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多維力傳感器校準(zhǔn)被公認(rèn)為是測量技術(shù)領(lǐng)域中的“王者”。位于德國黑森州比肯巴赫的 GTM Testing and Metrology 公司正致力于使用一種新的解決方案進(jìn)一步提升多分量校準(zhǔn)水平。它在測量范圍、設(shè)計(jì)和測量設(shè)備的尺寸方面以及采用的自動化方案都是獨(dú)一無二的。基于 PC 的控制技術(shù)、EtherCAT 和伺服驅(qū)動器通過六自由度平臺控制和調(diào)節(jié)力的作用，而 ELM 系列高精度測量端子模塊則以最大的精度實(shí)時(shí)記錄所有力和扭矩值。

在多分量校準(zhǔn)方面，還無人能夠比肩 GTM 公司的測量專家團(tuán)隊(duì)。GTM 公司是專業(yè)生產(chǎn)基于應(yīng)變片的精密傳感器和測量設(shè)備、精密電子元件以及提供力和扭矩校準(zhǔn)服務(wù)的領(lǐng)先供應(yīng)商之一。2005 年，公司成為全球首個(gè)通過 DIN EN ISO/IEC 17025 認(rèn)證的多分測量技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。自那時(shí)起，這家總部位于法蘭克福附近比肯巴赫的公司不僅提供力和扭矩傳感器校準(zhǔn)服務(wù)，而且還提供多分量傳感器校準(zhǔn)服務(wù)。有兩種可能性：非常精確確定每個(gè)分量的力的大小；另一方面，只是盡可能地精確評估如力作用點(diǎn)、力的方向和杠桿臂等其它變量。這些測量在單軸測量設(shè)備上進(jìn)行。

“也可以選擇總體測量力矢量。”GTM 公司總經(jīng)理兼技術(shù)總監(jiān) Daniel Schwind 指出了計(jì)量學(xué)中經(jīng)常討論的第二種方法。其優(yōu)勢是：測量裝置是測量不確定度的唯一來源。GTM 認(rèn)為，這種整體矢量測量方式將在諸如德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）等政府性質(zhì)研究院中應(yīng)用及推廣，并成為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，對于 GTM 來說，最合理的做法就是投資打造一套新的全自動系統(tǒng)，與自 2005 年以來一直在運(yùn)行的手動多分量參考標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備協(xié)同工作。

GTM 已經(jīng)憑借其測量設(shè)備攻克了一個(gè)又一個(gè)計(jì)量學(xué)技術(shù)難題。這是因?yàn)樗鞋F(xiàn)有的多分量校準(zhǔn)方法無論是在可實(shí)現(xiàn)的測量不確定度方面還是在校準(zhǔn)方面或多或少都有一些不足。“我們實(shí)施的多分量參考標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備是一個(gè)未知領(lǐng)域。”Daniel Schwind 說道。因此必須重視某些領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。GTM 在開發(fā)測量設(shè)備之前以及開發(fā)期間，進(jìn)行了大量比較測量和驗(yàn)證工作。“我們與考核人員就我們的程序和測量設(shè)備在合格評定期間的可追溯性展開的討論卓有成效。”校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室副主任 Torsten Hahn 回憶道。關(guān)于測量設(shè)備的討論早在 2016 年年中就開始了，當(dāng)時(shí)客戶對多分量校準(zhǔn)的服務(wù)需求激增，因此無法再使用現(xiàn)有的測量設(shè)備和現(xiàn)有的校準(zhǔn)程序完成所有訂單。這是因?yàn)槠駷橹故褂玫氖謩有?zhǔn)非常耗時(shí)：必須將校準(zhǔn)對象精確地安裝在測量設(shè)備中，并且在測量過程中需要多次重新定位。因此，整個(gè)校準(zhǔn)過程需要花費(fèi)大量的準(zhǔn)備時(shí)間。“以前，完成這樣的校準(zhǔn)工作大約需要兩天時(shí)間。”GTM 公司產(chǎn)品經(jīng)理兼營銷總監(jiān) Marcel Richter 說道。新測量設(shè)備顯著減少了校準(zhǔn)時(shí)間，唯一需要的工序就是夾住測試樣本，為校準(zhǔn)對象配置測量設(shè)備，并在操作軟件中配置自動校準(zhǔn)過程。“由于所有分量有效整合在一起，校準(zhǔn)工作可以在夜間全自動完成。”Torsten Hahn 說道，他指出了與之前校準(zhǔn)過程相比的其中一個(gè)巨大優(yōu)勢。

