一種帶平衡力位置補(bǔ)償?shù)呐ちΠ馐謾z定儀及其檢定方法研究

近年來(lái)，伴隨著扭矩扳子在模具加工、汽車制造、交通運(yùn)輸和重裝制造等行業(yè)中的運(yùn)用愈發(fā)普及， 針對(duì)扭矩扳子的監(jiān)督和校準(zhǔn)檢測(cè)需求也增長(zhǎng)明顯。目前針對(duì)扭矩扳子的檢定和校準(zhǔn)，應(yīng)用*為普遍的方案，是使用扭力扳手檢定儀。扭力扳手檢定儀廣泛應(yīng)用于計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，汽車、船泊及各種動(dòng)力機(jī)械制造企業(yè)。

由于扭力扳子檢定儀上的扭矩傳感器使用時(shí)不僅受到扭矩作用，同時(shí)還受到平衡機(jī)構(gòu)檔桿產(chǎn)生的推力作用，推力使扭矩傳感器產(chǎn)生干擾輸出，使得扭力扳手檢定儀的輸出扭矩不僅與所作用的扭矩值成正比，還受到平衡力的作用位置的影響。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于平衡力作用點(diǎn)到扭矩傳感器之間的距離與被檢扭矩扳子有關(guān)，因此測(cè)試過(guò)程中施加的標(biāo)準(zhǔn)扭矩一定時(shí)，扭矩傳感器的輸出是不一定的，從而影響扭力扳手檢定儀的測(cè)量精度。本文提出了一種帶平衡力位置補(bǔ)償?shù)呐ちΠ馐謾z定儀及其檢定方法，采用位移傳感器對(duì)平衡力作用位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)位置變化引起的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而有效提高扭力扳手檢定儀的測(cè)量精度。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

       1.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)未解決前文所述的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于位置補(bǔ)償原理的裝置。如圖 1 所示，檢定儀主要由機(jī)架、扭矩傳感器、位移傳感器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、力矩平衡機(jī)構(gòu)和測(cè)量指示儀表等組成。其中測(cè)量指示儀表、扭矩傳感器和力矩平衡機(jī)構(gòu)均安裝在固定于機(jī)架上，扭力扳手的套環(huán)端同軸固定套在扭矩傳感器上，扭力扳手的桿端連接力矩平衡機(jī)構(gòu)，通過(guò)力矩平衡機(jī)構(gòu)控制扭矩的力臂，力矩平衡機(jī)構(gòu)側(cè)方安裝有用于檢測(cè)力臂長(zhǎng)度的位移傳感器; 機(jī)架底部安裝有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接扭矩傳感器帶動(dòng)施加扭矩到扭力扳手上，扭矩傳感器和位移傳感器均與測(cè)量指示儀表連接。

圖 1 帶平衡力位置補(bǔ)償?shù)呐ちΠ馐謾z定儀示意圖

       1. 1. 1 力矩平衡機(jī)構(gòu)

裝置力矩平衡機(jī)構(gòu)包括力矩平衡機(jī)構(gòu)支架、擋塊、搖輪和絲桿，力矩平衡機(jī)構(gòu)支架固定安裝在機(jī)架上，兩根絲桿水平平行地安裝在平衡機(jī)構(gòu)支架上，絲桿上套有擋塊，擋塊和絲桿形成絲杠螺母副，兩根絲桿均與搖輪連接，扭力扳手的桿端被固定夾在兩根絲桿上的擋塊之間，轉(zhuǎn)動(dòng)搖輪帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)擋塊沿絲桿軸向移動(dòng)，使得擋塊擋在扭力扳手桿端的不同位置從而實(shí)現(xiàn)力臂的調(diào)整。

       1. 1. 2 位移及扭矩測(cè)量機(jī)構(gòu)

      測(cè)量指示儀表具有扭矩通道端口和位移通道端口，扭矩傳感器輸出端口連接到測(cè)量指示儀表的扭矩通道端口，位移傳感器輸出端口與測(cè)量指示儀表 的位移通道端口連接。 位移傳感器與絲桿平行并安裝在擋塊附近，位移傳感器的固定端連接在機(jī)架上，移動(dòng)端連接在力矩平衡機(jī)構(gòu)的擋塊上，位移傳感器檢測(cè)擋塊沿絲桿軸向移動(dòng)的位移。

       1. 1. 3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括減速機(jī)和電機(jī)的變速傳動(dòng)部件，電機(jī)經(jīng)減速機(jī)與扭矩傳感器連接。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還可以由搖輪、絲桿、蝸輪蝸桿等其他變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成。

1. 2 測(cè)試方法及過(guò)程

本裝置的具體實(shí)施過(guò)程及原理如下:

1) 檢定時(shí)將扭力扳手安裝在扭力扳手檢定儀上，調(diào)整平衡機(jī)構(gòu)的位置，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，施加扭力到扭矩傳感器上，扭矩傳感器輸出固定的扭矩到待測(cè)扭力扳手的套環(huán)端上，扭力扳手的桿端被固定夾在所述力矩平衡機(jī)構(gòu)的兩塊擋塊之間;

2) 通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)搖輪帶動(dòng)擋塊沿絲桿軸向移動(dòng)，調(diào)整擋塊阻擋在扭力扳手桿端不同位置，形成不同力臂距離，通過(guò)位移傳感器測(cè)得的位置轉(zhuǎn)換為力臂長(zhǎng)度;

