论文部分内容阅读
摘要：电子吊秤机械安全特性主要包含极限载荷和低频动态疲劳两项指标，为解决其检测问题，设计一套专用的检测装置。该装置采用伺服电机直接驱动油泵分别向静态油缸和动态油缸交互供油的方式，动态地调整伺服电机的转矩、转速及旋转方向，通过动、静油缸的压力产生较为稳定的极限载荷和低频动态载荷施加在电子吊秤上。实验结果显示：该试验装置产生的静态极限载荷误差≤±1%、低频动态载荷峰值误差≤±2%，能满足电子吊秤的机械安全性能检测。
关键词：计量学；疲劳试验装置；伺服控制；电子吊秤
文献标志码：A 文章编号：1674-5124{2016）02-0079-04
0引言
电子吊秤在使用中上连起重机、下连吊具及被秤物，是起重机械中的一个中间结构件；因此，对电子吊秤而言，在实现计量准确性的基础上，更应保证使用的安全性。电子吊秤的安全性，主要体现在结构的机械安全性上，包括极限安全载荷和吊挂组件在低应力反复作用下的疲劳影响这两个因素：因此，在电子吊秤机械安全性的设计上，应结合起重机械设计规范严格进行结构设计，并进行有效的试验验证，以确保设计的结构强度能满足安全要求。因极限载荷试验和疲劳特性试验其试验力在力值的大小以及力的加载方式上有显著差异，如极限载荷试验的力主要是静态力，而疲劳特性试验的力主要是动态正弦力，加上电子吊秤整机结构中拉向尺寸较大，施加的动态力值也相对较大，而目前通用的疲劳试验装置其安装试件的空间及提供的动态峰值力值相对较小：因此，较难实现电子吊秤的整机疲劳特性试验。本文介绍的电子吊秤机械安全性能试验装置，采用高响应数字伺服电机控制和驱动油泵，结合电子吊秤机械安全试验的特点，将极限载荷试验和疲劳特性试验组合到一台试验机，试验装置的成本低，由于一次安装就可以依次完成电子吊秤额定载荷下低频疲劳特性试验和极限载荷试验，可以大幅提高试验效率。
1装置的工作原理
本装置采用伺服电机直接驱动油泵向蓄能器（油缸）供油，动态地调整伺服电机的转矩、转速及旋转方向，实现对被测电子吊秤的加卸载荷。在理想状态下，伺服电机直接驱动油泵，伺服电机的转速、转矩，与执行机构所需的压力、流量，通过推导符合以下关系：
根据式（5），在理想的系统中q/2π为常数，所以伺服电机的转矩与系统所需的压力成正比。根据O=n·q，可知系统所需的流量与伺服电机的转速成正比。由此推导出只要动态地调整伺服电机的转矩、转速，就能提供执行机构所需的压力、流量，这就是本试验装置的基本原理。
2装置的构成
2.1装置的主机结构
装置主机由主机框架、加载油缸、反向器、标准传感器、吊秤连接件等组成，如图1所示。
1）主机框架。主机框架主要由底座10、丝杆9、移动梁3组成，底座与丝杆刚性连接，移动梁内安装螺套4、蜗轮蜗杆5：通过电机带动蜗轮蜗杆的旋转使螺套在丝杆上移动，从而带动移动梁上下移动以调节试验空间，适应不同规格的电子吊秤。
2）加载油缸。由于本装置需实现200 kN动态力和800kN静态力的测试，为此设置一只疲劳（动态）油缸1和两只静载油缸2，两只静载油缸对称分布于疲劳油缸两侧。当用于动态200 kN疲劳试验时疲劳油缸工作，两只静载油缸不参与工作；当用于静态800kN的测试时，3只缸同时工作。
3）反向器。反向器7、71用于使油缸产生的压向力转换成对电子吊秤的拉向力。
4）标准传感器。标准传感器6采用轮幅式结构，最大量程1 MN，用于监控液压发生的力值，力值的准确度在静态载荷试验时能达到±1%，动态疲劳试验时其峰值载荷能达到+2%。
5）吊秤连接件。吊秤连接件8、81用于对20t以下电子吊秤的测试安装。
2.2装置的控制系统
