多維力傳感器校準被公認為是測量技術領域中的“王者”。位於德國黑森州比肯巴赫的 GTM Testing and Metrology 公司正致力於使用一種新的解決方案進一步提升多分量校準水平。它在測量範圍、設計和測量設備的尺寸方麵以及采用的自動化方案都是獨一無二的。基於 PC 的控製技術、EtherCAT 和伺服驅動器通過六自由度平台控製和調節力的作用，而 ELM 係列高精度測量端子模塊則以最大的精度實時記錄所有力和扭矩值。
高精度多分量校準
GTM 憑借其多分量參考標準測量設備在計量學領域取得了新的突破，將測量不確定度降低了五倍。
在多分量校準方麵，還無人能夠比肩 GTM 公司的測量專家團隊。GTM 公司是專業生產基於應變片的精密傳感器和測量設備、精密電子元件以及提供力和扭矩校準服務的領先供應商之一。2005 年，公司成為全球首個通過 DIN EN ISO/IEC 17025 認ren證zheng的de多duo分fen測ce量liang技ji術shu實shi驗yan室shi。自zi那na時shi起qi，這zhe家jia總zong部bu位wei於yu法fa蘭lan克ke福fu附fu近jin比bi肯ken巴ba赫he的de公gong司si不bu僅jin提ti供gong力li和he扭niu矩ju傳chuan感gan器qi校xiao準zhun服fu務wu，而er且qie還hai提ti供gong多duo分fen量liang傳chuan感gan器qi校xiao準zhun服fu務wu。有you兩liang種zhong可ke能neng性xing：非常精確確定每個分量的力的大小；另一方麵，隻是盡可能地精確評估如力作用點、力的方向和杠杆臂等其它變量。這些測量在單軸測量設備上進行。“也可以選擇總體測量力矢量。”GTM 公司總經理兼技術總監 Daniel Schwind 指出了計量學中經常討論的第二種方法。其優勢是：測量裝置是測量不確定度的唯一來源。GTM 認為，這種整體矢量測量方式將在諸如德國聯邦物理技術研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）等政府性質研究院中應用及推廣，並成為一種行業標準。因此，對於 GTM 來說，最合理的做法就是投資打造一套新的全自動係統，與自 2005 年以來一直在運行的手動多分量參考標準測量設備協同工作。
GTM 已yi經jing憑ping借jie其qi測ce量liang設she備bei攻gong克ke了le一yi個ge又you一yi個ge計ji量liang學xue技ji術shu難nan題ti。這zhe是shi因yin為wei所suo有you現xian有you的de多duo分fen量liang校xiao準zhun方fang法fa無wu論lun是shi在zai可ke實shi現xian的de測ce量liang不bu確que定ding度du方fang麵mian還hai是shi在zai校xiao準zhun方fang麵mian或huo多duo或huo少shao都dou有you一yi些xie不bu足zu。“我們實施的多分量參考標準測量設備是一個未知領域。”Daniel Schwind 說道。因此必須重視某些領域的基礎研究。GTM 在開發測量設備之前以及開發期間，進行了大量比較測量和驗證工作。“我們與考核人員就我們的程序和測量設備在合格評定期間的可追溯性展開的討論卓有成效。”校準實驗室副主任 Torsten Hahn 回憶道。關於測量設備的討論早在 2016 年nian年nian中zhong就jiu開kai始shi了le，當dang時shi客ke戶hu對dui多duo分fen量liang校xiao準zhun的de服fu務wu需xu求qiu激ji增zeng，因yin此ci無wu法fa再zai使shi用yong現xian有you的de測ce量liang設she備bei和he現xian有you的de校xiao準zhun程cheng序xu完wan成cheng所suo有you訂ding單dan。這zhe是shi因yin為wei迄qi今jin為wei止zhi使shi用yong的de手shou動dong校xiao準zhun非fei常chang耗hao時shi：必須將校準對象精確地安裝在測量設備中，並且在測量過程中需要多次重新定位。因此，整個校準過程需要花費大量的準備時間。“以前，完成這樣的校準工作大約需要兩天時間。”GTM 公司產品經理兼營銷總監 Marcel Richter 說shuo道dao。新xin測ce量liang設she備bei顯xian著zhu減jian少shao了le校xiao準zhun時shi間jian，唯wei一yi需xu要yao的de工gong序xu就jiu是shi夾jia住zhu測ce試shi樣yang本ben，為wei校xiao準zhun對dui象xiang配pei置zhi測ce量liang設she備bei，並bing在zai操cao作zuo軟ruan件jian中zhong配pei置zhi自zi動dong校xiao準zhun過guo程cheng。“由於所有分量有效整合在一起，校準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過程相比的其中一個巨大優勢。
