機電伺服扭矩測試系統溯源分析及不確定度評定

匡德強

摘 要：把握機電伺服扭矩測試系統的準確性，一直以來都產品制造行業積極研究的問題。對機電伺服扭矩測試系統進行靜態溯源方式和動態溯源方式研究，可以較好地實現對其使用過程的影響因素分析，提高其系統使用的可靠性和有效性。同時，結合影響因素對系統展開不確定度評定，可以全面地實現機電伺服扭矩測試系統的數據分析論證，為產品測試數據的真實性提供有力保障。

關鍵詞：機電;扭矩;動態;不確定度

1 引言

機電伺服扭矩測試系統，是測試和驗證彈性軸類零件材料試驗和研究的關鍵設備之一，被廣泛應用于航天航空、軌道交通、零件制造、質量檢驗等領域，是對產品進行扭矩測試和性能分析的重要設備，其準確性直接決定了產品在實際使用過程的的安全性和有效性。本文結合機電伺服扭矩測試系統的計量溯源方式，對系統的鏡頭扭矩和動態扭矩進行了分析和闡述，并對其過程不確定度進行了評定。

2 機電伺服扭矩測試系統溯源分析

在航天航空領域，常見機電伺服扭矩測試系統主要分為靜態扭矩測試和動態扭矩測試兩種工作狀態。

2.1 靜態扭矩計量溯源

機電伺服扭矩測試系統靜態扭矩校準裝置主要由標準扭矩傳感器、校準工裝和數據采集分析系統等部分組成。測試用扭矩傳感器安裝于原工位上，加裝扭矩校準工裝，將測試用扭矩傳感器、標準扭矩傳感器和彈性負載同軸連接，測試系統控制器輸出控制命令，產生靜態扭矩激勵，數據采集分析系統采集動態扭矩傳感器的輸出信號，并進行分析計算，將計算結果與測試系統顯示的扭矩值進行比對，完成校準。校準時，以型號產品測試用到的靜態扭矩最小值作為參數校準的下限、最大值作為參數校準的上限，在此范圍內選擇5～10個點進行校準，校準點在此范圍內均勻分布。選擇一個方向，施加預負荷3次，每次額定負荷的時間至少保持30s，每次預負荷被完全卸除后，等待回零時間為30s，檢查設備的回零情況，保證工裝及傳感器安裝不影響傳感器回零。

按選定的檢定點（包含零點）以遞增順序逐級平穩施加扭矩，直至校準范圍的上限，讀取并記錄標準扭矩測量裝置的輸出值MRIij、被校扭矩測量裝置的輸出值MYIi，再逐級遞減至零點，讀取并記錄標準扭矩測量裝置的輸出值MRDij、被校扭矩測量裝置的輸出值MYDij，并將上述操作重復三遍，每遍間隔不低于30s，校準過程中不進行調零操作，I、D、i、j分別表示正向、反向、靜態扭矩值序號和循環序號。靜態扭矩參數校準的項目包括回零誤差、重復性和示值誤差，各技術指標的計算方法如下：

a.回零誤差

式中，X0i'為第i次測量施加扭矩前機電伺服機構扭矩測量裝置的示值，X0i為第i次測量卸除扭矩后機電伺服機構扭矩測量裝置的示值，XNi為第i次測量額定扭矩下機電伺服機構扭矩測量裝置的示值。

b.重復性

式中，Xmax為機電伺服機構扭矩測量裝置3次測量進程示值的最大值，Xmin為機電伺服機構扭矩測量裝置3次測量回程示值的最小值，X為機電伺服機構扭矩測量裝置3次測量進程示值的平均值。

c.示值誤差

式中，X為機電伺服機構扭矩測量裝置3次測量進程示值的平均值，XS為標準扭矩測量裝置3次測量進程示值的平均值。

2.2 動態扭矩計量溯源

機電伺服扭矩測試系統動態扭矩校準裝置主要由標準扭矩傳感器、校準工裝和數據采集分析系統等部分組成。

測試用扭矩傳感器和彈性負載安裝于原工位上，加裝扭矩校準工裝，將測試用扭矩傳感器、彈性負載和標準扭矩傳感器同軸連接，測試系統控制器輸出控制命令，產生動態扭矩激勵，數據采集分析系統采集動態扭矩傳感器的輸出信號，并進行分析計算，將計算結果與測試系統顯示的動態扭矩幅值進行比對，完成校準。

3 機電伺服扭矩測試系統不確定度評定

3.1 機電伺服扭矩測試系統靜態扭矩參數的不確定度評定

（1）扭矩傳感器誤差引入的標準不確定分量

根據規程要求，0.1級扭矩傳感器的最大允許誤差為±0.1%，其半寬為0.1%，設其為均勻分布，按B類評定，扭矩傳感器引入的標準不確定度分量為：

（2）扭矩傳感器的重復性引入的標準不確定度分量

本項目擬采用0.1級的扭矩傳感器，其重復性最大允許值為±0.05%，設其服從均勻分布，則其標準不確定度分量為：

（3）扭矩傳感器的方位誤差引入的標準不確定度分量

本項目擬采用0.1級的扭矩傳感器，其方位誤差最大允許值為±0.1%，設其服從均勻分布，則其標準不確定度分量為：

（4）安裝不同軸引入的標準不確定度分量

依據以往的校準經驗，由安裝不同軸引入的不確定度分量為：=0.2%

（5）各個分量互不相關，則合成標準不確定度為：

（6）擴展不確定度Urel=k×uc=2×0.41%=0.44%（k=2）

3.2 機電伺服扭矩測試系統動態扭矩參數的不確定度評定

（1）光柵編碼器分辨率引入的標準不確定度分量

光柵編碼器的分辨率為2″，則其引入的標準不確定度分量為：

（2）光柵編碼器安裝誤差引入的標準不確定度分量

根據以往經驗，光柵編碼器安裝誤差引入的標準不確定度分量為：=5″

（3）光柵編碼器示值誤差引入的標準不確定度分量

光柵編碼器示值誤差為±5″，設其服從均勻分布，則引入的標準不確定度分量為：

（4）各個分量互不相關，則合成標準不確定度

（5）擴展不確定度： U=k×uc=2×5.9″≈12″（k=2）

4 結束語

對機電伺服扭矩測試系統而言，其測試數據的準確有效是實現其功能的基本要求，本文提出的機電伺服扭矩測試系統靜態和動態溯源方式，可以有效實現對機電伺服扭矩測試系統扭矩參數的溯源保障，其靜態和動態工況下扭矩參數的不確定度評定，可較好地識別系統使用風險，供各相關領域參考分析。