本装置采用多油缸的结构，分别采用不同功率的伺服电机和交流伺服驱动器进行控制，当进行电子吊秤的疲劳试验时疲劳油缸工作，当进行电子吊秤静载极限试验时疲劳油缸和静载油缸同时工作。
2.2.1动态疲劳试验的液压控制系统
如图2所示，该装置用于低频动态疲劳试验时，微机根据工作需要设定相关参数（载荷范围、加载频率、循环次数等），关闭换向阀1、换向阀2（默认为关闭），启动疲劳试验控制程序；微机向疲劳伺服电机发送转速、转矩、旋转方向指令带动伺服油泵向疲劳油缸加压或卸压，疲劳油缸通过反向器使标准传感器和被测吊秤受力：标准传感器采集到的力值信号实时反馈到微机，微机根据实时力值与设定相关参数对比，根据相应的数学模型实时调整疲劳伺服电机发送转速、转矩、旋转方向，使实时力值与设定相关参数一致，如此形成一个闭环控制系统。
2.2.2静态极限载荷试验的液压控制系统
该装置用于电子吊秤静载极限试验时，微机根据工作需要设定相关参数（力值、力值保持时间等），启动静载试验控制程序；换向阀1打开，使疲劳油缸及2只静载油缸连通，微机向静载伺服电机发送转速、转矩、旋转方向指令带动静载伺服油泵向疲劳油缸及2只静载油缸加压或卸压：疲劳油缸及2只静载油缸通过反向器使标准传感器和被测吊秤受力，标准传感器采集到的力值信号实时反馈到微机，微机根据实时力值与设定相关参数对比，根据相应的数学模型实时调整疲劳伺服电机发送转速、转矩、旋转方向，使实时力值与设定相关参数一致，如此形成一个闭环控制系统，试验结束，打开换向阀2卸荷。
3技术关键问题的解决
由于采用伺服电机直接驱动油泵的方式，需要大幅度提高对伺服电机的响应速度、转速转矩的控制精度，以满足控制的要求。
1）采用高响应数字伺服电机保证控制快速准确。伺服系统的执行电机通常采用交流伺服电机，只能通过模拟信号来控制，模拟信号存在易漂移、难隔离、存在信号滤波、实时性不够、准确度和重复性低、适应性无法达到水准的缺点。公开数字通信协议的交流伺服电机，采用标准通信协议，速度慢，控制刷新最快20-30次/s，还是达不到要求。本文采用高响应数字伺服电机控制，实时刷新，既具有快速实时通信（控制刷新>200次/s），又具有数字输出，可靠性、易维护性大大提高。
2）采用定制高准确度的电流传感器和旋转编码器，提高伺服电机的转速、转矩的控制准确度。
3）通过数学的方法形成一套计算机程序算法来实现快速高准确度定位。
传统PID算法存在调整期，在调整期输出有波动，无法满足快速、高准确度定位。通过对液压控制研究发现，因为液压的滞后性，如果快速加压则压力必将过冲：但如果快速加压到快接近目标时以指数级衰减输出的方法则很容易实现定位。因此采用多级指数衰减，该方法适应性不强，各种机器差异比较大，但提高动态控制频率后（≥200Hz），其适应性大大加强。为了提高控制效果建立了一个变参数表来实现快速高准确度定位。
4实验结果
4.1装置的主要技术指标
动态力值范围：3-200kN；
动态力峰值测量准确度：±2%：
静态力值：30～800kN；
静态力值测量准确度：±1%：
动态波形：正弦波，频率为1-5 Hz。
4.2装置的实验数据
为验证装置在不同试验频率下动态力峰值和静态力值的准确性，用0.1级标准测力仪（带峰值保护）分别在不同的频率下对动态力峰值和静态力值进行测试，静态力值测试数据如表1所示，动态力峰值测试数据如表2所示。
从上述试验数据可以看出本装置的静态力值和不同频率下动态峰值的数据能完全满足静态力值测量准确度±1%、动态力峰值测量准确度±2%的要求。
5结束语