精度從 0.5% 提高到 0.1%

與之前設(shè)備進(jìn)行的合格評定相比，這套完全自主研發(fā)的測量設(shè)備將校準(zhǔn)的測量不確定度降低了 5 倍，幫助 GTM 成為多分量測量技術(shù)和校準(zhǔn)領(lǐng)域的先驅(qū)。同時(shí)，它也極大地?cái)U(kuò)展了校準(zhǔn)范圍：為校準(zhǔn)對象提供了真實(shí)的、面向應(yīng)用的安裝條件。“我們?yōu)榭蛻粼O(shè)計(jì)了一個(gè) 4.5 m3 的超大實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)所需的靈活性。”測量系統(tǒng)組長兼工程責(zé)任設(shè)計(jì)師 Martin Eller 說道。

GTM 在測量不確定度方面也實(shí)現(xiàn)了新的突破。“我們位于校準(zhǔn)層級的頂端，經(jīng)評定后的測量不確定度低至 0.1%，軸向力測量范圍為 4...500 kN，橫向力測量范圍為 2...200 kN。”Daniel Schwind 說道。測量設(shè)備可以精確測量 2...50 kNm 范圍內(nèi)的扭矩。“唯有使用單軸測量設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)如此大的測量范圍以及如此低的測量不確定度。”Martin Eller 補(bǔ)充道。GTM 在設(shè)計(jì)初期投入了大量精力，測量設(shè)備才能達(dá)到這些關(guān)鍵性指標(biāo)。測量設(shè)備的核心是三個(gè)不同的基本測量平臺，以確保靈活匹配各種尺寸的校準(zhǔn)對象。新的測量設(shè)備還專門配備了高精度 K 系列力傳感器。此外，在設(shè)計(jì)和施工過程中，GTM 很快發(fā)現(xiàn)市場上沒有合適的機(jī)械部件，如包含控制系統(tǒng)的六自由度平臺。“我們最初的計(jì)劃是直接購買機(jī)械部件，但最后我們不得不自己開發(fā)。倍福基于 PC 的高性能控制和驅(qū)動平臺，能夠?qū)⒏鞣N精密測量電子元件集成于一體。”負(fù)責(zé)測量設(shè)備軟件開發(fā)的 Martin Urbanski 強(qiáng)調(diào)道。

測量設(shè)備通過三根主軸與校準(zhǔn)對象進(jìn)行伺服電氣匹配。在校準(zhǔn)過程中，由 AX8000 多軸伺服系統(tǒng)和 AM8042 伺服電機(jī)驅(qū)動的六個(gè)螺桿驅(qū)動器以最高精度產(chǎn)生所需的力和扭矩，以達(dá)到最高精度。“由于測量不確定度只有 0.1%，讓用戶能夠采取新的方法改善他們的應(yīng)用。”Marcel Richter 指出了 GTM 的動機(jī)。有了更精確的校準(zhǔn)，猜測就變成了更精準(zhǔn)的測量，更可靠的知識，從而為 GTM 客戶進(jìn)一步優(yōu)化其工藝和制造公差提供了基礎(chǔ)。“更高精度的多分量傳感器可以讓航空企業(yè)能夠在風(fēng)洞空氣動力學(xué)測試中測量更多的細(xì)節(jié)，例如，評估飛機(jī)改裝后的效果。”倍福精密測量技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理 Christian Lindemann 解釋道。即使是對模型的微小改進(jìn)，也能顯著提高飛機(jī)隨后的運(yùn)行效率。這同樣適用于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片、船舶推進(jìn)系統(tǒng)或汽車輪胎的滾動阻力測試。這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢是，GTM 可以通過六自由度平臺的六根軸在任意方向上非常精確地再現(xiàn)重力，從而在真實(shí)的安裝條件下對客戶的具體應(yīng)用進(jìn)行虛擬校準(zhǔn)。“這是一款專為客戶定制的創(chuàng)新和引領(lǐng)潮流的多分量測量解決方案，只此一款。”Daniel Schwind 強(qiáng)調(diào)道。

校準(zhǔn)取決于整個(gè)測量鏈

測量設(shè)備的校準(zhǔn)順序是裝載、卸載、修改負(fù)載、設(shè)置測量范圍以及重復(fù)測量，由測量技術(shù)人員通過 GTM 專有的 WebForceManager 操作軟件進(jìn)行配置。軟件根據(jù)使用的由連續(xù)命令組成的校準(zhǔn)順序全自動控制測量設(shè)備。這些命令被傳輸至 TwinCAT 軟件中進(jìn)行進(jìn)一步處理。此外，諸如實(shí)現(xiàn)六自由度平臺運(yùn)動學(xué)和同步采集所有測量信號等需要滿足實(shí)時(shí)要求的程序段也在 TwinCAT 中編寫。

