力值檢定智能控制系統的研究和設計

鄧 彥，吳 彥，朱國璋，神偉銘（廣東省計量科學研究院，廣東廣州510405）

力值檢定智能控制系統的研究和設計

鄧 彥，吳 彥，朱國璋，神偉銘（廣東省計量科學研究院，廣東廣州510405）

隨著科學技術日新月異的發展，各行各業都朝著信息化、自動化的方向發展，通過各種技術改造不斷提高自身的效率和技術水平。推拉力計、扭矩表和扭矩儀都是被廣泛被用于社會生產的計量工具。計量部門可以設計一套智能控制系統，通過智能控制模塊和圖像識別技術實現機械裝置加載和數據讀取自動化，以提高檢定效率，提升檢定水平。

力值；扭矩；智能控制系統

1 引言

隨著科學技術日新月異的發展，各行各業都朝著信息化、自動化的方向發展，通過各種技術改造不斷提高自身的效率和技術水平。推拉力計、扭矩表和扭矩儀等儀器作為一種通用型力值測量工具被廣泛地運用于各行各業。而對于計量檢定和校準行業來講，推拉力計、扭矩表和扭矩儀也是傳統計量檢定項目，每年有大量的檢定工作量。研究如何提高計量工作的檢定效率和安全性就顯得十分必要了。

目前在檢定工作測力儀時，大部分實驗室主要采取的是掛砝碼和壓砝碼的方式進行檢定，有時也用電動升降臺作為輔助工具檢定。在檢定扭矩表和扭矩儀的時候，大部分實驗室也采取的是杠桿掛砝碼的方式檢定或是利用手動和電動的加扭矩裝置檢定。在檢定過程中耗費大量人力，缺乏安全性，非常容易出現砝碼脫落或傾倒的現象，檢定效率很低。

為了提高檢定效率，減輕檢定過程中的工作強度，提高檢定過程中的連續性、穩定性和安全性，有必要設計一套智能控制系統用于檢定工作。本文通過對推拉力計、扭矩表和扭矩儀等儀器的檢定過程的研究，利用智能控制技術設計一套全自動控制系統來操控整個力值和扭矩的檢定流程，最終輸出檢定數據，實現檢測過程的智能化、自動化。

2 檢定過程的研究

2.1 力值計量的發展現狀

力值計量標準分為兩大類：①產生標準力值的，用于檢定、校準標準測力儀或力傳感器的力標準裝置，稱之為力標準機。力標準機通常有四種類型：靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。②用于檢定、校準、比對傳遞力值的標準器，稱之為標準測力儀。隨著我國科學技術的發展，我國的力學計量標準也實現了不斷地發展與完善。信息處理技術、智能控制理論以及圖形技術等也應用到了實際的力學計量中。[1]

2.2 推拉力計的檢定

推拉力計的檢定是依據JJG455-2000工作測力儀檢定規程來進行的。根據檢定規程的要求需要對回零誤差或最大零點方位偏差、分度數和相對分辨率、測力儀示值檢定（示值誤差、重復性、滯后）等項目進行檢定。而對力標準器的要求是根據測力儀的規格分別選用相應量程的標準測力砝碼、標準測力儀、標準測力杠桿，材料試驗機或力標準機作為檢定測力儀的力標準器。力標準器的準確度級別至少應優于被檢測力儀準確度級別的3倍[2]。其中規程還有對加利條件的要求：

（1）測力儀檢定前按說明書要求進行準備。

（2）測力儀的安裝應保證其受力軸線與力標準器加力軸線相重合。

（3）壓向測力儀上、下承壓墊應具有足夠的剛度，上承壓墊的球面靈活光滑，下承壓墊具有定位功能。

（4）拉向測力儀的兩端使用環、鉸聯接件，應靈活可靠。[2]

根據對力標準器的分析，如果選用準確度級別合適的力值傳感器借助類似材料試驗機的電動加力機構來檢定推拉力計，可以通過設計軟件控制的智能控制系統實現檢定過程的全自動控制，以提高檢定效率。

2.3 扭矩表和扭矩儀檢定過程的研究

2.3.1 扭矩測量的發展現狀

在生產和科研中，對機械設備扭矩的測量已經越來越重要，通過對扭矩的測量可以對機械設備的進一步改進設計取得重要的現場參數，為改進設計取得全面的一手資料。其對生產及科研具有相當的重要意義。目前，扭矩測量儀大致可分為以下幾種：應變扭矩測量儀，相位差扭矩測量儀，振弦式、電容式、磁彈性式測量儀。由于各種扭矩測量儀的測試方式不同，使得其應用范圍不同。扭矩測量技術的發展取決于傳感器、信號傳輸和測量儀的研究。扭矩測量儀的智能化、微機化是當今測量儀變革的主流，單片微機和軟件的開發應用已使信號的檢測、采集、比較、相關、數字濾波、域間變換、邏輯和函數運算、程序給定和反饋控制等功能由儀器本身來實現成為可能。軟件擴展了結構的性能限制，并使儀器具有智能化。既能適應被測參數的變化來自選量程、自動補償、自動校正、人機對話、自尋故障，并能方便的與總線接口，進行多臺聯機通信及控制。

2.3.2 扭矩表和扭矩儀的檢定

扭矩儀的檢定是依據JJG557-2011標準扭矩儀檢定規程來進行的。根據檢定規程的要求需要對回零差、重復性、扭矩儀示值檢定（示值誤差、方向誤差、進程誤差、內插誤差）等項目進行檢定。而對扭矩標準器的要求是檢定各個級別扭矩儀的扭矩基（標）準機或加荷裝置的扭矩值擴展不確定度原則上應優于被檢扭矩儀長期穩定度或示值誤差指標的1/3[3]。

