一种用于力标准机的电液伺服设备及其控制方法

摘要

本发明公开了一种用于力标准机的电液伺服设备及其控制方法，包括：计算机、控制箱、标准测力仪、被测测力仪、标准传感器、被测传感器、主机架、油缸、数字节流阀、叠加式溢流阀、伺服电机、伺服电机驱动器、微型齿轮泵、滤油器。所述的数字节流阀，其内置的步进电机接收自控制箱的指令来自动调节节流口大小，用以实现力标准机伺服控制过程中的高精度节流效果以及回油功能。数字节流阀通过叠加式溢流阀与油缸和油箱相连接。所述的控制箱，与计算机通过以太连接进行通信，接收并执行计算机程序的指令。与被测仪表通过串口连接进行通信，实时接收被测仪表采集的力值数据并反馈给计算机。控制箱，具有同时协调控制一路伺服电机和一路步进电机的功能。本发明实现用于力标准机的电液伺服控制，全程计算机自动控制，液压系统结构简单，无需高压换向阀，系统加载速度快，可快速进入持荷且持荷稳定不过冲，可满足力标准机万分之一的检定精度要求并提高检定作业效率。

权利要求

1.一种用于力标准机的电液伺服设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、初始化，系统上电自检完成后，计算机程序按照预定的设计发送指令给控制箱控制调节数字节流阀阀口位置到某一个指定的初始状态；

(2)、空载开环，计算机程序按照预定的设计发送指令给控制箱控制伺服电机运行到某一个指定的转速，实现油缸活塞的移动；

(3)、加载进入，当油缸活塞与标准传感器以及被测传感器接触，加载力达到入口力后自动切换进入闭环力加载阶段；系统根据计算机程序设定自动完成预定次数的预加载之后进入下一步骤；

(4)、匀速加载或卸载，控制箱对需求力速率和经由标准测力仪反馈计算的实际力速率进行闭环PID计算并实时控制调节伺服电机转速输出量；

(5)、持荷过程，当力值达到计算机程序中预设的持荷目标值后进入力持荷阶段并启动持荷计时，控制箱对需求力值和经由标准测力仪反馈的实际力值进行闭环PID计算并实时控制调节伺服电机转速输出量；

(6)、根据计算机程序预设的流程反复执行步骤(4)和步骤(5)，直到完成所有预设要求的力值点的检定和比对；

(7)结束控制，计算机程序按照预定的设计发送指令给控制箱分别控制伺服电机和步进电机到零转速和节流口复位位置；

所述的步骤(4)还包括以下步骤：控制箱根据当前实际力值和加载速率查表实时更新PID参数控制加载能在最短时间内达到持荷目标力值；在接近持荷目标力值前设计有加载缓冲期，通过快速衰减需求加载速率值使力加载速率在最短时间内接近于系统的最小加载速度。

2.根据权利要求1所述的一种用于力标准机的电液伺服设备的控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)还包括以下步骤：控制箱通过预调定的力值提前量提前进入力持荷控制阶段，在力持荷阶段根据当前实际力值查表调节PID参数控制系统以达到高精度的持荷要求；

其中预调定的力值提前量参数与目标力值、加载速度相关。

3.根据权利要求1所述的一种用于力标准机的电液伺服设备的控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)——步骤(7)中，数字节流阀根据系统设定的方式和控制方法自动实时进行开环调节，并可在指定的阶段由开环进入闭环，此时伺服电机将退出其闭环控制。

4.根据权利要求1所述的一种用于力标准机的电液伺服设备的控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)——步骤(7)由计算机程序预先设定，计算机程序可进行加载速率、持荷目标值、持荷时间的设定和编辑。

说明书

一种用于力标准机的电液伺服设备及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于力标准机的电液伺服设备，尤其是涉及到传感器比对机的控制设备和控制方法，属于机械测量领域。

背景技术

[0002] 力标准机作为精密仪器，是工业计量方面的基础核心技术。一方面，力标准机对于持荷精度要求很高，通常需要达到万分之一的水平，因此实现的技术难度较大，一直以来是
国内外急需解决的技术难点。另一方面，力标准机涉及计量校准的作业效率，如何以最大速
度加载到计量点但力值不过冲，并且能够在最短时间内稳定持荷到控制精度要求以内，是
行业重点关注的核心技术点。