电子吊秤的机械安全隐患主要来自吊挂组件在低应力反复作用下的疲劳影响，试验装置工作频率通常在低频，本文采用高响应数字伺服电机和高准确度的电流传感器以及旋转编码器直接驱动油泵提高伺服电机的转速、转矩的控制准确度，也提高动态液压力值的控制准确度，使动态力值的波动更小。试验表明装置测力系统通过静态标定，动态使用引起的动态力值误差一般≤2%，能够满足电子吊秤疲劳特性的测试。
（编辑：刘杨）
关键词：计量学；疲劳试验装置；伺服控制；电子吊秤
文献标志码：A 文章编号：1674-5124{2016）02-0079-04
0引言
电子吊秤在使用中上连起重机、下连吊具及被秤物，是起重机械中的一个中间结构件；因此，对电子吊秤而言，在实现计量准确性的基础上，更应保证使用的安全性。电子吊秤的安全性，主要体现在结构的机械安全性上，包括极限安全载荷和吊挂组件在低应力反复作用下的疲劳影响这两个因素：因此，在电子吊秤机械安全性的设计上，应结合起重机械设计规范严格进行结构设计，并进行有效的试验验证，以确保设计的结构强度能满足安全要求。因极限载荷试验和疲劳特性试验其试验力在力值的大小以及力的加载方式上有显著差异，如极限载荷试验的力主要是静态力，而疲劳特性试验的力主要是动态正弦力，加上电子吊秤整机结构中拉向尺寸较大，施加的动态力值也相对较大，而目前通用的疲劳试验装置其安装试件的空间及提供的动态峰值力值相对较小：因此，较难实现电子吊秤的整机疲劳特性试验。本文介绍的电子吊秤机械安全性能试验装置，采用高响应数字伺服电机控制和驱动油泵，结合电子吊秤机械安全试验的特点，将极限载荷试验和疲劳特性试验组合到一台试验机，试验装置的成本低，由于一次安装就可以依次完成电子吊秤额定载荷下低频疲劳特性试验和极限载荷试验，可以大幅提高试验效率。
1装置的工作原理
本装置采用伺服电机直接驱动油泵向蓄能器（油缸）供油，动态地调整伺服电机的转矩、转速及旋转方向，实现对被测电子吊秤的加卸载荷。在理想状态下，伺服电机直接驱动油泵，伺服电机的转速、转矩，与执行机构所需的压力、流量，通过推导符合以下关系：
根据式（5），在理想的系统中q/2π为常数，所以伺服电机的转矩与系统所需的压力成正比。根据O=n·q，可知系统所需的流量与伺服电机的转速成正比。由此推导出只要动态地调整伺服电机的转矩、转速，就能提供执行机构所需的压力、流量，这就是本试验装置的基本原理。
2装置的构成
2.1装置的主机结构
装置主机由主机框架、加载油缸、反向器、标准传感器、吊秤连接件等组成，如图1所示。
1）主机框架。主机框架主要由底座10、丝杆9、移动梁3组成，底座与丝杆刚性连接，移动梁内安装螺套4、蜗轮蜗杆5：通过电机带动蜗轮蜗杆的旋转使螺套在丝杆上移动，从而带动移动梁上下移动以调节试验空间，适应不同规格的电子吊秤。
2）加载油缸。由于本装置需实现200 kN动态力和800kN静态力的测试，为此设置一只疲劳（动态）油缸1和两只静载油缸2，两只静载油缸对称分布于疲劳油缸两侧。当用于动态200 kN疲劳试验时疲劳油缸工作，两只静载油缸不参与工作；当用于静态800kN的测试时，3只缸同时工作。
3）反向器。反向器7、71用于使油缸产生的压向力转换成对电子吊秤的拉向力。
4）标准传感器。标准传感器6采用轮幅式结构，最大量程1 MN，用于监控液压发生的力值，力值的准确度在静态载荷试验时能达到±1%，动态疲劳试验时其峰值载荷能达到+2%。
5）吊秤连接件。吊秤连接件8、81用于对20t以下电子吊秤的测试安装。
2.2装置的控制系统
本装置采用多油缸的结构，分别采用不同功率的伺服电机和交流伺服驱动器进行控制，当进行电子吊秤的疲劳试验时疲劳油缸工作，当进行电子吊秤静载极限试验时疲劳油缸和静载油缸同时工作。
2.2.1动态疲劳试验的液压控制系统
