多維力傳感器校準被公認為是測量技術領域中的“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化方案都是獨一無二的。基于 PC 的控制技術、EtherCAT 和伺服驅動器通過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。
在多分量校準方面，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 認證的多分測量技術實驗室。自那時起，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，而且還提供多分量傳感器校準服務。有兩種可能性：非常精確確定每個分量的力的大小；另一方面，只是盡可能地精確評估如力作用點、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，并成為一種行業標準。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，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 已經憑借其測量設備攻克了一個又一個計量學技術難題。這是因為所有現有的多分量校準方法無論是在可實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。“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。關于測量設備的討論早在 2016 年年中就開始了，當時客戶對多分量校準的服務需求激增，因此無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校準非常耗時：必須將校準對象精確地安裝在測量設備中，并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 說道。新測量設備顯著減少了校準時間，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校準過程。“由于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范圍：為校準對象提供了真實的、面向應用的安裝條件。“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。”測量系統組長兼工程責任設計師 Martin Eller 說道。
六自由度平臺的機電氣缸以及整個系統都由 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 在測量不確定度方面也實現了新的突破。“我們位于校準層級的頂端，經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。測量設備可以精確測量 2...50 kNm 范圍內的扭矩。“唯有使用單軸測量設備才能實現如此大的測量范圍以及如此低的測量不確定度。”Martin 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鍵性指標。測量設備的核心是三個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。新的測量設備還專門配備了高精度 K 系列力傳感器。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，如包含控制系統的六自由度平臺。“我們最初的計劃是直接購買機械部件，但最后我們不得不自己開發。倍福基于 PC 的高性能控制和驅動平臺，能夠將各種精密測量電子元件集成于一體。”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 多軸伺服系統和 AM8042 伺服電機驅動的六個螺桿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制造公差提供了基礎。“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，評估飛機改裝后的效果。”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后的運行效率。這同樣適用于風機的轉子葉片、船舶推進系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制的創新和引領潮流的多分量測量解決方案，只此一款。”Daniel Schwind 強調道。
校準取決于整個測量鏈
測量設備的校準順序是裝載、卸載、修改負載、設置測量范圍以及重復測量，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制測量設備。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臺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，并可無縫集成到控制架構中。
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后，并將它們用于這個要求嚴格的校準系統。”ELM3504 高端測量端子模塊面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 系列力傳感器結合使用的測量鏈。“我們在將倍福端子模塊與我們的高精度力傳感器結合使用后，發現在我們校準實驗室的環境條件下，端子模塊的精度表現比數據表中規定的精度高得多。”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范要求，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，用于記錄通過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。“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 多軸伺服系統用于驅動 6 個六自由度平臺氣缸。同樣由 GTM 公司自主研發的動力傳輸系統需要使用一臺減速機和一個螺桿驅動器。因此，伺服電機的體積雖然相對較小，卻可以產生很大的力和扭矩，“并且精度也非常高。”Martin Eller 補充說道。倍福的緊湊型多軸系統與 PC 控制器結合使用，并通過 EtherCAT 實時同步傳輸測量數據，在這里也有幫助。“這樣可以簡化我們的根據測量值控制所有驅動器的任務。”Martin Urbanski 強調說道。
所選擇的控制架構對控制柜內的其它方面也產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 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，使用基于不同供應商的伺服產品和測量產品的控制解決方案，我們需要安裝三個控制柜。”更不用說，不同的系統還涉及到大量的集成和工程工作。
關于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術的德資企業，創立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產的工業 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、相互兼容的控制系統，可為各個工控領域提供開放式自動化系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，加上全球的合作伙伴，業務遍及 70 多個國家和地區。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶于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于風力發電、半導體、光伏太陽能、電子制造、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 實時工業以太網于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設指南》。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。倍福基于 PC 的控制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 和智能制造奠定了堅實的技術基礎。
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