智能加載激光洛氏硬度標準裝置C標尺力值加載系統的控制

陶繼增，石偉，王麗

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

洛氏硬度是一個試驗量。2006年國際硬度工作組第8 次國際會議通過了對改善洛氏硬度試驗C 標尺定義中所有參數的初步確定，通過完善定義和參數的準確控制，要求施加主試驗力時的速度應可調節，要求末速度Vfis應緩慢變更至30 μm/s，以減少速度的沖擊影響。特別增加了試驗過程中間環節控制的參數控制描繪曲線，來減小各國間洛氏硬度最高標準測量的差異，提高量值傳遞的整體水平，從而實現了洛氏硬度的新定義。

目前，我國的洛氏硬度標準裝置采用靜重砝碼方式完成試驗力值的加卸荷，不具有全程監測試驗力和壓痕深度變化的能力，也無法實現主試驗力加載過程中變速的要求。本項目靜重砝碼靠伺服電機的驅動完成洛氏硬度試驗的加、卸荷過程，控制系統實時檢測安裝于主軸上的力值傳感器信號，以及用于測量主軸的運行速度與行程的激光干涉儀的信號，不但實現試驗過程中試驗力值和壓痕深度變化的監測要求，而且根據以上兩路反饋信號，按照洛氏硬度新定義草案的參數要求來控制電機的運行速度，可以達到主試驗力加載過程中的變速要求。

1 控制原理

圖1 和圖2 分別是洛氏硬度新定義中給出的HRC試驗過程中力-時間和壓痕深度-時間曲線;表1 是試驗過程參數含義及要求［2-3］。

洛氏硬度自動控制試驗原理圖如圖3所示。

控制系統通過控制伺服電機帶動滾珠絲杠驅動靜重砝碼的方式實現試驗力值的加、卸載，并將整個施力過程通過高準確度力傳感器進行監測和反饋;利用安裝在主軸上方的激光干涉儀測量主軸的位移和速度實現壓痕深度和加載速度的監測和反饋，實現整個試驗過程的閉環控制，從而保證了力值加載和壓痕深度測量的高度準確性。

圖1 HRC 試驗的力-時間曲線

圖2 HRC 試驗的壓痕深度-時間曲線

表1 洛氏硬度新定義參數要求

圖3 試驗原理圖

2 洛氏硬度試驗的控制算法

本項目采用伺服電機和精密滾珠絲杠作為試驗力加載的驅動系統，其試驗過程為伺服電機驅動滾珠絲杠帶動靜重砝碼作上下直線往復運動，實現力值的加卸荷。為滿足洛氏硬度新定義中對初試驗力的施加時間和主試驗力的施加速度應可調節的要求，本項目除了在力加載驅動系統中引入了阻尼器和減振器等裝置，還結合控制對象系統結構的特點采用了數字PID 算法進行力加載系統的控制。

數字PID 控制算法通常分為位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。前者的算法由于是全量輸出，計算機的控制輸出結果都與過去時刻的狀態密切相關，后續的控制量計算輸出都對以前的誤差進行累加;在系統異常時，容易引起控制量的大幅變化，造成執行機構的運動量過大，系統安全性受到影響。增量式PID算法控制器輸出只是控制量的增量，算式中不需要累加，控制量的確定僅與最近的采樣值有關，比較容易通過加權處理而獲得好的控制效果，在控制方式上較之位置式控制具有很多優點。本項目采用增量式PID控制方式，其控制系統框圖如圖4所示［1］。

圖4 控制原理圖

圖中設定值r(k)與實際輸出值c(t)的采樣值之差構成控制偏差e(k)，e(k)經數字PID 增量算法運算后取的控制增量Δu(k)，伺服電機對增量Δu(k)進行積分實現，通過控制其自身轉速和運動位移以達到控制靜重砝碼運動狀態的目的。

在本項目中，根據洛氏硬度試驗要求，伺服電機控制靜重砝碼起降的速度要盡可能快，并且整個試驗過程中要避免力值加載的較大振蕩，以杜絕加載過程中過沖現象的發生。根據以上洛氏硬度試驗要求的特點，在以上增量式PID 控制算法中引入積分分離控制算法，即根據控制對象的實際情況，設定一閾值ε ＞0，當短時間內控制系統輸出有很大的偏差|e(k)| ＞ε 時，采用PD 控制，分離PID 控制算法中的積分積累作用，避免伺服電機控制量的較大幅度增加，既減小了系統超調量的發生，又能保證其有較快的響應速度;反之當控制系統輸出偏差較小時，|e(k)|≤ε，采用PID 控制算法，以保證系統控制的準確度要求。

增量式積分分離控制算法為

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

進行PID 運算時

進行PD 運算時

式中:Ti為積分時間;Td為微分時間;T 為采樣周期;Kp為比例因子。一般要根據具體的控制對象數學模型或是通過大量試驗的方法整定出最佳的數值。

3 控制程序

控制程序使用虛擬儀器語言LabVIEW 編寫［4］，主程序控制界面如圖5。程序運行后，系統自動進行洛氏硬度試驗的初負荷加載、初負荷保持、主負荷加載、主負荷保持、主負荷卸載、初負荷卸載，并實時繪制試驗力值隨時間變化的曲線，同時將試驗力值和壓痕深度隨時間變化的數據自動保存，以備后續分析。試驗過程中根據加載初負荷時間及時調整初負荷保持時間，同時實時顯示加載速度，當超出新定義要求時，系統給出報警提示。

圖5 主程序控制界面

4 試驗結果

4.1 試驗過程控制結果

圖6 和圖7 分別是HRC 試驗中實際的試驗力和壓痕深度隨時間變化的曲線圖。其中初試驗力加載時間tpa為3.1 s，初試驗力保荷時間tpf為1.2 s，主試驗力加載的開始階段加載速度較快，總試驗力值達到50%左右時，主試驗力的加載速度變緩，滿足洛氏硬度新定義草案的指標要求。

圖6 HRC 試驗的力-時間曲線

圖7 HRC 試驗的壓痕深度-時間曲線

4.2 示值比對

洛氏硬度新定義草案要求的終極目的是硬度示值結果的準確性，對HRC 標尺高、中、低值的硬度塊進行了試驗比對，按照規程要求，每一硬度塊試驗5 點，取其平均值作為本硬度塊的試驗示值，而后與標準值進行比對。根據洛氏硬度標準機與國家基準硬度機的比對要求，其示值誤差應滿足±0.3HRC。表2 是部分比對結果。從表2 可以看出試驗結果的示值誤差滿足洛氏硬度標準機的要求。

5 結束語

本智能力加載閉環反饋控制系統，實現了洛氏硬度試驗的力值自動加載、力值和壓痕深度變化的全程監測以及主試驗力加載過程中的速度控制，保證了洛氏硬度測量的高準確度和可靠性。試驗結果不僅滿足洛氏硬度新定義草案的要求，為新定義標準的正式制定提供強有力的硬件基礎和數據支撐，同時為我國國防系統硬度量值傳遞水平的整體提升及標準的全面改造提供了保證。

表2 示值比對結果

［1］余人杰，俞光昀，高祖綱.計算機控制技術［M］.西安:西安交通大學出版社，2005.

［2］Sung-Hoon Kim，Eun-chae Jeon，Dongil Kwon.Determining Brinell Hardness From Analysis of Indentation Load-Depth Curve Without Optical Measurement［J］.Transactions of the ASME，2005，127(1).

［3］E18-08b Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials［S］.West Conshohocken:American Society for Testing and Materials，2008.

［4］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20 程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2007.