首頁>技術(shù)中心>技術(shù)資訊>大負(fù)荷壓電式力標(biāo)準(zhǔn)機
大負(fù)荷壓電式力標(biāo)準(zhǔn)機
發(fā)布時間：2017-11-22
引言
疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機是利用力源對串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢傳感器施加負(fù)荷,根據(jù)配套標(biāo)準(zhǔn)測力儀的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)來確定被檢測力儀的各項計量性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)測力裝置。由于作為承載和測力元件的傳感器受到的負(fù)荷是彈性力,所以在選用了足夠高精度的標(biāo)準(zhǔn)測力儀之后,力源施力裝置能夠控制作用于傳感器上的微量位移能力決定著力標(biāo)準(zhǔn)機的力值計量精度和使用性能[1]。傳統(tǒng)的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機均采用機械或液壓的傳動方式對設(shè)備實施加載。載荷在500kN以下的可以采用壓電微位移裝置實現(xiàn)力值精密跟蹤控制。研究1MN以上超大載荷能力的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機的加載與控制問題,提出并采用液壓和壓電微位移技術(shù)相結(jié)合的方法,定義采用壓電微位移技術(shù)的疊置加荷式力標(biāo)準(zhǔn)機為壓電式力標(biāo)準(zhǔn)機。
1系統(tǒng)組成和工作原理
壓電式力標(biāo)準(zhǔn)機的力源施力裝置設(shè)計成由粗加載和精密加載兩個有機部分組成的系統(tǒng)(見圖1),分別通過控制較大位移完成施加某級載荷的大部分任務(wù)和通過控制微量位移實現(xiàn)力值的精確控制。由于載荷非常大(大于1MN),粗加載系統(tǒng)是采用液壓傳動方式產(chǎn)生位移對測力系統(tǒng)施加負(fù)荷的裝置,精密加載則由壓電陶瓷力發(fā)生裝置[3]完成。
由圖1可見,本壓電式力標(biāo)準(zhǔn)機可以分成5個組成部分,即主機、壓電陶瓷力發(fā)生裝置(壓電陶瓷微位移裝置)、控制器和工作儀表以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中主機包括機架(機器的結(jié)構(gòu)主體)、驅(qū)動機構(gòu)(用以實現(xiàn)粗加載的液壓傳動系統(tǒng)),控制器,工作儀表包括配套標(biāo)準(zhǔn)測力儀(標(biāo)準(zhǔn)傳感器和指示儀表)和被檢測力儀。
壓電陶瓷力發(fā)生裝置是建立在物理學(xué)中的逆壓電效應(yīng)[6]原理基礎(chǔ)之上的為位移輸出裝置[3]。作為力值精密調(diào)節(jié)器,它與標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測傳感器一起串聯(lián)安裝于測力系統(tǒng)中。當(dāng)力標(biāo)準(zhǔn)機工作時,在施加粗負(fù)荷后,通過特殊研制的控制裝置控制施加于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場強度,改變它產(chǎn)生的微小變形量,從而達到精密控制調(diào)節(jié)力值的目的。控制裝置運用微型計算機和微電子控制技術(shù),以標(biāo)準(zhǔn)測力儀的輸出作為反饋信號,實現(xiàn)對施加負(fù)荷和力值穩(wěn)定調(diào)節(jié)的閉環(huán)自動控制和工作過程自動化。
由于壓電陶瓷力發(fā)生裝置可以產(chǎn)生易于控制的非常微小的位移量作用于測力系統(tǒng)中,通過微機自控技術(shù)精密跟蹤標(biāo)準(zhǔn)力值,實現(xiàn)了精確施加力值和長時間保持穩(wěn)定不變的目標(biāo)。同時,由于運用上述先進技術(shù),簡化了設(shè)備的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了工作過程自動化,使設(shè)備工作精度、效率和可靠性大幅度提高,成本顯著降低,操作十分方便。
2主機結(jié)構(gòu)組成問題
力標(biāo)準(zhǔn)機的主機是負(fù)荷的承受體和施力執(zhí)行裝置。標(biāo)準(zhǔn)的和被檢的測力儀正確地安裝于主機上之后,由控制器控制施力執(zhí)行機構(gòu)工作,以完成測力試驗任務(wù)。主機的機架必須在規(guī)定的負(fù)荷范圍內(nèi)能夠保證測力儀(傳感器)的正確受力作用位置,以保證測量精度[5]。
主機中的驅(qū)動機構(gòu)是力標(biāo)準(zhǔn)機粗加載過程的執(zhí)行機構(gòu)。超大負(fù)荷壓電式力標(biāo)準(zhǔn)機采用由控制電動機驅(qū)動的液壓傳動系統(tǒng)完成加荷工作,如圖2所示。考慮到加載工作過程中所需要的位移輸出主要用于克服標(biāo)準(zhǔn)和被測傳感器,以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等主要環(huán)節(jié)的變形,每個環(huán)節(jié)的變形量一般都在1 mm水平,故此加載油缸所需要有效的輸出一般在3~5 mm的范圍內(nèi)。因而實際采用了1個結(jié)構(gòu)極其簡單的最小液壓系統(tǒng),主要工作系統(tǒng)是1個由控制油缸和主油缸組成的帕斯卡連通器。主油缸的直線位移輸出完全由伺服電機驅(qū)動控制油缸的直線運動實現(xiàn)。液壓傳動實現(xiàn)了高效率力放大,伺服電機控制技術(shù)成熟,易于實現(xiàn)精確位置控制。
主要動作與實現(xiàn)方法為:橫梁升降,可由橫梁升降機構(gòu)實現(xiàn)大范圍橫梁升降;主油缸升降,可由液壓油泵通過換向閥帶動油缸活塞升降,升程0~100 mm;粗加載由控制電機驅(qū)動控制油缸柱塞作往復(fù)直線運動,利用液壓放大原理驅(qū)動加載油缸實現(xiàn)對傳感器系統(tǒng)的加載。加載油缸的輸出推力W.
