基于Servo Amplifier驗證走行輪可行性的系統設計與實現

楊健楊先勇

（1.合肥京東方光電科技有限公司自動化技術部，安徽合肥230011；2.東南大學自動化學院控制工程，江蘇 南京 210096）

基于Servo Amplifier驗證走行輪可行性的系統設計與實現

楊健1，2楊先勇1

（1.合肥京東方光電科技有限公司自動化技術部，安徽合肥230011；2.東南大學自動化學院控制工程，江蘇 南京 210096）

在現代工廠生產中，設備穩定運行的可靠性對于整個工廠生產有著至關重要的意義。而如何去確定某種新型替代產品的材料的穩定性不僅僅要從理論上的數值指標去評價，更為有效直觀的是通過某種方式去模擬現場生產條件而估算出其壽命以及其可行性。針對此種情況，設計出可驗證走行輪材料可行性的系統。首先，根據現場實際情況，機械方面利用千斤頂施壓模擬RM車身自重，直線走行軌道則利用鋁制輪弧形運動模擬實際情況下的直線運動，電氣控制方面在綜合考慮成本的前提下使用無上位機的Servo Amplifier驅動電機周期性的變速模擬RM實際運行狀態。最后通過測量運行之后的溫度、硬度以及磨損狀況去評價判定替代走行輪材料的可行性。

工程應用；驗證系統；模擬測試；走行輪替代材料；伺服放大器（Servo Amplifier）

0 引言

驗證可行性系統普遍存在于社會的各個環節及領域，已逐漸成為工業生產中不可或缺的環節。

在現今的工業生產，尤其是制造業大量生產中，設備由于長時間處于工作狀態，嫁動率很高，不可避免的會出現由于疲勞性損傷而導致的設備老化，進而面臨的就是高額的原品牌的備品費用。因而選擇原品牌的替代品就顯得十分重要。在這樣的背景下，就必須找到通過某種模擬現實情況的系統去評價替代品材料的可行性。

經過考察研究發現，很多工廠出現走行輪車轂與聚氨脂彈性體（外部輪胎的主要材料）剝離的情況，結合目前國內聚氨脂彈性體生產廠家的狀況，很多廠家并未生產過類似走行輪，無相關實驗報告予以評估，故在這種背景下，本文提出可以驗證走行輪替代的替代品以及節省成本方面有著十分積極重要的作用。同時，也可為以后工廠出現類似的問題提供強有力的技術驗證支持。

1 聚氨酯特點

聚氨酯全稱是聚氨基甲酸脂，大多數工業生產中涉及到的走行輪均采用此種材料，主要優點如下：①卓越的耐磨性能，其耐磨性能是普通橡膠的3～10倍；②優異的力學性能，其抗拉強度、斷裂伸長率、抗撕裂強度等力學性能大大優于普通橡膠；③具有較寬的硬度適應范圍，可在較寬的硬度范圍內保持較高的彈性；④具有較寬的模量范圍，其模量介于普通橡膠和塑料之間。

2 系統設計

該系統設計以現實工廠生產中的自動搬運系統中的RM的運行為模擬對象，以Servo Amplifier為主驅動器驅動電機完成對現場運行狀況的模擬。主要思路是將在空間上無限的直線運動轉換為空間上有限的可以操作的圓周往復運動，并配合千斤頂模擬RM車身自重。

（1）系統總體布局概要。該系統總體布局如圖1所示，總體分為機械設計部分與電氣控制設計部分。

圖1　系統總體布局圖Fig.1 Overall layout of system

（2）系統機械設計部分。機械部分詳細如圖2所示，依據現場模型為例，電機選用精度較高的HF-SP502BJ，減速機選用VRGF-15F230-5000，同時為了保證電機減速機與鋁制輪的軸能夠保持在同一高度，需要在電機減速機側安裝支撐架，此處需要較高安裝精度，否則不利于后期測試。

