1 000 Nm参考式扭矩校准装置

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

近年来，伴随着现代制造业的发展以及产品质量的提升，一些物理参数在过程化控制中扮演着越来越重要的角色。随着大量扭矩测量仪的投入使用，扭矩这一参数的计量也越来越受到从业人员的重视。为了验证各种各样扭矩测量仪的准确性和可靠性，上海市计量测试技术研究院研制了一款参考式扭矩校准装置。

尽管参考式扭矩校准装置的构造大同小异，但可以通过软件的控制，使其操作更便捷，使用更简单，检测过程更具效率。经由多功能模块输出一个恒定的标准扭矩，结合PLC控制电路识别扭矩的加载状态，并判断是否对扭矩进行加载或保持；同时，通过图像处理软件实现装置的自动对中功能，从而克服人工对中的困难和降低由此产生的不准确性。

1 技术指标

测量范围：50～1 000 Nm；不确定度：0.3%。

2 装置的构成

本装置由主体框架和控制系统组成。

2.1 主体框架

装置框架的主要部分如图1所示。

为防止实验过程中装置变形，以及确保整体结构的安全性和高强度，装置的所有部分包括平台、横梁、导轨、立柱、丝杠和气阀等，都应经过周密的设计计算和仔细的筛选。

2.2 控制系统

控制系统包括专用软件、电脑、手动编码器、触摸屏、多通道信号采集装置、标准方形分度盘、工业摄像头与PC摄像头。其中，工业摄像头与PC摄像头用以控制图像的计算。所有加载的过程和位置的计算都有专业的软件自动准确地完成。运用这套控制系统，装置的操作过程变得更为方便有效。

图1 装置框架的主要部分

2.3 对扭矩信号的分析和处理

扭矩信号的分析和处理过程如图2所示。

在额定的工作激励电压下，对应变式扭矩传感器施加一个额定的扭矩值，会输出一个相应的模拟信号，精密的A-D转换器会将其转换为数字信号。高速信号采集卡和特殊的数据管理卡会采集信号并增强其分辨力，并通过特定的转换和计算，将相应的扭矩值传达给控制系统。同时，数据处理软件会根据传感器的线性进行相应的调整和补偿，并通过PID(比例积分微分法)强化对当前输出扭矩和设置扭矩值的比较计算。最终，通过交互协议直接反馈至加载的驱动电机，从而达到持续加载直至目标扭矩值。

图2 扭矩信号的分析和处理过程

3 关键技术

3.1 原理

装置工作原理见图3。

3.2 对中的图像处理程序

结合安装于测量轴系中的300万像素工业摄像头、由LABVIEW编译的软件以及其他图像处理技术，该装置可以扫描标准方块标度盘（对中心配件）的位置，调整连接件的空间角度，继而对目标进行对焦。由于加载夹头与标度盘的间隙仅有0.02 mm，并且系统有可能忽略因转矩产生的轴倾角对系统的影响，系统将作为目标的2×2 mm的方形区域等分成2 236×2 236个部分进行控制，因此即使不作数据上的调整和人为操控，装置仍可保持在1μm以下的极高的定位精度。

图3 装置工作原理

3.3 加载的高精度稳定控制

为了保证扭矩的稳定性，控制系统需要根据预设的扭矩值对加载和保持过程进行自动控制。对于扭矩衰减的有效控制是依赖高减速比的减速机以及带自锁功能的轴减速装置，由计算机协议控制的传感器在接近目标值时会重复地进行细微的反馈以确保设备不会因为惯性的影响而出现过载的情况。

4 结语

本装置是国内首套完全适用于串接式扭矩计量设备校准的装置，尤其是它的对中技术在世界上具有创新性，能极大地提高测量和校准的效率，值得在扭矩计量行业推广。