電動缸伺服控制系統(tǒng)老化試驗

韓麗潔，許昌

(中國計量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州310018)

在平臺驅(qū)動方式中，電動驅(qū)動方式與氣動和液壓相比，有其自身的優(yōu)點。氣動方式的機(jī)械特性比較“軟”，承載能力較小，控制精度不高，適用于輕載場合;液壓驅(qū)動方式有承載能力強(qiáng)、控制精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，但維護(hù)成本較高，并且液壓缸的噪聲相對較大 (85 dB)。電動缸通過滾珠絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為推桿的直線運動，帶負(fù)載能力強(qiáng)，響應(yīng)快、定位精度高、維護(hù)量小，效率達(dá)65% ～75%，并且噪聲也大為降低［1］。最新的直線執(zhí)行器產(chǎn)品噪聲等級已低于45 dB，較傳統(tǒng)氣動液壓方式具有顯著優(yōu)勢。

研制了一款用于平臺驅(qū)動的電動缸，并用FX3G－PLC、交流伺服驅(qū)動器，設(shè)計了老化試驗裝置，通過軟件編程即可實現(xiàn)三軸運動，比采用定位模塊更加簡便高效。試驗對電動缸進(jìn)行了負(fù)載能力、噪聲水平等指標(biāo)的測試。結(jié)果表明，所研發(fā)的電動缸符合設(shè)計要求。

1 電動缸結(jié)構(gòu)及試驗平臺

電動缸 (圖1)是將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠副的直線往復(fù)運動。主要由絲杠副、減速器、電機(jī)、承載套筒等組成。電機(jī)通過減速器將扭矩傳遞于絲杠，絲杠副螺母做直線運動。套筒與螺母固連，套筒一端連接平臺。螺母做往復(fù)直線運動時，套筒推動平臺同步做升降運動［2］。根據(jù)電機(jī)與絲杠主軸的安裝位置，可以采用垂直式 (絲杠與電機(jī)主軸在同一直線上)、折返式 (絲杠主軸與電機(jī)主軸平行)等形式。

圖1 電動缸結(jié)構(gòu)示意圖

試驗平臺所承受負(fù)載為250 kg，整套裝置包含兩個基本框架:上平臺框架和下平臺框架，如圖2(a)所示。3個電動缸安裝在兩個框架之間。上框架為動平臺，與3個電動缸通過萬向頭連接，提供運動環(huán)境;下框架通過螺栓固定在地面上［3］。平臺尺寸:中位高度320 mm，長1 690 mm，寬740 mm;前側(cè)兩缸跨度630 mm;前后電動缸間距560 mm。建立如圖2(b)所示空間坐標(biāo)系。并結(jié)合實際情況，給出技術(shù)指標(biāo)表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

圖2 平臺機(jī)械圖及其空間坐標(biāo)系

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)從整體上看是一個高精度的半閉環(huán)伺服運動控制系統(tǒng)，由計算機(jī)控制部分、伺服驅(qū)動部分和電動缸三部分構(gòu)成，其工作原理如圖3。系統(tǒng)的控制核心為PLC，上位機(jī)主要實現(xiàn)電動缸軌跡代碼的生成、程序編寫、實時監(jiān)控和修改等，并通過總線向PLC發(fā)送在線命令。伺服驅(qū)動器選擇位置控制方式，接收PLC發(fā)送的一定數(shù)量和頻率的脈沖，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動絲杠直線運動。實際應(yīng)用中平臺負(fù)載為變化值，一定電壓對應(yīng)的平臺位移大小會隨負(fù)載的變化而變化，因此每個電動缸都裝配有光電編碼器，實時采集當(dāng)前電動缸位移，并反饋給驅(qū)動器，從而形成閉環(huán)控制，提高了位置精度［4－5］。同時為了防止絲杠在往復(fù)運動中發(fā)生超程現(xiàn)象，在電動缸的底端和頂端都安裝有限位開關(guān)，以保證電動缸平穩(wěn)運行。

試驗中電動缸行程150 mm，推力2 500 N，最高速度250 mm/s，最大加速度12 mm/s2，絲杠導(dǎo)程5 mm。其配套伺服電機(jī)額定功率為750 W，轉(zhuǎn)矩2.4 N·m，轉(zhuǎn)速3 000 r/min。驅(qū)動器選用深圳眾為興公司生產(chǎn)的QS6系列，輸入電源AC220 V，驅(qū)動電流20 A，具有位置控制、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制等多種控制方式，試驗中主要應(yīng)用脈沖+方向的位置控制方式，具體參數(shù)可參考手冊［6］。

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

參照QS6系列伺服驅(qū)動器手冊［6］進(jìn)行連線，如圖4所示。三相電源線U、V、W與電機(jī)U、V、W一一對應(yīng)相連，將編碼器插頭接入CN2，將PLC脈沖輸出端口和旋轉(zhuǎn)方向輸出端口與驅(qū)動器相連。

圖4 控制系統(tǒng)接線圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

由于伺服電機(jī)的位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以需要對脈沖個數(shù)和頻率進(jìn)行精確控制。電動缸絲杠行程為150 mm，導(dǎo)程5 mm，單行程需PLC發(fā)送12 000個脈沖。由此可知每使電動缸走單個行程，需要電機(jī)轉(zhuǎn)動30圈，且每圈需要PLC發(fā)出400個脈沖［7］。

整套程序中心采用表格設(shè)置定位指令 TBL［7－8］，I/O分配如表2所示，Y0端口參數(shù)設(shè)置如圖5。

表2 I/O分配表

圖5 Y0端口參數(shù)設(shè)置

4 試驗結(jié)果

在負(fù)載250 kg的承重下，按照如圖6所示的流程進(jìn)行老化試驗，先垂直升降，再左右搖擺，然后前后俯仰，如此循環(huán)，連續(xù)運行4 h，并記錄數(shù)據(jù)。表3、4、5分別是電動缸進(jìn)行三自由度運動時的位移、速度等參數(shù)，表6是用AWA5636聲級計測得的噪聲值。

圖6 試驗流程

表3 垂直運動相關(guān)數(shù)據(jù)記錄

表4 左右搖擺相關(guān)數(shù)據(jù)記錄

表5 前后俯仰相關(guān)數(shù)據(jù)記錄

表6 單缸噪聲測量值

5 結(jié)論

對一款自行研制的伺服電動缸進(jìn)行了老化試驗。試驗結(jié)果表明，該電動缸完全達(dá)到250 kg的負(fù)載要求，在規(guī)定時間內(nèi)，僅存在少量發(fā)熱問題;能夠?qū)崿F(xiàn)高、低速往復(fù)運動，定位精度較高;噪聲低于65 dB，無尖銳摩擦聲;穩(wěn)定性好，具有較好的市場前景和應(yīng)用價值。

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［2］許兵宗，盧博友，盧軍黨.一種聯(lián)合收割機(jī)割臺升降裝置的設(shè)計與研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010(3):140－143.

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