金 冉 朱永曉 張 旺 伍 權(quán) 況現(xiàn)桃

(1.貴州航天計量測試技術(shù)研究所,貴陽 550009;2.貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院,貴陽 550009)

1 引言

扭矩傳感器廣泛應(yīng)用于機械傳動系統(tǒng)中,扭矩是測量動力系統(tǒng)輸出功率的重要參數(shù),在航空、航天領(lǐng)域,扭矩傳感器是機電伺服機構(gòu)測試系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1,2]。隨著技術(shù)的發(fā)展,航天產(chǎn)品對動態(tài)輸出性能測試要求逐漸提高,對扭矩傳感器動態(tài)參數(shù)的校準需求也日趨迫切。靜態(tài)扭矩參數(shù)溯源技術(shù)較為成熟,但對動態(tài)扭矩參數(shù)溯源技術(shù)的研究相對較少,主要有正弦激勵法和負階躍法。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院和北京長城計量測試技術(shù)研究所研制了正弦激勵法動態(tài)扭矩校準裝置[3-5]。上海船舶設(shè)備研究所研制了負階躍法動態(tài)扭矩校準裝置[6]。

針對以上問題,設(shè)計了一種制動式正弦法動態(tài)扭矩傳感器校準裝置,校準對象為軸式動態(tài)扭矩傳感器。校準裝置通過制動激勵使被校扭矩傳感器獲得初始勢能,并產(chǎn)生衰減正弦扭振,將動態(tài)扭矩參數(shù)溯源至慣量和角加速度參數(shù)。通過三維建模和數(shù)值仿真,闡述了校準裝置的設(shè)計原理,并對制動式正弦法動態(tài)扭矩校準裝置樣機開展了扭矩激勵試驗,驗證了設(shè)計思路的可行性。

2 結(jié)構(gòu)與原理

2.1 校準裝置結(jié)構(gòu)

制動式正弦法動態(tài)扭矩傳感器校準裝置主要由制動力矩發(fā)生裝置、慣量裝置、圓光柵和測控系統(tǒng)組成。各部分安裝于機架上,工作時,被校扭矩傳感器安裝于制動力矩發(fā)生裝置與慣量裝置之間,并與其剛性連接。制動式正弦法動態(tài)扭矩傳感器校準裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 制動式正弦法動態(tài)扭矩傳感器校準裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of calibration device of sinusoidal dynamic torque sensor based on braking excitation

2.2 工作原理

參考圖1,若將被校扭矩傳感器等效為“扭桿”,慣量裝置與被校扭矩傳感器組成慣量-扭桿系統(tǒng)。制動力矩發(fā)生裝置先驅(qū)動該慣量-扭桿系統(tǒng)勻速轉(zhuǎn)動,再對其加載制動力矩,扭桿傳遞制動力矩,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變勢能,即具有角位移。慣量-扭桿系統(tǒng)在具有初始角位移的條件下會產(chǎn)生扭振,測控系統(tǒng)采集圓光柵的輸出信號,測量慣量裝置扭振的角加速度,計算慣量負載慣量值與角加速度值的乘積,即得到動態(tài)力矩標準值,將標準值與被校扭矩傳感器輸出值進行比對,完成校準。該校準裝置將動態(tài)力矩參數(shù)表征為慣量參數(shù)和角加速度參數(shù)的乘積,即

式中:M——動態(tài)力矩;I——轉(zhuǎn)動慣量;ε——角加速度。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 制動力矩發(fā)生裝置

制動力矩發(fā)生裝置主要由伺服電機、減速機、電磁離合器、磁粉制動器、絲杠等部件組成,結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 制動力矩發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of braking moment generator

伺服電機通過減速機輸出驅(qū)動力矩,伺服電機與減速機之間裝有扭矩轉(zhuǎn)速測量儀,用以監(jiān)測伺服電機的轉(zhuǎn)速與輸出力矩,并為伺服電機與磁粉制動器的輸出控制提供反饋信號。減速機的輸出軸通過膜片聯(lián)軸器與電磁離合器連接,電磁離合器的輸出端通過耦合器與磁粉制動器轉(zhuǎn)子的下端剛性連接。磁粉制動器安裝于支撐板上,支撐板再通過液壓脹緊套等連接件緊固在四根立柱上,保證磁粉制動器的穩(wěn)定性,同時增加立柱與支撐板組成的框架的剛度。松開液壓脹緊套,異步電機與渦輪蝸桿配合驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn),配合限位開關(guān),可調(diào)整磁粉制動器的上下位置,用以安裝拆卸被校扭矩傳感器。四根立柱垂直安裝于基座上,基座固定于地基上,以保證制動力矩發(fā)生過程中裝置整體穩(wěn)定性。

