婁開(kāi)成，徐志鵬

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

伺服電動(dòng)缸是以伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)機(jī)械傳功機(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，與PLC等控制器結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)位置、推力及速度的精確控制，同時(shí)具有低噪聲、低振動(dòng)、高速、節(jié)能、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1-2].在工業(yè)自動(dòng)化、電子、汽車(chē)、國(guó)防軍工等領(lǐng)域，伺服電動(dòng)缸都發(fā)揮著重要的作用[3-4].

目前，對(duì)伺服電動(dòng)缸性能測(cè)試的深入研究還比較少，國(guó)內(nèi)許多廠家一般都由工程師手動(dòng)或者半自動(dòng)完成，且測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目較為單一，檢測(cè)效率較低，檢測(cè)結(jié)果不太理想[5-6].特別在加載裝置方面，大多使用重物加載或者彈簧牽引等被動(dòng)加載方式，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)整加載載荷[7].

為此，本文提出了一種基于液壓動(dòng)態(tài)加載的伺服電動(dòng)缸綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用比例溢流閥控制的液壓油缸進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載，采用工控機(jī)加凌華運(yùn)動(dòng)控制卡作為伺服電動(dòng)缸的驅(qū)動(dòng)單元，利用高精度拉繩傳感器以及力傳感器對(duì)電動(dòng)缸的輸出特性進(jìn)行檢測(cè).還開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW的上位機(jī)軟件與基于S7-1200 PLC的下位機(jī)軟件，從而實(shí)現(xiàn)了伺服電動(dòng)缸綜合性能的快速測(cè)試與結(jié)果分析.

1 測(cè)試系統(tǒng)的介紹

測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式分為單軸運(yùn)動(dòng)和雙軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)：1)加載缸和被加載缸分開(kāi)的時(shí)候，對(duì)被測(cè)缸按照測(cè)試需求進(jìn)行單軸運(yùn)動(dòng)；2)加載缸、被加載缸和拉壓力傳感器通過(guò)球鉸鏈連接在一起的時(shí)候，按照測(cè)試需求分別對(duì)加載缸和被加載缸進(jìn)行雙軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng).

測(cè)試系統(tǒng)主要是通過(guò)各種形式的運(yùn)動(dòng)對(duì)被測(cè)缸進(jìn)行行程、力、精度等項(xiàng)目的測(cè)試，根據(jù)安裝在測(cè)試臺(tái)上的拉繩位移傳感器以及拉壓力傳感器等檢測(cè)元件實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)對(duì)電動(dòng)缸的性能進(jìn)行評(píng)估.測(cè)試項(xiàng)目及需求如下：

1)行程測(cè)試. 最大行程測(cè)試通過(guò)測(cè)量伺服電動(dòng)缸從一個(gè)限位開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)至另一個(gè)限位開(kāi)關(guān)所經(jīng)過(guò)的距離來(lái)確定.電動(dòng)缸上裝配有推桿位置的反饋裝置，可實(shí)現(xiàn)最大行程的自動(dòng)測(cè)試.

2)定位精度測(cè)試. 該項(xiàng)目分為定位精度和重復(fù)定位精度.在上位機(jī)對(duì)電動(dòng)缸設(shè)定一定的速度，使得電動(dòng)缸重復(fù)做直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)定一個(gè)目標(biāo)位置，使得電動(dòng)缸每次運(yùn)動(dòng)到指定位置就記錄運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差.每次往同一個(gè)方向趨近，得到的多次測(cè)量結(jié)果為重復(fù)定位精度.

3)負(fù)載能力測(cè)試. 雙軸聯(lián)動(dòng)模式下，設(shè)定電動(dòng)缸的速度并啟動(dòng)，使加載缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)拉壓力傳感器上的力達(dá)到設(shè)定值后，同時(shí)保持加載狀態(tài)，維持加載力不變.

測(cè)試系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、PLC和相應(yīng)的傳感器組成.工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電動(dòng)缸進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)OPC通信的方式實(shí)現(xiàn)控制, 通過(guò)PLC采集力、位移信息反饋到上位機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；PLC作為下位機(jī)對(duì)檢測(cè)元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及對(duì)液壓缸進(jìn)行控制. 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、測(cè)試項(xiàng)目選擇、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示及監(jiān)控等功能.為實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的傳輸和通信，系統(tǒng)采用OPC通信方式.測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Structure diagram of control system

液壓加載系統(tǒng)是用于模擬伺服電動(dòng)缸在工作時(shí)所受的動(dòng)載荷，模擬負(fù)載采用液壓油缸對(duì)頂加載的方式實(shí)現(xiàn).在進(jìn)行力控制時(shí)候，采用PID控制的方式使液壓缸的輸出力能快速穩(wěn)定地跟蹤設(shè)定值.

