辛大欣　何　壘　劉少貞

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710021)

電動(dòng)缸缸體性能測試系統(tǒng)的研究

辛大欣何壘劉少貞

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021)

摘要為了提高對電動(dòng)缸缸體性能測試的準(zhǔn)確性,通過對電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)形式和過程的深入研究,設(shè)計(jì)出一套以PC機(jī)為上位機(jī),美國NI運(yùn)動(dòng)控制卡作為核心控制器,高精度的光柵尺傳感器和拉壓力傳感器為檢測裝置的電動(dòng)缸缸體性能測試系統(tǒng)。系統(tǒng)使用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)過程的控制,PID控制算法相比其他算法具有原理相對簡單,使用方便,適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠保證測試項(xiàng)目的順利完成。系統(tǒng)的軟件是使用LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的,使用LabVIEW進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)相對簡單、方便,可以提高工作效率。在測試過程中實(shí)時(shí)獲取安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上測試元件的相關(guān)數(shù)據(jù),保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中,并且圖形化顯示在軟件界面上。技術(shù)工程師可以對存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,然后根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)對電動(dòng)缸缸體的性能作出定性和定量的分析。

關(guān)鍵詞電動(dòng)缸缸體; LabVIEW; NI運(yùn)動(dòng)控制卡; PID控制算法

Class NumberTP391

1引言

電動(dòng)缸通常主要由電機(jī)、傳送帶/減速器、缸體三部分構(gòu)成[1]。以伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源,通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)并提供精確定位的裝置[2]。電動(dòng)缸具有伺服電機(jī)的精確位置控制、精確速度控制以及精確推力控制的優(yōu)勢,在機(jī)械自動(dòng)化、電子、汽車等領(lǐng)域,電動(dòng)缸都有著廣泛的應(yīng)用[3～4]。

隨著電動(dòng)缸的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,對電動(dòng)缸的性能要求越來越高[5],并且提出了新的要求。缸體作為電動(dòng)缸的重要組成部分,相應(yīng)得對缸體的性能要求也有了很大程度的提高。目前國內(nèi)對電動(dòng)缸缸體所做的研究性工作較少。為提高電動(dòng)缸缸體的性能從而促進(jìn)電動(dòng)缸的發(fā)展,對電動(dòng)缸缸體的性能進(jìn)行測試尤為重要,只有通過反復(fù)測試才可以進(jìn)一步改進(jìn)其性能。在測試方面,國內(nèi)還沒有比較成熟、高效的測試系統(tǒng)?，F(xiàn)在大部分都由工程師手動(dòng)或半自動(dòng)完成,而且測試不全面,這就造成了測試工作操作困難,浪費(fèi)了大量時(shí)間與精力,且測試結(jié)果不太理想。針對上述現(xiàn)狀為提高電動(dòng)缸缸體的測試自動(dòng)化程度、全面性和精度,并使測試平臺(tái)更具有靈活性、準(zhǔn)確性,本文提出基于美國NI運(yùn)動(dòng)控制卡和PC機(jī)的測試平臺(tái)的研究,采用高精度光柵尺傳感器進(jìn)行定位,測試項(xiàng)目包括單軸測試項(xiàng)目和雙軸測試項(xiàng)目。在運(yùn)動(dòng)過程中使用PID控制算法[6],PID控制算法應(yīng)用廣泛,并且已經(jīng)十分成熟,具有適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7],能夠保證測試項(xiàng)目的順利完成。

2電動(dòng)缸缸體測試系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)類型主要有兩類: 1) 加載缸和被測缸分開,分別進(jìn)行各種形式的單軸運(yùn)動(dòng)。 2) 加載缸和被測缸之間通過球鉸鏈和拉壓力傳感器連接在一起,進(jìn)行各種形式的雙軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)的功能是通過各種形式的運(yùn)動(dòng)對被測缸進(jìn)行一些項(xiàng)目的測試,根據(jù)在測試過程中通過安裝在半實(shí)物作動(dòng)系統(tǒng)上的光柵尺位移傳感器、拉壓力傳感器等測試元件實(shí)時(shí)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)對缸體的特性做出定性和定量的分析。測試項(xiàng)目包括:行程、靜態(tài)特性、輸出力、動(dòng)態(tài)特性等。其中行程包括機(jī)械行程和工作行程;靜態(tài)特性包括極性、位置控制精度、回中位置精度;輸出力包括最大輸出力、承載力;動(dòng)態(tài)特性包括階躍響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)延、頻率響應(yīng)。

