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，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)試方法及過程

本裝置的具體實(shí)施過程及原理如下:

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，通過位移傳感器測(cè)得的位置轉(zhuǎn)換為力臂長度;

3) 通過標(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，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的誤差問題，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。