基于PLC 的電動(dòng)推桿機(jī)械性能測(cè)試臺(tái)的研制

侯恩光

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 福州 350108）

0 引言

電動(dòng)推桿是一種新式的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 也是一種小型傳動(dòng)件，具有節(jié)能環(huán)保，體積小、精度高、動(dòng)作靈敏、運(yùn)行平穩(wěn)、自鎖性好、不需要管道的氣源、油路和環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。依據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2020 年全球及中國電動(dòng)推桿產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告》顯示[1]，隨著電動(dòng)推桿下游行業(yè)的不斷發(fā)展以及電動(dòng)推桿應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展， 全球電動(dòng)推桿需求量呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。從區(qū)域市場(chǎng)來看，日本、韓國在智能家居、汽車產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療器械等行業(yè)推動(dòng)下， 電動(dòng)推桿市場(chǎng)需求也成逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；美國科技創(chuàng)新能力領(lǐng)先全球，是全球主要的電動(dòng)推桿生產(chǎn)國和消費(fèi)國； 歐洲不僅有全球領(lǐng)先的線性驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品生產(chǎn)商，且電動(dòng)推桿下游市場(chǎng)應(yīng)用成熟，對(duì)電動(dòng)推桿的需求也較大。

近年來，隨著我國智能制造業(yè)的快速發(fā)展，智能產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，帶動(dòng)了電動(dòng)推桿產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使我國迅速成為全球主要的電動(dòng)推桿生產(chǎn)國和消費(fèi)國， 并涌現(xiàn)出一批電動(dòng)推桿生產(chǎn)的中、小企業(yè)，但企業(yè)電動(dòng)推桿的機(jī)械性能測(cè)試設(shè)備較少。 因此，針對(duì)電動(dòng)推桿的機(jī)械性能測(cè)量，本文介紹了一種電動(dòng)推桿的機(jī)械性能測(cè)試裝置，對(duì)中、小企業(yè)提高產(chǎn)品的品質(zhì)具有積極的促進(jìn)作用。

1 電動(dòng)推桿的工作原理

電動(dòng)推桿由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、螺桿、螺母導(dǎo)套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動(dòng)控制開關(guān)等組成，是通用型的輔助驅(qū)動(dòng)裝置。 電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)一對(duì)絲桿螺母運(yùn)動(dòng)，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)作。 按其應(yīng)用領(lǐng)域不同，電動(dòng)推桿可分為：工業(yè)推桿，醫(yī)療推桿和家居推桿等。 工業(yè)推桿功率較大，主要是指采礦、機(jī)械制造生產(chǎn)線等應(yīng)用的電動(dòng)推桿； 醫(yī)療推桿功率較小但行程較大，主要用于電動(dòng)醫(yī)療床等產(chǎn)品，使之具有較強(qiáng)的可控性和較高的便捷性；家居推桿功率較小且行程也較小，主要應(yīng)用于升降桌、功能沙發(fā)等的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能家居產(chǎn)品的多種功能，使人們的生活更加方便、快捷和舒適。 電動(dòng)推桿外形見圖1。

圖1 電動(dòng)推桿

2 電動(dòng)推桿的機(jī)械性能測(cè)試要求

參照輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4288—2012 的要求[2]，A 類電 動(dòng) 推 桿 的 優(yōu) 選 行 程 為100、150、200、250、300、350、400mm；A 類電動(dòng)推桿的優(yōu)選最大推拉力為1000、2000、3000、4000、6000、8000N。 B 類 電 動(dòng) 推 桿 的 優(yōu) 選 行 程 為100、150、200、250、300、350、400、500、600mm；B 類電動(dòng)推桿的優(yōu)選最大推拉力為500、750、1000、1200、2000N。