液壓系統(tǒng)通過(guò)PLC對(duì)液壓缸的進(jìn)口或出口溢流閥的調(diào)節(jié)來(lái)完成對(duì)被測(cè)缸的加載.液壓泵3可通過(guò)主閥組向液壓缸提供油液，主閥組由1個(gè)電液換向閥5及2個(gè)疊加式雙單向節(jié)流閥6組成，電液換向閥控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和啟停，2個(gè)低壓球閥控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和帶載能力，通過(guò)壓力表14以及壓力傳感器15可得出液壓缸內(nèi)油壓從而判斷其運(yùn)動(dòng)方向.高壓濾油器設(shè)計(jì)在液壓泵的出油口，回油濾油器設(shè)計(jì)在系統(tǒng)回油處，泵的吸油口處需要設(shè)置吸油濾油器.力測(cè)試通過(guò)調(diào)節(jié)比例溢流閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬載荷大小的調(diào)節(jié)，拉壓力傳感器11顯示最終作用于被測(cè)電動(dòng)缸的的力大小.液壓加載系統(tǒng)的原理圖如圖2.

1-吸油濾油器；2-電機(jī)；3-液壓泵；4-回油濾油器； 5-電液換向閥；6-冷卻器；7-水槽；8-比例溢流閥； 9-單向閥；10-測(cè)試缸；11-拉壓力傳感器；12-加載缸；13-低壓球閥；14-壓力表；15-壓力傳感器；6-無(wú)簧單向閥圖2 液壓系統(tǒng)示意圖Figure 2 Hydraulic system schematic diagram

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于被測(cè)伺服電動(dòng)缸多支持脈沖方向控制，為此選用凌華MP-C152運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行伺服電機(jī)控制，其主要性能指標(biāo)如下：

1)2軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制，脈沖輸出頻率最高可達(dá)6.55 MHz；

2)2軸直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)，多軸連續(xù)插補(bǔ)；

3)28位加/減計(jì)數(shù)器，用于增量編碼器；

4)8個(gè)輸入接口， 8個(gè)輸出接口.

PLC采用西門(mén)子S7-1200用于液壓加載系統(tǒng)控制及傳感器信號(hào)采集，這是一款緊湊型、模塊化PLC，具有集成的PROFINET接口、強(qiáng)大的集成工藝和擴(kuò)展性等特點(diǎn)，提供14路數(shù)字輸入接口和10路數(shù)字輸出接口，集成50 kB工作寄存器和2 MB裝載存儲(chǔ)器.

位移傳感器采用美國(guó)MTS傳感器公司GP系列位移傳感器.參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 位移傳感器的主要性能參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中加載缸與被測(cè)缸之間的最大拉壓力為8 t(噸)，為確保量程的可靠性，選用杭州傳感器有限公司的CL-YB-13/30 t，該傳感器具有良好的自然線性，具有精度高，穩(wěn)定性好，抗偏性強(qiáng)和安全系數(shù)高等特點(diǎn).具體參數(shù)如表2.

表2 拉壓力傳感器的主要性能參數(shù)

被測(cè)電動(dòng)缸連接的電機(jī)為安川的型號(hào)為SGM7G-55A7C61電機(jī)，額定輸出功率為5.5 kW,最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min，電源電壓為為三相200 V.電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用安川的SGD7S-470A00型號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電源電壓為三相200 V.電機(jī)與被測(cè)缸之間通過(guò)一個(gè)減速機(jī)連接，減速機(jī)的減速比為50∶1,作用是減速增扭.

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件及算法

人機(jī)交互采用LabVIEW來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面.測(cè)試系統(tǒng)的界面如圖3，可以選擇電動(dòng)缸的測(cè)試類(lèi)型，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)視以及手動(dòng)調(diào)試，同時(shí)可根據(jù)需要保存數(shù)據(jù)并生成報(bào)表，數(shù)據(jù)結(jié)果還可通過(guò)圖表實(shí)時(shí)顯示.

圖3 測(cè)試系統(tǒng)主界面Figure 3 Main interface of test system

測(cè)試系統(tǒng)選用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)采集，選用運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制器，設(shè)定脈沖輸出方式和驅(qū)動(dòng)方式，調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的子VI即可進(jìn)行控制編程，同時(shí)，還可以用LabVIEW實(shí)現(xiàn)上位機(jī)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì).PC機(jī)與下位機(jī)PLC之間的通信采用OPC通信的方式.當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，會(huì)進(jìn)行一些列的初始化，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行.系統(tǒng)最開(kāi)始會(huì)進(jìn)行找零操作，待找零順利完成以后，選取需要測(cè)試的項(xiàng)目和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，在測(cè)試過(guò)程中，調(diào)用運(yùn)動(dòng)曲線實(shí)時(shí)顯示缸的位置以及受力大小曲線.其主程序如圖4.

