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2022年12月6日

高精度多分量校准

基于 PC 的控制技术助力实现测量力检测极限

多维力传感器校准被公认为是测量技术领域中的“王者”。位于德国黑森州比肯巴赫的 GTM Testing and Metrology 公司正致力于使用一种新的解决方案进一步提升多分量校准水平。它在测量范围、设计和测量设备的尺寸方面以及采用的自动化方案都是独一无二的。基于 PC 的控制技术、EtherCAT 和伺服驱动器通过六自由度平台控制和调节力的作用,而 ELM 系列高精度测量端子模块则以最大的精度实时记录所有力和扭矩值。

GTM 凭借其多分量参考标准测量设备在计量学领域取得了新的突破,将测量不确定度降低了五倍。
GTM 凭借其多分量参考标准测量设备在计量学领域取得了新的突破,将测量不确定度降低了五倍。

在多分量校准方面,还无人能够比肩 GTM 公司的测量专家团队。GTM 公司是专业生产基于应变片的精密传感器和测量设备、精密电子元件以及提供力和扭矩校准服务的领先供应商之一。2005 年,公司成为全球首个通过 DIN EN ISO/IEC 17025 认证的多分测量技术实验室。自那时起,这家总部位于法兰克福附近比肯巴赫的公司不仅提供力和扭矩传感器校准服务,而且还提供多分量传感器校准服务。有两种可能性:非常精确确定每个分量的力的大小;另一方面,只是尽可能地精确评估如力作用点、力的方向和杠杆臂等其它变量。这些测量在单轴测量设备上进行。“也可以选择总体测量力矢量。”GTM 公司总经理兼技术总监 Daniel Schwind 指出了计量学中经常讨论的第二种方法。其优势是:测量装置是测量不确定度的唯一来源。GTM 认为,这种整体矢量测量方式将在诸如德国联邦物理技术研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)等政府性质研究院中应用及推广,并成为一种行业标准。因此,对于 GTM 来说,最合理的做法就是投资打造一套新的全自动系统,与自 2005 年以来一直在运行的手动多分量参考标准测量设备协同工作。

GTM 已经凭借其测量设备攻克了一个又一个计量学技术难题。这是因为所有现有的多分量校准方法无论是在可实现的测量不确定度方面还是在校准方面或多或少都有一些不足。“我们实施的多分量参考标准测量设备是一个未知领域。”Daniel Schwind 说道。因此必须重视某些领域的基础研究。GTM 在开发测量设备之前以及开发期间,进行了大量比较测量和验证工作。“我们与考核人员就我们的程序和测量设备在合格评定期间的可追溯性展开的讨论卓有成效。”校准实验室副主任 Torsten Hahn 回忆道。关于测量设备的讨论早在 2016 年年中就开始了,当时客户对多分量校准的服务需求激增,因此无法再使用现有的测量设备和现有的校准程序完成所有订单。这是因为迄今为止使用的手动校准非常耗时:必须将校准对象精确地安装在测量设备中,并且在测量过程中需要多次重新定位。因此,整个校准过程需要花费大量的准备时间。“以前,完成这样的校准工作大约需要两天时间。”GTM 公司产品经理兼营销总监 Marcel Richter 说道。新测量设备显著减少了校准时间,唯一需要的工序就是夹住测试样本,为校准对象配置测量设备,并在操作软件中配置自动校准过程。“由于所有分量有效整合在一起,校准工作可以在夜间全自动完成。”Torsten Hahn 说道,他指出了与之前校准过程相比的其中一个巨大优势。

精度从 0.5% 提高到 0.1%

与之前设备进行的合格评定相比,这套完全自主研发的测量设备将校准的测量不确定度降低了 5 倍,帮助 GTM 成为多分量测量技术和校准领域的先驱。同时,它也极大地扩展了校准范围:为校准对象提供了真实的、面向应用的安装条件。“我们为客户设计了一个 4.5 m3 的超大实验室,实现所需的灵活性。”测量系统组长兼工程责任设计师 Martin Eller 说道。

六自由度平台的机电气缸以及整个系统都由 GTM 自主研发,借助 AM8042 伺服电机以安静、节能的方式和最大精度产生巨大的力和扭矩。
六自由度平台的机电气缸以及整个系统都由 GTM 自主研发,借助 AM8042 伺服电机以安静、节能的方式和最大精度产生巨大的力和扭矩。

GTM 在测量不确定度方面也实现了新的突破。“我们位于校准层级的顶端,经评定后的测量不确定度低至 0.1%,轴向力测量范围为 4...500 kN,横向力测量范围为 2...200 kN。”Daniel Schwind 说道。测量设备可以精确测量 2...50 kNm 范围内的扭矩。“唯有使用单轴测量设备才能实现如此大的测量范围以及如此低的测量不确定度。”Martin Eller 补充道。GTM 在设计初期投入了大量精力,测量设备才能达到这些关键性指标。测量设备的核心是三个不同的基本测量平台,以确保灵活匹配各种尺寸的校准对象。新的测量设备还专门配备了高精度 K 系列力传感器。此外,在设计和施工过程中,GTM 很快发现市场上没有合适的机械部件,如包含控制系统的六自由度平台。“我们最初的计划是直接购买机械部件,但最后我们不得不自己开发。倍福基于 PC 的高性能控制和驱动平台,能够将各种精密测量电子元件集成于一体。”负责测量设备软件开发的 Martin Urbanski 强调道。

