電動(dòng)缸傳輸效率測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

龔中良，金 可

（中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

電動(dòng)缸是一種以電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為動(dòng)力源，通過(guò)齒輪、同步帶等機(jī)構(gòu)的傳遞，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺旋絲杠副轉(zhuǎn)換為輸出端的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)線(xiàn)性執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]。文獻(xiàn)[2]提出了梯形絲杠副扭矩和軸向載荷力測(cè)量的方法，并設(shè)計(jì)出一套直接測(cè)量扭矩和軸向載荷力的裝置。文獻(xiàn)[3]分析滾珠絲杠副摩擦力矩的影響因素，并給出一種采用電阻應(yīng)變片測(cè)量摩擦力矩的方法。但上述測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法僅適用于電動(dòng)缸中回轉(zhuǎn)零部件測(cè)試，不能測(cè)試電動(dòng)缸整體性能。文獻(xiàn)[4]針對(duì)現(xiàn)有的電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法不能滿(mǎn)足電動(dòng)缸產(chǎn)品出廠(chǎng)參數(shù)快速測(cè)量的問(wèn)題，研發(fā)了一套以PC 機(jī)作為上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制卡作為核心控制器，高精度磁柵尺為檢測(cè)裝置的電動(dòng)缸性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)量包括電動(dòng)缸的位置精度、回程誤差、重復(fù)定位精度等功能模塊，該測(cè)試系統(tǒng)成功應(yīng)用于某公司電動(dòng)缸出廠(chǎng)參數(shù)快速測(cè)量。其測(cè)試系統(tǒng)組成較為復(fù)雜，生產(chǎn)和研制成本比較高。在電動(dòng)缸的設(shè)計(jì)和研發(fā)的過(guò)程中，針對(duì)電動(dòng)缸的各項(xiàng)性能參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)的性能參數(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究對(duì)電動(dòng)缸的生產(chǎn)和科研具有十分重要的意義。國(guó)外部分電動(dòng)缸廠(chǎng)家為了提高電動(dòng)缸生產(chǎn)和研制的測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，研制了很多專(zhuān)用的試驗(yàn)和測(cè)試平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的配套測(cè)試軟件[5]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)缸對(duì)電動(dòng)缸性能參數(shù)的測(cè)試裝置的深入研究較少，許多廠(chǎng)家仍然采用手動(dòng)或者半機(jī)械化的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)操作，且目前測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目比較單一，檢測(cè)設(shè)備效率較低，檢測(cè)結(jié)果不太理想[6-7]。部分企業(yè)對(duì)電動(dòng)缸的加載裝置測(cè)試，仍然是采用重物加載彈簧、滑輪組等被動(dòng)的加載方式，該種試驗(yàn)方法在測(cè)試過(guò)程中無(wú)法隨時(shí)進(jìn)行載荷大小的調(diào)整，且使用的結(jié)構(gòu)占用空間較大，調(diào)整和安裝過(guò)程較為繁瑣，試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，不能到達(dá)快速高效的檢測(cè)目的[8-9]。研究并設(shè)計(jì)了一種以液壓缸作為加載裝置，基于輪輻式壓力傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)器電流、電壓等參數(shù)為反饋，以PC 為數(shù)據(jù)接收和處理終端的一種電動(dòng)缸加載和效率測(cè)試綜合試驗(yàn)系統(tǒng)的方案。

2 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)基本組成

測(cè)試系統(tǒng)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)部分：電動(dòng)缸加載試驗(yàn)臺(tái)架，加載液壓缸，待測(cè)電動(dòng)缸；電氣和軟件：CAN 控制器、驅(qū)動(dòng)器、輪輻式壓力傳感器、上位機(jī)軟件檢測(cè)系統(tǒng)以及電器、液壓控制元器件等。組成部分，如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1 The Group of Test System for Electric Cylinder