在控制硬件方面，GTM 采用了倍福嵌入式控制器和 ELM3504 高端測量端子模塊。所有測量端子模塊都采用六線制接線法。EKM1101 EtherCAT 耦合器和 ELM9410 電源端子模塊可確保為測量端子模塊提供高質(zhì)量的電源。Christian Lindemann 評論道：“我們很高興 GTM 在仔細(xì)考察我們的工業(yè)測量端子模塊后，并將它們用于這個(gè)要求嚴(yán)格的校準(zhǔn)系統(tǒng)。”ELM3504 高端測量端子模塊面對來自成熟的測量技術(shù)供應(yīng)商和 GTM 自己的電子檢測裝置的激烈競爭，必須證明它們更適合現(xiàn)有的任務(wù)，包括用作可與高精度 K 系列力傳感器結(jié)合使用的測量鏈。“我們在將倍福端子模塊與我們的高精度力傳感器結(jié)合使用后，發(fā)現(xiàn)在我們校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件下，端子模塊的精度表現(xiàn)比數(shù)據(jù)表中規(guī)定的精度高得多。”Daniel Schwind 說道。GTM 最初曾考慮給自己的電子檢測裝置配備 EtherCAT 功能。“但有了 ELM 測量端子模塊，我們就更省事了。”Daniel Schwind 說道。“我們始終嚴(yán)格遵循測量規(guī)范要求，因此我們的組件在更困難的實(shí)際條件下仍能實(shí)現(xiàn)高精度測量。”倍福產(chǎn)品經(jīng)理 Christian Lindemann 補(bǔ)充道。

測量設(shè)備中共安裝了 6 個(gè) 4 通道的 ELM 高端測量端子模塊，用于記錄通過六自由度平臺輸入的力和扭矩，以及測量校準(zhǔn)對象。另外還使用了更多 EL 系列 EtherCAT 端子模塊。“它們的標(biāo)準(zhǔn)分辨率完全滿足這一要求。”負(fù)責(zé)測量設(shè)備中電子元件的 Holger Schneider 強(qiáng)調(diào)道。除此之外，它們還可以通過應(yīng)變片監(jiān)測執(zhí)行器是否能夠滿足最大作用力的要求。倍福的伺服驅(qū)動器和 AX8000 多軸伺服系統(tǒng)用于驅(qū)動 6 個(gè)六自由度平臺氣缸。同樣由 GTM 公司自主研發(fā)的動力傳輸系統(tǒng)需要使用一臺減速機(jī)和一個(gè)螺桿驅(qū)動器。因此，伺服電機(jī)的體積雖然相對較小，卻可以產(chǎn)生很大的力和扭矩，“并且精度也非常高。”Martin Eller 補(bǔ)充說道。倍福的緊湊型多軸系統(tǒng)與 PC 控制器結(jié)合使用，并通過 EtherCAT 實(shí)時(shí)同步傳輸測量數(shù)據(jù)，在這里也有幫助。“這樣可以簡化我們的根據(jù)測量值控制所有驅(qū)動器的任務(wù)。”Martin Urbanski 強(qiáng)調(diào)說道。

所選擇的控制架構(gòu)對控制柜內(nèi)的其它方面也產(chǎn)生了非常積極的影響。由于 GTM 公司從倍福一站式配齊了所有組件，包括測量放大器、其它 I/O 組件以及工業(yè) PC 和驅(qū)動產(chǎn)品，電子裝置的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。Holger Schneider 解釋道：“如果按照我們最初的計(jì)劃，使用基于不同供應(yīng)商的伺服產(chǎn)品和測量產(chǎn)品的控制解決方案，我們需要安裝三個(gè)控制柜。”更不用說，不同的系統(tǒng)還涉及到大量的集成和工程工作。

GTM 憑借其多分量參考標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備在計(jì)量學(xué)領(lǐng)域取得了新的突破，將測量不確定度降低了五倍

這些高端測量端子模塊與所有其它 EtherCAT 端子模塊一樣，也適合安裝在 DIN 導(dǎo)軌上，并可無縫集成到控制架構(gòu)中

六自由度平臺的機(jī)電氣缸以及整個(gè)系統(tǒng)都由 GTM 自主研發(fā)，借助 AM8042 伺服電機(jī)以安靜、節(jié)能的方式和最大精度產(chǎn)生巨大的力和扭矩

Daniel Schwind、Martin Eller、Martin Urbanski、Nana Njampou 和 Sebastian Albarracin（從左至右）于 2022 年 4 月獲得了 DAkkS 給多分量測量設(shè)備頒發(fā)的官方認(rèn)證證書