多維力傳感器校準被公認為是測量技術(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水平。它在測量范圍、設計和測量設備的尺寸方面以及采用的自動(dòng)化方案都是獨一無(wú)二的?；?PC 的控制技術(shù)、EtherCAT 和伺服驅動(dòng)器通過(guò)六自由度平臺控制和調節力的作用，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。

在多分量校準方面，還無(wú)人能夠比肩 GTM 公司的測量專(zhuān)家團隊。GTM 公司是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)基于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(wù)的領(lǐng)先供應商之一。2005 年，公司成為全球首個(gè)通過(guò) DIN EN ISO/IEC 17025 認證的多分測量技術(shù)實(shí)驗室。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服務(wù)，而且還提供多分量傳感器校準服務(wù)。有兩種可能性：非常精確確定每個(gè)分量的力的大??；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備上進(jìn)行。

“也可以選擇總體測量力矢量?！盙TM 公司總經(jīng)理兼技術(shù)總監 Daniel Schwind 指出了計量學(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(lái)源。GTM 認為，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)研究院中應用及推廣，并成為一種行業(yè)標準。因此，對于 GTM 來(lái)說(shuō)，最合理的做法就是投資打造一套新的全自動(dòng)系統，與自 2005 年以來(lái)一直在運行的手動(dòng)多分量參考標準測量設備協(xié)同工作。

GTM 已經(jīng)憑借其測量設備攻克了一個(gè)又一個(gè)計量學(xué)技術(shù)難題。這是因為所有現有的多分量校準方法無(wú)論是在可實(shí)現的測量不確定度方面還是在校準方面或多或少都有一些不足?！拔覀儗?shí)施的多分量參考標準測量設備是一個(gè)未知領(lǐng)域?！盌aniel Schwind 說(shuō)道。因此必須重視某些領(lǐng)域的基礎研究。GTM 在開(kāi)發(fā)測量設備之前以及開(kāi)發(fā)期間，進(jìn)行了大量比較測量和驗證工作?！拔覀兣c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(kāi)的討論卓有成效?！毙蕦?shí)驗室副主任 Torsten Hahn 回憶道。關(guān)于測量設備的討論早在 2016 年年中就開(kāi)始了，當時(shí)客戶(hù)對多分量校準的服務(wù)需求激增，因此無(wú)法再使用現有的測量設備和現有的校準程序完成所有訂單。這是因為迄今為止使用的手動(dòng)校準非常耗時(shí)：必須將校準對象精確地安裝在測量設備中，并且在測量過(guò)程中需要多次重新定位。因此，整個(gè)校準過(guò)程需要花費大量的準備時(shí)間?！耙郧?，完成這樣的校準工作大約需要兩天時(shí)間?！盙TM 公司產(chǎn)品經(jīng)理兼營(yíng)銷(xiāo)總監 Marcel Richter 說(shuō)道。新測量設備顯著(zhù)減少了校準時(shí)間，唯一需要的工序就是夾住測試樣本，為校準對象配置測量設備，并在操作軟件中配置自動(dòng)校準過(guò)程?！坝捎谒蟹至坑行д显谝黄?，校準工作可以在夜間全自動(dòng)完成?！盩orsten Hahn 說(shuō)道，他指出了與之前校準過(guò)程相比的其中一個(gè)巨大優(yōu)勢。

精度從 0.5% 提高到 0.1%

與之前設備進(jìn)行的合格評定相比，這套完全自主研發(fā)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(shù)和校準領(lǐng)域的先驅。同時(shí)，它也極大地擴展了校準范圍：為校準對象提供了真實(shí)的、面向應用的安裝條件?！拔覀?yōu)榭蛻?hù)設計了一個(gè) 4.5 m3 的超大實(shí)驗室，實(shí)現所需的靈活性?！睖y量系統組長(cháng)兼工程責任設計師 Martin Eller 說(shuō)道。

GTM 在測量不確定度方面也實(shí)現了新的突破?！拔覀兾挥谛蕦蛹壍捻敹?，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?！盌aniel Schwind 說(shuō)道。測量設備可以精確測量 2...50 kNm 范圍內的扭矩?！拔ㄓ惺褂脝屋S測量設備才能實(shí)現如此大的測量范圍以及如此低的測量不確定度?！盡artin Eller 補充道。GTM 在設計初期投入了大量精力，測量設備才能達到這些關(guān)鍵性指標。測量設備的核心是三個(gè)不同的基本測量平臺，以確保靈活匹配各種尺寸的校準對象。新的測量設備還專(zhuān)門(mén)配備了高精度 K 系列力傳感器。此外，在設計和施工過(guò)程中，GTM 很快發(fā)現市場(chǎng)上沒(méi)有合適的機械部件，如包含控制系統的六自由度平臺?！拔覀冏畛醯挠媱澥侵苯淤徺I(mǎi)機械部件，但最后我們不得不自己開(kāi)發(fā)。倍?；?PC 的高性能控制和驅動(dòng)平臺，能夠將各種精密測量電子元件集成于一體?！必撠煖y量設備軟件開(kāi)發(fā)的 Martin Urbanski 強調道。