校準裝置工作時,磁粉制動器先保持失電狀態(tài),電磁離合器通電后保持吸合狀態(tài),伺服電機通過電磁離合器驅(qū)動磁粉制動器轉(zhuǎn)子以及與其連接的部件轉(zhuǎn)動,當標準慣量負載達到設(shè)定轉(zhuǎn)速后,磁粉制動器平穩(wěn)加載制動力矩,并保持伺服電機轉(zhuǎn)速不變,當磁粉制動器制動力矩和轉(zhuǎn)速均達到設(shè)定值后,斷開電磁離合器,即完成制動力矩的加載。

3.2 慣量裝置

慣量裝置由氣浮軸承外殼、氣浮軸承轉(zhuǎn)子、標準慣量盤、上耦合器、扭矩傳感器連接器和連接件組成,其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。標準慣量盤安裝于氣浮軸承的“⊥”型安裝托盤上,安裝托盤與氣浮軸承轉(zhuǎn)子剛性連接,氣浮軸承轉(zhuǎn)子下端與上耦合器剛性連接,各零件間通過連接件連接。上耦合器內(nèi)安裝扭矩傳感器連接器,通過耦合器和扭矩傳感器連接器,可將氣浮軸承轉(zhuǎn)子與被校扭矩傳感器剛性連接。

圖3 慣量裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of inertia device

慣量裝置工作時,氣浮軸承外殼、安裝托盤和氣浮軸承轉(zhuǎn)子之間均形成高壓氣膜,對安裝托盤和氣浮軸承轉(zhuǎn)子起支撐作用,并減小兩者在旋轉(zhuǎn)過程中受到的摩擦力。安裝托盤、標準慣量盤、氣浮軸承轉(zhuǎn)子、上耦合器、扭矩傳感器連接器和連接件的慣量之和等于扭矩傳感器上連接的等效慣量。

3.3 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)包含力矩發(fā)生控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。力矩發(fā)生控制系統(tǒng)包含工控機、伺服電機驅(qū)動控制器、磁粉制動器程控加載器和電磁離合器程控直流電源。系統(tǒng)工作時,通過工控機向伺服電機驅(qū)動控制器、磁粉制動器程控加載器和電磁離合器程控直流電源發(fā)送命令;伺服電機驅(qū)動控制器驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)并保持設(shè)定轉(zhuǎn)速;制磁粉制動器程控加載器輸出激勵電流,使磁粉制動器產(chǎn)生制動力矩;電磁離合器程控直流電源的閉合與斷開,控制慣量負載和扭矩傳感器的旋轉(zhuǎn)與制動激勵。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由PCI 高速采樣板卡和工控機組成。測量過程中,先用PCI 高速樣板卡采集圓光柵測角儀輸出的A、B 相電平信號并存儲,再讀取采樣信號,經(jīng)過波形合成、微分、數(shù)字濾波等操作解析出角振動波形,根據(jù)公式（1）計算得到動態(tài)扭矩激勵波形。

4 仿真分析

4.1 仿真模型

校準裝置結(jié)構(gòu)中,受到制動力矩激勵的部件主要包括磁粉制動器轉(zhuǎn)子、下耦合器、被校扭矩傳感器軸、上耦合器、氣浮軸承轉(zhuǎn)子、安裝托盤、標準慣量盤和相關(guān)連接件,各部件在XY平面的剖面均為規(guī)則的圓形或圓環(huán)形,故剛性連接后各部件的幾何中心線保持同軸,且均繞Z軸旋轉(zhuǎn)。對上述部件進行三維建模,如圖4 所示,各部件繞Z軸轉(zhuǎn)動的慣量及剛度參數(shù)如表1 所示,其中,標準慣量盤與氣浮軸承安裝托盤、上耦合器、下耦合器和連接件的剛度可視為無限大。

