液壓動態(tài)加載的伺服電動缸綜合性能測試系統(tǒng)設計

婁開成，徐志鵬

(中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

伺服電動缸是以伺服電機或步進電機為動力源，通過機械傳功機構，把電機的旋轉運動轉換為直線運動并提供精確定位的裝置，與PLC等控制器結合能夠實現位置、推力及速度的精確控制，同時具有低噪聲、低振動、高速、節(jié)能、運行穩(wěn)定等優(yōu)點[1-2].在工業(yè)自動化、電子、汽車、國防軍工等領域，伺服電動缸都發(fā)揮著重要的作用[3-4].

目前，對伺服電動缸性能測試的深入研究還比較少，國內許多廠家一般都由工程師手動或者半自動完成，且測試系統(tǒng)測試項目較為單一，檢測效率較低，檢測結果不太理想[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加載方式，試驗過程中無法動態(tài)調整加載載荷[7].

為此，本文提出了一種基于液壓動態(tài)加載的伺服電動缸綜合性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用比例溢流閥控制的液壓油缸進行動態(tài)加載，采用工控機加凌華運動控制卡作為伺服電動缸的驅動單元，利用高精度拉繩傳感器以及力傳感器對電動缸的輸出特性進行檢測.還開發(fā)了基于LabVIEW的上位機軟件與基于S7-1200 PLC的下位機軟件，從而實現了伺服電動缸綜合性能的快速測試與結果分析.

1 測試系統(tǒng)的介紹

測試系統(tǒng)的運動方式分為單軸運動和雙軸聯動運動：1)加載缸和被加載缸分開的時候，對被測缸按照測試需求進行單軸運動；2)加載缸、被加載缸和拉壓力傳感器通過球鉸鏈連接在一起的時候，按照測試需求分別對加載缸和被加載缸進行雙軸聯動運動.

測試系統(tǒng)主要是通過各種形式的運動對被測缸進行行程、力、精度等項目的測試，根據安裝在測試臺上的拉繩位移傳感器以及拉壓力傳感器等檢測元件實時采集的數據對電動缸的性能進行評估.測試項目及需求如下：

1)行程測試. 最大行程測試通過測量伺服電動缸從一個限位開關運動至另一個限位開關所經過的距離來確定.電動缸上裝配有推桿位置的反饋裝置，可實現最大行程的自動測試.

2)定位精度測試. 該項目分為定位精度和重復定位精度.在上位機對電動缸設定一定的速度，使得電動缸重復做直線運動，設定一個目標位置，使得電動缸每次運動到指定位置就記錄運動結束時電動缸運動實際位置與目標位置的偏差.每次往同一個方向趨近，得到的多次測量結果為重復定位精度.

3)負載能力測試. 雙軸聯動模式下，設定電動缸的速度并啟動，使加載缸開始運動，當拉壓力傳感器上的力達到設定值后，同時保持加載狀態(tài)，維持加載力不變.

測試系統(tǒng)主要由工控機、運動控制卡、PLC和相應的傳感器組成.工控機作為上位機，通過運動控制卡對電動缸進行精確的運動控制，通過OPC通信的方式實現控制, 通過PLC采集力、位移信息反饋到上位機界面進行實時顯示；PLC作為下位機對檢測元件進行數據采集以及對液壓缸進行控制. 上位機實現參數設定、測試項目選擇、實時數據動態(tài)顯示及監(jiān)控等功能.為實現可靠穩(wěn)定的傳輸和通信，系統(tǒng)采用OPC通信方式.測試系統(tǒng)結構框圖如圖1.

圖1 測試系統(tǒng)結構框圖Figure 1 Structure diagram of control system

液壓加載系統(tǒng)是用于模擬伺服電動缸在工作時所受的動載荷，模擬負載采用液壓油缸對頂加載的方式實現.在進行力控制時候，采用PID控制的方式使液壓缸的輸出力能快速穩(wěn)定地跟蹤設定值.

液壓系統(tǒng)通過PLC對液壓缸的進口或出口溢流閥的調節(jié)來完成對被測缸的加載.液壓泵3可通過主閥組向液壓缸提供油液，主閥組由1個電液換向閥5及2個疊加式雙單向節(jié)流閥6組成，電液換向閥控制液壓缸的運動方向和啟停，2個低壓球閥控制液壓缸的運動速度和帶載能力，通過壓力表14以及壓力傳感器15可得出液壓缸內油壓從而判斷其運動方向.高壓濾油器設計在液壓泵的出油口，回油濾油器設計在系統(tǒng)回油處，泵的吸油口處需要設置吸油濾油器.力測試通過調節(jié)比例溢流閥的開度來實現模擬載荷大小的調節(jié)，拉壓力傳感器11顯示最終作用于被測電動缸的的力大小.液壓加載系統(tǒng)的原理圖如圖2.

