王全龍
(國營長虹機(jī)械廠,廣西桂林541003)
便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀(以下簡稱校準(zhǔn)儀),主要用于現(xiàn)場校準(zhǔn)某型發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)(以下簡稱試車臺(tái))上安裝的某型轉(zhuǎn)速表指示器,通過擴(kuò)展端口,也可以校準(zhǔn)各類電子式或機(jī)械軟軸驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)速表。
由于使用場合為外場環(huán)境,因此要求校準(zhǔn)儀輕便、易于攜帶、精度高、穩(wěn)定性好、使用操作簡單。
通過對試車臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研,發(fā)現(xiàn)該設(shè)備安裝的是某型轉(zhuǎn)速表指示器。由于試車臺(tái)箱體進(jìn)行了防拆卸處理,所有螺釘都涂抹了螺紋膠,且尺寸小,因此難以拆下轉(zhuǎn)速表指示器進(jìn)行校準(zhǔn),需要在盡可能不拆卸被校儀表的情況下完成計(jì)量校準(zhǔn)工作,基于此本文研制了一種便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀。
某型轉(zhuǎn)速表由指示器和傳感器兩部分組成。要校準(zhǔn)該轉(zhuǎn)速表指示器,必須有外力帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn),傳感器產(chǎn)生交流電驅(qū)動(dòng)指示器指針偏移到相應(yīng)位置。該轉(zhuǎn)速表指示器刻度范圍是1000~15000 r/min,但配套傳感器實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍是250~3750 r/min。要滿量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表指示器,帶動(dòng)傳感器的動(dòng)力裝置調(diào)速范圍必須覆蓋250~3750 r/min這段區(qū)間。
經(jīng)多方比較,決定采用稀土釹鐵硼印制繞組直流伺服電機(jī)作為校準(zhǔn)儀的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源。使用1.5 V直流電壓驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn),響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。
設(shè)計(jì)校準(zhǔn)儀原理框圖如圖1所示。電機(jī)雙軸輸出。一端帶動(dòng)傳感器旋轉(zhuǎn),用于校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表指示器,另一端帶動(dòng)機(jī)械軟軸或電子式傳感器,用于校準(zhǔn)其它類型的轉(zhuǎn)速表。
圖1 校準(zhǔn)儀原理框圖
通常測量標(biāo)準(zhǔn)的精度應(yīng)高于被檢表精度的4倍。根據(jù)被檢表即某型轉(zhuǎn)速表指示器誤差為0.6%,那么標(biāo)準(zhǔn)器誤差至多是0.6%/4=0.15%。
為便于后續(xù)的升級和功能擴(kuò)展,將標(biāo)準(zhǔn)器(即便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀)的轉(zhuǎn)速輸出端口準(zhǔn)確度提高一些,標(biāo)準(zhǔn)器誤差由0.15%定為0.1%(即1×10-3)。
力矩電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)傳感器、機(jī)械軟軸或其它電子類傳感器。將傳感器置于平臺(tái)上,用測力儀測出輸出軸從靜止到剛剛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力矩為0.015 N·m。機(jī)械軟軸難以用彈簧秤直接測出,采用估算法,用手直接旋動(dòng),力矩與傳感器相當(dāng),不會(huì)超過0.02 N·m。電子類傳感器,均為非接觸式,力矩很小,可忽略不計(jì)。因此,校準(zhǔn)儀對力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求為0.035 N·m。綜合考慮,保證裕量,對力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求是大于0.2 N·m。
考慮到以后其它類型的轉(zhuǎn)速表的校準(zhǔn),將校準(zhǔn)儀轉(zhuǎn)速表上限定為5000 r/min,轉(zhuǎn)速范圍定為200~5000 r/min。
對力矩電機(jī)的要求是:調(diào)速范圍寬200~5000 r/min,在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)力矩基本恒定,無啟動(dòng)死角,重量輕,響應(yīng)速度快,一般電機(jī)很難兼顧以上性能。
力矩電機(jī)的選擇是校準(zhǔn)儀制作難點(diǎn)之一(普通電機(jī)轉(zhuǎn)速一般只能達(dá)到3000 r/min),一旦選定后,伺服驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)均以它的技術(shù)參數(shù)為準(zhǔn)進(jìn)行選型和設(shè)計(jì),若選擇失誤,將重頭操作。通過多方比較,決定采用110SN-03型印制繞組直流伺服電機(jī)(稀土釹鐵硼),該電機(jī)具有雙軸伸輸出,最高轉(zhuǎn)速大于5000 r/min,自帶測速機(jī),便于進(jìn)行反饋控制。
控制系統(tǒng)由電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、光電編碼盤、控制模塊組成。
電源模塊考慮到體積和重量,選用臺(tái)灣明緯公司的開關(guān)電源,輸入電壓180~260VAC,輸出為48 V/9.7 A,功率450 W,為伺服驅(qū)動(dòng)器和控制模塊供電。
伺服驅(qū)動(dòng)器選用ISF10DA60直流伺服驅(qū)動(dòng)器,用測速機(jī)反饋方式,與力矩電機(jī)形成內(nèi)環(huán)速度反饋[1]。
光電編碼器采用B-BXD-1-250。與力矩電機(jī)軸安裝簡單方便,輸出信號(hào)到控制模塊,形成外環(huán)反饋。
控制模塊采用新華龍C8051F410單片機(jī)。
1)鍵盤輸入單元
鍵盤采用薄膜面板按鍵。4×4矩陣的鍵盤能夠滿足需要,鍵盤直接與C8051F410的P2口相連,通過單片機(jī)進(jìn)行鍵盤掃描。
2)顯示單元
顯示窗口共兩行,上行為輸出轉(zhuǎn)速顯示,有6位,能夠顯示到小數(shù)點(diǎn)后一位;下行為輸入轉(zhuǎn)速顯示,共有5位,最小顯示為1r/min。數(shù)碼管通過HC595驅(qū)動(dòng)。HC595采用串行接口傳送數(shù)據(jù),級聯(lián)方便,PCB布線簡潔,占用單片機(jī)資源少。
