基于气浮轴承技术的高准确度小量程扭矩标准机

范海艇　姜　鸣　沈　琪 / 上海市质量监督检验技术研究院

*

摘　要　针对目前国内的空白，利用气浮轴承技术研制了0.1~10 Nm高准确度小量程扭矩标准机。采用杠杆砝码式加载原理，利用气浮轴承减少摩擦对准确度的影响，激光位移测量技术控制杠杆水平位置，钢箔悬挂技术最大程度控制砝码摆动现象。整台设备采用多量程砝码组全自动加载技术、计算机自动精确控制技术等，实现全自动控制，自动完成加载、卸载、数据采集、数据处理等操作。标准机的相对扩展不确定度为1.5×10-4（k=2）。

关键词　气浮轴承；扭矩标准机；力臂杠杆

0　引言

扭矩标准机是产生静态标准扭矩的装置，在扭矩量值传递过程中起着举足轻重的作用。通常，1~100 Nm范围为小量程扭矩，1 Nm以下范围为微小量程扭矩。随着扭矩测量技术的发展，国内企业对于小于10 Nm小量程扭矩的计量需求日益强烈。目前，我国扭矩标准机的测量下限在0.5 Nm，不足以满足小量程扭矩量值传递需求，且支撑技术均采用刀口式结构，由摩擦力矩引入的不确定度分量影响较大。近年来，德国、意大利等国家的扭矩基（标）准机进行了技术创新，引入气浮轴承等技术，其不确定度已达到0.002%（k=2），法国、英国、芬兰等国家扭矩基（标）准装置的不确定度也达到0. 01%（k=2）。

本项目借鉴国外同类型扭矩基（标）准装置的设计理念，研制了0.1~10 Nm小量程高准确度扭矩标准机。

安装地点的重力加速度、砝码材料和空气密度、砝码加载与卸载方式、机械结构和质量稳定度等；后者与力臂杠杆的材料与构造、支撑结构、水平控制程度、加工工艺与安装质量、同轴度等密切相关。

气浮轴承又称为空气轴承，是以气体作为润滑剂的滑动轴承，利用气体弹性势能起到支撑作用。由于没有机械接触，可以将摩擦和磨损降低至最小，从而提供极高且稳定的径向和轴向旋转准确度，因此广泛应用在精密测试设备中。

本扭矩机在结构上仍采用静重式结构，利用空气轴承支撑技术，采用杠杆砝码式加载原理，即在恒定的力臂杠杆上，加挂多级专用力值砝码（以下简称砝码），以砝码的重力作为标准负荷，由砝码自带重力与空气对砝码浮力的合力与力臂杠杆臂长的矢积产生标准扭矩（图1）。

1　设计原理

扭矩标准机（以下简称扭矩机）按照设计原理可以分为静重式、杠杆放大式、参考式等几种，其中静重式扭矩标准机由于原理简单、结构易于实现、准确度相对高等特点，成为扭矩量值复现的首选形式。静重式扭矩机的计量学特性取决于力值的不确定度和力臂的不确定度等。前者来源于砝码质量、

图1　0.1~10 Nm扭矩标准机

*基金项目：国家质检总局科技计划项目（2012QK271）

扭矩机产生的扭矩值按式（1）计算：

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　　　　　（1）式中：M — 扭矩值，Nm；

　　　m — 砝码质量，kg；

　　　g — 安装地点的重力加速度，m/s2

；　　　ρa — 空气密度，kg/m3

；

　　　ρw — 砝码材料密度，kg/m3

；

　　　L — 力臂杠杆长度，m；

　　　α — 力臂杠杆与铅垂线的夹角，rad

扭矩机采用计算机作为控制核心，实时显示运行过程中各个部位的工作状态，实现对整机的集中控制与管理。利用激光位移传感器对力臂杠杆的位置进行实时测量，通过伺服控制系统进行反馈控制和调整，以保证加载后力臂杠杆保持平衡状态。采用美国NI公司的LabVIEW图形化编程平台，进行信号采集与处理，完成砝码自动加载、卸载，实现扭矩机全自动化工作。

2　机械结构

主要由机架、支撑、力臂杠杆、砝码组、升降机构以及施扭机构等六部分组成（如图2所示）。机架部分采用ABBA的BRH35B精密级直线导轨，行走600 mm的误差为5 μm；升降机构采用主动轴和从动轴上装配挠性联轴器，以减少传感器与扭矩机不同轴而产生寄生分量问题；施扭机构采用单滑块，行走方向抗静弯矩100 Nm。支撑部分、力臂杠杆部分、砝码组是影响扭矩机准确度的关键点，下文详述。

图2　机械结构实物图

2.1　支撑部分国内传统扭矩标准机的支撑部分采用刀口式结构，其摩擦力矩较大且具有很大的随机性，引起的不确定度分量影响很大，约占1/3。本扭矩机支撑部分采用德国CEH公司的XL60-72型气浮轴承技术，最大工作扭矩为20 Nm，最大允许轴向力为200 N，

