制动式正弦法动态扭矩传感器校准装置设计

金 冉 朱永晓 张 旺 伍 权 况现桃

(1.贵州航天计量测试技术研究所,贵阳 550009;2.贵州师范大学机械与电气工程学院,贵阳 550009)

1 引言

扭矩传感器广泛应用于机械传动系统中,扭矩是测量动力系统输出功率的重要参数,在航空、航天领域,扭矩传感器是机电伺服机构测试系统的关键设备[1,2]。随着技术的发展,航天产品对动态输出性能测试要求逐渐提高,对扭矩传感器动态参数的校准需求也日趋迫切。静态扭矩参数溯源技术较为成熟,但对动态扭矩参数溯源技术的研究相对较少,主要有正弦激励法和负阶跃法。德国联邦物理技术研究院和北京长城计量测试技术研究所研制了正弦激励法动态扭矩校准装置[3-5]。上海船舶设备研究所研制了负阶跃法动态扭矩校准装置[6]。

针对以上问题,设计了一种制动式正弦法动态扭矩传感器校准装置,校准对象为轴式动态扭矩传感器。校准装置通过制动激励使被校扭矩传感器获得初始势能,并产生衰减正弦扭振,将动态扭矩参数溯源至惯量和角加速度参数。通过三维建模和数值仿真,阐述了校准装置的设计原理,并对制动式正弦法动态扭矩校准装置样机开展了扭矩激励试验,验证了设计思路的可行性。

2 结构与原理

2.1 校准装置结构

制动式正弦法动态扭矩传感器校准装置主要由制动力矩发生装置、惯量装置、圆光栅和测控系统组成。各部分安装于机架上,工作时,被校扭矩传感器安装于制动力矩发生装置与惯量装置之间,并与其刚性连接。制动式正弦法动态扭矩传感器校准装置结构如图1 所示。

图1 制动式正弦法动态扭矩传感器校准装置结构示意图Fig.1 Structural diagram of calibration device of sinusoidal dynamic torque sensor based on braking excitation

2.2 工作原理

参考图1,若将被校扭矩传感器等效为“扭杆”,惯量装置与被校扭矩传感器组成惯量-扭杆系统。制动力矩发生装置先驱动该惯量-扭杆系统匀速转动,再对其加载制动力矩,扭杆传递制动力矩,产生扭转形变势能,即具有角位移。惯量-扭杆系统在具有初始角位移的条件下会产生扭振,测控系统采集圆光栅的输出信号,测量惯量装置扭振的角加速度,计算惯量负载惯量值与角加速度值的乘积,即得到动态力矩标准值,将标准值与被校扭矩传感器输出值进行比对,完成校准。该校准装置将动态力矩参数表征为惯量参数和角加速度参数的乘积,即

式中:M——动态力矩;I——转动惯量;ε——角加速度。

3 系统设计

3.1 制动力矩发生装置

制动力矩发生装置主要由伺服电机、减速机、电磁离合器、磁粉制动器、丝杠等部件组成,结构如图2 所示。

图2 制动力矩发生装置结构示意图Fig.2 Structural diagram of braking moment generator

伺服电机通过减速机输出驱动力矩,伺服电机与减速机之间装有扭矩转速测量仪,用以监测伺服电机的转速与输出力矩,并为伺服电机与磁粉制动器的输出控制提供反馈信号。减速机的输出轴通过膜片联轴器与电磁离合器连接,电磁离合器的输出端通过耦合器与磁粉制动器转子的下端刚性连接。磁粉制动器安装于支撑板上,支撑板再通过液压胀紧套等连接件紧固在四根立柱上,保证磁粉制动器的稳定性,同时增加立柱与支撑板组成的框架的刚度。松开液压胀紧套,异步电机与涡轮蜗杆配合驱动丝杠旋转,配合限位开关,可调整磁粉制动器的上下位置,用以安装拆卸被校扭矩传感器。四根立柱垂直安装于基座上,基座固定于地基上,以保证制动力矩发生过程中装置整体稳定性。

校准装置工作时,磁粉制动器先保持失电状态,电磁离合器通电后保持吸合状态,伺服电机通过电磁离合器驱动磁粉制动器转子以及与其连接的部件转动,当标准惯量负载达到设定转速后,磁粉制动器平稳加载制动力矩,并保持伺服电机转速不变,当磁粉制动器制动力矩和转速均达到设定值后,断开电磁离合器,即完成制动力矩的加载。

3.2 惯量装置

惯量装置由气浮轴承外壳、气浮轴承转子、标准惯量盘、上耦合器、扭矩传感器连接器和连接件组成,其结构如图3 所示。标准惯量盘安装于气浮轴承的“⊥”型安装托盘上,安装托盘与气浮轴承转子刚性连接,气浮轴承转子下端与上耦合器刚性连接,各零件间通过连接件连接。上耦合器内安装扭矩传感器连接器,通过耦合器和扭矩传感器连接器,可将气浮轴承转子与被校扭矩传感器刚性连接。

