楊健楊先勇

（1.合肥京東方光電科技有限公司自動化技術(shù)部，安徽合肥230011；2.東南大學(xué)自動化學(xué)院控制工程，江蘇 南京 210096）

基于Servo Amplifier驗(yàn)證走行輪可行性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊健1，2楊先勇1

（1.合肥京東方光電科技有限公司自動化技術(shù)部，安徽合肥230011；2.東南大學(xué)自動化學(xué)院控制工程，江蘇 南京 210096）

在現(xiàn)代工廠生產(chǎn)中，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性對于整個工廠生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義。而如何去確定某種新型替代產(chǎn)品的材料的穩(wěn)定性不僅僅要從理論上的數(shù)值指標(biāo)去評價，更為有效直觀的是通過某種方式去模擬現(xiàn)場生產(chǎn)條件而估算出其壽命以及其可行性。針對此種情況，設(shè)計(jì)出可驗(yàn)證走行輪材料可行性的系統(tǒng)。首先，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，機(jī)械方面利用千斤頂施壓模擬RM車身自重，直線走行軌道則利用鋁制輪弧形運(yùn)動模擬實(shí)際情況下的直線運(yùn)動，電氣控制方面在綜合考慮成本的前提下使用無上位機(jī)的Servo Amplifier驅(qū)動電機(jī)周期性的變速模擬RM實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。最后通過測量運(yùn)行之后的溫度、硬度以及磨損狀況去評價判定替代走行輪材料的可行性。

工程應(yīng)用；驗(yàn)證系統(tǒng)；模擬測試；走行輪替代材料；伺服放大器（Servo Amplifier）

0 引言

驗(yàn)證可行性系統(tǒng)普遍存在于社會的各個環(huán)節(jié)及領(lǐng)域，已逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)。

在現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)，尤其是制造業(yè)大量生產(chǎn)中，設(shè)備由于長時間處于工作狀態(tài)，嫁動率很高，不可避免的會出現(xiàn)由于疲勞性損傷而導(dǎo)致的設(shè)備老化，進(jìn)而面臨的就是高額的原品牌的備品費(fèi)用。因而選擇原品牌的替代品就顯得十分重要。在這樣的背景下，就必須找到通過某種模擬現(xiàn)實(shí)情況的系統(tǒng)去評價替代品材料的可行性。

經(jīng)過考察研究發(fā)現(xiàn)，很多工廠出現(xiàn)走行輪車轂與聚氨脂彈性體（外部輪胎的主要材料）剝離的情況，結(jié)合目前國內(nèi)聚氨脂彈性體生產(chǎn)廠家的狀況，很多廠家并未生產(chǎn)過類似走行輪，無相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告予以評估，故在這種背景下，本文提出可以驗(yàn)證走行輪替代的替代品以及節(jié)省成本方面有著十分積極重要的作用。同時，也可為以后工廠出現(xiàn)類似的問題提供強(qiáng)有力的技術(shù)驗(yàn)證支持。

1 聚氨酯特點(diǎn)

聚氨酯全稱是聚氨基甲酸脂，大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)中涉及到的走行輪均采用此種材料，主要優(yōu)點(diǎn)如下：①卓越的耐磨性能，其耐磨性能是普通橡膠的3～10倍；②優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、抗撕裂強(qiáng)度等力學(xué)性能大大優(yōu)于普通橡膠；③具有較寬的硬度適應(yīng)范圍，可在較寬的硬度范圍內(nèi)保持較高的彈性；④具有較寬的模量范圍，其模量介于普通橡膠和塑料之間。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以現(xiàn)實(shí)工廠生產(chǎn)中的自動搬運(yùn)系統(tǒng)中的RM的運(yùn)行為模擬對象，以Servo Amplifier為主驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)完成對現(xiàn)場運(yùn)行狀況的模擬。主要思路是將在空間上無限的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為空間上有限的可以操作的圓周往復(fù)運(yùn)動，并配合千斤頂模擬RM車身自重。