使用气体作润滑剂，由气膜将轴与轴瓦分开，使转子在轴承中无接触地旋转或呈悬浮状态，摩擦力矩仅0.7 μNm，几乎可以忽略，因而减小摩擦扭矩带来的不确定度分量影响，很大程度地提升整台设备的准确度。2.2　力臂杠杆部分力臂杠杆的主轴零件是整台装置的测量基准，采用40 Cr材质，严格保证形位公差要求以及与气浮轴承的配合尺寸。其余加工零件选用低膨胀系数的殷钢锻造。殷钢膨胀系数低于10-6℃，设备工作的环境温度为（20±2）℃，从而使力臂杠杆长度因温度变化引起的不确定度小于2×10-6。每个零部件的加工和装配均有严格要求，锻造、热处理、精密磨削、研磨组装等加工过程按工艺要求处理，这是保证扭矩机不确定度的重要环节。

力臂杠杆的单边长度为200 mm，允许公差为±0.02 mm。杠杆的设计考虑到杠杆臂长的修正。由主轴获取测量轴线，以该轴线为基准，测量杠杆臂两端的钢带吊挂圆棒，其切线（圆棒的母线）与主轴的形位公差必须满足设计要求，臂长值通过研磨杠杆臂两端的吊挂架平面来精确保证尺寸的准确。杠杆梁的设计通过有限元分析以最小质量满足高刚性要求，从而提高其灵敏性。

钢带吊挂系统采用自缠绕结构，不需要任何螺钉或夹板夹紧，作用力完全是沿着圆柱切线向下作用（图3）。钢带不变形、不皱褶、寿命长，更换方便。此设计既保证力臂值的准确性，也保证力值作用点的铅垂度，避免砝码的摇动或晃动，以保证重复性准确度，结构优于同类扭矩机的吊挂系统。

图3　钢带吊挂结构

2.3　砝码组砝码组材质选用316无磁不锈钢，降低砝码间相互作用力的影响；采用玻璃罩隔离，以减少空气流动引入的晃动。砝码组设计采用锥面导向平面定位（图4），保证每级砝码落回到原处。砝码采用分档配置，共分为1 Nm、2 Nm、5 Nm、10 Nm四个量

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图4　砝码组结构示意图

程段，每个量程段由10个小砝码组单独加载。每级的吊挂也是锥面导向平面定位，一个挂一个，保证砝码质心始终作用在铅垂轴线上。四个量程段砝码对称放置在圆形转盘上，改变转盘角度可以选择所需的砝码组。这种砝码组合方式可以实现不同量程范围扭矩值的加载，保证在加、卸载中不出现逆程，提高扭矩测量的准确度。通过计算机控制，扭矩机可实现全自动砝码组加载与卸载，减少人工加载带来的不确定度影响，并能减少砝码在加、卸载过程中的晃动。

3　不确定度评定

扭矩机的不确定度分量如表1所示。其合成不确定度为

表1　不确定度分量

序号影响量不确定度分量分布相对不确定度温度变化引入u（L1）均匀2.02×10-6力臂测量引入 u（L2）均匀2.×10-51力臂长度挠度变形引入 u（L均匀1.73×10-7变化3）力臂长度加工引入 u（L4）均匀5.77×10-5合成与力臂长度有关的不确定度u（L）6.46×10-5加速度值偏移引入 u（F1）均匀5.×10-7作用力砝码摆动引入 u（F2）均匀1.02×10-72变化砝码制造引入 u（F3）均匀1.73×10-5合成作用力有关不确定度分量 u（F）1.73×10-53摩擦扭矩摩擦扭矩引入 u（f）正态3.33×10-5󰀲󰀴

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对于标准机，取k=2，则本扭矩机的相对扩展不确定度为

4　结语

0.1~10 Nm小量程高准确度扭矩标准机采用气浮轴承支撑结构代替传统的刀口支撑结构，减小摩擦扭矩带来的不确定度影响，提高了设备的灵敏度；力臂杠杆采用低热膨胀系数殷钢制造，降低温度变化对力臂杠杆长度影响带来的不确定度影响；特殊的锥面导向平面定位设计，提高砝码在提升、下移过程中的定位准确度；采用玻璃罩隔离结构，减少空气流动引入的扭矩晃动。参考文献：

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学位论文, 2007.

[7] 丁磊. 空气轴承试验台分布式测试系统设计[D]. 南开大学硕士学

位论文, 2011.

Based on air bearing high accuracy 100 Nm

torque standard machine

Fan Haiting，Jiang Ming，Shen Qin

（Shanghai Institute of Quality Inspection and

Technical Research）

Abstract: For domestic small-scale torque standard machine blank, the use of air bearing technology developed 0.1-10 Nm high accuracy small-scale torque standard machine. Using lever and weight loaded principle, the use of air bearings to reduce friction on the accuracy, laser displacement measurement technology to control the horizontal position of the lever, steel foil suspension technology to maximize control of the swing weights phenomenon. The torque standard machine uses weights and multi-range automatic loading technology, computer automatically precise control technology, to achieve automatic control, automatic loading and unloading, data acquisition and processing, and so on. The standard machine relative expanded uncertainty of 1.5×10-4 (k=2).Key words: air bearing；torque standard machine；force arm lever