[0003] 当前在力标准机方面，主要有两个发展方向：(1)叠加式砝码静载力标准机，精度准确，但涉及到高吨位设备，其设备装置非常庞大，造价昂贵；(2) 应用电液伺服控制技术
实现加载和持荷控制，系统灵活性较强，但对液压系统和控制算法要求很高。

发明内容

[0004] 本发明的第一目的是实现一种结构简单、加载快速、持荷快速稳定且控制精度高的用于力标准机的电液伺服系统。通过计算机程序全自动控制力标准机的检定过程，控制
箱接收自计算机的指令并实时对伺服电机转速和数字节流阀阀口位置进行控制，同时控制
箱采集自标准测力仪的力值数值并实时反馈到计算机。

[0005] 所采用的技术方案是：由计算机1、控制箱2、标准测力仪3、被测测力仪4、标准传感器5、被测传感器6、主机架7、油缸8、数字节流阀9、叠加式溢流阀 10、伺服电机11、伺服电机
驱动器12、微型齿轮泵13、滤油器14所组成；所述的数字节流阀，其内置的步进电机接收自
控制箱的指令来自动调节节流口大小，用以实现力标准机伺服控制过程中的高精度节流效
果以及回油功能。数字节流阀通过叠加式溢流阀与油缸和油箱相连接。所述的控制箱，与计
算机通过以太连接进行通信，接收并执行计算机程序的指令。与被测仪表通过串口连接进
行通信，实时接收被测仪表采集的力值数据并反馈给计算机。控制箱，具有同时协调控制一
路伺服电机和一路步进电机的功能。所述的微型齿轮泵通过伺服电机带动，通过管路控制
液压油流向油缸活塞从而给标准传感器和被测传感器施加压力，用以实现力标准机的高精
度持荷控制。所述的控制箱内置有控制主板、变压器、步进电机驱动器，控制主板包括：主控
制芯片电路、电源电路、以太通信电路、串口通信电路、伺服电机驱动电路、步进电机驱动电
路。

[0006] 与背景技术相比具有的有益效果是：无需变频器以及高压换向阀，液压系统结构简单；系统高压加载持荷稳定，力值精度高；全程计算机自动控制，最大加载压力高，具备加
载、持荷及换向等复合功能。

[0007] 本发明的第二目的是制定与该用于力标准机的电液伺服系统相匹配的优化控制方法。

[0008] 所采用的具体技术方案，其控制步骤如下：

[0009] (1)、初始化，系统上电自检完成后，计算机程序按照预定的设计发送指令给控制箱控制调节数字节流阀阀口位置到某一个指定的初始状态；

[0010] (2)、空载开环，计算机程序按照预定的设计发送指令给控制箱控制伺服电机运行到某一个指定的转速，实现油缸活塞的移动；

[0011] (3)、加载进入，当油缸活塞与标准传感器以及被测传感器接触，加载力达到入口力后自动切换进入闭环力加载阶段；

[0012] (4)、匀速加载或卸载，控制箱对需求力速率和经由标准测力仪反馈计算的实际力速率进行闭环PID计算并实时控制调节伺服电机转速输出量；

[0013] (5)、持荷过程，当力值达到计算机程序中预设的持荷目标值后进入力持荷阶段并启动持荷计时，控制箱对需求力值和经由标准测力仪反馈的实际力值进行闭环PID计算并
实时控制调节伺服电机转速输出量；

[0014] (6)、根据计算机程序预设的流程反复执行步骤(4)和步骤(5)，直到完成所有预设要求的力值点的检定和比对；

[0015] (7)结束控制，计算机程序按照预定的设计发送指令给控制箱分别控制伺服电机和步进电机到零转速和节流口复位位置。

[0016] 应用上述控制方法，可实现系统加载速度快、快速进入持荷且持荷稳定不过冲，可满足力标准机万分之一的检定精度要求并提高检定作业效率。

附图说明

[0017] 图1是本发明的液压系统原理图

[0018] 图2是应用本发明的一个实施例的力比对检定过程流程图

[0019] 图中：1、计算机，2、控制箱，3、标准测力仪，4、被测测力仪，5、标准传感器，6、被测传感器，7、主机架，8、油缸，9、数字节流阀，10、叠加式溢流阀，11、伺服电机，12、伺服电机驱
动器，13、微型齿轮泵，14、滤油器