（1）系統(tǒng)總體布局概要。該系統(tǒng)總體布局如圖1所示，總體分為機(jī)械設(shè)計(jì)部分與電氣控制設(shè)計(jì)部分。

圖1　系統(tǒng)總體布局圖Fig.1 Overall layout of system

（2）系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)部分。機(jī)械部分詳細(xì)如圖2所示，依據(jù)現(xiàn)場模型為例，電機(jī)選用精度較高的HF-SP502BJ，減速機(jī)選用VRGF-15F230-5000，同時為了保證電機(jī)減速機(jī)與鋁制輪的軸能夠保持在同一高度，需要在電機(jī)減速機(jī)側(cè)安裝支撐架，此處需要較高安裝精度，否則不利于后期測試。

圖2　系統(tǒng)機(jī)械布局圖Fig.2 Mechanic layout of system

由于場地限制，將現(xiàn)場走行輪與走形導(dǎo)軌的直線運(yùn)動，改為鋁制輪與聚氨酯輪相向?qū)斝D(zhuǎn)運(yùn)動，如圖3所示。對頂則利用帶有示數(shù)的千斤頂施加壓力。

圖3　運(yùn)動狀態(tài)模擬轉(zhuǎn)化Fig.3 Motion state simulate conversion

為了可以使千斤頂施加不同的壓力，則固定聚氨酯輪（即需驗(yàn)證可行性的走行輪）的軸必須可移動，因而在軸承端蓋處的緊固螺栓必須可移動。

模擬RM本身自重方面，使用帶壓力表的千斤頂，給聚氨酯輪施加相當(dāng)?shù)膲毫Γ?.5T），模擬現(xiàn)場走行輪所承受的自重。由于實(shí)際工況是走行輪與直線軌道接觸，而實(shí)驗(yàn)時改成走行輪與鋁制輪相向?qū)斝D(zhuǎn)，如果載荷相同，那么聚氨脂走行輪最大應(yīng)力是不一樣的，會產(chǎn)生一定的誤差，所以需要進(jìn)行一定的換算。根據(jù)彈性力學(xué)中赫茲公式：

式中：F—作用于接觸面上的總壓力；B—初試接觸長度；ρ1和ρ2—分別為零件1和零件2初試接觸線處的曲率半徑，通常，令，稱為綜合曲率，而ρZ=稱為綜合曲率半徑，其中正號用于外接觸，負(fù)號用于內(nèi)接觸；μ1和μ2—分別為零件1和零件2材料的泊松比（Poisson Ratio）；E1和E2—分別為零件1和零件2材料的彈性模量。利用上述公式，假設(shè)實(shí)際運(yùn)行時的RM的走行輪的最大應(yīng)力為σ1，而在該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)下的走行輪的最大應(yīng)力為σ2，則：

式中ρ1、ρ3—聚氨脂走行輪接觸處的曲率半徑；ρ2—直線導(dǎo)軌接觸處曲率半徑；ρ4—實(shí)驗(yàn)鋁制輪接觸處曲率半徑。其中，鋁制輪的直徑為300mm，而聚氨酯輪的直徑為400mm。由于ρ2→∞，令σ1=σ2，ρ1=ρ3則：

即應(yīng)當(dāng)給千斤頂施加8.2MPa的壓強(qiáng)。

（3）系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)部分。在系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)方面，在不連接上位機(jī)的情況下選用MR-J3-500B-KJ056，直接驅(qū)動伺服電機(jī)帶動鋁制輪運(yùn)動。同時，正常工作情況下用DC24V電源解開伺服電機(jī)抱閘，Servo Amplifier選用制動電阻MR-RB50，其余電氣接線如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)圖Fig.4 Electronic layout of system

在控制電機(jī)動作時，采用MR-Configurator Setup221軟件進(jìn)行控制。Test模式中，Jog為單步運(yùn)行模式，可以進(jìn)行簡單的速度、脈沖，加減速時間等有限固定的單步動作；Position模式中，可以完成一次簡單的加速和減速、正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的過程；而在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中則需要使用Test選項(xiàng)中的Demo模式，在此模式下可進(jìn)行編程操作，伺服放大器按照編程的語句順序執(zhí)行指令，從而驅(qū)動伺服電機(jī)完成想要的動作。