2.2 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)工作原理

通過(guò)液壓工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)加載液壓缸的控制對(duì)待測(cè)電動(dòng)缸進(jìn)行額定載荷的加載，如圖1 所示。在電動(dòng)缸活塞桿底部安裝輪輻式壓力傳感器，將傳感器與顯示器控制儀相連，可以實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)缸加載的大小。通過(guò)調(diào)整液壓工作站的溢流閥，同時(shí)觀(guān)察顯示控制儀上讀數(shù)可以將載荷調(diào)整至額定載荷，加載范圍可控制為（0～15）t。通過(guò)控制箱實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)控制，CAN 控制器可實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器和PC 端之間的實(shí)時(shí)通訊。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液壓缸端部通過(guò)法蘭連接始終與待測(cè)電動(dòng)缸保持固定，以保證對(duì)待測(cè)電動(dòng)缸持續(xù)加載。

將待測(cè)電動(dòng)缸的伺服驅(qū)動(dòng)器、輪輻壓力傳感器分別通過(guò)RS232 串口與CAN 控制器相連接，驅(qū)動(dòng)器可檢測(cè)伺服電動(dòng)機(jī)的直流母線(xiàn)電壓、電流、實(shí)際轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，同時(shí)輪輻傳感器內(nèi)實(shí)時(shí)壓力數(shù)值傳輸至CAN 控制器內(nèi)。將CAN 控制器與PC 端通過(guò)CAN轉(zhuǎn)RS232 通訊方式建立聯(lián)系，通過(guò)PC 軟件端采集處理轉(zhuǎn)速、電壓、電流、壓力等數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)繪制各數(shù)據(jù)曲線(xiàn)以及電動(dòng)缸傳輸效率曲線(xiàn)。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC 端與試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)的交互與處理。

圖2 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic Diagram of an Electric Cylinder Test System

采集參數(shù)與效率之間關(guān)系可表示為：

式中：η—待測(cè)電動(dòng)缸測(cè)試效率；F—待測(cè)電動(dòng)缸加載載荷，即為壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，N；v—電動(dòng)缸活塞桿端部運(yùn)行速度，可通過(guò)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速根據(jù)式2 計(jì)算得知，m/s；U—待測(cè)電動(dòng)缸電機(jī)端電壓，即為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采集數(shù)據(jù)，V；I—待測(cè)電動(dòng)缸電機(jī)端電流，即為伺服驅(qū)動(dòng)器采集數(shù)據(jù)，A；n—電動(dòng)缸電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)器采集數(shù)據(jù)讀取，r/min；i—多級(jí)電動(dòng)缸傳輸總速比；Pj—第j 級(jí)絲杠導(dǎo)程。

2.3 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)主要包括：安裝臺(tái)架、液壓加載油缸、輪輻壓力傳感器、CAN 控制器、驅(qū)動(dòng)器、顯示控制儀、PC 以及開(kāi)關(guān)按鈕等。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的元器件選型清單，如表1 所示。

表1 元器件選型清單Tab.1 Component Selection List

由于測(cè)試需要給待測(cè)電動(dòng)缸施加額定載荷，為方便系統(tǒng)的使用和操作。若采用電動(dòng)缸做為加載裝置，則需加載電動(dòng)缸和待測(cè)電動(dòng)缸做到同步運(yùn)動(dòng)控制，否則會(huì)導(dǎo)致待測(cè)電動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞。而液壓缸通過(guò)對(duì)壓力閥值的調(diào)整可以做到自動(dòng)泄壓，不會(huì)損壞待測(cè)電動(dòng)缸。壓力加載液壓系統(tǒng)主要通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥和節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)改變液壓加載馬達(dá)進(jìn)出液壓缸的油壓差，并通過(guò)單向閥組成的液壓油路來(lái)實(shí)現(xiàn)加載馬達(dá)的正、反轉(zhuǎn)給液壓加載系統(tǒng)的補(bǔ)油[10]。同等輸出功條件下，液壓缸結(jié)構(gòu)較電動(dòng)缸更為緊湊，具有自動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能，液壓缸機(jī)械系統(tǒng)能進(jìn)行自行潤(rùn)滑，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中功率損失產(chǎn)生的熱量可以由油液帶走，無(wú)需安裝額外的散熱系統(tǒng)[10]。稱(chēng)重傳感器是一種將重量信號(hào)或拉、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，并將電信號(hào)輸出的裝置[11]。