图3 惯量装置结构示意图Fig.3 Structural diagram of inertia device

惯量装置工作时,气浮轴承外壳、安装托盘和气浮轴承转子之间均形成高压气膜,对安装托盘和气浮轴承转子起支撑作用,并减小两者在旋转过程中受到的摩擦力。安装托盘、标准惯量盘、气浮轴承转子、上耦合器、扭矩传感器连接器和连接件的惯量之和等于扭矩传感器上连接的等效惯量。

3.3 测控系统

测控系统包含力矩发生控制系统和数据采集分析系统。力矩发生控制系统包含工控机、伺服电机驱动控制器、磁粉制动器程控加载器和电磁离合器程控直流电源。系统工作时,通过工控机向伺服电机驱动控制器、磁粉制动器程控加载器和电磁离合器程控直流电源发送命令;伺服电机驱动控制器驱动伺服电机旋转并保持设定转速;制磁粉制动器程控加载器输出激励电流,使磁粉制动器产生制动力矩;电磁离合器程控直流电源的闭合与断开,控制惯量负载和扭矩传感器的旋转与制动激励。

数据采集系统由PCI 高速采样板卡和工控机组成。测量过程中,先用PCI 高速样板卡采集圆光栅测角仪输出的A、B 相电平信号并存储,再读取采样信号,经过波形合成、微分、数字滤波等操作解析出角振动波形,根据公式（1）计算得到动态扭矩激励波形。

4 仿真分析

4.1 仿真模型

校准装置结构中,受到制动力矩激励的部件主要包括磁粉制动器转子、下耦合器、被校扭矩传感器轴、上耦合器、气浮轴承转子、安装托盘、标准惯量盘和相关连接件,各部件在XY平面的剖面均为规则的圆形或圆环形,故刚性连接后各部件的几何中心线保持同轴,且均绕Z轴旋转。对上述部件进行三维建模,如图4 所示,各部件绕Z轴转动的惯量及刚度参数如表1 所示,其中,标准惯量盘与气浮轴承安装托盘、上耦合器、下耦合器和连接件的刚度可视为无限大。

表1 三维模型中各部件的参数Tab.1 Parameters of each component of the 3D model

图4 三维仿真模型Fig.4 3D simulation model

4.2 模型激励响应分析

4.2.1 激励力矩

由第3.1 节所述制动力矩发生装置的工作方法可知,磁粉制动器保持恒制动力矩,伺服电机克服制动力矩使惯量装置做匀速转动,当电磁离合器断开,惯量装置受到磁粉制动器的制动力矩开始减速,即电磁离合器断开时刻,为被校扭矩传感器受到制动力矩激励的开始时刻。根据磁粉制动器的工作原理,在理想情况下,磁粉制动器产生的制动力矩与激磁电流的大小成正比[7],与转子转速无关;同时,将电磁离合器断开过程中扭矩变化近似为线性,则制动力矩加载过程中,伺服电机驱动力矩、磁粉制动器制动力矩和被校扭矩传感器受到的激励力矩关系如图5 所示,其中,t0、t1分别为电磁离合器开始和完成分离的时刻。

图5 制动力矩加载过程各力矩间的关系Fig.5 Relationship between each moment in braking process

4.2.2 响应分析

4.2.2.1 减速阶段

图4 所示模型中,气浮轴承转子的刚度和磁粉制动器转子的刚度远大于被校扭矩传感器轴的刚度,为方便分析,将图4 所示模型进行简化,简化模型如图6 所示。图中,k为被校扭矩传感器轴的刚度,惯量Jts=J1+J2+J3+J4／2,惯量Jtx=J4／2+J5+J6。

图6 减速阶段简化模型Fig.6 Simplified model during deceleration phase

参考图5,设置的制动力矩曲线如图7 所示。图中,T0为磁粉制动器的制动力矩,且T0不大于被校扭矩传感器量程,0～t1段为电磁离合器分离过程产生的力矩激励,t1～t2段为电磁离合器分离后产生的恒定制动力矩激励。