測量設備通過(guò)三根主軸與校準對象進(jìn)行伺服電氣匹配。在校準過(guò)程中，由 AX8000 多軸伺服系統和 AM8042 伺服電機驅動(dòng)的六個(gè)螺桿驅動(dòng)器以最高精度產(chǎn)生所需的力和扭矩，以達到最高精度?！坝捎跍y量不確定度只有 0.1%，讓用戶(hù)能夠采取新的方法改善他們的應用?！盡arcel Richter 指出了 GTM 的動(dòng)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(hù)進(jìn)一步優(yōu)化其工藝和制造公差提供了基礎?！案呔鹊亩喾至總鞲衅骺梢宰尯娇掌髽I(yè)能夠在風(fēng)洞空氣動(dòng)力學(xué)測試中測量更多的細節，例如，評估飛機改裝后的效果?！北陡＞軠y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(zhù)提高飛機隨后的運行效率。這同樣適用于風(fēng)機的轉子葉片、船舶推進(jìn)系統或汽車(chē)輪胎的滾動(dòng)阻力測試。這種設計的另一個(gè)優(yōu)勢是，GTM 可以通過(guò)六自由度平臺的六根軸在任意方向上非常精確地再現重力，從而在真實(shí)的安裝條件下對客戶(hù)的具體應用進(jìn)行虛擬校準?！斑@是一款專(zhuān)為客戶(hù)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?！盌aniel Schwind 強調道。

校準取決于整個(gè)測量鏈

測量設備的校準順序是裝載、卸載、修改負載、設置測量范圍以及重復測量，由測量技術(shù)人員通過(guò) GTM 專(zhuān)有的 WebForceManager 操作軟件進(jìn)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(dòng)控制測量設備。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)現六自由度平臺運動(dòng)學(xué)和同步采集所有測量信號等需要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求的程序段也在 TwinCAT 中編寫(xiě)。

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(xiàn)制接線(xiàn)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)要求嚴格的校準系統?！盓LM3504 高端測量端子模塊面對來(lái)自成熟的測量技術(shù)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(wù)，包括用作可與高精度 K 系列力傳感器結合使用的測量鏈?！拔覀冊趯⒈陡６俗幽K與我們的高精度力傳感器結合使用后，發(fā)現在我們校準實(shí)驗室的環(huán)境條件下，端子模塊的精度表現比數據表中規定的精度高得多?！盌aniel Schwind 說(shuō)道。GTM 最初曾考慮給自己的電子檢測裝置配備 EtherCAT 功能?！暗辛?ELM 測量端子模塊，我們就更省事了?！盌aniel Schwind 說(shuō)道?！拔覀兪冀K嚴格遵循測量規范要求，因此我們的組件在更困難的實(shí)際條件下仍能實(shí)現高精度測量?！北陡．a(chǎn)品經(jīng)理 Christian Lindemann 補充道。

測量設備中共安裝了 6 個(gè) 4 通道的 ELM 高端測量端子模塊，用于記錄通過(guò)六自由度平臺輸入的力和扭矩，以及測量校準對象。另外還使用了更多 EL 系列 EtherCAT 端子模塊?！八鼈兊臉藴史直媛释耆珴M(mǎn)足這一要求?！必撠煖y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(guò)應變片監測執行器是否能夠滿(mǎn)足最大作用力的要求。倍福的伺服驅動(dòng)器和 AX8000 多軸伺服系統用于驅動(dòng) 6 個(gè)六自由度平臺氣缸。同樣由 GTM 公司自主研發(fā)的動(dòng)力傳輸系統需要使用一臺減速機和一個(gè)螺桿驅動(dòng)器。因此，伺服電機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?！盡artin Eller 補充說(shuō)道。倍福的緊湊型多軸系統與 PC 控制器結合使用，并通過(guò) EtherCAT 實(shí)時(shí)同步傳輸測量數據，在這里也有幫助?！斑@樣可以簡(jiǎn)化我們的根據測量值控制所有驅動(dòng)器的任務(wù)?！盡artin Urbanski 強調說(shuō)道。

所選擇的控制架構對控制柜內的其它方面也產(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 和驅動(dòng)產(chǎn)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，使用基于不同供應商的伺服產(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?！备挥谜f(shuō)，不同的系統還涉及到大量的集成和工程工作。

GTM 憑借其多分量參考標準測量設備在計量學(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 導軌上，并可無(wú)縫集成到控制架構中

六自由度平臺的機電氣缸以及整個(gè)系統都由 GTM 自主研發(fā)，借助 AM8042 伺服電機以安靜、節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 給多分量測量設備頒發(fā)的官方認證證書(shū)