依據(jù)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 電動(dòng)推桿的機(jī)械性能測(cè)試有三項(xiàng)：一是自鎖力測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為將推桿固定在的測(cè)試臺(tái)上，控制器操縱推桿至行程中的任意點(diǎn)（兩端點(diǎn)除外），切斷電源，液壓缸加力為1.05 倍的最大推力值。 保持時(shí)間為5S，不發(fā)生位移為合格；二是負(fù)載測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為將推桿固定在試驗(yàn)臺(tái)上，在額定電壓下驅(qū)動(dòng)，施加推桿額定的推拉力，推桿應(yīng)能正常移動(dòng)；三是最大推拉力測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為推桿去除絲桿上螺母后，施加1.5 倍的最大拉力時(shí)，推桿外殼無破損現(xiàn)象。

3 測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合推桿機(jī)械性能測(cè)試的要求， 結(jié)合某生產(chǎn)企業(yè)的推桿產(chǎn)品，以推桿的最大推拉力2000N，最大行程300mm 為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)推桿機(jī)械性能測(cè)試臺(tái)。

3.1 測(cè)試臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

該測(cè)試臺(tái)主要有臺(tái)架、液壓站、推拉力液壓缸、墊高塊、電動(dòng)推桿、調(diào)高塊等組成，見圖2。臺(tái)架是整個(gè)測(cè)試臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)；液壓站安裝在臺(tái)架內(nèi)部，為提供系統(tǒng)所需的動(dòng)力；推拉力液壓缸是執(zhí)行機(jī)構(gòu)；墊高塊和調(diào)高塊為確保不同型號(hào)的電動(dòng)推桿測(cè)試時(shí)，確保軸線同軸。 電動(dòng)推桿為待測(cè)產(chǎn)品。

圖2 測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 測(cè)試臺(tái)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)待測(cè)推桿的最大推拉力為F， 依據(jù)推桿機(jī)械性能測(cè)試的要求， 液壓缸提供的最大推力應(yīng)大于待測(cè)推桿最大推力的1.05 倍。 則系統(tǒng)的推力F1為：

參照液壓缸氣缸內(nèi)徑及活塞桿外徑尺寸系列國家標(biāo)準(zhǔn)GB2348-80， 液壓缸的缸內(nèi)徑為8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125 等尺寸。 根據(jù)油缸推力的計(jì)算公式，若選擇缸筒內(nèi)徑的最小尺寸應(yīng)為20mm。

因此系統(tǒng)的壓力為：

測(cè)試臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖，見圖3。電機(jī)帶動(dòng)油泵工作，通過溢流閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，通過電磁換向閥控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向，通過節(jié)流閥調(diào)整液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度。若電磁換向閥左側(cè)通電，液壓油進(jìn)入液壓缸的無桿腔，有桿腔的油通過電磁換向閥回油箱，液壓缸伸出；反之亦然，若電磁換向閥右側(cè)通電， 則液壓缸縮回，最終達(dá)到控制液壓缸輸出力和速度的目的。

圖3液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

4 測(cè)試臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)推桿機(jī)械性能測(cè)試的三種測(cè)試要求，主要讀取負(fù)載壓力和推桿位移兩個(gè)模擬量，其它的信號(hào)均為數(shù)字量輸入。 因此，本文選用S7-1211C 作為主控，該主控有6 個(gè)數(shù)字量輸入口、4 個(gè)數(shù)字量輸出口、2 路電壓模擬量輸入接口且集成了PROFINET 接口，為各種小型設(shè)備提供了簡(jiǎn)單的通信和有效的解決方案，滿足了系統(tǒng)控制的要求。

4.1 I/O 口資源分配

根據(jù)控制要求，啟用模擬量輸入口，第1 路接入負(fù)載壓力0 到10V 傳感器信號(hào)，第2 路接入推桿位移0 到10V 傳感器信號(hào)。6 個(gè)數(shù)字量的輸入點(diǎn)分別接系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)停止、液壓泵手動(dòng)啟動(dòng)、液壓泵手動(dòng)停止、液壓缸手動(dòng)推出和液壓缸手動(dòng)縮回。4 個(gè)數(shù)字量的輸出點(diǎn)分別接液壓泵啟動(dòng)繼電器、液壓缸推出電磁閥、液壓缸縮回電磁閥和系統(tǒng)運(yùn)行燈。