表1 三維模型中各部件的參數(shù)Tab.1 Parameters of each component of the 3D model

圖4 三維仿真模型Fig.4 3D simulation model

4.2 模型激勵響應(yīng)分析

4.2.1 激勵力矩

由第3.1 節(jié)所述制動力矩發(fā)生裝置的工作方法可知,磁粉制動器保持恒制動力矩,伺服電機克服制動力矩使慣量裝置做勻速轉(zhuǎn)動,當電磁離合器斷開,慣量裝置受到磁粉制動器的制動力矩開始減速,即電磁離合器斷開時刻,為被校扭矩傳感器受到制動力矩激勵的開始時刻。根據(jù)磁粉制動器的工作原理,在理想情況下,磁粉制動器產(chǎn)生的制動力矩與激磁電流的大小成正比[7],與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關(guān);同時,將電磁離合器斷開過程中扭矩變化近似為線性,則制動力矩加載過程中,伺服電機驅(qū)動力矩、磁粉制動器制動力矩和被校扭矩傳感器受到的激勵力矩關(guān)系如圖5 所示,其中,t0、t1分別為電磁離合器開始和完成分離的時刻。

圖5 制動力矩加載過程各力矩間的關(guān)系Fig.5 Relationship between each moment in braking process

4.2.2 響應(yīng)分析

4.2.2.1 減速階段

圖4 所示模型中,氣浮軸承轉(zhuǎn)子的剛度和磁粉制動器轉(zhuǎn)子的剛度遠大于被校扭矩傳感器軸的剛度,為方便分析,將圖4 所示模型進行簡化,簡化模型如圖6 所示。圖中,k為被校扭矩傳感器軸的剛度,慣量Jts=J1+J2+J3+J4／2,慣量Jtx=J4／2+J5+J6。

圖6 減速階段簡化模型Fig.6 Simplified model during deceleration phase

參考圖5,設(shè)置的制動力矩曲線如圖7 所示。圖中,T0為磁粉制動器的制動力矩,且T0不大于被校扭矩傳感器量程,0～t1段為電磁離合器分離過程產(chǎn)生的力矩激勵,t1～t2段為電磁離合器分離后產(chǎn)生的恒定制動力矩激勵。

圖7 制動力矩曲線Fig.7 Braking moment curve

由于系統(tǒng)阻尼比很小,為便于分析,忽略阻尼的影響,對模型建立運動方程為

其中,λ=T0／t1,為電磁離合器在額定力矩狀態(tài)下制動力矩的上升速率為模型初始轉(zhuǎn)速。

若磁粉制動器轉(zhuǎn)子在0～t1之間某時刻t10停止,則被校扭矩傳感器軸在此過程中的變形角度為

被校扭矩傳感器軸在停止時刻的變形角度

4.2.2.2 自由振動階段

磁粉制動器轉(zhuǎn)子角速度降為零后,模型中磁粉制動器轉(zhuǎn)子可視作固定不動,模型將產(chǎn)生自由扭轉(zhuǎn)振動,模型變?yōu)閱巫杂啥葢T量-扭桿系統(tǒng),如圖8 所示。

圖8 自由振動階段簡化模型Fig.8 Simplified model during free vibration stage

在該階段,Jts的角度變化量與被校扭矩傳感器軸的變形角度一致。設(shè)Jts的初始角速度為v1,系統(tǒng)阻尼比ξ=0.02,則Jts的角運動為

對慣量Jts的角度進行二次微分,并乘以其慣量值,可得到激勵力矩曲線;將被校扭矩傳感器軸的變形角度乘以剛度,得到被校扭矩傳感器理論輸出扭矩。模型受到制動力矩激勵過程中,慣量Jts的角度θts、角加速度結(jié)果曲線和計算得到的標準力矩Mts,結(jié)果分別如圖9（a）、9（b）和9（c）所示,被校扭矩傳感器軸變形角度θ和理論輸出力矩M結(jié)果曲線分別如圖9（d）和9（e）所示。

