伺服控制電子吊秤機械安全檢測裝置研究

尚賢平，費利萍，余松青，毛曉輝，李海根

（1.浙江省計量科學研究院，浙江杭州310018；2.紹興市肯特機械電子有限公司，浙江紹興312300）

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伺服控制電子吊秤機械安全檢測裝置研究

尚賢平1，費利萍1，余松青1，毛曉輝1，李海根2

（1.浙江省計量科學研究院，浙江杭州310018；2.紹興市肯特機械電子有限公司，浙江紹興312300）

摘要：電子吊秤機械安全特性主要包含極限載荷和低頻動態疲勞兩項指標,為解決其檢測問題，設計一套專用的檢測裝置。該裝置采用伺服電機直接驅動油泵分別向靜態油缸和動態油缸交互供油的方式，動態地調整伺服電機的轉矩、轉速及旋轉方向，通過動、靜油缸的壓力產生較為穩定的極限載荷和低頻動態載荷施加在電子吊秤上。實驗結果顯示：該試驗裝置產生的靜態極限載荷誤差≤±1%、低頻動態載荷峰值誤差≤±2%，能滿足電子吊秤的機械安全性能檢測。

關鍵詞：計量學；疲勞試驗裝置；伺服控制；電子吊秤

0　引言

電子吊秤在使用中上連起重機、下連吊具及被秤物，是起重機械中的一個中間結構件；因此，對電子吊秤而言，在實現計量準確性的基礎上，更應保證使用的安全性[1]。電子吊秤的安全性，主要體現在結構的機械安全性上，包括極限安全載荷和吊掛組件在低應力反復作用下的疲勞影響這兩個因素[2]；因此，在電子吊秤機械安全性的設計上，應結合起重機械設計規范嚴格進行結構設計，并進行有效的試驗驗證[3]，以確保設計的結構強度能滿足安全要求。因極限載荷試驗和疲勞特性試驗其試驗力在力值的大小以及力的加載方式上有顯著差異，如極限載荷試驗的力主要是靜態力，而疲勞特性試驗的力主要是動態正弦力，加上電子吊秤整機結構中拉向尺寸較大，施加的動態力值也相對較大，而目前通用的疲勞試驗裝置其安裝試件的空間及提供的動態峰值力值相對較小[4]；因此，較難實現電子吊秤的整機疲勞特性試驗。本文介紹的電子吊秤機械安全性能試驗裝置，采用高響應數字伺服電機控制和驅動油泵，結合電子吊秤機械安全試驗的特點，將極限載荷試驗和疲勞特性試驗組合到一臺試驗機，試驗裝置的成本低，由于一次安裝就可以依次完成電子吊秤額定載荷下低頻疲勞特性試驗和極限載荷試驗，可以大幅提高試驗效率。

1　裝置的工作原理

本裝置采用伺服電機直接驅動油泵向蓄能器（油缸）供油[5]，動態地調整伺服電機的轉矩、轉速及旋轉方向，實現對被測電子吊秤的加卸載荷。在理想狀態下，伺服電機直接驅動油泵，伺服電機的轉速、轉矩，與執行機構所需的壓力、流量，通過推導符合以下關系：

式中：P——系統功率，W；

F——系統壓力，Pa；

Q——系統流量，m3/s。

式中：n——系統電機轉速，r/s；

q——系統油泵排量，m3/r。

由式（1）、式（2）可得：

由于：

式中Tw為系統電機轉矩，N·m。

將式（3）代入式（4）得：

2　裝置的構成

2.1裝置的主機結構

裝置主機由主機框架、加載油缸、反向器、標準傳感器、吊秤連接件等組成，如圖1所示。

圖1　裝置的主機結構

1）主機框架。主機框架主要由底座10、絲桿9、移動梁3組成，底座與絲桿剛性連接，移動梁內安裝螺套4、蝸輪蝸桿5；通過電機帶動蝸輪蝸桿的旋轉使螺套在絲桿上移動，從而帶動移動梁上下移動以調節試驗空間，適應不同規格的電子吊秤。

2）加載油缸。由于本裝置需實現200kN動態力和800kN靜態力的測試，為此設置一只疲勞（動態）油缸1和兩只靜載油缸2，兩只靜載油缸對稱分布于疲勞油缸兩側。當用于動態200kN疲勞試驗時疲勞油缸工作，兩只靜載油缸不參與工作；當用于靜態800kN的測試時，3只缸同時工作。

3）反向器。反向器7、71用于使油缸產生的壓向力轉換成對電子吊秤的拉向力。

4）標準傳感器。標準傳感器6采用輪幅式結構，最大量程1 MN，用于監控液壓發生的力值，力值的準確度在靜態載荷試驗時能達到±1%，動態疲勞試驗時其峰值載荷能達到±2%[6]。

5）吊秤連接件。吊秤連接件8、81用于對20t以下電子吊秤的測試安裝。

2.2裝置的控制系統

本裝置采用多油缸的結構[7]，分別采用不同功率的伺服電機和交流伺服驅動器進行控制，當進行電子吊秤的疲勞試驗時疲勞油缸工作，當進行電子吊秤靜載極限試驗時疲勞油缸和靜載油缸同時工作。

2.2.1動態疲勞試驗的液壓控制系統

如圖2所示，該裝置用于低頻動態疲勞試驗時，微機根據工作需要設定相關參數（載荷范圍、加載頻率、循環次數等），關閉換向閥1、換向閥2（默認為關閉），啟動疲勞試驗控制程序；微機向疲勞伺服電機發送轉速、轉矩、旋轉方向指令帶動伺服油泵向疲勞油缸加壓或卸壓，疲勞油缸通過反向器使標準傳感器和被測吊秤受力；標準傳感器采集到的力值信號實時反饋到微機，微機根據實時力值與設定相關參數對比，根據相應的數學模型實時調整疲勞伺服電機發送轉速、轉矩、旋轉方向[8]，使實時力值與設定相關參數一致，如此形成一個閉環控制系統。

