張智敏　李　濤

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中船重工集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031)

0　引言

扭矩測(cè)量是各種機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)研究、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全和優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容。扭矩量值作為一個(gè)基本參量，在船舶、航空、航天、汽車、微機(jī)械等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。近些年，隨著航空航天、汽車、電子等行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)微小扭矩的測(cè)量提出了迫切的需求。目前國(guó)際上先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本的國(guó)家計(jì)量院相繼建立了微小量程扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。我國(guó)目前有5kN·m、1kN·m、50N·m三臺(tái)扭矩基準(zhǔn)機(jī)，復(fù)現(xiàn)的扭矩值范圍為1N·m～5kN·m。為滿足1N·m以下微小扭矩測(cè)量的需要，2013年中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院完成了質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目——建立1mN·m～1N·m扭矩國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡(jiǎn)稱1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī))。本文介紹了1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的技術(shù)方案、電氣控制系統(tǒng)和工作流程。

圖2　1N·m扭矩機(jī)控制系統(tǒng)框圖

1　技術(shù)方案

1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用靜重式結(jié)構(gòu)，根據(jù)砝碼所產(chǎn)生的重力和空氣對(duì)砝碼浮力的合力與力臂杠桿臂長(zhǎng)的矢積來復(fù)現(xiàn)扭矩值。該機(jī)主要由空氣軸承支撐系統(tǒng)、力臂杠桿系統(tǒng)、砝碼懸掛系統(tǒng)、砝碼加載系統(tǒng)、扭平機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器和機(jī)身組成。圖1為1N·m扭矩機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖1　1N·m扭矩機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

力臂杠桿支撐部分采用空氣軸承支撐系統(tǒng)，以減小支撐部分帶來的摩擦扭矩；力臂杠桿采用低熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料，減小了力臂長(zhǎng)度因溫度變化引起的不確定度，力臂采用單梁結(jié)構(gòu)，梁上挖有減輕孔，并配置了力臂平衡機(jī)構(gòu)，以保證力臂工作時(shí)既穩(wěn)定又有較高的靈敏性，同時(shí)解決了力臂杠桿系統(tǒng)中主軸軸線和力臂兩側(cè)鋼帶懸掛面平行度難于保證的問題，確保了力臂長(zhǎng)度的高準(zhǔn)確度；力臂杠桿的平衡狀態(tài)由激光位移傳感器測(cè)量并通過伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)整，以保證系統(tǒng)加載后保持初始平衡狀態(tài)；砝碼加載系統(tǒng)首次采用了砝碼吊掛和砝碼支撐系統(tǒng)結(jié)合的方式，砝碼組、砝碼支撐系統(tǒng)和砝碼吊掛巧妙配合，保證了微小砝碼精確可靠地加載，實(shí)現(xiàn)了在不同扭矩量程范圍測(cè)量時(shí)加卸荷中不出現(xiàn)逆程；研發(fā)的砝碼懸掛系統(tǒng)具有多自由度的自適應(yīng)調(diào)整功能，可以確保砝碼所產(chǎn)生的力始終垂直向下，減小了砝碼懸掛給扭矩測(cè)量結(jié)果帶來的影響；扭矩機(jī)的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸上裝配撓性聯(lián)軸器，扭矩機(jī)與傳感器的聯(lián)接器采用軸鎖緊裝置，以解決由于聯(lián)接件加工安裝和傳感器自重等因素帶來的傳感器與扭矩機(jī)不同軸而產(chǎn)生的寄生分量的問題。

2　電氣控制系統(tǒng)

1N·m扭矩機(jī)是一臺(tái)具有數(shù)十個(gè)伺服電機(jī)、接近開關(guān)及執(zhí)行器件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)備各個(gè)執(zhí)行部件的動(dòng)作要求精確控制，各部件的動(dòng)作相互關(guān)聯(lián)。