圖9 仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results

參考圖9（a）、9（b）和9（d）,慣量Jts在受到制動激勵后角度繼續(xù)增加,但角速度逐漸降低,此過程中被校扭矩傳感器軸的變形角度逐漸增大,當角速為零時,慣量Jts做衰減正弦扭擺運動;參考圖9（c）和（e）,激勵力矩曲線與被校扭矩傳感器的理論輸出力矩曲線的大小相等、方向相反,力矩值先上升再做正弦衰減變化,角頻率為181.7 rad／s,約等于（k／Jts）1／2。

5 試驗驗證

5.1 模擬扭矩傳感器激勵試驗

用60Si2MnA 鋼材加工形變區(qū)域長50 mm,直徑25 mm,且兩端夾緊部分尺寸相同的軸,作為模擬扭矩傳感器,其裝夾后的理論剛度約為4.8×104N·m／rad。將模擬扭矩傳感器安裝至工位后,進行制動力矩激勵,測量模擬扭矩傳感器上端連接的慣量裝置的角運動并計算激勵力矩,驗證裝置設(shè)計方案的正確性。

圓光柵測角儀的采集數(shù)據(jù)、合成的角度波形,以及角加速度波形如圖10 所示。

參考圖10,制動力矩加載后,慣量裝置的角度曲線和角加速度曲線包絡(luò)與仿真計算結(jié)果一致,正弦階段的頻率為29.01 Hz。

更換不同大小的標準慣量盤,標準慣量盤及緊固連接件的慣量通過上級計量機構(gòu)出具的證書中獲得。開展制動激勵試驗,測量慣量裝置的角運動,截取合成角度曲線中正弦部分并計算其頻率值,計算結(jié)果如表2 所示,通過更換標準慣量盤,可改變動態(tài)扭矩激勵的頻率。

表2 頻率測量結(jié)果Tab.2 Frequency measurement results

5.2 動態(tài)扭矩傳感器激勵試驗

采用量程500 N·m 的Kistler 4503B 動態(tài)扭矩傳感器作為標準扭矩傳感器對裝置進一步測試。在空載狀態(tài)下對動態(tài)扭矩傳感器進行制動激勵,采集動態(tài)扭矩傳感器的輸出信號和圓光柵測角儀的輸出信號,計算出激勵扭矩T和扭擺角度θ,計算圓光柵測角儀測得角振動波形的頻率f,根據(jù)公式（7）計算安裝托盤、氣浮軸承轉(zhuǎn)子、光柵及其他連接件的慣量J0。

根據(jù)上述方法,測得J0為0.428 kg·m2。

在氣浮軸承上端安裝慣量為2.605 kg·m2的標準慣量盤,則與動態(tài)扭矩傳感器連接的等效慣量為3.033 kg·m2,對標準扭矩傳感器進行制動激勵,將圓光柵測角儀測量的角加速度波形乘以等效慣量得到力矩波形。校準裝置測得的力矩波形和標準扭矩傳感器輸出力矩波形如圖11 所示。

圖11 校準裝置與標準扭矩傳感器測量結(jié)果Fig.11 Measurement results of calibration device and standard torque sensor

參考圖11,校準裝置力矩測量波形和標準扭矩傳感器輸出波形與仿真計算結(jié)果一致,均為先上升,再做衰減正弦振動。測量兩波形在正弦扭擺段的第一個峰值的絕對值,分別為94.58 N·m 和93.44 N·m,以標準扭矩傳感器的輸出值為標準值,校準裝置力矩測量結(jié)果的相對誤差為1.22%。兩波形衰減正弦段的頻率一致,均為29.3 Hz。

6 結(jié)束語

根據(jù)制動式正弦法動態(tài)扭矩傳感器校準裝置的設(shè)計和工作原理,對校準裝置中的關(guān)鍵部件進行建模和數(shù)值分析,使用校準裝置對模擬扭矩傳感器進行制動力矩激勵試驗,并開展扭矩傳感器測試試驗,測量結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果一致,證明了設(shè)計的可行性。該校準裝置產(chǎn)生最大激勵力矩為250 N·m;產(chǎn)生的正弦扭矩頻率與被校扭矩傳感器剛度和安裝慣量負載的大小有關(guān),受限于圓光柵測角儀的測量能力,最大校準頻率為73 Hz。下一步,項目組將對不同型號動態(tài)扭矩傳感器開展校準試驗,分析校準裝置測量不確定度來源并進行不確定度評定。