式中:A1為加載油缸的無桿腔面積;A2為控制油缸的柱塞斷面積;W1為控制油缸的柱塞承受的載荷;F為由于加載油缸的摩擦和有桿腔的液壓作用力而產(chǎn)生的阻力。
因此,采用由伺服電機系統(tǒng)驅(qū)動的最小液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)超大負(fù)荷能力力標(biāo)準(zhǔn)機的粗加載,具有結(jié)構(gòu)簡單、位移控制方便精確的特點。
3超大負(fù)荷能力壓電陶瓷力發(fā)生裝置
建立在逆壓電效應(yīng)基礎(chǔ)上的壓電陶瓷微位移器(如圖4),在當(dāng)作用于器件上的作用力均勻分布在器件表面上時,它的輸出位移可用下式表示[1]:
式中:δ為壓電陶瓷微位移器的輸出位移;p′為壓電陶瓷微位移器受到的作用力;l為每片壓電陶瓷晶片的厚度;d33為壓電應(yīng)變常數(shù); U3為受力方向上施加的電壓;S為壓電陶瓷晶片的面積;n為壓電陶瓷晶片層數(shù);s33為壓電陶瓷晶片極化方向上的彈性柔順常數(shù)。可見壓電陶瓷微位移器的輸出位移與壓電陶瓷晶片的材料、性質(zhì)、體積、外加電壓及作用力有關(guān)。
為了增大輸出位移,可以選用d33較大的材料,增加晶片層數(shù)n,提高輸入電壓U3,增大器件受力面積。由于外部作用力的原因,微位移器的輸出位移可能是負(fù)值,即器件的尺寸小于自由狀態(tài)的尺寸,這是由于器件本身的變形所致。微位移器的輸出位移拋除受外力作用下器件本身的變形后,才可能會有輸出位移與輸入電壓成正比的關(guān)系。
在非均布載荷狀態(tài)下,假設(shè)晶片材質(zhì)是均勻的,外加電壓也是均勻的,根據(jù)積分學(xué)原理,器件上任意點處的位移輸出可以根據(jù)式(1)表示為
受制作工藝條件的限制,單晶片尺寸大小有限,因此為了承受極大載荷,壓電陶瓷微位移器件必須是多組組合結(jié)構(gòu),如圖5所示。
根據(jù)力學(xué)原理[4],在多組組合結(jié)構(gòu)中,只要保證外力向晶片的正確傳遞方式,以及晶片的應(yīng)力分布狀態(tài)合理,保證器件強度,可以設(shè)計制作出承受幾乎任何載荷的微位移裝置。根據(jù)上述分析可知:
(1)施加外部電壓情況下,器件的應(yīng)力可能為0,即外部電壓可以有利于承載能力的提高。
(2)最大應(yīng)力產(chǎn)生在外加電壓為0或者外加電壓很高的情況下。當(dāng)外加電壓產(chǎn)生的器件變形(位移)不足以抵消由于外力作用而使器件產(chǎn)生的變形時,只按電壓為0時計算器件的強度即可。一般來說,器件施加的最高電壓只取決于擊穿場強。
(3)施加負(fù)電壓時等于增加了外部作用力,所以承受大負(fù)荷的微位移器不宜施加負(fù)電壓。
(4)載荷越大輸出位移越小。但不同恒定載荷作用下,相對位移不變。
(5)通過正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計,保證器件強度,可以設(shè)計制作出承受幾乎任何載荷的微位移裝置。
4系統(tǒng)控制與實現(xiàn)
確定了結(jié)構(gòu)和控制執(zhí)行器件,力標(biāo)準(zhǔn)機的工作性能取決于控制方法和控制器。控制器是一個采用單片微機作為中央控制器的控制裝置,內(nèi)含控制電機驅(qū)動信號電路、壓電陶瓷力發(fā)生裝置控制電路,信號處理、反饋控制電路等。控制儀的構(gòu)成和它控制力標(biāo)準(zhǔn)機工作的原理如圖6所示。工作時,按照程序和控制參數(shù),以標(biāo)準(zhǔn)測力儀的輸出作為反饋信號,它控制測力機上的粗加載裝置(粗力源,由電動機驅(qū)動)首先施加力值,當(dāng)達到壓電陶瓷力發(fā)生裝置的調(diào)整范圍之后,則將控制轉(zhuǎn)向力值微調(diào)穩(wěn)定。它通過控制電路控制作用于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場強度大小,改變其產(chǎn)生的變形量,從而實現(xiàn)對力值的精密跟蹤控制,并完成對被檢儀表的測試記錄和處理工作。測量的數(shù)據(jù)和處理的結(jié)果送顯示器、存貯器和其他輸出裝置。控制器與微機聯(lián)接構(gòu)成全自動微機控制系統(tǒng)。
