500 kN液压式叠加式力标准机的研制

熊俊，刘建斌

(中航工业成都飞机工业 (集团)有限责任公司，四川成都 610091)

0 引言

力标准机是产生标准力值的装置。主要用于力值传感器、称重传感器、标准测力仪等仪器的定度或检定。按照工作原理力标准机可分为静重式、杠杆式、叠加式。

静重式和杠杆式力标准机虽然具有较高的准确度等级，但对制造成本及工作场所有较高的要求，一般用于国家基准或有较大工作场所的单位。叠加式力标准机由于其结构简单、操作便捷，在近几年中得以迅速发展。

叠加式力标准机是将被检测力仪与标准测力仪串联安装，通过力源对两者同时施加负荷，使标准测力仪复现定度时各力级的标准值，同时测出被检测力仪所对应的各力级示值，从而实现对测力仪的定度、检定或校准。要使叠加式力标准机工作准确可靠，必须解决控制系统稳定的难题，否则会出现示值波动，无法读数的情况。为满足传感器校准要求，做到长期稳定性能好，准确度高，并满足JJG 734－2001力标准机的要求，研制了由伺服控制、液压源以及软件控制所组成的高精度液压控制系统，准确度可达0.03级的500 kN叠加式力标准机。

1 方案设计

根据叠加式力标准机的功能需要、组成和各部分的连接关系，考虑到现场校准工作的需求以及叠加式力标准机的工作原理，总体布局由两个主要部分构成:主机和控制系统。其中系统采用伺服控制、驱动器、油泵作为标准力的施加元件，如图1所示。

1.1 主体结构设计

叠加式力标准机的主体主要由机架、传动箱、丝杆螺套、移动梁、反向器、油缸、标准传感器等组成。

1)主机框架:由上横梁及底座通过四根立柱连接，两侧立柱间安装两根丝杆，上横梁用于安装油缸，底座内安装传动箱;

图1 叠加式力标准机结构图

2)传动箱:由异步电机、减速器、同步带轮等组成，安装于底座内，用于驱动丝杆的旋转，从而带动移动横梁的上下移动用以调整试验空间;

3)丝杆螺套和移动梁:螺套和移动梁是刚性连接，丝杆旋转时移动梁在机架内上下移动，用于调整拉压试验的空间高低;

4)反力向器:反力框架由上拉板、上下压板、上下反向拉杆等组成;

5)油缸:由油缸和活塞组成，安装于主机框架的上支撑板上，通过液压回路与高准确度液压动力源联接，用于输出载荷;

6)标准传感器组:由压板、压头、传感器等组成，安装于油缸活塞上，用于参考标准力值。

由此主机整体的功能为反力框架的上部安装于标准传感器压头上，下部安装于机架内，并通过移动梁将反力框架下部空间分隔成拉向和压向两个工作区域。其主要作用是将参考标准力值传递至被测传感器上，并将标准机输出力转成压向和拉向两种力。工作时将被测传感器装入反向器和移动梁之间 (上空间为拉向，下空间为压向)，启动控制系统使油缸向上移动，油缸通过标准传感器推动反向器向上移动，从而使被测传感器受力，如图2所示。

1.2 控制系统设计

控制系统是使叠加式力标准机工作准确可靠，保证输出标准力值稳定无波动的主要部件，也是本项目研制的关键点。为此，根据叠加式力标准机工作原理研制了由液压部分以及软件控制所组成的控制系统，以满足0.03级准确度的要求。

图2 叠加式力标准机主体结构图

1.2.1 伺服控制

本项目研制的叠加式力标准机是以液压输出为控制方式，并配合安装于油缸活塞上方的标准力传感器作为输出力值的监控设备。购置HBM公司0.01级力传感器为力值输出的监控标准，而高准确度的液压控制系统是用于驱动和控制伺服油泵的转速和转矩以达到输出力值的控制，因此该部分为提供力标准机动力和控制的关键部件，并以伺服电机、驱动器和伺服油泵构成。

1)伺服电机和驱动器的设计

力标准机通过伺服电机、驱动器驱动和控制伺服油泵的转速和转矩以达到提供动力和力源控制的目的。工作功率与转矩是选择伺服电机的关键参数。根据伺服电机的工作原理，其工作功率等于油缸腔内压强与油管输出流量的乘积，因此，假设电机工作时功率为P，油缸腔内压强为F，油管输出流量为Q，由此可得

而流量等于伺服电机的转速与油泵排量的乘积。同样，假设伺服电机的转速为n，r/s;油泵排量为q，m3/r。可得

由公式 (1)，(2)可得

由公式 (3)可知伺服电机的功率与油缸腔内压力、电机转速和油泵排量成正比。而伺服电机转矩与电机功率成正比，与转速成反比，可得转矩公式为

由此可知，只要动态调整伺服电机的转矩、转速，就能提供叠加式力标准机所需的液压动力和流量。

本项目选用排量为0.3 mL/r的油泵，根据公式(1)，(4)可分别求得所选用电机的工作功率以及转矩应满足150 W和0.95 Nm。

2)伺服油泵的设计

伺服油泵用于液压油路的输出控制，根据电机选型配合选用排量为0.3 mL/r，齿数为100，额定压强为25 MPa的内合齿轮油泵，该油泵最小出油分度值为0.3 mL/100=0.003 mL。