图7 制动力矩曲线Fig.7 Braking moment curve

由于系统阻尼比很小,为便于分析,忽略阻尼的影响,对模型建立运动方程为

其中,λ=T0／t1,为电磁离合器在额定力矩状态下制动力矩的上升速率为模型初始转速。

若磁粉制动器转子在0～t1之间某时刻t10停止,则被校扭矩传感器轴在此过程中的变形角度为

被校扭矩传感器轴在停止时刻的变形角度

4.2.2.2 自由振动阶段

磁粉制动器转子角速度降为零后,模型中磁粉制动器转子可视作固定不动,模型将产生自由扭转振动,模型变为单自由度惯量-扭杆系统,如图8 所示。

图8 自由振动阶段简化模型Fig.8 Simplified model during free vibration stage

在该阶段,Jts的角度变化量与被校扭矩传感器轴的变形角度一致。设Jts的初始角速度为v1,系统阻尼比ξ=0.02,则Jts的角运动为

对惯量Jts的角度进行二次微分,并乘以其惯量值,可得到激励力矩曲线;将被校扭矩传感器轴的变形角度乘以刚度,得到被校扭矩传感器理论输出扭矩。模型受到制动力矩激励过程中,惯量Jts的角度θts、角加速度结果曲线和计算得到的标准力矩Mts,结果分别如图9（a）、9（b）和9（c）所示,被校扭矩传感器轴变形角度θ和理论输出力矩M结果曲线分别如图9（d）和9（e）所示。

图9 仿真结果Fig.9 Simulation results

参考图9（a）、9（b）和9（d）,惯量Jts在受到制动激励后角度继续增加,但角速度逐渐降低,此过程中被校扭矩传感器轴的变形角度逐渐增大,当角速为零时,惯量Jts做衰减正弦扭摆运动;参考图9（c）和（e）,激励力矩曲线与被校扭矩传感器的理论输出力矩曲线的大小相等、方向相反,力矩值先上升再做正弦衰减变化,角频率为181.7 rad／s,约等于（k／Jts）1／2。

5 试验验证

5.1 模拟扭矩传感器激励试验

用60Si2MnA 钢材加工形变区域长50 mm,直径25 mm,且两端夹紧部分尺寸相同的轴,作为模拟扭矩传感器,其装夹后的理论刚度约为4.8×104N·m／rad。将模拟扭矩传感器安装至工位后,进行制动力矩激励,测量模拟扭矩传感器上端连接的惯量装置的角运动并计算激励力矩,验证装置设计方案的正确性。

圆光栅测角仪的采集数据、合成的角度波形,以及角加速度波形如图10 所示。

参考图10,制动力矩加载后,惯量装置的角度曲线和角加速度曲线包络与仿真计算结果一致,正弦阶段的频率为29.01 Hz。

更换不同大小的标准惯量盘,标准惯量盘及紧固连接件的惯量通过上级计量机构出具的证书中获得。开展制动激励试验,测量惯量装置的角运动,截取合成角度曲线中正弦部分并计算其频率值,计算结果如表2 所示,通过更换标准惯量盘,可改变动态扭矩激励的频率。

表2 频率测量结果Tab.2 Frequency measurement results

5.2 动态扭矩传感器激励试验

采用量程500 N·m 的Kistler 4503B 动态扭矩传感器作为标准扭矩传感器对装置进一步测试。在空载状态下对动态扭矩传感器进行制动激励,采集动态扭矩传感器的输出信号和圆光栅测角仪的输出信号,计算出激励扭矩T和扭摆角度θ,计算圆光栅测角仪测得角振动波形的频率f,根据公式（7）计算安装托盘、气浮轴承转子、光栅及其他连接件的惯量J0。

根据上述方法,测得J0为0.428 kg·m2。

在气浮轴承上端安装惯量为2.605 kg·m2的标准惯量盘,则与动态扭矩传感器连接的等效惯量为3.033 kg·m2,对标准扭矩传感器进行制动激励,将圆光栅测角仪测量的角加速度波形乘以等效惯量得到力矩波形。校准装置测得的力矩波形和标准扭矩传感器输出力矩波形如图11 所示。

图11 校准装置与标准扭矩传感器测量结果Fig.11 Measurement results of calibration device and standard torque sensor

参考图11,校准装置力矩测量波形和标准扭矩传感器输出波形与仿真计算结果一致,均为先上升,再做衰减正弦振动。测量两波形在正弦扭摆段的第一个峰值的绝对值,分别为94.58 N·m 和93.44 N·m,以标准扭矩传感器的输出值为标准值,校准装置力矩测量结果的相对误差为1.22%。两波形衰减正弦段的频率一致,均为29.3 Hz。

6 结束语

根据制动式正弦法动态扭矩传感器校准装置的设计和工作原理,对校准装置中的关键部件进行建模和数值分析,使用校准装置对模拟扭矩传感器进行制动力矩激励试验,并开展扭矩传感器测试试验,测量结果与数值分析结果一致,证明了设计的可行性。该校准装置产生最大激励力矩为250 N·m;产生的正弦扭矩频率与被校扭矩传感器刚度和安装惯量负载的大小有关,受限于圆光栅测角仪的测量能力,最大校准频率为73 Hz。下一步,项目组将对不同型号动态扭矩传感器开展校准试验,分析校准装置测量不确定度来源并进行不确定度评定。