交流伺服缸系統(tǒng)測試方法的研究

董榮寶

(中國煤炭科工集團(tuán) 上海研究院有限公司，上海 200030)

0 引言

電液控制技術(shù)主要有泵控和閥控兩種。目前閥控技術(shù)被廣泛應(yīng)用，其缺點(diǎn)是節(jié)流與溢流損失，能效較低。低能效不但增加了系統(tǒng)的裝機(jī)功率，還會引起系統(tǒng)發(fā)熱，從而帶來一系列問題。為了從根本上解決問題，理想方式是采用泵控技術(shù)[1-3]。在液壓技術(shù)領(lǐng)域中，測試既是評判液壓元件和系統(tǒng)性能的最終依據(jù)，也是最重要的研發(fā)手段。本文測試方法適用于交流伺服系統(tǒng)特性的研究，對提高液壓缸基本性能具有促進(jìn)作用[4-9]。

1 工作原理

交流伺服缸系統(tǒng)由伺服電機(jī)、油泵、安全閥、壓力和位移傳感器、蓄能器、高頻電磁球閥等組成。配套設(shè)備有驅(qū)動單元、控制單元等[10-11]，如圖1所示。

控制器得到指令控制驅(qū)動器使伺服電機(jī)1旋轉(zhuǎn)，帶動油泵2旋轉(zhuǎn)，液壓缸活塞腔進(jìn)入高壓油，液壓缸伸出。同時高頻電磁球閥6.2得電，蓄能器5中液壓油通過6.2補(bǔ)償由于液壓缸7造成的流量差所需要的油液。位移傳感器8傳輸液壓缸位置數(shù)據(jù)到控制器進(jìn)行比較，從而修正誤差，改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)液壓缸縮回時，電磁閥6.1得電，活塞腔多余的液壓油回到蓄能器5中。

1-伺服電機(jī);2-油泵;3-安全閥;4-壓力傳感器;5-蓄能器;6-電磁球閥;7-液壓缸;8-位移傳感器。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

閉環(huán)伺服控制，控制精度達(dá)到0.02 mm；精密控制推力，增加壓力傳感器，控制精度可達(dá)2%；很容易與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動控制。

與伺服閥控液壓缸系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能效果，噪音低，高可靠性，操作維護(hù)簡單。

結(jié)構(gòu)緊湊，集成化程度高，不需要復(fù)雜安裝工作，抗污染能力強(qiáng)(NAS 11級)可靠性高，維護(hù)費(fèi)用低。

3 測試技術(shù)

加載測試系統(tǒng)原理如圖2。比例溢流閥4.1與4.2分別控制加載液壓缸活塞腔與活塞桿腔的壓力，產(chǎn)生正反加載力，壓力傳感器5檢測液壓缸中2腔的壓力值。油泵1給加載系統(tǒng)供油，單向閥2主要起到被壓作用。加載缸與交流伺服液壓缸采用鉸接連接。

1-油泵；2-單向閥；3-壓力表；4-比例溢流閥；5-壓力傳感器；6-加載液壓缸；7-被測體。

3.1 行程檢測

無負(fù)載工況下,將被試液壓缸無桿腔通油,液壓缸活塞全部伸出,使用尺子測量活塞桿伸出的長度并記錄。

3.2 泄漏測試

1)外泄漏測試。調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力額定壓力的1.5倍，油溫30～40 ℃，加載5 min，液壓缸緩慢運(yùn)動，查看焊接處、端蓋密封處和活塞桿密封處，不得有外滲漏及零件損壞等現(xiàn)象。

2)內(nèi)泄漏測試。內(nèi)泄漏發(fā)生在無桿腔與有桿腔之間，會帶來能量損失，降低效率，更為嚴(yán)重的是可能會大大縮短活塞的密封壽命。額定壓力下，加載使液壓缸運(yùn)動到中間位置，分別給無桿腔與有桿腔通液壓油，觀察此時的有桿腔和無桿腔是否有油液流出。

3.3 最低啟動壓力測試

試驗(yàn)原理如圖3所示。無負(fù)載工況下，將被試驗(yàn)液壓缸的無桿腔連接到泵源(泵源出口增加低壓比例溢流閥)，被試液壓缸有桿腔放空或者接回油箱。通過計(jì)算機(jī)給比例溢流閥發(fā)出斜坡信號，隨著信號的增大，被試液壓缸由靜止到開始運(yùn)動。液壓缸位移由交流伺服液壓缸內(nèi)置位移傳感器測得，當(dāng)位移量從“零”變成“非零”瞬時壓力傳感器測量到無桿腔壓力值即為伺服液壓缸最低啟動壓力(最低啟動壓力要求小于0.1 MPa)。

圖3 最低啟動壓力測試原理

3.4 正弦曲線跟隨試驗(yàn)

油溫30～40 ℃，無負(fù)載，液壓缸運(yùn)動到中間位置開始試驗(yàn)。交流伺服電機(jī)輸入電流正弦曲線頻率分別為1 Hz、2 Hz、3 Hz，振幅分別1 mm、2 mm、3 mm。記錄伺服電機(jī)輸入電流與液壓缸位移傳感器輸出電流的正弦曲線。

交流伺服液壓缸的動態(tài)特性采用正弦激勵信號的頻率響應(yīng)來衡量。若被試液壓缸的位移跟隨曲線比較平滑，振幅衰減較小，相位不超過90°，輸出波形無明顯失真，說明動態(tài)響應(yīng)較好。若輸出波形出現(xiàn)明顯畸變，說明液壓缸跟蹤能力較弱。

3.5 重復(fù)精度測試

液壓缸運(yùn)動到中間位置，此位置設(shè)定為零點(diǎn)，油溫30～40 ℃，無負(fù)載，設(shè)定自動運(yùn)行模式，時間間隔4 000 ms，回?cái)?shù)10次，開始試驗(yàn)。分別記錄液壓缸伸出與縮回位移各10次，如圖4所示，得到a值與b值，計(jì)算誤差：

Δx1=amax-amin

(1)

Δx2=bmax-bmin

(2)

得到20組數(shù)據(jù)，分別找出伸出與縮回最大誤差，誤差值不許超過±0.02 mm。

圖4 重復(fù)精度測試曲線

3.6 瞬態(tài)響應(yīng)特性測試

調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力20.6 MPa，油溫30～40 ℃。

1)在不同壓力干擾下，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2)改變控制器參數(shù)，例如PID，考察對系統(tǒng)的響應(yīng)特性、穩(wěn)態(tài)精度的影響。

4 結(jié)論

交流伺服液壓缸系統(tǒng)對位置、速度控制精度高、易于操作，結(jié)構(gòu)緊湊，抗污染能力強(qiáng)，環(huán)保節(jié)能。在環(huán)境惡劣的情況下，能夠替代閥控伺服系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)新品和在線實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證，以上測試方法能夠檢測交流伺服液壓缸系統(tǒng)的基本性能，以此為依據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得良好效果，能有效提升伺服液壓缸系統(tǒng)的可靠性。