PLC 的I/O 口資源分配，見表1。

表1 PLC 的I/O 口資源分配表

4.2 PLC 程序編程

為簡(jiǎn)化PLC 模擬量信號(hào)的處理，S7-1200 系列的PLC 提供了兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令[4]， 分別是標(biāo)準(zhǔn)化指令NORM_X 和縮放指令SCALE_X。

標(biāo)準(zhǔn)化指令NORM_X 是將輸入PLC 中的變量值映射到線性標(biāo)尺上對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化， 即0 到1 之間的百分比?？s放指令SCALE_X 是將輸入的百分比值映射到指定的值的范圍內(nèi)。

在PLC 控制程序中， 模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法為0 到10V 的模擬量信號(hào)接入PLC 的模擬量輸入端口， 輸入端口會(huì)根據(jù)電壓值的大小自動(dòng)將模擬信號(hào)值轉(zhuǎn)換為0 到27648 的數(shù)字量，PLC 程序在讀取模擬量輸入口的信號(hào)時(shí)，實(shí)際讀取的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字。在控制程序中使用標(biāo)準(zhǔn)化指令NORM_X 將輸入值轉(zhuǎn)換為0 到1 的標(biāo)尺值，在使用縮放指令SCALE_X 將輸入的標(biāo)尺值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的工程值。 模擬量信號(hào)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換程序，見圖4。

圖4 模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換PLC 程序

4.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)西門子S7-1211C 的PLC 通信要求，選擇MCGS TPC1021Nt 物聯(lián)網(wǎng)觸摸屏， 通過以太網(wǎng)端口搭建硬件間的通信網(wǎng)絡(luò)。觸摸屏是人機(jī)信息傳遞的媒介，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC程序運(yùn)行過程的監(jiān)控，方便了人們對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的修改。電動(dòng)推桿性能測(cè)試臺(tái)的控制界面主要有系統(tǒng)主界面， 自鎖力測(cè)試界面、負(fù)載測(cè)試界面和最大拉力測(cè)試界面等。

自鎖測(cè)試界面，見圖5。 在系統(tǒng)界面上，選擇自鎖力測(cè)試，進(jìn)入自鎖測(cè)試界面，該界面右側(cè)展示了自鎖力測(cè)試的方法和設(shè)置保壓時(shí)間； 左側(cè)展示了測(cè)試過程中液壓缸推拉力大小和保壓時(shí)推桿的位移等信息。測(cè)試完成后，若合格指示燈變綠，否則指示燈變紅。

圖5 自鎖力測(cè)試界面

負(fù)載測(cè)試界面，見圖6。在系統(tǒng)界面上，選擇負(fù)載測(cè)試，進(jìn)入負(fù)載測(cè)試界面， 該界面右側(cè)展示了負(fù)載測(cè)試的方法；左側(cè)可設(shè)置液壓缸的最大拉力， 實(shí)時(shí)顯示推桿的運(yùn)動(dòng)位移，電動(dòng)推桿的推力隨時(shí)間變化曲線在報(bào)表中實(shí)時(shí)顯示。

圖6 負(fù)載測(cè)試界面

最大拉力測(cè)試界面，如圖7 所示，在系統(tǒng)界面上，選擇最大拉力測(cè)試，進(jìn)入最大拉力測(cè)試界面，該界面右側(cè)展示了最大拉力測(cè)試的方法；手動(dòng)調(diào)整溢流閥，左側(cè)可以實(shí)時(shí)顯示所加拉力的大小， 當(dāng)最大拉力達(dá)到電推桿的測(cè)試要求后，觀測(cè)電動(dòng)推桿的外殼是否有破損現(xiàn)象。

圖7 最大拉力測(cè)試界面

5 結(jié)束語

本文利用西門子1200PLC 和昆侖通態(tài)觸摸屏等實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)推桿機(jī)械性能測(cè)試控制臺(tái)的研制。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)界面美觀，通信穩(wěn)定、模擬量編程簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量結(jié)果符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的目的。