圖4 測(cè)試系統(tǒng)主程序框圖Figure 4 Main program block diagram of test system main

PID控制器主要由比例、積分、微分三部分組成，按實(shí)際輸出與設(shè)定值兩者差值實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制[7].PID控制器的表達(dá)式如下式:

(1)

其中：u為控制器的輸出信號(hào)；e為給定值和實(shí)際值之間的偏差信號(hào);kp為比例增益；kt為積分增益；kD為微分增益.

此系統(tǒng)的PID控制程序框圖如圖5.液壓站定位控制系統(tǒng)采用臨界比例法，利用PLC內(nèi)部的PID功能整定參數(shù).測(cè)試過(guò)程中，PLC采集拉壓力傳感器信號(hào)，與設(shè)定值進(jìn)行比較得到e值,經(jīng)判斷若|e|>Δe，則執(zhí)行比例控制，使液壓缸迅速達(dá)到目標(biāo)值所在位置；當(dāng)|e|<Δe時(shí)，執(zhí)行PID控制器，保證最終液壓缸輸出的力滿(mǎn)足測(cè)試需求.

圖5 PID控制算法程序框圖Figure 5 Program block diagram of PID control algorithm

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為測(cè)試電動(dòng)缸的性能特性，搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖6.

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Figure 6 Photo of detecting system

按照測(cè)試項(xiàng)目要求，對(duì)電動(dòng)缸的行程、力、精度進(jìn)行測(cè)試.電動(dòng)缸選用行程600 mm,額定推拉力80 kN,減速比50，絲杠導(dǎo)程40，額定速度20 mm/s.位置精度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T17421.2-2000《機(jī)床檢驗(yàn)通則第2部分:數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》.

某一位置的單向平均位置片Xi,由n次單向趨近某一位置Pi所得的位置偏差的算術(shù)平均值.即

(2)

在某一位置的單向定位標(biāo)準(zhǔn)不確定度的估算值Si，即通過(guò)對(duì)某一位置Pi的n次單向趨近所獲得的的位置偏差標(biāo)準(zhǔn)不確定度的估算值.即

(3)

某一位置的單向重復(fù)定位精度Ri，由某一位置Pi的單向位置偏差的擴(kuò)展不確定度確定的范圍，覆蓋因子為2.即

Ri=4Si.

(4)

軸線單向定位精度A.即

A=Ri+2Si.

(5)

1)行程測(cè)試. 選用規(guī)格為600 mm電動(dòng)缸來(lái)回測(cè)試10次，并記錄每次測(cè)試行程，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3.

表3行程測(cè)試數(shù)據(jù)

Table 3 Data of different test time for displacement mm

次數(shù)實(shí)測(cè)值理論值絕對(duì)誤差相對(duì)誤差1599.9886000.0120.00202599.9756000.0250.00423599.9656000.0350.00584599.9666000.0340.00575599.9776000.0230.00386599.9766000.0240.00407599.9876000.0130.00228599.9816000.0190.00329599.9866000.0140.002310599.9836000.0170.0028

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，得到電動(dòng)缸的行程測(cè)量偏差最大為0.035 mm滿(mǎn)足偏差為0.01 mm級(jí)的要求.

2)精度測(cè)試. 精度測(cè)試主要是對(duì)電動(dòng)缸運(yùn)行至目標(biāo)位置時(shí)，進(jìn)行測(cè)試.設(shè)定目標(biāo)位置為300 mm，電動(dòng)缸來(lái)回運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置，記錄實(shí)際的位置位移大小，測(cè)試10次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4.

根據(jù)式(2)，(3)，(4)，計(jì)算得到被測(cè)缸的軸線定位精度為0.035 mm,重復(fù)定位精度為0.023 mm，滿(mǎn)足定位精度和重復(fù)定位精度達(dá)到0.01 mm級(jí)的要求.

表 4 精度測(cè)試數(shù)據(jù)

3)力測(cè)試. 使液壓缸輸出的力保持在80 kN，力的大小通過(guò)安裝在電動(dòng)缸與液壓缸之間的拉壓力傳感器讀出.記錄運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被測(cè)電動(dòng)缸的力大小，在電動(dòng)缸位移未發(fā)生改變的情況下，測(cè)試10次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5.

表5 力測(cè)試數(shù)據(jù)

從表5中可以得知，電動(dòng)缸均能達(dá)到80kN的負(fù)載能力.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套伺服電動(dòng)缸綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，配置液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)伺服電動(dòng)缸的行程測(cè)試、力測(cè)試及定位精度測(cè)試.實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能進(jìn)行比較完整的電動(dòng)缸性能測(cè)試，且操作簡(jiǎn)單方便.

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