通過控制作用于壓電陶瓷力發(fā)生裝置上的電場強度大小實施力值調(diào)節(jié),由于電子技術(shù)對于電場強度控制即電壓控制可以達到極高的水平[2],因此,力值調(diào)節(jié)的精密度完全取決于標(biāo)準(zhǔn)測力儀的輸出信號的分辨率。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和格式對數(shù)據(jù)進行處理、顯示、存貯和打印。具有方便、直觀、準(zhǔn)確、快速、標(biāo)準(zhǔn)和便于存貯的數(shù)據(jù)處理效果。
5應(yīng)用與結(jié)論
研制出了超大負(fù)荷能力壓電微位移裝置和伺服電機控制最小液壓工作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的壓電式力標(biāo)準(zhǔn)機,實現(xiàn)了設(shè)備的高性能、低成本。經(jīng)在1 MN、2 MN等多臺設(shè)備上使用,所提出的方法和研制的設(shè)備主要性能指標(biāo)如下:
(1)測力誤差:<0.02%(與用戶選用的標(biāo)準(zhǔn)測力儀的精度有關(guān));
(2)力值調(diào)節(jié)靈敏度:標(biāo)準(zhǔn)儀表的1個讀數(shù)(1 D);
(3)力值波動度:<0.003%;
(4)力值穩(wěn)定時間:任意;
(5)可以實現(xiàn)的檢測項目:負(fù)荷傳感器及其他測力儀的非線性、重復(fù)性、滯后和蠕變等;滿足用戶對檢驗項目、數(shù)據(jù)處理方法等的特殊要求;
(6)工作方式:工作過程自動化,包括自動施加載荷,自動控制和穩(wěn)定力值的大小,自動采集和處理數(shù)據(jù),并打印輸出;
(7)遵循標(biāo)準(zhǔn):對測力和稱重傳感器的檢測符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和OIML R60的要求;
(8)工作效率:該力標(biāo)準(zhǔn)機遵循OIML R60對傳感器在試驗過程中加荷時間的要求。(蠕變試驗加荷時間除外)。但為滿足負(fù)荷傳感器生產(chǎn)者高效率的要求,可在滿足一定精度要求的前提下,對傳感器進行快速試驗。除自動工作方式外,BFSM力標(biāo)準(zhǔn)機還可以用手動方式工作;
(9)適用環(huán)境:BFSM力標(biāo)準(zhǔn)機只需一處平整地面即可安裝,適于在OIML R60中規(guī)定的傳感器試驗環(huán)境中使用。設(shè)備和技術(shù)的主要特點:
(1)獨創(chuàng)壓電陶瓷驅(qū)動的納米位移控制技術(shù),力值準(zhǔn)確度和控制穩(wěn)定度高。
(2)選用合適儀表可獲得從零到額定載荷的全范圍覆蓋。例如500kN力標(biāo)準(zhǔn)機可用以檢測100N的傳感器。不但適合于傳感器的大批量生產(chǎn),也適合于中小型企業(yè)、計量檢定部門的多品種單件小批量生產(chǎn)。
(3)采用高精度滾珠絲杠,伺服電動機驅(qū)動的液壓傳動系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單,價格低,體積小。使用、維護簡單可靠,不存在漏油現(xiàn)象。
(4)在Windows界面下操作力標(biāo)準(zhǔn)機,工作狀態(tài)、試驗數(shù)據(jù)實時顯示和處理自動化。
(5)具有進行傳感器所有負(fù)荷特性試驗的功能,可實現(xiàn)快速和交變及其他特殊試驗;自帶反向器,可用壓式標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測拉式傳感器。
(6)工作空間大,可以安放高低溫實驗箱。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