圖3　1N·m扭矩機(jī)工作流程框圖

該機(jī)采用工控機(jī)作為中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩機(jī)的集中控制管理。運(yùn)用可編程序控制器(PLC)作為控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各種執(zhí)行器件的動(dòng)作控制，包括對(duì)三維安裝平臺(tái)、扭平機(jī)構(gòu)、力臂杠桿、左右兩側(cè)砝碼支撐機(jī)構(gòu)、吊掛機(jī)構(gòu)等的精確控制。在微機(jī)組態(tài)界面中對(duì)系統(tǒng)各執(zhí)行部件進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)備運(yùn)行過程中各個(gè)部件的工作狀態(tài)，如力臂平衡狀態(tài)、左右兩側(cè)砝碼加載狀態(tài)、砝碼吊掛狀態(tài)及各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的終點(diǎn)限位開關(guān)狀態(tài)等，均在微機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示，利用位移傳感器和力傳感器對(duì)力臂杠桿的位置進(jìn)行精確測(cè)量，并由伺服控制系統(tǒng)完成控制調(diào)整，以保證系統(tǒng)加載后力臂杠桿保持初始平衡狀態(tài)。微機(jī)通過串行口和測(cè)量?jī)x表進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)與傳感器測(cè)量?jī)x表之間的數(shù)據(jù)傳輸。圖2為1N·m扭矩機(jī)控制系統(tǒng)框圖。

3　工作流程

1N·m扭矩機(jī)的控制系統(tǒng)與主機(jī)有機(jī)結(jié)合，全部工作過程由微機(jī)集中統(tǒng)一管理控制。利用微機(jī)軟件技術(shù)，通過設(shè)計(jì)和編寫復(fù)雜的微機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了扭矩機(jī)全自動(dòng)化工作，包括自動(dòng)加卸載荷、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理、繪制符合標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)報(bào)告表格；自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示設(shè)備的工作過程和各個(gè)部件的工作狀態(tài)。1N·m扭矩機(jī)有三種運(yùn)行模式：

圖4　1N·m扭矩機(jī)的操作界面

1)標(biāo)準(zhǔn)模式：按規(guī)定的5個(gè)扭矩量程，每個(gè)量程均分為10扭矩點(diǎn)，按“預(yù)加載”、“預(yù)卸載”、“測(cè)試加載”、“測(cè)試卸載”的順序依次完成整個(gè)測(cè)試過程。

2)單點(diǎn)模式：可任意選擇砝碼的加載數(shù)量，進(jìn)行一次性的加載、卸載、平衡操作。

3)手動(dòng)模式：適用于單獨(dú)調(diào)整各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，以便在意外狀態(tài)下將系統(tǒng)恢復(fù)到檢測(cè)前的起始狀態(tài)。

圖3為1N·m扭矩機(jī)工作流程框圖，圖4為操作界面。

4　結(jié)束語

1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用工控機(jī)作為中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩機(jī)的集中控制管理。運(yùn)用可編程序控制器(PLC)作為控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各種執(zhí)行器件的動(dòng)作控制。設(shè)備運(yùn)行過程中各個(gè)部件的工作狀態(tài)均在微機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示。通過設(shè)計(jì)和編寫復(fù)雜的微機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了扭矩機(jī)全自動(dòng)化工作，包括自動(dòng)加卸載荷、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)完成數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示設(shè)備的工作過程，此外設(shè)備還具有半自動(dòng)、調(diào)機(jī)等功能。1N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的測(cè)量范圍為1mN·m～1N·m, 不確定度在1～<5mN·m范圍內(nèi)為5×10-4(k=2)，在5mN·m～1N·m范圍內(nèi)為1×10-4(k=2)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制的目標(biāo)。

[1]Zhimin Zhang, Yue Zhang, Tao Li，et al.The Design of 1N·m Torque Standard Machine at NIM[C].The 11th Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and torque.International Journal of Modern Physics: Conference Series,Vol.24(2013) Chinese Taipei, 2013, 1360024(7 pages)

[2]張智敏，李濤，張躍，等.基于空氣軸承支撐技術(shù)的100N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)量技術(shù)，2007(10)：35-37

[3]張智敏，李濤，張躍，等.全自動(dòng)高準(zhǔn)確度100N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2010, 31(1)：1-4

[4]D Roske.Metrological characterization of a 1Nm torque standard machine at PTB, Germany[J].Metrologia，2014，51(1)：87-96

[5]Atsuhiro NISHINO, Koji OHGUSHI, Kazunaga UEDA.Design and Component Evaluation of the 10N·m Dead-Weight[C].The 8th Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and torque, Sydney, Australia, 2007