如圖5所示為測試時實(shí)驗(yàn)輪的運(yùn)動曲線，設(shè)計(jì)其模擬現(xiàn)場實(shí)際情況為一個周期內(nèi)4.2s加速至2500r/min，勻速運(yùn)動6.6s后，至第15s減速至0，再停止15s。

圖5　實(shí)驗(yàn)走行輪速度曲線Fig.5 Speed graph of test travelling wheel

計(jì)算一個循環(huán)過程中所需加的脈沖數(shù)，伺服放大器分辨率為131072 Pulse。勻速過程中的脈沖數(shù)為：

兩段勻變速過程中的脈沖數(shù)為：

所以總脈沖數(shù)P=P1+P2=58982400Pulse。再計(jì)算一個循環(huán)過程中實(shí)驗(yàn)輪的里程數(shù)，減速機(jī)減速比為15，鋁制輪直徑為0.3m，一般走行輪壽命里程數(shù)為20000000m則：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中選用三種不同材料制作的的走行輪，走行輪A（主要材料為PPDI），走行輪B（主要材料為TDI與MDI的混合物），走行輪C（主要材料為普通輪胎人工橡膠與天然橡膠的混合物）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。因而綜合來看，選用走行輪B，MDI與TDI的混合物作為替代品最佳。

表1　三種不同材質(zhì)走行輪實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對比Tab.1 Travelling wheel date comparison of three kinds of different materials

在后期針對走行輪B進(jìn)行長期運(yùn)行測試中，也證實(shí)了該材料在各關(guān)鍵參數(shù)方面有著較高的穩(wěn)定性。表2為后期單獨(dú)長期測試中的各數(shù)據(jù)指標(biāo)。從以上分析表格數(shù)據(jù)中可以看出，從設(shè)備安全運(yùn)行角度以及成本控制角度綜合考慮，選用走行輪B是最優(yōu)選擇。

表2　走行輪B（TDI、MDI混合物材料）測試結(jié)果Tab.2 Test result of travelling wheel B

4 結(jié)束語

為了解決各種替代品在能否可以穩(wěn)定運(yùn)行在原工作環(huán)境而又不能直接替換嘗試的情況下，建立起一套模擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)行的系統(tǒng)是有效而又必要的。能夠快速而又準(zhǔn)確的找到穩(wěn)定可靠的替代品對于現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)有著十分重要的意義。另外，該可行性驗(yàn)證系統(tǒng)是以具體實(shí)例為例給出的設(shè)計(jì)方案，針對類似的相關(guān)情況可以將系統(tǒng)稍加改裝即可完成可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的目的。

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Design and Implementation of the Feasibility Verification of Travelling Wheel System Based on Servo Amplifier

YANG Jian1，2，YANG Xian-Yong1
（1.Hefei BOE Optoelectronics Technology Co.，Ltd.，Department of Automation Technology，Hefei Anhui 230011，China；2.Southeast University，College of Automation，Control Engineering，Nanjing Jiangsu 210096，China）

In modern factory production，the reliability of equipment stable has a crucial importance to entire factory production.How to determine and evaluate the stability of a new alternative product materials，not only from the theoretical value，more effective and intuitive solution is to simulate field product conditions in a good way.So it is essential to Design a system of verifiable travelling wheel material feasibility.Firstly，according to the actual situation，Simulating the body weight of RM by jack in mechanical，and simulating the traveling straight track linear motion by arc motion of aluminum wheel.Secondly，in electric control aspect，for considering the costs，Using servo amplifier to drive servo motor without PC to simulate the actual motion state of RM.Finally，it is determined and evaluated the feasibility of alternative travelling wheel by the measurement of temperature，hardness and damaged condition.

engineering applications；verification system；simulation test；traveling wheel alternative materials；servo amplifier

TB24

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-064-03

2015-01-06

楊?。?988-），男，安徽淮南人，在讀碩士研究生，工程師。研究方向：電氣工程，控制工程；楊先勇（1986-），男，安徽六安人，學(xué)士，工程師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用。