测量设备通过三根主轴与校准对象进行伺服电气匹配。在校准过程中,由 AX8000 多轴伺服系统和 AM8042 伺服电机驱动的六个螺杆驱动器以最高精度产生所需的力和扭矩,以达到最高精度。“由于测量不确定度只有 0.1%,让用户能够采取新的方法改善他们的应用。”Marcel Richter 指出了 GTM 的动机。有了更精确的校准,猜测就变成了更精准的测量,更可靠的知识,从而为 GTM 客户进一步优化其工艺和制造公差提供了基础。“更高精度的多分量传感器可以让航空企业能够在风洞空气动力学测试中测量更多的细节,例如,评估飞机改装后的效果。”倍福精密测量技术产品经理 Christian Lindemann 解释道。即使是对模型的微小改进,也能显著提高飞机随后的运行效率。这同样适用于风机的转子叶片、船舶推进系统或汽车轮胎的滚动阻力测试。这种设计的另一个优势是,GTM 可以通过六自由度平台的六根轴在任意方向上非常精确地再现重力,从而在真实的安装条件下对客户的具体应用进行虚拟校准。“这是一款专为客户定制的创新和引领潮流的多分量测量解决方案,只此一款。”Daniel Schwind 强调道。

校准取决于整个测量链

测量设备的校准顺序是装载、卸载、修改负载、设置测量范围以及重复测量,由测量技术人员通过 GTM 专有的 WebForceManager 操作软件进行配置。软件根据使用的由连续命令组成的校准顺序全自动控制测量设备。这些命令被传输至 TwinCAT 软件中进行进一步处理。此外,诸如实现六自由度平台运动学和同步采集所有测量信号等需要满足实时要求的程序段也在 TwinCAT 中编写。

这些高端测量端子模块与所有其它 EtherCAT 端子模块一样,也适合安装在 DIN 导轨上,并可无缝集成到控制架构中。
这些高端测量端子模块与所有其它 EtherCAT 端子模块一样,也适合安装在 DIN 导轨上,并可无缝集成到控制架构中。

在控制硬件方面,GTM 采用了倍福嵌入式控制器和 ELM3504 高端测量端子模块。所有测量端子模块都采用六线制接线法。EKM1101 EtherCAT 耦合器和 ELM9410 电源端子模块可确保为测量端子模块提供高质量的电源。Christian Lindemann 评论道:“我们很高兴 GTM 在仔细考察我们的工业测量端子模块后,并将它们用于这个要求严格的校准系统。”ELM3504 高端测量端子模块面对来自成熟的测量技术供应商和 GTM 自己的电子检测装置的激烈竞争,必须证明它们更适合现有的任务,包括用作可与高精度 K 系列力传感器结合使用的测量链。“我们在将倍福端子模块与我们的高精度力传感器结合使用后,发现在我们校准实验室的环境条件下,端子模块的精度表现比数据表中规定的精度高得多。”Daniel Schwind 说道。GTM 最初曾考虑给自己的电子检测装置配备 EtherCAT 功能。“但有了 ELM 测量端子模块,我们就更省事了。”Daniel Schwind 说道。“我们始终严格遵循测量规范要求,因此我们的组件在更困难的实际条件下仍能实现高精度测量。”倍福产品经理 Christian Lindemann 补充道。

测量设备中共安装了 6 个 4 通道的 ELM 高端测量端子模块,用于记录通过六自由度平台输入的力和扭矩,以及测量校准对象。另外还使用了更多 EL 系列 EtherCAT 端子模块。“它们的标准分辨率完全满足这一要求。”负责测量设备中电子元件的 Holger Schneider 强调道。除此之外,它们还可以通过应变片监测执行器是否能够满足最大作用力的要求。倍福的伺服驱动器和 AX8000 多轴伺服系统用于驱动 6 个六自由度平台气缸。同样由 GTM 公司自主研发的动力传输系统需要使用一台减速机和一个螺杆驱动器。因此,伺服电机的体积虽然相对较小,却可以产生很大的力和扭矩,“并且精度也非常高。”Martin Eller 补充说道。倍福的紧凑型多轴系统与 PC 控制器结合使用,并通过 EtherCAT 实时同步传输测量数据,在这里也有帮助。“这样可以简化我们的根据测量值控制所有驱动器的任务。”Martin Urbanski 强调说道。

所选择的控制架构对控制柜内的其它方面也产生了非常积极的影响。由于 GTM 公司从倍福一站式配齐了所有组件,包括测量放大器、其它 I/O 组件以及工业 PC 和驱动产品,电子装置的整体结构更加紧凑。Holger Schneider 解释道:“如果按照我们最初的计划,使用基于不同供应商的伺服产品和测量产品的控制解决方案,我们需要安装三个控制柜。”更不用说,不同的系统还涉及到大量的集成和工程工作。