静重式力标准机的改进

静重式力标准机的改进

0力标准机的交换过程静重疲劳标准机根据力的动态效应直接使用已知质量码头策略来检索标准劳动力值。由于砝码质量的准确度可以做到很高,长期稳定性又好。因此,我国1MN及以下的力值国家基准静是重式的。力标准机除了静重式的以外,还有杠杆、液压和叠加式。近几年来,叠加式力标准机在技术上有了明显进步,不仅设备的体积小、操作方便快捷,而且准确度显著提高。但是,在力值准确度和力值稳定度方面,静重式仍然占有明显的优势,有着其它力标准机难以替代的作用。因此,静重式力标准机的改进仍有现实意义。静重式力标准机的明显弱点就是载荷级数少,尤其是80年代以前设计制造的大型力标准机,为了尽可能降低造价,砝码数量往往压缩到了最低限度。为了获得尽可能多的载荷级数,就需要交换砝码。在交换砝码过程中,如无适当措施,就不能保证载荷是逐级增加或逐级减少,也就是说,在加荷过程中,要先减某一级砝码,再加另一级较大的砝码;而在卸荷过程中,要先减过头,再加某一级砝码。这样,在加荷过程中,就出现了减荷现象,而在卸荷的过程中出现了先减过头,再加回来的现象,我们称之为“逆程”现象。这种现象犹如古代“朝拜”仪式中的进退支作,故也称为“朝拜”现象。由于材料在变形过程中存在内、外摩擦力,因此,所有利用弹性体变形测量力值的测力仪和传感器都有滞后现象。而这种滞后表现出来的大小与加在该测力仪或传感器上的力的变化过程有关。为了便于比较,几乎所有的有关测力仪和传感器的检定规程都规定要逐级加荷、逐级卸荷,也就是说要避免加/卸荷过程中的“逆程”现象。在20世纪70～80年代,设计静重式力标准机时已考虑到要消除“逆程”现象,有的设计了机械千斤顶,在交换砝码时顶住反向器,有的设计了液压抱箍,在交换砝码时,抱住反向器,在一定程度上减小了“逆程”现象。但这些措施都要操作人员手动完成,其控制精度与操作者的技巧和注意力集中程度有关,运行速度也比较慢,总的效果不太理想。80年代初,浙江省称重技术研究所的50kN静重式力标准机在设计时考虑采用液压伺服技术,在反向器的横梁上方预置了一个伺服油缸,用于交换砝码时顶住反向器,使施加在被测传感器上的力值基本保持不变。但是由于当时液压伺服技术水平的限制,这一设想未能如期实现。2000年,浙江省称重技术研究所与浙江大学流体传动与控制国家重点实验室合作,成功地解决了这一难题。1加/卸载荷结果液压伺服系统的成功运行使我们有可能对“逆程”现象的影响进行实际测试。我们选择了两个传感器来做试验,一个申克公司的产品,精度较高,另一个则滞后较大。表1和表2是两个传感器的实测数据,图1和图2是对应的误差曲线,图3是对应的加/卸载荷曲线。从以上数据可以得出这样一些看法:(1)“逆程”现象对传感器的进程曲线影响很小。RTF型24975(2)“逆程”现象对传感器的回程曲线影响十分明显,在砝码交换点形成了明显的拐点。对RTF/33t249750.016%,对Y30t9811从以上两点可以看出,“逆程”现象对传感器的重复性、线性指标影响不大,对滞后指标影响明显。上述例子还不是最严重的情况,如果是标定20t的传感器,则是在80～120kN和120～80kN处交换砝码,此处正是传感器滞后最大的区域,又是“逆程”现象最为严重的加/卸荷点,影响会更大。因此,在对检测精度有较高要求时,伺服系统的运行是必不可少的。2电液伺服系统的设计静重式力标准机消除“逆程”现象的最彻底的方法是增加砝码级数,使加/卸载过程中不必交换砝码。无疑,这将使设备结构变复杂,体积增大,相应的控制设备、土建规模也要扩大,总造价大幅度上升。因此,大型力标准机通常要采用交换砝码的方法,以减少砝码级数,降低造价。用机械千斤顶的方法解决“逆程”问题,是在交换砝码前预先用千斤顶顶住反向器,然后再加/卸砝码。事实上,千斤顶在顶上反向器时,会有一个初始力;在卸砝码时产生的载荷变化还会引起反向器变形;因此,在交换砝码过程中,施加在被测传感器上的力仍有较大的变化。所以,这一方法虽然一定程度上减小了“逆程”现象,但控制精度不高,操作也不方便。用抱箍抱住反向器的情况与千斤顶类似。用电液伺服方法则是在整个交换砝码过程中,按照预先设定的控制值,实时调整施加在被测传感器的力值,使其基本保持不变。这一过程完全由电液伺服系统自动完成,无须人的干预,控制精度亦可做得较高。原理方框图见图4。电液伺服系统的关键设计有三点:(1)伺服传感器总体设计对伺服传感器有四个要求:①力值测量的精度。液压伺服主要依据伺服传感器的测量信号控制伺服油缸的动作。因此伺服传感器的力值测量的精度直接影响液压伺服精度,希望能达到0.2%F.S。②伺服传感器外型尺寸精度。伺服传感器安装在承压垫下方,直接影响承压垫水平。从而影响整机的准确度,因此,对伺服传感器外型尺寸精度有较高的要求。③伺服传感器刚度。要求尽量减小对系统刚度的影响。传感器的刚度要求尽可能大一些。④为了能显示砝码是否擦靠,要求传感器与动横梁绝缘。此外,结构上对传感器的外型、尺寸、大小还有一定限制。因此,要同时满足上述四个要求是有一定难度的。经过反复考虑,我们将原设计的承压垫圈,改设计成一个轮辐式传感器,既提高了传感器的精度,又提高了安装精度,可确保承压垫的水平度。用两层聚酯薄膜作为绝缘,以减小绝缘层对水平度的影响。为尽量减小对系统刚度的影响,传感器的灵敏度设计得较小。其外形、尺寸和原结构中的承压垫块十分接近,最大限度地减小了对力传递环节的影响。为了提高精度,贴了16片应变片。(2)高频响的伺服阀在砝码交换过程中,传感器上的力值变化非常快,实际上是一个阶跃信号(见图5)。最快的仅30ms就变化了50kN。这就需要伺服系统在保证高控制精度的同时,具有很高的响应速度,以实时补偿传感器上的力值变化。伺服阀的频响是限制系统频响的关键元件。(3)先进的变参控制算法在静重式力标准机中,电液伺服系统所要补偿的并不是一个简单的阶跃信号。不同的交换点,砝码的质量、组合各不相同,形成了参数各不相同的几十种阶跃信号。问题的复杂性还不仅在于此,还有系统参数的时变性。由于执行器件(伺服油缸)不是直接作用在传感器上,而是通过了一串刚度不等的吊杆、连接螺纹的传递,并与具有一定晃动的中心吊杆上的砝码重量合力后才作用到传感器上的,构成了一个不断变动的量。被测传感本身也构成传力系统的一环,其刚度随型号规格不同而不同,也直接影响系统刚度。因而还需要在控制算法中对力传递环节的变形、中心吊杆的晃动进行补偿,才能达到所要求的控制性能。针对以上问题,我们在现场反复调试,改进算法,最后达到了预定目标。伺服系统不运行时的加荷曲线见图6,伺服系统运行时典型的加荷曲线见图7。在80～120kN这一砝码交换点,要先减60kN砝码,再加100kN砝码。图6是伺服系统不运行时的情况;传感器上的