服系統(tǒng)運(yùn)行時典型的加荷曲線見圖7。在80～120kN這一砝碼交換點(diǎn),要先減60kN砝碼,再加100kN砝碼。圖6是伺服系統(tǒng)不運(yùn)行時的情況;傳感器上的