圖2　系統機械布局圖Fig.2 Mechanic layout of system

由于場地限制，將現場走行輪與走形導軌的直線運動，改為鋁制輪與聚氨酯輪相向對頂旋轉運動，如圖3所示。對頂則利用帶有示數的千斤頂施加壓力。

圖3　運動狀態模擬轉化Fig.3 Motion state simulate conversion

為了可以使千斤頂施加不同的壓力，則固定聚氨酯輪（即需驗證可行性的走行輪）的軸必須可移動，因而在軸承端蓋處的緊固螺栓必須可移動。

模擬RM本身自重方面，使用帶壓力表的千斤頂，給聚氨酯輪施加相當的壓力（2.5T），模擬現場走行輪所承受的自重。由于實際工況是走行輪與直線軌道接觸，而實驗時改成走行輪與鋁制輪相向對頂旋轉，如果載荷相同，那么聚氨脂走行輪最大應力是不一樣的，會產生一定的誤差，所以需要進行一定的換算。根據彈性力學中赫茲公式：

式中：F—作用于接觸面上的總壓力；B—初試接觸長度；ρ1和ρ2—分別為零件1和零件2初試接觸線處的曲率半徑，通常，令，稱為綜合曲率，而ρZ=稱為綜合曲率半徑，其中正號用于外接觸，負號用于內接觸；μ1和μ2—分別為零件1和零件2材料的泊松比（Poisson Ratio）；E1和E2—分別為零件1和零件2材料的彈性模量。利用上述公式，假設實際運行時的RM的走行輪的最大應力為σ1，而在該系統實驗下的走行輪的最大應力為σ2，則：

式中ρ1、ρ3—聚氨脂走行輪接觸處的曲率半徑；ρ2—直線導軌接觸處曲率半徑；ρ4—實驗鋁制輪接觸處曲率半徑。其中，鋁制輪的直徑為300mm，而聚氨酯輪的直徑為400mm。由于ρ2→∞，令σ1=σ2，ρ1=ρ3則：

即應當給千斤頂施加8.2MPa的壓強。

（3）系統電氣控制設計部分。在系統電氣結構方面，在不連接上位機的情況下選用MR-J3-500B-KJ056，直接驅動伺服電機帶動鋁制輪運動。同時，正常工作情況下用DC24V電源解開伺服電機抱閘，Servo Amplifier選用制動電阻MR-RB50，其余電氣接線如圖4所示。

圖4　系統電氣設計圖Fig.4 Electronic layout of system

在控制電機動作時，采用MR-Configurator Setup221軟件進行控制。Test模式中，Jog為單步運行模式，可以進行簡單的速度、脈沖，加減速時間等有限固定的單步動作；Position模式中，可以完成一次簡單的加速和減速、正轉或反轉的過程；而在實際進行實驗中則需要使用Test選項中的Demo模式，在此模式下可進行編程操作，伺服放大器按照編程的語句順序執行指令，從而驅動伺服電機完成想要的動作。

如圖5所示為測試時實驗輪的運動曲線，設計其模擬現場實際情況為一個周期內4.2s加速至2500r/min，勻速運動6.6s后，至第15s減速至0，再停止15s。

圖5　實驗走行輪速度曲線Fig.5 Speed graph of test travelling wheel

計算一個循環過程中所需加的脈沖數，伺服放大器分辨率為131072 Pulse。勻速過程中的脈沖數為：

兩段勻變速過程中的脈沖數為：

所以總脈沖數P=P1+P2=58982400Pulse。再計算一個循環過程中實驗輪的里程數，減速機減速比為15，鋁制輪直徑為0.3m，一般走行輪壽命里程數為20000000m則：

3 實驗結果

實驗中選用三種不同材料制作的的走行輪，走行輪A（主要材料為PPDI），走行輪B（主要材料為TDI與MDI的混合物），走行輪C（主要材料為普通輪胎人工橡膠與天然橡膠的混合物）。實驗結果如表1所示。因而綜合來看，選用走行輪B，MDI與TDI的混合物作為替代品最佳。

表1　三種不同材質走行輪實驗前后數據對比Tab.1 Travelling wheel date comparison of three kinds of different materials