本系統(tǒng)采用PI控制方式。PI控制以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),控制理論的其它技術(shù)難以采用,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時(shí)應(yīng)用PI控制技術(shù)最為方便[2-4]。
控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示:
圖2 控制系統(tǒng)原理框圖
由圖2可以看出,控制系統(tǒng)共有兩條反饋環(huán)路,內(nèi)環(huán)為測速機(jī)反饋環(huán)路,外環(huán)為光電編碼器反饋環(huán)路,兩條環(huán)路均采用PI控制形式。
測速機(jī)反饋環(huán)路,輸出誤差一般只能達(dá)到3×10-3,無法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)1×10-3,于是增加了第二條環(huán)路即光電編碼器反饋環(huán)路,雙環(huán)路共同作用可以達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。
主程序和中斷程序流程圖如圖3所示。
圖3 主程序和中斷程序流程圖
系統(tǒng)執(zhí)行主程序過程中,每隔40ms采集一次數(shù)據(jù)(執(zhí)行中斷程序),通過PI處理后得到偏差修正量,經(jīng)控制模塊放大后到伺服驅(qū)動(dòng)器,由伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速。
整機(jī)設(shè)計(jì)完成后,需要對PI控制器參數(shù)進(jìn)行整定,以確定PI控制器的比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti的大小。參數(shù)整定也是校準(zhǔn)儀制作的難點(diǎn)之一,除了需要方法和經(jīng)驗(yàn)外,還要有耐心。經(jīng)過多次試驗(yàn)摸索,當(dāng)比例系數(shù)Kp=0.5、積分時(shí)間常數(shù)Ti=2.5時(shí),具有最佳控制效果:力矩電機(jī)反應(yīng)靈敏,能夠快速到達(dá)設(shè)定轉(zhuǎn)速,且轉(zhuǎn)速輸出精度滿足要求。
由于力矩電機(jī)工作轉(zhuǎn)速較高,為保證其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),需要將它和傳感器安裝在一塊專用平臺(tái)上。為減輕重量,采用7 mm厚的硬鋁板作為安裝平臺(tái)。
整機(jī)安裝調(diào)校的難點(diǎn),是力矩電機(jī)和傳感器的同軸度問題。同軸度誤差超過允許值,電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng),嚴(yán)重時(shí)引起電機(jī)或其它部件損壞。由于力矩電機(jī)與傳感器采用膠墊連接,對同軸度要求不是很苛刻,小于0.1 mm就可避免高速時(shí)發(fā)生震動(dòng)。
將力矩電機(jī)和傳感器簡單固定,在三坐標(biāo)測試儀平臺(tái)上細(xì)心調(diào)校,調(diào)校結(jié)果:同軸度誤差為0.08 mm。打上定位銷,擰緊固定螺絲。
校準(zhǔn)儀整體安裝完成后,上電測試,力矩電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),噪聲小,響應(yīng)速度快,準(zhǔn)確度高。使用頻率計(jì)實(shí)測轉(zhuǎn)速輸出精度,在200~5000 r/min的量程范圍內(nèi)誤差均小于1×10-3,便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
整機(jī)重量10 kg左右,滿足輕捷便攜的設(shè)計(jì)要求。
校準(zhǔn)儀制作完成后,首先對某型轉(zhuǎn)速表指示器進(jìn)行了試校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí),試車臺(tái)上所有電纜都與發(fā)動(dòng)機(jī)不相連,均處于斷開狀態(tài),也就是說,在無需啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的條件下進(jìn)行校準(zhǔn)。將校準(zhǔn)儀輸出線與試車臺(tái)相應(yīng)端子連接好,接通電源,從1000~15000 r/min逐點(diǎn)檢查,試車臺(tái)上的某型轉(zhuǎn)速表指示器指針偏轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無跳動(dòng),誤差值均小于允許值,整個(gè)校準(zhǔn)過程只需5 min左右。
在對軟軸驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)速表進(jìn)行試校準(zhǔn)時(shí),同樣無需啟動(dòng)地面發(fā)動(dòng)機(jī),只需將被校表的軟軸拆下,擰上校準(zhǔn)儀配裝的軟軸,逐點(diǎn)校準(zhǔn)即可,一個(gè)人10 min可完成。而常規(guī)校準(zhǔn)方法需要地面發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常啟動(dòng),用手持標(biāo)準(zhǔn)表對準(zhǔn)曲軸進(jìn)行校準(zhǔn),整個(gè)過程至少需要2個(gè)人,一人負(fù)責(zé)校準(zhǔn),另一人負(fù)責(zé)控制油門改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。
便攜式轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)儀的研制成功,極大地提高了工作效率,使得外場對轉(zhuǎn)速類儀表的校準(zhǔn)變得簡單方便和快捷。
[1]桂林風(fēng)得控科技有限公司.直流伺服驅(qū)動(dòng)器使用說明書[EB/OL].http://product.ch.gongchang.com/d33521543.html.
[2]金奇,鄧志杰.PID控制原理及參數(shù)整定方法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2008,22(5):91-94.
[3]中國人民解放軍總裝備部.GJB 5109-2004裝備計(jì)量保障通用要求檢測和校準(zhǔn)[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2004.
[4]馬忠梅,籍順心.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué),2003.