如图2所示，该装置用于低频动态疲劳试验时，微机根据工作需要设定相关参数（载荷范围、加载频率、循环次数等），关闭换向阀1、换向阀2（默认为关闭），启动疲劳试验控制程序；微机向疲劳伺服电机发送转速、转矩、旋转方向指令带动伺服油泵向疲劳油缸加压或卸压，疲劳油缸通过反向器使标准传感器和被测吊秤受力：标准传感器采集到的力值信号实时反馈到微机，微机根据实时力值与设定相关参数对比，根据相应的数学模型实时调整疲劳伺服电机发送转速、转矩、旋转方向，使实时力值与设定相关参数一致，如此形成一个闭环控制系统。
2.2.2静态极限载荷试验的液压控制系统
该装置用于电子吊秤静载极限试验时，微机根据工作需要设定相关参数（力值、力值保持时间等），启动静载试验控制程序；换向阀1打开，使疲劳油缸及2只静载油缸连通，微机向静载伺服电机发送转速、转矩、旋转方向指令带动静载伺服油泵向疲劳油缸及2只静载油缸加压或卸压：疲劳油缸及2只静载油缸通过反向器使标准传感器和被测吊秤受力，标准传感器采集到的力值信号实时反馈到微机，微机根据实时力值与设定相关参数对比，根据相应的数学模型实时调整疲劳伺服电机发送转速、转矩、旋转方向，使实时力值与设定相关参数一致，如此形成一个闭环控制系统，试验结束，打开换向阀2卸荷。
3技术关键问题的解决
由于采用伺服电机直接驱动油泵的方式，需要大幅度提高对伺服电机的响应速度、转速转矩的控制精度，以满足控制的要求。
1）采用高响应数字伺服电机保证控制快速准确。伺服系统的执行电机通常采用交流伺服电机，只能通过模拟信号来控制，模拟信号存在易漂移、难隔离、存在信号滤波、实时性不够、准确度和重复性低、适应性无法达到水准的缺点。公开数字通信协议的交流伺服电机，采用标准通信协议，速度慢，控制刷新最快20-30次/s，还是达不到要求。本文采用高响应数字伺服电机控制，实时刷新，既具有快速实时通信（控制刷新>200次/s），又具有数字输出，可靠性、易维护性大大提高。
2）采用定制高准确度的电流传感器和旋转编码器，提高伺服电机的转速、转矩的控制准确度。
3）通过数学的方法形成一套计算机程序算法来实现快速高准确度定位。
传统PID算法存在调整期，在调整期输出有波动，无法满足快速、高准确度定位。通过对液压控制研究发现，因为液压的滞后性，如果快速加压则压力必将过冲：但如果快速加压到快接近目标时以指数级衰减输出的方法则很容易实现定位。因此采用多级指数衰减，该方法适应性不强，各种机器差异比较大，但提高动态控制频率后（≥200Hz），其适应性大大加强。为了提高控制效果建立了一个变参数表来实现快速高准确度定位。
4实验结果
4.1装置的主要技术指标
动态力值范围：3-200kN；
动态力峰值测量准确度：±2%：
静态力值：30～800kN；
静态力值测量准确度：±1%：
动态波形：正弦波，频率为1-5 Hz。
4.2装置的实验数据
为验证装置在不同试验频率下动态力峰值和静态力值的准确性，用0.1级标准测力仪（带峰值保护）分别在不同的频率下对动态力峰值和静态力值进行测试，静态力值测试数据如表1所示，动态力峰值测试数据如表2所示。
从上述试验数据可以看出本装置的静态力值和不同频率下动态峰值的数据能完全满足静态力值测量准确度±1%、动态力峰值测量准确度±2%的要求。
5结束语
电子吊秤的机械安全隐患主要来自吊挂组件在低应力反复作用下的疲劳影响，试验装置工作频率通常在低频，本文采用高响应数字伺服电机和高准确度的电流传感器以及旋转编码器直接驱动油泵提高伺服电机的转速、转矩的控制准确度，也提高动态液压力值的控制准确度，使动态力值的波动更小。试验表明装置测力系统通过静态标定，动态使用引起的动态力值误差一般≤2%，能够满足电子吊秤疲劳特性的测试。
（编辑：刘杨）