摘要：針對企業(yè)中電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)測試過程中對中安裝勞動(dòng)強(qiáng)度高且效率低下的問題，探討了一種全閉環(huán)伺服控制驅(qū)動(dòng)的半自動(dòng)化軸對中方法?；谠搶χ蟹椒ㄔO(shè)計(jì)制造了一種適用于微型、小型電機(jī)測試的設(shè)備，在此設(shè)備上反復(fù)進(jìn)行被測試電機(jī)的對中安裝試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種對中安裝方案對降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率的有效性。

關(guān)鍵詞：軸心對中；交流伺服驅(qū)動(dòng)；全閉環(huán)控制；試驗(yàn)裝置

中圖分類號：TP791 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0055-03

在電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)中，成品電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)作出廠試驗(yàn)，定型產(chǎn)品作定期的型式試驗(yàn)抽檢，均會(huì)碰到在試驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)架上安裝被測產(chǎn)品的問題。以電機(jī)產(chǎn)品檢測為例，按傳統(tǒng)操作方法，檢驗(yàn)人員先安裝好負(fù)載機(jī)，然后借助夾具固定安裝被測電機(jī)及傳感器，由于必須將電機(jī)軸與負(fù)載機(jī)軸對中或?qū)鞲衅鬏S與負(fù)載機(jī)軸對中達(dá)到一定精度（有些情況下對中精度要求還非常高），安裝過程中便會(huì)不斷的人工調(diào)節(jié)電機(jī)、傳感器的位置，特別是在夾具制造偏差較大時(shí)，調(diào)節(jié)過程反復(fù)多次也不能達(dá)到目的，還需不斷塞墊薄銅片來彌補(bǔ)誤差，這個(gè)過程既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，但效果往往還不好，遇到小批量多品種試驗(yàn)時(shí)情況尤為嚴(yán)重，操作人員苦不堪言。

一個(gè)自然的想法是：能否將此對中安調(diào)過程電動(dòng)化甚至于自動(dòng)化呢？目前電動(dòng)化的由按鈕點(diǎn)動(dòng)操控的試驗(yàn)裝置已經(jīng)在一些企業(yè)試用中，然而自動(dòng)化的尚沒有。本文探討了一種基于伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸對中自動(dòng)化方案，對于其中中低精度大范圍輸運(yùn)對中的方案在一款適用于微型、小型電機(jī)批量測試的試驗(yàn)設(shè)備上予以實(shí)現(xiàn)。如圖1、2所示。

1 基于PMSM伺服驅(qū)動(dòng)的一種自動(dòng)化軸對中定位方法

以電伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸心自動(dòng)對中，可以采用的方案和策略很多，我們設(shè)計(jì)了一種電機(jī)試驗(yàn)的裝置，如圖3為示意圖。該裝置主體基于一種三坐標(biāo)定位安裝試驗(yàn)臺(tái)架，該臺(tái)架具有三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，每個(gè)方向都采用滾珠絲桿滑臺(tái)傳動(dòng)以及手輪和閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)控制的方式，以“PC+運(yùn)動(dòng)控制板卡”作為上位控制器完成系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制及監(jiān)控。基于這種裝置系統(tǒng)，我們引入一種半自動(dòng)化的對中定位方式，以下對此做詳細(xì)討論。

基于以上設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，實(shí)際使用時(shí)，可先將負(fù)載機(jī)（如磁粉制動(dòng)器）安裝固定，以負(fù)載機(jī)軸心為目標(biāo)點(diǎn)，當(dāng)人工測定了目標(biāo)坐標(biāo)以后（可以只測定其X、Z坐標(biāo)，而軸向---即Y向待對準(zhǔn)后，軸裝上聯(lián)軸器，與負(fù)載機(jī)軸相連），將臺(tái)架上的被測對象自動(dòng)運(yùn)送至相應(yīng)位置，由于被測試安裝對象處于隨機(jī)位置，需“遠(yuǎn)距離”輸送，如采用常用的半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)方式（即與驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)軸端連接的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋既用于速度環(huán)也用于位置環(huán)），傳動(dòng)鏈上較大的誤差得不到有效補(bǔ)償與克服，因而我們采用全閉環(huán)的伺服驅(qū)動(dòng)方式，在X、Z軸方向安裝光柵尺，單軸系統(tǒng)構(gòu)造如圖4所示。末端位置檢測傳感器我們采用了光柵尺，光柵尺用于測量被測設(shè)備軸心的絕對位置，光柵尺檢測信號作為位置信號反饋到PC機(jī)構(gòu)成位置閉環(huán)。這種輸運(yùn)對中方法對大多數(shù)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的測試安裝來講精度已經(jīng)足夠。

