1N·m扭矩标准机控制系统的设计*

张智敏　李　涛

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.中船重工集团第七〇四研究所，上海 200031)

0　引言

扭矩测量是各种机械产品开发研究、质量检验、安全和优化控制等工作中必不可少的内容。扭矩量值作为一个基本参量，在船舶、航空、航天、汽车、微机械等行业有着广泛的应用。近些年，随着航空航天、汽车、电子等行业的迅速发展，对微小扭矩的测量提出了迫切的需求。目前国际上先进的工业国家如德国、日本的国家计量院相继建立了微小量程扭矩标准机。我国目前有5kN·m、1kN·m、50N·m三台扭矩基准机，复现的扭矩值范围为1N·m～5kN·m。为满足1N·m以下微小扭矩测量的需要，2013年中国计量科学研究院完成了质检公益性行业科研专项项目——建立1mN·m～1N·m扭矩国家标准装置(以下简称1N·m扭矩标准机)。本文介绍了1N·m扭矩标准机的技术方案、电气控制系统和工作流程。

图2　1N·m扭矩机控制系统框图

1　技术方案

1N·m扭矩标准机采用静重式结构，根据砝码所产生的重力和空气对砝码浮力的合力与力臂杠杆臂长的矢积来复现扭矩值。该机主要由空气轴承支撑系统、力臂杠杆系统、砝码悬挂系统、砝码加载系统、扭平机构、联轴器和机身组成。图1为1N·m扭矩机的机械结构图。

图1　1N·m扭矩机机械结构图

力臂杠杆支撑部分采用空气轴承支撑系统，以减小支撑部分带来的摩擦扭矩；力臂杠杆采用低热膨胀系数的因瓦合金材料，减小了力臂长度因温度变化引起的不确定度，力臂采用单梁结构，梁上挖有减轻孔，并配置了力臂平衡机构，以保证力臂工作时既稳定又有较高的灵敏性，同时解决了力臂杠杆系统中主轴轴线和力臂两侧钢带悬挂面平行度难于保证的问题，确保了力臂长度的高准确度；力臂杠杆的平衡状态由激光位移传感器测量并通过伺服控制系统进行控制调整，以保证系统加载后保持初始平衡状态；砝码加载系统首次采用了砝码吊挂和砝码支撑系统结合的方式，砝码组、砝码支撑系统和砝码吊挂巧妙配合，保证了微小砝码精确可靠地加载，实现了在不同扭矩量程范围测量时加卸荷中不出现逆程；研发的砝码悬挂系统具有多自由度的自适应调整功能，可以确保砝码所产生的力始终垂直向下，减小了砝码悬挂给扭矩测量结果带来的影响；扭矩机的主动轴和从动轴上装配挠性联轴器，扭矩机与传感器的联接器采用轴锁紧装置，以解决由于联接件加工安装和传感器自重等因素带来的传感器与扭矩机不同轴而产生的寄生分量的问题。

2　电气控制系统

1N·m扭矩机是一台具有数十个伺服电机、接近开关及执行器件组成的复杂系统，设备各个执行部件的动作要求精确控制，各部件的动作相互关联。

图3　1N·m扭矩机工作流程框图

该机采用工控机作为中央控制器，实现对扭矩机的集中控制管理。运用可编程序控制器(PLC)作为控制装置，实现对设备各种执行器件的动作控制，包括对三维安装平台、扭平机构、力臂杠杆、左右两侧砝码支撑机构、吊挂机构等的精确控制。在微机组态界面中对系统各执行部件进行监控，设备运行过程中各个部件的工作状态，如力臂平衡状态、左右两侧砝码加载状态、砝码吊挂状态及各运动机构的终点限位开关状态等，均在微机屏幕上实时显示，利用位移传感器和力传感器对力臂杠杆的位置进行精确测量，并由伺服控制系统完成控制调整，以保证系统加载后力臂杠杆保持初始平衡状态。微机通过串行口和测量仪表进行通讯，实现了微机与传感器测量仪表之间的数据传输。图2为1N·m扭矩机控制系统框图。

3　工作流程

1N·m扭矩机的控制系统与主机有机结合，全部工作过程由微机集中统一管理控制。利用微机软件技术，通过设计和编写复杂的微机程序，实现了扭矩机全自动化工作，包括自动加卸载荷、自动采集数据、自动完成数据处理、绘制符合标准的检测报告表格；自动实时监测、显示设备的工作过程和各个部件的工作状态。1N·m扭矩机有三种运行模式：

图4　1N·m扭矩机的操作界面

1)标准模式：按规定的5个扭矩量程，每个量程均分为10扭矩点，按“预加载”、“预卸载”、“测试加载”、“测试卸载”的顺序依次完成整个测试过程。

2)单点模式：可任意选择砝码的加载数量，进行一次性的加载、卸载、平衡操作。

3)手动模式：适用于单独调整各个执行机构的运动，以便在意外状态下将系统恢复到检测前的起始状态。

图3为1N·m扭矩机工作流程框图，图4为操作界面。

4　结束语

1N·m扭矩标准机采用工控机作为中央控制器，实现对扭矩机的集中控制管理。运用可编程序控制器(PLC)作为控制装置，实现对设备各种执行器件的动作控制。设备运行过程中各个部件的工作状态均在微机屏幕上实时显示。通过设计和编写复杂的微机程序，实现了扭矩机全自动化工作，包括自动加卸载荷、自动采集数据、自动完成数据处理、自动实时监测、显示设备的工作过程，此外设备还具有半自动、调机等功能。1N·m扭矩标准机的测量范围为1mN·m～1N·m, 不确定度在1～<5mN·m范围内为5×10-4(k=2)，在5mN·m～1N·m范围内为1×10-4(k=2)，实现了全自动控制的目标。

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