劉 淼，白國(guó)振

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

蝸輪蝸桿傳動(dòng)是目前機(jī)械上常使用的傳動(dòng)方式之一，用以傳遞空間交錯(cuò)的兩軸之間的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)平穩(wěn)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用。但由于它的傳動(dòng)效率較低，且嚙合處有較大的滑動(dòng)速度，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦磨損，引起發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化，影響蝸輪蝸桿的使用壽命。因此，在產(chǎn)品投入使用之前，需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)確定其疲勞壽命。

1 蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)

蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。第1部分是與蝸桿連接的永磁同步電機(jī)1和扭矩傳感器，通過(guò)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速；扭矩傳感器用來(lái)測(cè)定蝸桿端（輸入端）的扭矩。第2部分是與蝸輪連接的交流異步電機(jī)2和扭矩傳感器，電機(jī)2作為模擬負(fù)載給蝸輪加載不同的扭矩；扭矩傳感器用來(lái)測(cè)定蝸輪端（加載端）的扭矩。第3部分是支架和連接件，支架用來(lái)固定支撐電機(jī)以及傳感器，聯(lián)軸器用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩［1-2］。

圖1 蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

2 西門(mén)子SIMOTION

西門(mén)子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)SIMOTION作為新型的控制系統(tǒng)，集運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制與工藝控制功能于一身，能夠最大程度簡(jiǎn)化工程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試時(shí)間，同時(shí)還能保證較高的循環(huán)率和最高的產(chǎn)品質(zhì)量。模塊化的設(shè)計(jì)順應(yīng)了模塊化機(jī)器概念的趨勢(shì)，使用PROFIBUS和PROFINET實(shí)現(xiàn)模塊之間的通信，使SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有更大的靈活性［3］。SIMOTION是一種簡(jiǎn)單，靈活的控制系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：降低工程造價(jià)，提高機(jī)械性能；獨(dú)立部件之間的接口對(duì)時(shí)間響應(yīng)的要求大為降低；整個(gè)機(jī)器具有簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、明晰的編程和診斷過(guò)程。

SIMOTION系統(tǒng)有硬件平臺(tái)、工程開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（SCOUT）以及實(shí)時(shí)軟件模塊3個(gè)組成部分：

a.硬件平臺(tái)。硬件平臺(tái)是SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。SIMOTION有3種硬件平臺(tái)，即基于控制器的SIMOTION C、基于PC的SIMOTION P和基于驅(qū)動(dòng)的SIMOTION D。每種硬件平臺(tái)都具有針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。而不同的硬件平臺(tái)也可組合在一起用于處理復(fù)雜的控制任務(wù)，這是SIMOTION的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的SIMOTION D，是集成在新的SINAMICS S120多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制模塊上，特別適合緊湊和模塊化設(shè)計(jì)。

b.工程開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。SCOUT是用于調(diào)試SIMOTION的工具軟件，可以完成運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制與工藝控制的工程開(kāi)發(fā)問(wèn)題以及驅(qū)動(dòng)器的組態(tài)與調(diào)試，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的調(diào)試、故障診斷等功能。

c.實(shí)時(shí)軟件模塊。這些模塊提供了眾多的運(yùn)動(dòng)控制以及工藝控制功能。用戶(hù)可以根據(jù)需要靈活地選擇合適的工藝對(duì)象，以滿(mǎn)足機(jī)器所需要的功能。

3 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)的功能需求，選擇西門(mén)子SIMOTION D425控制器以及SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器功率部分，確定試驗(yàn)臺(tái)的控制方案如圖2所示。

圖2 控制方案

系統(tǒng)主要包括以下幾部分：

a.控制模塊（D425）。作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的模塊。

b.電源模塊。選用智能電源模塊（SLM），作用是將三相交流電轉(zhuǎn)變成直流電，供給各電機(jī)模塊，并能將直流電回饋到電網(wǎng)，但直流母線(xiàn)電壓不能調(diào)節(jié)。

c.電機(jī)模塊（功率模塊）。即逆變單元，它將直流電逆變成三相交流電。作為伺服電機(jī)的供電電源；電機(jī)模塊A，B分別作為輸入端和加載端伺服電機(jī)的供電電源。

d.輸入端、加載端電機(jī)。選擇西門(mén)子伺服電機(jī)。

e.輸入端、加載端扭矩傳感器。選擇Kistler公司的扭矩傳感器［4］。

SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D425和驅(qū)動(dòng)器SINAMICS之間采用Drive-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達(dá)到適合于數(shù)據(jù)序列增長(zhǎng)（衰減）速度過(guò)慢的場(chǎng)合。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)功能需求

針對(duì)蝸輪蝸桿的試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容，對(duì)蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)提出了以下控制要求：

a.要求實(shí)現(xiàn)輸入端伺服電機(jī)給定位置（扭矩）曲線(xiàn)，同時(shí)加載端伺服電機(jī)給定扭矩（位置）曲線(xiàn)進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)。輸入端電機(jī)和加載端電機(jī)根據(jù)給定曲線(xiàn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同速度下的功能實(shí)驗(yàn)。

b.能通過(guò)PC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集，包括輸入端扭矩、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，加載端扭矩、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

c.能夠?qū)ι鲜鰠?shù)自由設(shè)置監(jiān)控極限，從而在預(yù)設(shè)的試樣件破壞時(shí)，試驗(yàn)運(yùn)行會(huì)自動(dòng)終止并保存當(dāng)前記錄數(shù)據(jù)。