1-吸油濾油器；2-電機；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)硬件設計

由于被測伺服電動缸多支持脈沖方向控制，為此選用凌華MP-C152運動控制卡進行伺服電機控制，其主要性能指標如下：

1)2軸獨立運動控制，脈沖輸出頻率最高可達6.55 MHz；

2)2軸直線插補，圓弧插補，多軸連續(xù)插補；

3)28位加/減計數器，用于增量編碼器；

4)8個輸入接口， 8個輸出接口.

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

位移傳感器采用美國MTS傳感器公司GP系列位移傳感器.參數見表1.

表1 位移傳感器的主要性能參數

試驗過程中加載缸與被測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，抗偏性強和安全系數高等特點.具體參數如表2.

表2 拉壓力傳感器的主要性能參數

被測電動缸連接的電機為安川的型號為SGM7G-55A7C61電機，額定輸出功率為5.5 kW,最高轉速為1500 r/min，電源電壓為為三相200 V.電機驅動器采用安川的SGD7S-470A00型號電機驅動器，電源電壓為三相200 V.電機與被測缸之間通過一個減速機連接，減速機的減速比為50∶1,作用是減速增扭.

3 測試系統(tǒng)軟件及算法

人機交互采用LabVIEW來設計系統(tǒng)界面.測試系統(tǒng)的界面如圖3，可以選擇電動缸的測試類型，進行參數設置、狀態(tài)監(jiān)視以及手動調試，同時可根據需要保存數據并生成報表，數據結果還可通過圖表實時顯示.

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

測試系統(tǒng)選用LabVIEW進行上位機數據采集，選用運動控制卡作為控制器，設定脈沖輸出方式和驅動方式，調用動態(tài)鏈接庫中的子VI即可進行控制編程，同時，還可以用LabVIEW實現上位機人機交互界面的設計.PC機與下位機PLC之間的通信采用OPC通信的方式.當系統(tǒng)開機后，會進行一些列的初始化，以保證系統(tǒng)正常運行.系統(tǒng)最開始會進行找零操作，待找零順利完成以后，選取需要測試的項目和相關參數的設置，在測試過程中，調用運動曲線實時顯示缸的位置以及受力大小曲線.其主程序如圖4.

圖4 測試系統(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，按實際輸出與設定值兩者差值實現對被控對象的控制[7].PID控制器的表達式如下式:

(1)

其中：u為控制器的輸出信號；e為給定值和實際值之間的偏差信號;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內部的PID功能整定參數.測試過程中，PLC采集拉壓力傳感器信號，與設定值進行比較得到e值,經判斷若|e|>Δe，則執(zhí)行比例控制，使液壓缸迅速達到目標值所在位置；當|e|<Δe時，執(zhí)行PID控制器，保證最終液壓缸輸出的力滿足測試需求.

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

4 實驗結果分析

為測試電動缸的性能特性，搭建了實驗臺，如圖6.

圖6 檢測系統(tǒng)實物圖Figure 6 Photo of detecting system

按照測試項目要求，對電動缸的行程、力、精度進行測試.電動缸選用行程600 mm,額定推拉力80 kN,減速比50，絲杠導程40，額定速度20 mm/s.位置精度的評定標準采用GB/T17421.2-2000《機床檢驗通則第2部分:數控軸線的定位精度和重復定位精度的確定》.

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平均值.即

(2)

在某一位置的單向定位標準不確定度的估算值Si，即通過對某一位置Pi的n次單向趨近所獲得的的位置偏差標準不確定度的估算值.即

(3)

某一位置的單向重復定位精度Ri，由某一位置Pi的單向位置偏差的擴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)行程測試. 選用規(guī)格為600 mm電動缸來回測試10次，并記錄每次測試行程，測試數據如表3.

表3行程測試數據

Table 3 Data of different test time for displacement mm

次數實測值理論值絕對誤差相對誤差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

根據表中數據，得到電動缸的行程測量偏差最大為0.035 mm滿足偏差為0.01 mm級的要求.

2)精度測試. 精度測試主要是對電動缸運行至目標位置時，進行測試.設定目標位置為300 mm，電動缸來回運動至目標位置，記錄實際的位置位移大小，測試10次，測試數據如表4.

根據式(2)，(3)，(4)，計算得到被測缸的軸線定位精度為0.035 mm,重復定位精度為0.023 mm，滿足定位精度和重復定位精度達到0.01 mm級的要求.

表 4 精度測試數據

3)力測試. 使液壓缸輸出的力保持在80 kN，力的大小通過安裝在電動缸與液壓缸之間的拉壓力傳感器讀出.記錄運動過程中被測電動缸的力大小，在電動缸位移未發(fā)生改變的情況下，測試10次，測試數據如表5.

表5 力測試數據

從表5中可以得知，電動缸均能達到80kN的負載能力.

5 結 語

本文設計了一套伺服電動缸綜合性能測試系統(tǒng)，配置液壓驅動的動態(tài)加載系統(tǒng)，能實現伺服電動缸的行程測試、力測試及定位精度測試.實驗表明，該系統(tǒng)能進行比較完整的電動缸性能測試，且操作簡單方便.

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