2.4 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)缸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件界面，采用QT 為界面設(shè)計(jì)，使用QT 中C++作為語(yǔ)言框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，軟件功能分為數(shù)據(jù)圖表顯示區(qū)域和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示區(qū)域，如圖3 所示。通過(guò)串口設(shè)置與PC 通訊連接的CAN 控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，通訊頻率為2Hz，沒(méi)秒收集控制器各個(gè)參數(shù)兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。圖表顯示區(qū)域可以單獨(dú)顯示電流、電壓、載荷以及效率的采集與計(jì)算數(shù)值，同時(shí)也可在綜合顯示區(qū)域進(jìn)行整合統(tǒng)一顯示。右側(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示窗口為當(dāng)前各參數(shù)的實(shí)時(shí)讀數(shù)。

圖3 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)軟件界面Fig.3 The Software Interface of the Test System for Electric Cylinder

點(diǎn)擊開(kāi)始采集，PC 發(fā)生采集數(shù)據(jù)指令至CAN 控制器，同時(shí)接受控制器的采集傳輸數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊保持?jǐn)?shù)據(jù)按鈕開(kāi)始將采集數(shù)據(jù)以txt 格式存儲(chǔ)至制定文件夾，通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)的提取和分析可進(jìn)一步全面分析各個(gè)時(shí)段的電動(dòng)缸測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖4 電動(dòng)缸測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.4 The Diagram of Electric Cylinder Test System

進(jìn)行電動(dòng)缸測(cè)試時(shí)：首先將待測(cè)電動(dòng)缸安裝法蘭與安裝架固定，接上電機(jī)傳感器的連接線(xiàn)纜，連接驅(qū)動(dòng)器與PC 通訊電纜；調(diào)節(jié)液壓工作站的壓力調(diào)節(jié)閥門(mén)，觀(guān)察顯示控制儀上讀數(shù)，將加載壓力調(diào)整至額定值；打開(kāi)上位機(jī)采集軟件，選擇通訊COM 端結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊開(kāi)始采集數(shù)據(jù)（此時(shí)采集軟件界面有載荷實(shí)時(shí)采集曲線(xiàn)，則通訊正常）；按照上位機(jī)軟件操作步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與保存即可。

3 三級(jí)電動(dòng)缸的測(cè)試與分析

建立以三級(jí)絲杠為優(yōu)化對(duì)象優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，以絲杠傳動(dòng)結(jié)構(gòu)總效率最高為設(shè)計(jì)目標(biāo)，三級(jí)電動(dòng)缸總傳動(dòng)效率

式中：ηjs—行星減速機(jī)效率，取0.955；ηcl—齒輪組傳動(dòng)效率，ηcl=0.9552×0.985=0.898（兩級(jí)齒輪，一個(gè)滾動(dòng)軸承）；η1z—一級(jí)絲杠軸承組效率，η1z=0.9852=0.970；η2z—二級(jí)絲杠軸承組效率，η2z=0.9852=0.970；η3z—三級(jí)絲杠軸承組效率，η3z=0.9852=0.970；η2j—二級(jí)空心絲杠鍵滑動(dòng)副，η2j=0.900；η3j—三級(jí)空心絲杠鍵滑動(dòng)副，η3j=0.900。將上述數(shù)值代入式（3）則有：