在后期針對走行輪B進行長期運行測試中，也證實了該材料在各關鍵參數方面有著較高的穩定性。表2為后期單獨長期測試中的各數據指標。從以上分析表格數據中可以看出，從設備安全運行角度以及成本控制角度綜合考慮，選用走行輪B是最優選擇。

表2　走行輪B（TDI、MDI混合物材料）測試結果Tab.2 Test result of travelling wheel B

4 結束語

為了解決各種替代品在能否可以穩定運行在原工作環境而又不能直接替換嘗試的情況下，建立起一套模擬現實運行的系統是有效而又必要的。能夠快速而又準確的找到穩定可靠的替代品對于現代工廠的生產有著十分重要的意義。另外，該可行性驗證系統是以具體實例為例給出的設計方案，針對類似的相關情況可以將系統稍加改裝即可完成可行性實驗驗證的目的。

［1］袁坤，敖榮慶.伺服系統［M］.北京：航空工業出版社，2006.

［2］吳紅星.電機驅動與控制專用集成電路應用手冊［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］Karshenas A M，Dunnigan M W，Williams B W.Adaptive inverse control algorithms for shock testing，IEE Proceedings.Part D：Control Theory and Applications，2000，3.

［4］Wang ZhongSheng，Liao XiaoXin.Synchronization and Parameters Identification of Chaotic Systems via Adaptive Control.Journal of Electronic Science and Technology of China，2005，1.

［5］高景德，等.交流電機及其系統的分析［M］.清華大學出版社，1993.

［6］Jeff K Pieper.First order dynamic sliding mode control.Proceedings of the 37th IEEE conference on decision&control，Tampa，Florida USA，December 1998.

［7］吳家龍.彈性力學［M］.高等教育出版社，2001.

［8］許尚賢，陳寶生.液體靜壓和動靜壓滑動軸承動態特性分析計算［J］.機械設計，1988，3.

［9］李興中，等.液壓設備管理維護手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，1996.

［10］Yeong C Y，Won H J.Segmented block copolyetheramides based on nylon 6 and polyoxypropylene.I.Synthesis and characterization. Journal of Applied Polymer Science，1994，5.

［11］Huang C C，Chang F C.Reactive comptibilization of polymer blends of poly（butylene terephthalate）and polyamide 6，6：2、Morphological and mechanical properties.Polymer，1997，17.

［12］D C Sun，D E Brewe.Simultaneous Pressure Measurement and High-speed Photograph Study of Cavitation in a Dynamically Loaded Journal Bearing［J］.ASME，1993，115.

［13］Wang ZhongSheng，Liao XiaoXin.Synchronization and Parameters Identification of Chaotic Systems via Adaptive Control.Journal of Electronic Science and Technology of China，2005，1.

Design and Implementation of the Feasibility Verification of Travelling Wheel System Based on Servo Amplifier

YANG Jian1，2，YANG Xian-Yong1
（1.Hefei BOE Optoelectronics Technology Co.，Ltd.，Department of Automation Technology，Hefei Anhui 230011，China；2.Southeast University，College of Automation，Control Engineering，Nanjing Jiangsu 210096，China）

In modern factory production，the reliability of equipment stable has a crucial importance to entire factory production.How to determine and evaluate the stability of a new alternative product materials，not only from the theoretical value，more effective and intuitive solution is to simulate field product conditions in a good way.So it is essential to Design a system of verifiable travelling wheel material feasibility.Firstly，according to the actual situation，Simulating the body weight of RM by jack in mechanical，and simulating the traveling straight track linear motion by arc motion of aluminum wheel.Secondly，in electric control aspect，for considering the costs，Using servo amplifier to drive servo motor without PC to simulate the actual motion state of RM.Finally，it is determined and evaluated the feasibility of alternative travelling wheel by the measurement of temperature，hardness and damaged condition.

engineering applications；verification system；simulation test；traveling wheel alternative materials；servo amplifier

TB24

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-064-03

2015-01-06

楊健（1988-），男，安徽淮南人，在讀碩士研究生，工程師。研究方向：電氣工程，控制工程；楊先勇（1986-），男，安徽六安人，學士，工程師。研究方向：機械設計與應用。