精度從 0.5% 提高到 0.1%
與之前設備進行的合格評定相比，這套完全自主研發的測量設備將校準的測量不確定度降低了 5 倍，幫助 GTM 成為多分量測量技術和校準領域的先驅。同時，它也極大地擴展了校準範圍：為校準對象提供了真實的、麵向應用的安裝條件。“我們為客戶設計了一個 4.5 m3 的超大實驗室，實現所需的靈活性。”測量係統組長兼工程責任設計師 Martin Eller 說道。
六自由度平台的機電氣缸以及整個係統都由 GTM 自主研發，借助 AM8042 伺服電機以安靜、節能的方式和最大精度產生巨大的力和扭矩。
GTM 在測量不確定度方麵也實現了新的突破。“我們位於校準層級的頂端，經評定後的測量不確定度低至 0.1%，軸向力測量範圍為 4...500 kN，橫向力測量範圍為 2...200 kN。”Daniel Schwind 說道。測量設備可以精確測量 2...50 kNm 範圍內的扭矩。“唯有使用單軸測量設備才能實現如此大的測量範圍以及如此低的測量不確定度。”Martin Eller 補充道。GTM 在zai設she計ji初chu期qi投tou入ru了le大da量liang精jing力li，測ce量liang設she備bei才cai能neng達da到dao這zhe些xie關guan鍵jian性xing指zhi標biao。測ce量liang設she備bei的de核he心xin是shi三san個ge不bu同tong的de基ji本ben測ce量liang平ping台tai，以yi確que保bao靈ling活huo匹pi配pei各ge種zhong尺chi寸cun的de校xiao準zhun對dui象xiang。新xin的de測ce量liang設she備bei還hai專zhuan門men配pei備bei了le高gao精jing度du K 係列力傳感器。此外，在設計和施工過程中，GTM 很快發現市場上沒有合適的機械部件，如包含控製係統的六自由度平台。“我們最初的計劃是直接購買機械部件，但最後我們不得不自己開發。倍福基於 PC 的高性能控製和驅動平台，能夠將各種精密測量電子元件集成於一體。”負責測量設備軟件開發的 Martin Urbanski 強調道。
測量設備通過三根主軸與校準對象進行伺服電氣匹配。在校準過程中，由 AX8000 多軸伺服係統和 AM8042 伺服電機驅動的六個螺杆驅動器以最高精度產生所需的力和扭矩，以達到最高精度。“由於測量不確定度隻有 0.1%，讓用戶能夠采取新的方法改善他們的應用。”Marcel Richter 指出了 GTM 的動機。有了更精確的校準，猜測就變成了更精準的測量，更可靠的知識，從而為 GTM 客戶進一步優化其工藝和製造公差提供了基礎。“更高精度的多分量傳感器可以讓航空企業能夠在風洞空氣動力學測試中測量更多的細節，例如，評估飛機改裝後的效果。”倍福精密測量技術產品經理 Christian Lindemann 解釋道。即使是對模型的微小改進，也能顯著提高飛機隨後的運行效率。這同樣適用於風機的轉子葉片、船舶推進係統或汽車輪胎的滾動阻力測試。這種設計的另一個優勢是，GTM 可以通過六自由度平台的六根軸在任意方向上非常精確地再現重力，從而在真實的安裝條件下對客戶的具體應用進行虛擬校準。“這是一款專為客戶定製的創新和引領潮流的多分量測量解決方案，隻此一款。”Daniel Schwind 強調道。
校準取決於整個測量鏈
測量設備的校準順序是裝載、卸載、修改負載、設置測量範圍以及重複測量，由測量技術人員通過 GTM 專有的 WebForceManager 操作軟件進行配置。軟件根據使用的由連續命令組成的校準順序全自動控製測量設備。這些命令被傳輸至 TwinCAT 軟件中進行進一步處理。此外，諸如實現六自由度平台運動學和同步采集所有測量信號等需要滿足實時要求的程序段也在 TwinCAT 中編寫。
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 導軌上，並可無縫集成到控製架構中。
在控製硬件方麵，GTM 采用了倍福嵌入式控製器和 ELM3504 高端測量端子模塊。所有測量端子模塊都采用六線製接線法。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量的電源。Christian Lindemann 評論道：“我們很高興 GTM 在仔細考察我們的工業測量端子模塊後，並將它們用於這個要求嚴格的校準係統。”ELM3504 高端測量端子模塊麵對來自成熟的測量技術供應商和 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有的任務，包括用作可與高精度 K 係列力傳感器結合使用的測量鏈。