力反饋控制型IRHD-M橡膠硬度計

吳向壘 何廣霖

力反饋控制型IRHD-M橡膠硬度計

吳向壘1,2何廣霖1,2

（1.廣東省現代幾何與力學計量技術重點實驗室，廣東 廣州 510405 2.廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

根據橡膠硬度測定原理、測量過程、力和位移要求，以采用力反饋控制方式產生小試驗力為目標，設計力反饋控制型IRHD-M橡膠硬度計。該硬度計結構簡單，力值數據穩定，初試驗力、總試驗力和位移等參數滿足國家規程。

力反饋控制；IRHD-M；橡膠硬度

0　引言

橡膠國際硬度測量采用靜態壓入法，通過測量不同試驗力下的壓入深度差，經查表獲得相應的硬度值，其單位以IRHD-M表示[1]。影響橡膠國際硬度測量的主要因素包括試驗力、球頭尺寸和深度差。Bareiss公司橡膠硬度計采用多滾子軸承減少主軸和主實驗力摩擦力；Wallace公司硬度計采用彈性支撐減少摩擦力。它們雖然都能滿足國家標準要求，但在IRHD-M初試驗力0.0083 N段，存在位移量小、穩定性差等問題。為此，本文設計磁力平衡傳感器反饋控制型IRHD-M橡膠硬度計，應用于密封圈、超薄橡膠制品的硬度測量，與同類型硬度計相比，能夠實時監控力值和位移深度差，具有更好的穩定性。

1　橡膠硬度測定原理

橡膠國際硬度測量方法執行GB/T 6031—2017/ ISO 48：2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測定（10 IRHD ~100 IRHD）》標準。橡膠硬度測定的基本原理：首先，將直徑為0.395 mm的鋼性壓頭，先后在接觸試驗力0= 0.0083 N和總試驗力= 0.1533 N（=0+1，1為壓入試驗力）作用下壓入試樣表面；然后，測量接觸試驗力0和總試驗力作用下壓入深度差10；最后，通過查表或直接讀取硬度計相應的硬度值，其原理示意圖如圖1所示。

圖1　橡膠硬度測定原理示意圖

橡膠國際硬度測量過程中，需要同時保持試驗力和測量位移深度，而試驗力0= 0.0083 N（約0.83 g）小于壓針自重。如何產生小于本身重力的試驗力，是IRHD-M橡膠硬度計設計的難點。本文采用反饋方式解決上述難點。

2　硬度計開發

2.1　硬度計結構

力反饋控制型IRHD-M橡膠硬度計結構如圖2所示，主要由機架部分、磁力平衡傳感器和位移模塊組成。

機架部分包括大理石底座、支撐豎桿、可調支撐梁等。可調支撐梁能夠上下調節固定，可適應不同高度的測試樣品。

磁力平衡傳感器固定在大理石底座上，用于測量測試座上的作用力。測試座的側面粘貼有反射式光柵帶，被測樣品（如密封圈）放在在測試座工作面上。

位移模塊主要由滾珠絲桿電機、精密直線導軌、光柵尺等構成。光柵尺與光柵帶共同構成位移測量模塊，可測量測針與測試座之間的位移變化量。手動旋扭可使滾珠絲桿電機帶動測針和光柵讀數頭上下運動。根據直線電機提供資料位移分度值可達0.1 μm[2]，光柵尺的采樣分度值為0.1 μm[3]。

圖2 力反饋控制型IRHD-M橡膠硬度計結構圖

測量流程：首先，被測樣品放置在測試座上，調整可調支撐梁位置使測針到樣品上表面距離為5 mm，記錄測試座作用力z；然后，控制滾珠絲桿電機勻速下降，實時采集作用力，并通過自動控制算法，保持初試驗力?z= 0.0083 N ± 0.0005 N 5 s后，記錄當前位移量1；接著，測針繼續下降，并實時反饋磁力平衡傳感器作用力，保持z= 0.1533 N ± 0.0010 N 30 s，獲得位移量2，橡膠硬度=(2?1)，?1為實時深度差；最后，通過查表或軟件計算得到IRHD-M硬度值。

2.2　磁力平衡傳感器

磁力平衡傳感器工作原理：在量程范圍內，作用力b傳遞到彈簧支撐的磁力線圈上，彈簧支撐具有很小的力重復性特點；作用力b變化導致磁力線圈位置變化，檢測磁力線圈位置變化的光電開關輸出一個偏移信號給前置放大器和PID控制系統；控制系統根據目標位置計算出磁力線圈需要的電流，并促使磁力線圈返回到原始位置，恢復平衡狀態，表達式為

ab(1)

式中，為常數（與所用單位有關）；為磁感應強度；為線圈長度；為通過線圈的電流強度。

由式(1)可知：磁力平衡傳感器利用電磁力a與測量點作用力b相等的原理，磁場中流過線圈的電流與作用力b成正比，即可由電流推導出作用力b[4]。

2.3　IRHD-M位移和力值的校準方法

由于測針和光柵尺鋼性連接，光柵測量精度標定時可用標定測針移動量方法實現。把第一個量塊放置測針的下端，清零光柵尺讀數；然后更換相差0.1 mm的第二個量塊，再次讀取光柵尺讀數，即為光柵示值。標準值和光柵示值的偏差需小于國家規程。

由于磁力平衡傳感器屬于力傳感器，可以采用0.01 N，0.02 N，0.05 N，0.10 N力值砝碼進行標定，標定結果也應滿足國家規程[6]。

3 結論

本文分析了IRHD橡膠硬度計和磁力平衡傳感器原理，采用磁力平衡傳感器作為小試驗力反饋模塊、光柵尺測量測試座和測針之間位移變化的方法，解決小試驗力產生和精密位移測量等問題，具有能夠實現實時測量輸出試驗力、確保測量結果準確性、力值穩定等特點。

[1] 全國橡膠與橡膠制品標準化技術委員會(SAC/TC 35). GB/T 6031—2017/ ISO 48：2010 硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測定（10 IRHD~100 IRHD）[S].北京:中國標準出版社, 2017.

[2] Oriental Motor.小型電動傳動裝置 DRL系列[M].日本:東方電機有限公司,2006.

[3] Renishaw, RGH24 data sheet L-9517-0166-07-A [M].英國, 2018.

[4] 丁英麗.一種新型的提高電磁力平衡傳感器精度的方法[J].微計算機信息,2004,20(2):84-85.

[5] Sartorius, WZA224 data sheet Manual-WZA...-N-WWZ6008-e [M].德國,2016.

[6] 廣東省技術監督局.JJG 898—1995 微型橡膠國際硬度計[S].北京:中國計量出版社,1995.

IRHD-M Rubber Hardness Tester Controlled by Force Feedback

Wu Xianglei1,2He Guanglin1,2

（1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology, Guangzhou 510405,China 2. Guangdong Institute of Metrology, Guangzhou 510405, China）

According to the principle of rubber hardness measurement, measurement process, force and displacement requirements, the force feedback control IRHD-M rubber hardness tester was designed to generate small test force by force feedback control. The machine is simple, the force data is stable, and the parameters of initial test force, total test force and displacement meet the national regulations.

force feedback control; IRHD-M; rubber hardness

吳向壘，男，1984年生，研究生，工程師，主要研究方向：橡膠硬度、精密儀器檢測。E-mail: wuxianglei@foxmail.com

何廣霖，男，1962年生，本科，高級工程師，主要研究方向：橡膠硬度、精密儀器檢測。E-mail: levi200107@163.com

TG83

A

1674-2605(2020)04-0013-03

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.013