圖2　裝置伺服控制原理圖

2.2.2靜態極限載荷試驗的液壓控制系統

該裝置用于電子吊秤靜載極限試驗時，微機根據工作需要設定相關參數（力值、力值保持時間等），啟動靜載試驗控制程序；換向閥1打開，使疲勞油缸及2只靜載油缸連通，微機向靜載伺服電機發送轉速、轉矩、旋轉方向指令帶動靜載伺服油泵向疲勞油缸及2只靜載油缸加壓或卸壓；疲勞油缸及2只靜載油缸通過反向器使標準傳感器和被測吊秤受力，標準傳感器采集到的力值信號實時反饋到微機，微機根據實時力值與設定相關參數對比，根據相應的數學模型實時調整疲勞伺服電機發送轉速、轉矩、旋轉方向，使實時力值與設定相關參數一致，如此形成一個閉環控制系統，試驗結束，打開換向閥2卸荷。

3　技術關鍵問題的解決

由于采用伺服電機直接驅動油泵的方式，需要大幅度提高對伺服電機的響應速度、轉速轉矩的控制精度，以滿足控制的要求。

1）采用高響應數字伺服電機保證控制快速準確。伺服系統的執行電機通常采用交流伺服電機，只能通過模擬信號來控制，模擬信號存在易漂移、難隔離、存在信號濾波、實時性不夠、準確度和重復性低、適應性無法達到水準的缺點。公開數字通信協議的交流伺服電機，采用標準通信協議，速度慢，控制刷新最快20～30次/s，還是達不到要求。本文采用高響應數字伺服電機控制，實時刷新，既具有快速實時通信（控制刷新＞200次/s），又具有數字輸出，可靠性、易維護性大大提高。

2）采用定制高準確度的電流傳感器和旋轉編碼器，提高伺服電機的轉速、轉矩的控制準確度。

3）通過數學的方法形成一套計算機程序算法來實現快速高準確度定位。

傳統PID算法存在調整期，在調整期輸出有波動[9]，無法滿足快速、高準確度定位。通過對液壓控制研究發現，因為液壓的滯后性，如果快速加壓則壓力必將過沖；但如果快速加壓到快接近目標時以指數級衰減輸出的方法則很容易實現定位。因此采用多級指數衰減，該方法適應性不強，各種機器差異比較大，但提高動態控制頻率后（≥200 Hz），其適應性大大加強。為了提高控制效果建立了一個變參數表來實現快速高準確度定位。

4　實驗結果

4.1裝置的主要技術指標

動態力值范圍：3～200kN；

動態力峰值測量準確度：±2%；

靜態力值：30～800kN；

靜態力值測量準確度：±1%；

動態波形：正弦波，頻率為1～5 Hz。

4.2裝置的實驗數據

為驗證裝置在不同試驗頻率下動態力峰值和靜態力值的準確性，用0.1級標準測力儀（帶峰值保護）分別在不同的頻率下對動態力峰值和靜態力值進行測試，靜態力值測試數據如表1所示，動態力峰值測試數據如表2所示。

表1　靜態力值測試數據（k=2）

表2　不同試驗頻率下動態力峰值試驗數據

從上述試驗數據可以看出本裝置的靜態力值和不同頻率下動態峰值的數據能完全滿足靜態力值測量準確度±1%、動態力峰值測量準確度±2%的要求。

5　結束語

電子吊秤的機械安全隱患主要來自吊掛組件在低應力反復作用下的疲勞影響[10]，試驗裝置工作頻率通常在低頻，本文采用高響應數字伺服電機和高準確度的電流傳感器以及旋轉編碼器直接驅動油泵提高伺服電機的轉速、轉矩的控制準確度，也提高動態液壓力值的控制準確度，使動態力值的波動更小。試驗表明裝置測力系統通過靜態標定，動態使用引起的動態力值誤差一般≤2%，能夠滿足電子吊秤疲勞特性的測試。

參考文獻

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（編輯：劉楊）

Research of electronic hanging scale safety testing device based on servo control system

SHANG Xianping1，FEI Liping1，YU Songqing1，MAO Xiaohui1，LI Haigen2
（1. Zhejiang Institute of Metrology，Hangzhou 310018，China；2. Shaoxing Kent Mechanical and Electrical Co.，Ltd.，Shaoxing 312300，China）

Abstract:In order to detect the ultimate loads and low frequency dynamic fatigue loads which are the two major safety indicators for electronic hanging scale，a specially designed electronic hanging scale testing devices was introduced in this paper. Driven by servo motor，hydraulic oil was pumped into static and dynamic cylinder separately which dynamically adjusted the torque，speed and direction of rotation of the servo motor. As such，a more stable limited loads and low dynamic loads was guaranteed by the pressure difference between static and dynamic cylinders. According to the experiment，by using this device，a static ultimate load error less than±1% and the low frequency dynamic peak error of less than±2% was obtained. Hence，this device meets the requirements of electronic hanging scale safety test.

Keywords:metrology；fatigue testing equipment；servo control；electronic hanging scale

作者簡介：尚賢平（1966-），男，浙江黃巖市人，高級工程師，主要從事力學計量檢測及相關研究工作。

基金項目：浙江省質檢局科技項目（20120212）

收稿日期：2015-05-20；收到修改稿日期：2015-07-15

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.018

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0079-04