而在平均转速为10 r/min的工作条件下，要求油泵的供油情况为:0.3 mL/r×10 r/min=3.0 mL/min，如控制频率为100 Hz(即为每秒钟调整100次)，即60×100=6000(次/min)，可得出油泵输出流量的最小分度数为:3.0/6000=0.0005(mL)，小于0.003 mL，远远高于油泵本身的分度值。并且当油泵在工作区域下限运转时，由于油泵的脉动变大会导致油源输出非线性加大，表现为液压系统的不稳定。

3)问题及软件控制解决方案

根据上述分析，单油泵控制方式不足以满足本项目要求，故而选用双油泵控制方式，采用两个油泵同时控制油缸的进回油。

在设计中，将进、回油时油泵的最大转速分别设定为310 r/min和300 r/min，其转速差与油泵排量的乘积为油泵对油缸的供油量。即为10 r/min×0.3 mL/r=3.0 mL/min。此时，虽然油泵工作时产生的供油量依然为3.0 mL/min，但经过油泵流量叠加后其最小分度数将变为0.0001 mL，该值小于0.0005 mL的最低分度值要求。

因此，利用两个伺服电机分别驱动两个油泵，并分别控制油缸进回油，通过两个油泵的转速差决定油缸压力的增减，解决油泵低速运行的脉动现象，实现力源的高准确度控制。

伺服电机一般采用调节阀或溢流阀的方式来调节液压动力装置的输出压力和响应速度，该工作方式均可保证转速、转矩的参数固定不变，但其缺点表现为:①油泵始终处于大量出油状态，会导致油温升高，必须额外配置冷却系统，研制成本过高;②对液压油源质量要求较高;③适应范围较小、灵活性差;④低速或小流量启动时，响应速度慢，系统动态响应慢，适用范围局限性大。

而在过程的控制中，PID算法是利用比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)的偏差进行控制，是应用最为广泛的自动控制器。具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。其调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，如图3所示。通过对液压控制系统的研究分析发现，在校准过程中油源的波动会产生“逆向效应”影响力值输出的准确性，而快速加压会因液压的滞后性产生输出力值过冲等问题。

图3 PID工作图

因此，必须采用动态调整伺服电机的转速、转矩的方式来控制流量和压力。在快速加压且接近目标值时，控制系统以指数级衰减输出的方法实现输出油压的定位，多级指数衰减适应性不强，差异较大，所以必须同时提高动态控制频率至100 Hz以上，并建立可变参数表实现快速无过冲力源定位，以达到输出油源力源的稳定可靠。

4)工作原理

根据上述解决方案，本项目力标准机的工作原理为:计算机根据被测传感器需要的检测点 (可多点)设定标准力值，开始试验后，计算机通过标准传感器仪表采集标准传感器的实际信号，通过运算向1号伺服控制器发送速度、转矩指令，1号伺服控制器控制对应油泵的转速、转矩，通过换向阀对油缸进油，两油缸之间的进油切换由另一换向阀负责，同样另一伺服控制器通过控制伺服电机来控制油泵、油缸的回油;两油泵间的转速差决定油缸的进退、压力、速度。油缸通过标准传感器仪表、标准传感器实时向计算机发送信号，计算机实时通过运算向两个伺服控制器发送速度、转矩指令，如此形成一个闭环控制。直到标准传感器的力值达到设定的力值，此时被测仪表采集被测传感器在设定力值的信号值，如图4所示。

图4 伺服控制工作原理图

1.2.2 软件控制

软件的作用是配合硬件实现力传感器的校准或检定，流程图如图5所示，其主要功能为:实现数据自动采集、自动处理;多单位转换;过冲保护。标准传感器最大信号保护、被检传感器量程过载保护等。

图5 软件流程图

2 设计验证

研制后，针对系统装置实现的各项功能开展验证工作。选用2H3-G1-300kN等型号300 kN和200 kN的力传感器，按照国家计量检定规程JJG 391-2009《力传感器检定规程》验证系统在检定力传感器项目的功能。检定力传感器包括零点输出、零点漂移、重复性、蠕变等项目的技术指标。同样，选用Z4A/500kN，U2A/20t标准测力仪，按照国家计量检定规程JJG144-2007《标准测力仪检定规程》验证自动控制叠加式力标准机系统在检定标准测力仪项目的功能。检定标准测力仪包括长期稳定度、示值误差、方位误差、进回程误差等项目的技术指标。通过使用，系统功能符合国家检定规程，满足力传感器及标准测力仪的校准要求。

3 结论

传统的叠加式力标准机分为手动液压系统与自动液压控制系统，通常30 s力源波动度为0.02%，100 s力源波动度为0.05%，基本能满足0.05级力标准的要求，但无法满足0.03级标准机要求。此次研究的由伺服电机、液压源以及软件控制所组成的高准确度自动液压控制系统，降低工作时油泵的输出量非线性问题影响油泵的脉动变化所导致的液压系统的不稳定，提高叠加式力标准机的准确度，使其满足力值误差±0.03%，30 min负荷波动性0.01%的设计目标。

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