大范圍輸送的運(yùn)動(dòng)方式是點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，板卡實(shí)施點(diǎn)位控制，其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)控制僅僅對終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動(dòng)的中間過程即運(yùn)動(dòng)軌跡無關(guān)，沿各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)之間無關(guān)聯(lián)，即各軸可以獨(dú)立控制運(yùn)行（當(dāng)然實(shí)用中也可以采用多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)的方式），但需要高定位精度和穩(wěn)定性。當(dāng)把期望坐標(biāo)和期望速度輸入控制器（控制板卡）后，運(yùn)動(dòng)控制器（控制板卡）會(huì)對到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)從總體上進(jìn)行規(guī)劃。因?yàn)檩斔蛯β窂經(jīng)]有特別要求，所以運(yùn)動(dòng)控制器的作用是在運(yùn)動(dòng)的加、減速段采用不同的控制策略。在加速段，為了使系統(tǒng)能平穩(wěn)地加速到設(shè)定速度，提高系統(tǒng)增益和加大加速度；在減速段，為了使系統(tǒng)在目標(biāo)點(diǎn)及時(shí)停下而不產(chǎn)生過沖，采用S曲線作為減速過渡曲線。大范圍傳輸?shù)目刂圃砣鐖D5，圖中Xd和Yd是期望到達(dá)的位置坐標(biāo)，X和Y是光柵尺測得的坐標(biāo)將反饋給控制板卡。當(dāng)實(shí)測坐標(biāo)不是期望坐標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)動(dòng)脈沖，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置為止。圖中的PI控制算法在伺服驅(qū)動(dòng)器上實(shí)現(xiàn)，PID控制算法在運(yùn)動(dòng)控制板卡上實(shí)現(xiàn)。

2 大范圍輸送對準(zhǔn)方案的工程實(shí)現(xiàn)及上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

在絕大多數(shù)情況下負(fù)載機(jī)與被測電機(jī)的軸對中，只需要測定負(fù)載機(jī)軸心坐標(biāo)，由伺服滑臺(tái)直接將電機(jī)送到位進(jìn)行初步對中即能達(dá)到要求，這種對中安裝方法具有廣泛應(yīng)用背景及重要的實(shí)際價(jià)值。為此，與相關(guān)企業(yè)合作，我們按試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案實(shí)際完成了試驗(yàn)裝置的樣機(jī)制造和安裝調(diào)試，并基于板卡完成了輸運(yùn)對中應(yīng)用軟件的二次開發(fā)，設(shè)備實(shí)物如圖6。

系統(tǒng)采用研華工控機(jī)（IPC-7132）及雷泰DMC5480四軸運(yùn)動(dòng)控制卡作上位控制器，試驗(yàn)臺(tái)架的X、Y、Z各軸均以臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)單元，其中Z軸伺服電機(jī)為1000W，型號為ECMA-C-0910ES，配套驅(qū)動(dòng)器型號為ASD-B2-1021，各軸工作臺(tái)裝光柵尺（KA-300-5041A-370-9-3）檢測反饋位置信號到上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制板卡完成數(shù)據(jù)采集與顯示。另外，用于對被測試電機(jī)加載的磁粉制動(dòng)器（FZ50.J/Y）以及用于檢測速度、轉(zhuǎn)矩的傳感器（ZJ-20A）均安裝在Z軸升降平臺(tái)上。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制板卡以速度接線模式與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)設(shè)置在速度控制模式，系統(tǒng)就搭建成三環(huán)串級全閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中電流、速度閉環(huán)控制調(diào)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器完成，位置外環(huán)控制調(diào)節(jié)由上位控制器完成。另外，在win7環(huán)境下用C# 語言基于板卡庫函數(shù)編制了一套應(yīng)用軟件，能對三軸設(shè)定運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、單軸控制，能實(shí)時(shí)采集各軸位置信號并實(shí)現(xiàn)時(shí)間、位移數(shù)據(jù)列表和相應(yīng)的圖形曲線顯示。輸運(yùn)對中程序框圖如圖7。以重力荷載擾動(dòng)顯著的Z軸為對象進(jìn)行單軸測試，其點(diǎn)位控制的數(shù)據(jù)采集顯示、位移曲線顯示及界面功能顯示如圖8。

3 結(jié)語

本文討論的對中安裝方案，嚴(yán)格講是半自動(dòng)化的，因?yàn)樗蕾囉谌斯y定目標(biāo)軸心坐標(biāo)，這樣做一是效率還不夠高，二是人工檢測過程中無論采取何種方式誤差總是較大，并且該誤差為在控制閉環(huán)以外的輸入誤差，不能補(bǔ)償。為進(jìn)一步提高效率，減少誤差，提高對中精度，作為以上方案的自然發(fā)展和提升，可以進(jìn)行全自動(dòng)的對中安裝系統(tǒng)的研制。如此，就需要添加新的傳感器系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)必須完成從任意隨機(jī)位置（被測電機(jī)位置）起始向目標(biāo)（負(fù)載機(jī)軸心）的自動(dòng)搜索，這就需要對搜索算法和軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，涉及一種基于DMC5480板卡的專用軟件程序開發(fā)。

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