根據對扭矩標準器的研究，可以使用準確度級別合適的標準扭矩傳感器，設計制造一套電動加扭矩裝置用于扭矩儀的檢定。軟件控制的智能控制系統能實現檢定過程的全自動控制，以提高檢定效率。

2.4 檢定加載裝置的研究

目前檢定推拉力計的標準器也有使用材料試驗機對被檢儀器施加拉力或壓力。如圖1所示，推拉力計安裝在材料試驗機的橫梁上。同時將高準確度級別的標準力值傳感器與被測儀器相連。這樣通過向上或向下移動試驗機橫梁就能對被測儀器施加載荷進行檢定。目前材料試驗機可以通過軟件控制實現對試驗過程的編程。

檢定扭矩儀的標準器較多采用的是標準杠桿懸掛砝碼的方法來進行檢定，如圖2所示。對于扳手類帶表的扭矩儀的檢定，采用的是標準扭矩儀作為標準器。如圖3所示。

通過分析我們日常檢定過程中遇到的被檢推拉力計和扭矩儀的類型，我們可以設計一臺同時可用于檢定推拉力計和扭矩儀的多功能機械裝置。結構圖如圖4所示。該裝置由工控機控制伺服電機給被檢儀器施加拉壓力或扭矩。裝置必須有能安裝各種類型的推拉力計和扭矩儀的多功能夾具。該裝置可以通過控制面板直接控制運行，也可以通過軟件系統實現全自動檢定。

圖1 材料試驗機檢定推拉力計圖

圖2 用標準杠桿懸掛砝碼檢定扭矩儀圖

圖3 用標準扭矩儀檢定扭矩儀圖

圖4 檢定加載裝置結構設計圖

檢定裝置的運行流程圖如圖5。

圖5 裝置運行流程圖

3 智能控制系統的設計

3.1 智能控制系統的結構設計

智能控制系統由軟件部分和工控機兩部分構成。軟件部分在電腦端WINOWS系統下運行。主要功能是試驗參數設定、運行指令發出和收集、數據采集、運算和輸出、試驗數據圖片、圖像的顯示、圖表和報表的生成。工控機在檢定裝置端運行。主要功能是接收和反饋指令、數據輸出、電機控制、警報發出等。智能控制系統原理圖設計如圖6。

圖6 智能控制系統加載試驗機部分原理圖

3.2 智能控制系統的流程設計

智能控制系統的流程設計主要是依據推拉力計和扭矩儀的檢定規程規定的檢定過程。其中加入對試驗實時數據的判斷實現對檢定過程的智能控制。流程圖如圖7所示。

圖7 智能控制流程圖

3.3 智能控制系統的軟件設計

智能控制系統的軟件設計可以分為三個部分。軟件界面設計、控制軟件設計、圖像識別及數據應用軟件設計。

（1）軟件界面設計效果圖如圖8所示。

圖8 軟件界面設計效果圖

（2）控制軟件部分是通過C#語言來編寫。通過軟件界面人工設置試驗方案，例如儀器量程、試驗循環次數、檢定點、保護值等。然后將這些試驗設定值寫入TXT文件，并將該文件與工控機進行實時交換。工控機將指令執行情況、試驗實時數據也通過TXT文件與軟件進行交換[4]。

（3）數據采集系統的設計是基于凌華科技的PCI-9524數據采集卡和數字濾波電路構建扭矩信號采集系統，數據采集系統主要由待測量、傳感器、數據采集卡、工控機等組成。凌華PCI-9524數據采集卡內置24位高分辨率的模擬數字轉化器，并可提供2.5V或10V兩種激勵電壓的選擇，整合自動歸零、遠程感測以及數字濾波技術，可達到200000 counts以上的精確度和穩定性。為滿足基于力值傳感器的材料測量機（MTS）的復雜的精密測量及控制需求，其同時提供六大功能，包含4通道24位高精度稱重傳感器輸入、4通道24位通用模擬量輸入、3軸馬達編碼器輸入、3通道PWM輸出、16通道帶隔離數字輸出入與2通道16位模擬輸出，可提供完整的高精度測量、伺服控制及運動控制的整合接口。

（4）在試驗過程中，軟件在指定時間通過攝像頭捕捉試驗數據圖片。圖像識別部分可以采用LabVIEW的NI視覺開發模塊圖片識別技術對試驗數據圖片進行識別[5]，輸出數據值。軟件系統通過數據對試驗過程進行監控并做出判斷，最終在報表中輸出試驗數據。

4 結束語

本文對推拉力計和扭矩表、扭矩儀的檢定過程進行了分析和研究，找出了實現力值檢定智能控制系統的方法，并對系統進行設計。通過分析和研究得出，如果力值檢定智能控制系統被運用于對推拉力計和扭矩表、扭矩儀的檢定，就能實現檢定的自動化。對于提高日常設備的檢定效率，保障檢定質量，防止人為誤差，降低標準器成本和人工成本等均具有重要意義，同時也為計量檢定實現自動化的研究邁出了堅實的一步。

[1]孫衛東.力學計量技術標準裝置的發展現狀探析[J].科技傳播，2014（16）.

[2]國家質量技術監督局.《工作測力儀檢定規程》（JJG455-2000）[S].北京：中國計量出版社，2000.

[3]國家質量監督檢驗檢疫總局.《標準扭矩儀計量檢定規》（JJG557-2011）[S].北京：中國質檢出版社，2012.

[4]陳 瑞.可編程控制器與工控機通信技術的研究[J].電氣自動化，2002（5）：19.

[5]闞鈺淇，張 寧，徐熙平.LabVIEW平臺下USB圖像采集與處理系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2013（6）：82～84.

TH823

A

2095-2066（2016）05-0060-03

2016-1-10