伺服電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速為2000r/min，三級(jí)電動(dòng)缸總減速比i=55，由式（2）可計(jì)算電動(dòng)缸活塞桿端部速度v=0.02m/s。啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)加載載荷設(shè)定為10000N，開(kāi)啟PC 端軟件采集系統(tǒng)，采集等多個(gè)行程運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，觀(guān)察數(shù)據(jù)后截取其中一個(gè)完整行程數(shù)據(jù)的部分，電動(dòng)缸運(yùn)行一個(gè)行程內(nèi)數(shù)據(jù)分為電動(dòng)缸啟動(dòng)階段，電動(dòng)缸舉升階段以及電動(dòng)缸的收回階段，在不同運(yùn)行階段中電動(dòng)缸采集到的數(shù)據(jù)有較為明顯的區(qū)分。測(cè)試三級(jí)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的電壓、電流、載荷以及效率測(cè)試數(shù)據(jù)圖像分別，如圖5～圖8 所示。

圖5 三級(jí)測(cè)試電動(dòng)缸電壓值Fig.5 The Voltage Value of the Three Stage Test Electric Cylinder

圖6 測(cè)試電動(dòng)缸電流值Fig.6 The Current Value of the Test Electric Cylinder

圖7 測(cè)試電動(dòng)缸載荷Fig.7 The Load of the Test Electric Cylinder

圖8 測(cè)試電動(dòng)缸綜合效率Fig.8 The Comprehensive Efficiency of the Test Electric Cylinder

圖7 為測(cè)試三級(jí)電動(dòng)缸機(jī)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的載荷變化的采集數(shù)據(jù)，在啟動(dòng)階段（0～5）s 載荷呈現(xiàn)突然增大的趨勢(shì)，在測(cè)試電動(dòng)缸的舉升階段前期（5～20）s，由于電動(dòng)缸的啟動(dòng)和液壓加載液壓缸在油壓供給處于不平衡狀態(tài)等原因，測(cè)試電動(dòng)缸施加載荷未達(dá)到額定載荷。在（25～57）s 時(shí)間內(nèi)待測(cè)電動(dòng)缸載荷處于額定載荷階段且運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，可取該部分的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行電動(dòng)缸的效率分析。在（57～110）s 時(shí)間段電動(dòng)缸處于收回階段，此階段內(nèi)對(duì)電動(dòng)缸施加的載荷對(duì)電動(dòng)缸絲杠螺母部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為逆?zhèn)鲃?dòng)階段（即直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），此時(shí)外加負(fù)載力裝換為驅(qū)動(dòng)力且做正功，不屬于本課題研究和本試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試范圍。

根據(jù)觀(guān)察舉升階段的各參數(shù)情況，三級(jí)電動(dòng)缸啟動(dòng)后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)，在平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)電壓、電流、載荷都在一定的范圍內(nèi)做小幅度的波動(dòng)，根據(jù)圖8 可知三級(jí)電動(dòng)缸效率舉止在68%左右在（63～72）%范圍內(nèi)變化，實(shí)際電動(dòng)缸由于載荷不穩(wěn)定以及在實(shí)際使用過(guò)程中的振動(dòng)等情況在存在著一定的誤差。對(duì)比理論計(jì)算效率72.3%，實(shí)際測(cè)試平均值低于理論效率，由于在計(jì)算過(guò)程中運(yùn)動(dòng)副的效率選取的為實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值，零部件加工以及裝配誤差會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)副的效率低于理論值，且存在實(shí)際裝配配合與潤(rùn)滑狀態(tài)可能處于不理想狀態(tài)等影響因素。

4 結(jié)論

研究并設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)缸的加載與效率測(cè)試的試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)液壓缸對(duì)待測(cè)電動(dòng)缸進(jìn)行載荷加載，PC 與控制器實(shí)時(shí)通訊獲取傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。通過(guò)PC 的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理與分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)缸測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析。通過(guò)理論分析數(shù)據(jù)和使用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)三級(jí)電動(dòng)缸測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，該測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可靠。