“我(wo)們(men)在(zai)將(jiang)倍(bei)福(fu)端(duan)子(zi)模(mo)塊(kuai)與(yu)我(wo)們(men)的(de)高(gao)精(jing)度(du)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)後(hou)，發(fa)現(xian)在(zai)我(wo)們(men)校(xiao)準(zhun)實(shi)驗(yan)室(shi)的(de)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)下(xia)，端(duan)子(zi)模(mo)塊(kuai)的(de)精(jing)度(du)表(biao)現(xian)比(bi)數(shu)據(ju)表(biao)中(zhong)規(gui)定(ding)的(de)精(jing)度(du)高(gao)得(de)多(duo)。”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。“我們始終嚴格遵循測量規範要求，因此我們的組件在更困難的實際條件下仍能實現高精度測量。”倍福產品經理 Christian Lindemann 補充道。
測量設備中共安裝了 6 個 4 通道的 ELM 高端測量端子模塊，用於記錄通過六自由度平台輸入的力和扭矩，以及測量校準對象。另外還使用了更多 EL 係列 EtherCAT 端子模塊。“它們的標準分辨率完全滿足這一要求。”負責測量設備中電子元件的 Holger Schneider 強調道。除此之外，它們還可以通過應變片監測執行器是否能夠滿足最大作用力的要求。倍福的伺服驅動器和 AX8000 多軸伺服係統用於驅動 6 個六自由度平台氣缸。同樣由 GTM 公gong司si自zi主zhu研yan發fa的de動dong力li傳chuan輸shu係xi統tong需xu要yao使shi用yong一yi台tai減jian速su機ji和he一yi個ge螺luo杆gan驅qu動dong器qi。因yin此ci，伺si服fu電dian機ji的de體ti積ji雖sui然ran相xiang對dui較jiao小xiao，卻que可ke以yi產chan生sheng很hen大da的de力li和he扭niu矩ju，“並且精度也非常高。”Martin Eller 補充說道。倍福的緊湊型多軸係統與 PC 控製器結合使用，並通過 EtherCAT 實時同步傳輸測量數據，在這裏也有幫助。“這樣可以簡化我們的根據測量值控製所有驅動器的任務。”Martin Urbanski 強調說道。
所選擇的控製架構對控製櫃內的其它方麵也產生了非常積極的影響。由於 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 PC 和驅動產品，電子裝置的整體結構更加緊湊。Holger Schneider 解釋道：“如果按照我們最初的計劃，使用基於不同供應商的伺服產品和測量產品的控製解決方案，我們需要安裝三個控製櫃。”更不用說，不同的係統還涉及到大量的集成和工程工作。
關於德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注於自動化新技術的德資企業，創立於 1980 年nian，總zong部bu位wei於yu德de國guo威wei爾er市shi。作zuo為wei全quan球qiu自zi動dong化hua技ji術shu的de驅qu動dong者zhe，倍bei福fu定ding義yi了le自zi動dong化hua領ling域yu的de許xu多duo標biao準zhun，是shi國guo際ji標biao準zhun的de製zhi定ding者zhe和he推tui動dong者zhe。公gong司si所suo生sheng產chan的de工gong業ye PC、現場總線模塊、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作夥伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福於 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶於上海市北高新產業園區，現有員工 300 人，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用於風力發電、半導體、光伏太陽能、電子製造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網於 2014 年成為中國國家推薦性標準，並已入編工信部的《國家智能製造標準體係建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基於 PC 的控製技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能製造奠定了堅實的技術基礎。
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