2.1系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)行一系列的初始化,如電機(jī)的運(yùn)行模式、前軟限位、后軟限位、PID參數(shù)等,并對電機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢查,從而保證整個(gè)測試系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。系統(tǒng)進(jìn)行項(xiàng)目測試之前,必須首先進(jìn)行找零運(yùn)動(dòng)。找零運(yùn)動(dòng)順利完成之后,進(jìn)行測試項(xiàng)目的選取和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,在測試過程中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)曲線圖形化顯示和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指示燈的形式顯示。其主流程圖如圖1所示。

2.2基于LabVIEW的數(shù)據(jù)庫操作

程序員在使用LabVIEW[8]設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)一些領(lǐng)域如測試、測量領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用程序時(shí),常常需要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、刪除等操作,使用數(shù)據(jù)庫可以高效的完成對數(shù)據(jù)進(jìn)行的這一系列操作。NI為LabVIEW程序員提供了一個(gè)專門的數(shù)據(jù)庫鏈接(Database Connectivity)工具包,工具包的VI在LabVIEW后面板的“互連接口”中的“Database”子選板中,借助工具包中的VI實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、刪除等操作[9]。

圖1　測試系統(tǒng)主程序流程圖

2.2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

在測試過程中通過安裝在試驗(yàn)單元上的光柵尺位移傳感器、拉壓力傳感器等測試元件實(shí)時(shí)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù),存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫[10]中。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)以月為單位建立數(shù)據(jù)庫中的表,即每個(gè)月建立一個(gè)表,把相同月份內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)表中。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)程序流程如圖2所示。存儲(chǔ)到表中試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖2　存儲(chǔ)數(shù)據(jù)程序流程圖

圖3　存儲(chǔ)在表中試驗(yàn)的數(shù)據(jù)

2.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查詢

在已經(jīng)建立的Access數(shù)據(jù)庫中對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,數(shù)據(jù)表名為“數(shù)據(jù)查詢”,首先根據(jù)試驗(yàn)的日期、試驗(yàn)類型查詢出相應(yīng)的試驗(yàn)編號(hào),然后再根據(jù)試驗(yàn)編號(hào)查詢出具體的所需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù),顯示出相應(yīng)的具體數(shù)據(jù)或者曲線,然后技術(shù)工程師根據(jù)所查詢的數(shù)據(jù)和顯示的曲線對電動(dòng)缸性能進(jìn)行分析。查詢操作界面(查詢結(jié)果以圖形的形式顯示)如圖4所示。

當(dāng)按下“查看數(shù)據(jù)波形圖”按鈕時(shí),查詢結(jié)果以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行顯示,顯示結(jié)果如圖5所示。

2.2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)的刪除

由于Access數(shù)據(jù)庫容量的限制,隨著試驗(yàn)的長期進(jìn)行,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不斷增加,可能會(huì)超出數(shù)據(jù)庫的最大容量,所以需要對沒有意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。刪除時(shí)選擇相應(yīng)的時(shí)間(xxxx年xx月),與數(shù)據(jù)庫中表的名稱相對應(yīng),可把本月所做試驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)刪除。刪除數(shù)據(jù)的相關(guān)程序如圖6所示。

圖4　查詢操作界面(查詢結(jié)果以圖形的形式顯示)

圖5　查詢操作界面(查詢結(jié)果以數(shù)據(jù)的形式顯示)

圖6　刪除數(shù)據(jù)的相關(guān)程序

3電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)控制算法

系統(tǒng)無論是單軸運(yùn)動(dòng)還是雙軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng),都采用常規(guī)PID運(yùn)動(dòng)控制算法對伺服電機(jī)進(jìn)行控制,以保障測試過程的順利進(jìn)行。

PID控制就是按實(shí)際輸出與設(shè)定值兩者差值的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)對系統(tǒng)的輸出進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制[7]。PID控制器主要由三部分組成,分別為比例單元(P)、積分單元(I)、微分單元(D),這三部分對被控對象控制作用的關(guān)系是關(guān)聯(lián)的。采用傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)控制原理如圖7所示,圖中r(t)表示給定值、e(t)表示實(shí)際輸出與設(shè)定值的差、u(t)表示PID控制器輸出值、y(t)表示實(shí)際輸出值。

圖7　采用傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)控制原理

PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

4測試系統(tǒng)人機(jī)交互界面

人機(jī)交互采用LabVIEW來設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。上位機(jī)控制系統(tǒng)界面如圖8所示,可以選擇電動(dòng)缸的測試類型,設(shè)置相應(yīng)運(yùn)動(dòng)類型的參數(shù)。在電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)曲線,并且相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到ACCESS數(shù)據(jù)庫中,以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖8　測試系統(tǒng)主界面

5結(jié)語

本系統(tǒng)通過各種形式的運(yùn)動(dòng)可以對電動(dòng)缸的性能作出更加全面的測試,并且采用PID控制算法對運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到較大的增強(qiáng),提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量,提高對電動(dòng)缸性能測試的準(zhǔn)確性。人機(jī)交互采用LabVIEW來設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面,過程相對較易實(shí)現(xiàn),操作簡單明了。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 唐英.電動(dòng)缸的傳動(dòng)和受力分析[J].重型機(jī)械科技,2007,4:10-11,14.

