多油缸叠加式力标准装置

　　一、概述

　　力标准机是计量部门力值复现与传递的必不可少重要装置，目前国内外在用的力标准机主要分为四类：静重机、杠杆机、液压机和叠加机。静重机和杠杆机大多限于中小力值，大力值装置造价非常高，不易推广;液压机由于性价比、制造技术等各种原因目前已经少有企业生产;叠加式力标准机以其低廉的造价及广泛的适用性，近十年得到了较快发展;现有的叠加式力标准机主要有以下两种控制模式：一是利用辅助油缸通过改变容积的方式保持控制压力，实现力值精密控制;二是利用压电陶瓷的逆向效应进行力值精密控制;这两种控制方式各有利弊，但都存在力值波动过大或力值达到稳定时间偏长的不足，这也影响到叠加机的应用效果。采用伺服电机及伺服油泵通过差动控制的方法可以有效解决上述技术难点。另外，通常情况下精密液压控制的合理压力在 25MPa 以下，因此要制作量程大于 20MN 的力标准机加荷油缸直径必须大于 1 米;由于大直径油缸的精密加工制作有一定难度，采用多油缸组合加荷是解决大力值叠加式力标准机的一种有效手段。

　　二、多油缸叠加式力标准机的技术方案

　　1、主机部分

　　主机由机座、动横梁、工作平台、丝杆、传动机构、液压油缸及标准传感器组成;其中油缸分主副油缸设计，用 7 只油缸组合加荷;标准传感器通常采用三个并联下置式安装;这样若采用 7个直径不超过 0.8m 的油缸及三个 20MN 标准传感器，可以实现 60MN 叠加式力标准机的制作。本项目由于经费限制，考虑制作一台 3MN 的模型机，并采用了上置式标准传感器，如图 1 所示。

　　2、控制部分

　　控制部分主要由计算机、控制器、伺服电机、伺服油泵等组成;工作前，把标准传感器的标定值输入计算机作为设定目标值，工作开始后，伺服电机驱动伺服油泵给油缸增压，油缸活塞移动，标准传感器和被检传感器同时受力，传感器输出信号分别由标准仪表和检测仪表发送给计算机，计算机根据标准传感器输出信号，通过高速自适应 PID 算法，发送信号给控制器，控制器动态调整伺服电机、伺服油泵的转速、转矩使加载值快速逼近并达到标准值，逐点完成检测。为了使力值控制能够保持快速、精密、平稳，伺服控制采用双泵联动、差动转速的动态平衡控制技术，使伺服电机工作参数在控制过程中始终处于最佳状态。

　　3、软件部分

　　计算机采用 windows 环境下的工作软件，通过界面人机对话进行工作参数调整设置;当进行传感器自动检测时，计算机自动采集并进行记录被检传感器的输出值，通过按传感器检定规程编制的专用软件进行处理计算。另外，为了避免在进行传感器全自动检测过程中意外造成被检传感器损坏，除对力标准机通过溢流阀进行安全保护外，还在软件中通过被检传感器系数设置进行二次保护，可以有效防止自动检测过程中被检传感器的意外损坏。