3) 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確的扭力扳手在不同力臂位置多次測(cè)試獲得扭矩傳感器在不同平衡力臂下的輸出值 S，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算可獲得**、**權(quán)重參數(shù)

 k1、k2 : S = k1M( 1 + k2 1 L )( 1)

M = S k1( 1 + k2 1 L ) ( 2)

其中，k1、k2 為**、**權(quán)重參數(shù)，M 為平衡力 位置補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值，L 為擋塊到扭力扳手旋 轉(zhuǎn)軸之間的力臂長(zhǎng)度，S 為扭矩傳感器的輸出系 數(shù)值。

4) 對(duì)于待測(cè)的扭力扳手，將扭矩傳感器輸出的固定扭矩值和位移傳感器測(cè)得的力臂長(zhǎng)度值輸入到測(cè)量指示儀表中，測(cè)量指示儀表有扭矩位移兩個(gè)通道，測(cè)量指示儀表將扭矩及位移傳感器信號(hào)接入后，經(jīng)放大、AD 轉(zhuǎn)換采用以下公式計(jì)算得到平衡力位置補(bǔ)償后的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值:

S＇ = k1M( 1 + k2 1 L ) ( 3)

M＇ = S k1( 1 + k2 1 L ) ( 4)

2 實(shí)施與驗(yàn)證

制作一臺(tái) 500Nm 扭力扳子檢定儀，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1 所示，其中扭矩測(cè)量選用圓軸式結(jié)構(gòu)的規(guī)格為500Nm 的扭矩傳感器，輸出( 0 ～ 2) mV/V，準(zhǔn)確度級(jí)別 0. 1 級(jí); 位移測(cè)量選用 LX－S 型位移傳感器，規(guī)格1000mm，輸出( 0～5) V。為了對(duì)扭矩傳感器的輸出特性用位移傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，將標(biāo)準(zhǔn)扭力扳子安裝在扭力扳手檢定儀上，在兩個(gè)不同平衡位置( L =200mm、L = 600mm) 進(jìn)行 輸出特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1。

表 1 標(biāo)定前 L = 200mm、

L = 600mm 時(shí)各點(diǎn)測(cè)得值平衡位置測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸出特性( 單位: mV/V)

100Nm 200Nm

300Nm 400Nm

500Nm

S( L = 200mm) 0. 39837 0. 79676 1. 19530 1. 59381 1. 99240

S( L = 600mm) 0. 40059 0. 80116 1. 20187 1. 60253 2. 00328

按 L = 600mm 位置進(jìn)行對(duì)扭力扳手檢定儀進(jìn)行

標(biāo)定后，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。

表 2平衡位置測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)測(cè)得值( 單位: Nm)

100   200   300   400   500

M( L=200mm)

99. 95

199. 95

299. 95

399. 95 499. 95

M( L=600mm) 100. 55 201. 05 301. 60 402. 15 502. 75

結(jié)果表明，補(bǔ)償前不同平衡力作用位置扭矩值相差 0. 5%左右。將上述測(cè)試數(shù)據(jù)代入公式

 S =k1M( 1 + k2 1 L ) 進(jìn)行計(jì)算可以得到 k1、k2 的近似值:

k1 = 0. 0040174 k2 = －1. 62493

將扭矩傳感器輸出系數(shù) S、補(bǔ)償系數(shù) k1、k2、位 移傳感器測(cè)得的 L( 按 mm 單位計(jì)) 代入公式( 2) 即可得到與平衡力位置無(wú)關(guān)的扭矩值。表 3 補(bǔ)償后 L = 200mm、L = 600mm 時(shí)各點(diǎn)測(cè)得值平衡位置

測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)測(cè)得值( 單位: Nm)

100   200   300   400   500

S( L = 200mm) 99. 95

199. 95

299. 95

400. 00 500. 00

S( L = 600mm) 100. 00

199. 95

299. 95

400. 00 500. 00

結(jié)果表明，補(bǔ)償后不同平衡力作用位置扭矩輸出基本一致，也就是說(shuō)，采用本文所述方法可顯著提升扭力扳手檢定儀的測(cè)量精度。

5. 3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本章主要進(jìn)行了計(jì)量裝置計(jì)量性能和功耗試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明基于霍爾電流傳感器測(cè)量的直流電能計(jì)量裝置精度滿足 1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，性能穩(wěn)定，功耗小于 2W，滿足鐵塔技術(shù)規(guī)范性能要求，具備鐵塔基站配用電環(huán)境應(yīng)用條件。

6 總結(jié)

本文基于當(dāng)前新能源發(fā)展的背景，以鐵塔基站直流配電應(yīng)用環(huán)境為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款基于霍爾電流傳感器的直流電能計(jì)量裝置，論述了其硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，按照規(guī)范要求對(duì)樣機(jī)裝置進(jìn)行了計(jì)量性能與功耗試驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的這款基于霍爾電流傳感器，具有 6 路正反向電能計(jì)量功能的直流電能計(jì)量裝置，計(jì)量準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，功耗低，使用方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

綜上，本研究提出一種結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單的，新型帶平衡力位置補(bǔ)償?shù)呐ちΠ馐謾z定儀，能有效解決扭力扳子檢定儀中由于平衡力作用位置不同而帶來(lái)的誤差問(wèn)題，有效提高了扭力扳手檢定儀的測(cè)量精度，具有其突出的技術(shù)效果和推廣價(jià)值。