4.2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用高可靠性的研華工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，下位機(jī)采用西門(mén)子SIMOTION D425運(yùn)動(dòng)控制器。上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用基于Windows的LabVIEW圖形化程序設(shè)計(jì)軟件，下位機(jī)由西門(mén)子SIMOTION SCOUT軟件控制，上位機(jī)和下位機(jī)的軟件之間采用OPC通訊協(xié)議。

上下位機(jī)之間對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，但對(duì)控制信號(hào)則采用一次性中斷通訊，這樣可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，控制信號(hào)按照需要進(jìn)行通訊。

系統(tǒng)通過(guò)SCOUT軟件將軸配置為標(biāo)準(zhǔn)+力軸的模式，這樣可通過(guò)指令來(lái)改變反饋為電機(jī)編碼器反饋或扭矩傳感器反饋，從而靈活地切換電機(jī)為位置閉環(huán)控制模式或扭矩閉環(huán)控制模式［5］。軟件里包含速度環(huán)和電流環(huán)2個(gè)輸出設(shè)定點(diǎn)，都為PI控制，并將輸出設(shè)定點(diǎn)設(shè)定在速度環(huán)前面。整個(gè)控制流程如圖3所示。

圖3 控制流程

試驗(yàn)臺(tái)主要使用SCOUT軟件的CAM曲線(xiàn)設(shè)定和控制程序編輯功能。SIMOTION工藝對(duì)象的同步運(yùn)行功能，提供了使用“控制工程”替代“剛性機(jī)械連接”的選項(xiàng)。CAM同步時(shí)，主軸與從軸的速度或位置關(guān)系可以是非線(xiàn)性的，這樣能夠減少速度變化對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊。SCOUT軟件自帶的凸輪文本輯器操作簡(jiǎn)單，可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定試驗(yàn)扭矩曲線(xiàn)和位置曲線(xiàn)。此外，CamTool還可以為SCOUT提供全圖形化的凸輪編輯及優(yōu)化工具。

控制程序包括運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制以及工藝控制3種。MCC（motion control chart）是圖形化的編程語(yǔ)言，適用于編寫(xiě)順序執(zhí)行的程序，主要用其編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制的程序。程序也可以用LAD及FBD編程，梯形圖直觀易懂、容易掌握，特別適用于邊沿觸發(fā)、二進(jìn)制數(shù)據(jù)處理等邏輯控制。ST語(yǔ)言是基于文本的類(lèi)似于Pascal的高級(jí)編程語(yǔ)言，對(duì)于復(fù)雜的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理及包含數(shù)學(xué)算法的運(yùn)動(dòng)控制，可用ST編程語(yǔ)言進(jìn)行編程。這3種編程方式均集成在SIMOTION SCOUT軟件中。

系統(tǒng)的軟件編程主要包括計(jì)算程序、運(yùn)動(dòng)控制程序。計(jì)算部分程序是由ST語(yǔ)言編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效控制，主要包括電源模塊上電的控制，凸輪曲線(xiàn)的讀取及計(jì)算等。運(yùn)動(dòng)控制部分的程序是用MCC語(yǔ)言進(jìn)行編程，主要包括電機(jī)的使能，凸輪曲線(xiàn)的同步運(yùn)行，故障診斷報(bào)警，軸的停止等。

LabVIEW通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集所需的各路數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

上位機(jī)使用LabVIEW編寫(xiě)的軟件，通過(guò)OPC與D425進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的控制功能，試驗(yàn)曲線(xiàn)的設(shè)定和傳輸，以及各路數(shù)據(jù)信號(hào)的同步采集、處理和顯示輸出［6］。

輸入端和輸出端的2個(gè)扭矩傳感器所采集的實(shí)時(shí)扭矩信號(hào)和編碼器采集的位置信號(hào)，由NI-PCI6259數(shù)據(jù)采集卡以模擬量信號(hào)采集，通過(guò)上位機(jī)的Lab-VIEW軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以曲線(xiàn)形式顯示出來(lái)。

5 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控實(shí)驗(yàn)

使用編寫(xiě)的LabVIEW程序?qū)ξ佪單仐U試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。通過(guò)上位機(jī)控制面板，進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的配置以及加載曲線(xiàn)的設(shè)定和傳輸，設(shè)定了位置和扭矩同步曲線(xiàn)。其中，位置曲線(xiàn)是以某恒定速度到達(dá)正向目標(biāo)位置，然后以同樣速度反向到達(dá)反向目標(biāo)位置，最后回到初始位置；加載曲線(xiàn)是力的方向與速度相反的分段曲線(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，上位機(jī)通過(guò)采集卡同步采集實(shí)際位置曲線(xiàn)和扭矩曲線(xiàn)信號(hào)并顯示。測(cè)得的實(shí)際位置曲線(xiàn)與設(shè)定位置曲線(xiàn)一致，實(shí)際采集到扭矩曲線(xiàn)波動(dòng)范圍為±2N·m，說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，能夠?qū)υO(shè)定的扭矩和位置曲線(xiàn)進(jìn)行同步加載并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，基本滿(mǎn)足了試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)方案是可行的。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用西門(mén)子SIMOTION D，設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)控系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)要求，且可靠性高，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行效果好。

［1］廖抒華，王金波，張寶霞，等.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)向阻力模擬研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.上海汽車(chē)，2009（10）：33-35.

［2］李 芹，劉 平，何代華，等.蝸輪蝸桿試驗(yàn)臺(tái)疲勞測(cè)試及控制系統(tǒng)仿真［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（12）：3154-3157.

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［5］梁偉強(qiáng).電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)發(fā)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（7）：68-70.

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