TANG Ying. The transmission of electric cylinder and force analysis[J]. Journal of Heavy Machinery Science and Technology,2007,4:10-11,14.

[2] 閆飛飛,石春,吳剛,等.基于PLC和觸摸屏的電動(dòng)缸自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2010,38(41):38-40.

YAN Feifei, SHI Chun, WU Gang, et al. Electronic cylinder automatic test system based on PLC and touch screen design[J]. Journal of Machine Tools and Hydraulic,2010,38(14):38-40.

[3] Lin F J, Wai R J. Hybird control using recurrent fuzzy neural network for linear induction motor servo drive[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems,2001,9(1):102-115.

[4] Zhang Y, Cai M Kong D. Overall Energy Efficiency of Lubricant-Injected Rotary Screw Compressors and Aftercoolers[C]//Power and Energy Engineering Conference, 2009, APPEEC 2009, Asia-Pacific, 27-31 March 2009.[S.I.]: Institute of Electric and Electronic Engineers,2009:1-5.

[5] 陳超,趙升噸,崔敏超,等.電動(dòng)缸的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)械傳動(dòng),2015,3:181-186.

CHEN Chao, ZHAO Dunsheng, CUI Minchao, et al. The present situation and the development trend of the electric cylinder[J]. Journal of Mechanical Transmission,2015,3:181-186.

[6] 李科.溫控系統(tǒng)的智能PID控制算法研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

LI Ke. Research of temperature control system of intelligent PID control algorithm[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2006.

[7] 雷蓓蓓.汽車磁流變半主動(dòng)懸架的智能控制方法研究[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2015.

LEI Beibei. The intelligent control method research on vehicle semi-active suspension based on magnetorheological damper[D]. Xi’an: Xi’an Technological University,2015.

[8] National Instruments. LabVIEW User Manual,2000.

[9] 李東.基于網(wǎng)絡(luò)化的放大變換電路測試系統(tǒng)[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2015.

LI Dong. Enlarge transform circuit testing system based on network[D]. Xi’an: Xi’an Technological University,2015.

[10] 來永斌.Access數(shù)據(jù)庫在CA軸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械,2004(2):118-119.

LAI Yongbin. Access database using in the application of CA shaft design[J]. Journal of Machine,2004(2):118-119.

[11] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2007:99-102.

HU Shousong. Principle of automatic control[M]. Beijing: Science Press,2007:99-102.

[12] 劉士榮.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:52-57.

LIU Shirong. System of computer control[M]. Beijing: Mechanical Industry Press,2008:52-57.

Testing System of Electric Cylinder Body Performance

XIN DaxinHE LeiLIU Shaozhen

(School of Electrical Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractIn order to improve the accuracy of electric cylinder body performance test, based on the in-depth study of electric cylinder movement form and process, a set of electric cylinder body performance testing system is designed that PC as upper machine, the NI motion control card as the core controller, high precision grating ruler sensor and pressure sensor as detecting devices. In the process of movement the system uses conventional PID control algorithm to control the movement of electric cylinders. Compared with other algorithm, the conventional PID control algorithm is simple relatively, easy to use, and can guarantee that the test project is finished smoothly. The software of the system is designed and implemented by LabVIEW, using LabVIEW to design the program is relatively simple and convenient, can improve efficiency. In the process of movement the system acquires the relevant data of test components that installed on the test platform real-time, the data is saved in the corresponding database, displayed on the software at the same time. The technical engineers can query related test data that stored in the database, and then the electric cylinder body qualitatively and quantitatively according are analyzed to the obtained experimental data.

Key Wordselectric cylinder body, LabVIEW, NI motion control card, PID control algorithm

收稿日期:2015年12月17日,修回日期:2016年1月27日

作者簡介:辛大欣,男,碩士,副教授,研究方向:人工智能、計(jì)算機(jī)控制。何壘,男,碩士研究生,研究方向:計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。

中圖分類號(hào)TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.022