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0021] 如图1所示，一种用于力标准机的电液伺服测控系统，由计算机1、控制箱 2、标准测力仪3、被测测力仪4、标准传感器5、被测传感器6、主机架7、油缸8、数字节流阀9、叠加式
溢流阀10、伺服电机11、伺服电机驱动器12、微型齿轮泵13、滤油器14所组成；计算机1与控
制箱2通过以太连接；控制箱2 与标准测力仪3、被测测力仪4连接，并连接数字节流阀9、伺
服电机驱动器 12；数字节流阀9通过叠加式溢流阀10分别于油缸8和油箱连接(通过滤油器 
14)；伺服电机驱动器12与伺服电机11、微型齿轮泵13依次连接。

[0022] 本发明的工作过程是：

[0023] 如图2所示，应用本发明的一个实施例的力比对检定过程流程如下：将标准传感器和待测传感器放置于主机架油缸活塞指定位置，连接好标准测力仪和待测测力仪，完成力
比对操作的前期准备工作。打开油泵电机电源，开启控制箱和计算机，计算机测控软件和控
制箱开始自检，自检通过后准备进入自动力比对过程操作。

[0024] 首先进入第一阶段控制即开环控制阶段，计算机下发数字节流阀阀口指令，步进电机按照阀口指令调节到既定位置保持节流阀阀口位置控制到预设的节流口位置。计算机
根据控制箱反馈的节流阀达到设定的阀口位置后，下发此阶段伺服电机开环转速指令，此
阶段不对压力进行闭环控制，控制箱对采集来自标准测力仪的力值信号实时反馈到计算
机，计算机实时显示到其软件界面上。

[0025] 当采集进来的力值已达到入口力即第一压力值，表明已完成力的开环加载阶段，此时油缸活塞与标准传感器、被测传感器已有接触。控制箱即根据预先设定的入口力值进
入第二阶段即第一力值加载阶段。该阶段为力加载阶段，力第一通道进行闭环控制。控制箱
实时采集来自标准测力仪的力值，不对力值信号进行滤波处理，换算成力变化速率实际值
与力变化速率目标值做闭环控制，实时计算伺服电机控制指令值调节伺服电机的转速。力
加载速率可设定，一般地由计算机上测控软件根据试验要求设定。控制箱内预设的力加载
闭环控制参数是保证力加载性能的关键一环，通过伺服电机、微型齿轮泵、数字节流阀组成
的调压系统实时调节加载力值速率。

[0026] 当采集进来的力值信号与第一持荷力值目标相差小于一预设定的加载缓冲时间时，表明第一力值加载阶段将进入第一力值加载的缓冲期。该阶段为第一力值加载阶段的
末端，通过快速降低目标加载速率从而使实际力加载速度降低到系统最小控制速度。通过
该缓冲期的运行，主要使加载速度尽快降低到最小速度从而使得系统可稳定进入持荷阶段
且最大限度保证力值不过冲。该预设定的加载缓冲时间与最小控制速度是一对控制矛盾，
通过控制算法的优化使得尽可能在更短的缓冲时间内即可实现快速稳定进入最小控制速
度，从而实现更高效的作业效率。

[0027] 当采集进来的力值信号与第一持荷力值目标相差小于一预设定的力值间隔时，表明第一力值加载阶段将结束即进入第一力值持荷阶段。此时第一力通道闭环控制，控制箱
实时采集来自标准测力仪的力实际值与力目标值做闭环控制，实时计算伺服电机的转速值
并下发。控制箱内预设的力持荷闭环控制参数是保证力持荷高精度性能的关键一环。

[0028] 当第一持荷达到预定的时间，即进入下一阶段，一般地加载和持荷交替进行并由计算机测控软件试验项目中预先设定。一般地，当最大持荷力阶段完成后，表明力比对加载
过程结束即进入液压系统卸载阶段。在卸载阶段，控制箱控制数字节流阀调节到回油的阀
口位置进行卸载操作。

[0029] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范
围。