基于SIMOTION的接觸疲勞試驗機控制系統設計

陳古波，李建堯

（重慶理工大學 a.電氣與電子工程學院；b.機械工程學院，重慶 400054）

滾動接觸疲勞試驗是研究材料在模擬工況條件下滾動接觸疲勞性能的主要方法。滾動接觸疲勞試驗機是開展滾動接觸疲勞試驗的主要裝備，用于測試齒輪、軸承等基礎零部件材料接觸疲勞壽命［1］。為了確保疲勞試驗能夠得到精確、可靠的試驗結果，試驗機需準確模擬試驗工況，并具備長時間、不間斷運行和準確記錄運行數據的功能。因此，穩定、可靠的系統是試驗機正常運行的重要保障。

近年來，疲勞試驗技術相關的研究受到國內外學者越來越廣泛的關注［2］。楊育林等［3］研發了一種杠桿加載式超硬涂層材料滾動接觸疲勞試驗機，實現了精確監控和診斷試件接觸表面疲勞狀態等功能；王磊等［4］研發了一種氣動加載的五球疲勞試驗機，采用帶有跟蹤濾波的智能電控系統，實現試驗機大載荷、高轉速運行等功能；陶立輝等［5］基于STM32單片機研發了合金材料疲勞試驗機控制系統，實現了試驗機的無極調速、間隔控制及疲勞次數統計功能。

目前，疲勞試驗機控制系統雖能基本滿足試驗要求，但仍存在不能準確控制滑差率及試驗載荷等試驗條件的問題。為此，基于自主設計的新型智能滾動接觸疲勞試驗機，以SIMOTION運動控制器為核心，設計了試驗滑差率和試驗載荷控制系統，實現了滾滑摩擦的滾動接觸疲勞試驗工況的準確模擬，并通過試驗驗證了控制系統的功能和控制精度。

1 試驗原理及試驗機結構

1.1 試驗原理

滾動接觸疲勞是試樣在純滾動或滾滑摩擦時，表面在接觸壓應力長期反復作用下引起的一種表面疲勞破壞現象，其接觸形式主要分為點接觸和線接觸兩種。本文中相關研究主要針對線接觸滾動接觸疲勞試驗展開，試驗原理如圖1所示。

圖1中，試樣和陪試件裝配在對應的主軸上，通過動力源傳遞至各主軸的動力驅動其旋轉。通過調控兩主軸的轉速可模擬不同的試驗滑差率。試樣和陪試件之間的接觸壓應力由施加在試驗模塊主軸上的載荷間接提供。

1.2 試驗控制要求

滾動接觸疲勞是試樣在純滾動或滾滑摩擦時，在接觸壓應力長期反復作用下引起的一種表面疲勞破壞現象，其接觸形式主要分為點接觸和線接觸兩種。

為了確保滾動接觸疲勞試驗的準確性，要求盡可能地模擬材料或零部件的真實滾動接觸工況。結合YB／T 5345—2014《金屬材料滾動接觸疲勞試驗方法》行業標準的要求，滾動接觸疲勞試驗機需滿足以下兩點要求：

1）兩試樣的相對運動狀態保持不變，即試驗滑差率保持不變；

2）兩試樣的接觸壓應力波動應盡量小，即試驗載荷誤差盡量小。

1.3 試驗機結構

基于模塊化思想，將滾子式滾動接觸疲勞試驗機結構分為試驗模塊、陪試模塊及加載模塊，各模塊的主要功能如下：

1）試驗模塊：試樣按相關標準精度要求裝配在該模塊主軸端部，并通過該模塊的伺服電機驅動試樣旋轉，模擬試驗系統的工況；

2）陪試模塊：陪試件按國標精度要求裝配在該模塊主軸端部，并通過該模塊的伺服電機驅動陪試件旋轉，模擬陪試系統的工況；

3）加載模塊：為試樣和陪試件提供接觸壓應力，載荷通過伺服電缸進行控制。

試驗機結構如圖2所示，主要控制指標及精度要求如表1所示。

表1 主要控制指標及精度要求

2 控制系統方案設計

2.1 試驗滑差率控制方案

試樣與陪試件相互作用的滑差率根據試樣材料的實際工況選擇。例如，模擬滾動軸承材料一般選擇5%，模擬齒輪材料一般選擇10%～20%。

為了降低滑差率的調控誤差，引入主從同步控制的控制策略，將試驗主軸的指令速度作為主值，經過同步運算后作為從軸（即陪試主軸）速度的輸入，實現主軸和從軸速度的線性傳遞，避免了單獨控制時誤差的疊加。具體采用SIMOTION控制器的電子齒輪實現主從同步控制，電子齒輪同步原理如圖3所示。

結合行業標準和試驗機主從同步運動控制要求，在試驗主軸轉速和滑差率通過指令分配的設置條件下，為確保滑差率調控的準確性，陪試主軸轉速、試驗主軸轉速和滑差率的調控方程為

式中：υ陪為陪試主軸轉速（r／min）；υ主為試驗主軸轉速（r／min）；h為滑差率。

2.2 試驗控制要求

采用伺服電缸實現電動加載功能。電動加載系統是典型的被動式加載系統，被加載件的主動運動會帶來位置變化而引起多余力矩。多余力矩影響加載系統的控制精度，減小多余力矩是電動加載系統的關鍵問題［6-7］。疲勞試驗機加載過程中，高速運轉的主軸系統帶來的位置干擾會引起多余力矩，嚴重影響伺服電缸加載的精度。

為進一步實現動態加載性能的穩定性，提出一種位置閉環補償和串入速度閉環控制的位置-載荷復合控制方法，其結構框圖和數學模型如圖4所示。

由式（2）可知：在位置-載荷復合控制中，對干擾信號r（s）的抑制主要通過Gω（s）實現，Gθ（s）和GF（s）也起輔助調節作用，相較單閉環的控制系統有明顯的性能改善。

在輸入u和干擾r的作用下輸出為y的系統，其抗干擾能力可用信噪比來衡量，該值越大表示抗干擾能力越強。可得力閉環控制系統和復合控制系統的信噪比為：

在復合控制中串入的速度環，處于內回路階次較低，其增益系數較大。由式（3）（4）有所以復合控制系統相較于力閉環控制對干擾有更強的抑制能力。同時，復合控制系統內部的位置閉環也可以快速作用于速度調節，提高了系統的回路增益和相位裕度，系統的動態性能也有所改善。

3 試驗機系統設計

3.1 硬件系統設計

SIMOTION集運動控制、邏輯控制和工藝控制功能于一體，可快速可靠地控制多臺伺服電機［8-9］。采用SIMOTION作為運動控制系統的控制器，對試驗主軸驅動電機和陪試主軸驅動電機的速度控制及加載電機的力位進行控制，系統組成如圖5所示。

圖5中，各硬件模塊功能詳述如下：

1）SITOP模塊：提供24V直流電源。

2）電抗器：限制電網電壓突變和平整峰值電壓確保系統電源的穩定性。

3）控制器：是試驗機的控制核心。

4）PC機：通過通信協議向SIMOTION發送操作指令，SIMOTION接受到指令后進行邏輯計算并產生控制脈沖，再由DRIVE-CLIQ接口傳輸給電機模塊進行伺服控制。

5）分布式I／O ET200和13位ADC：共同組成數據采集模組，可同時對8路信號進行采集。

6）主動調節型電源模塊ALM：具有整流和能量回饋功能，可調節直流母線電壓和交流側電壓與電流的相位角，保證電機工作的可靠性和效率。

7）單軸電機驅動模塊：通過DRIVE-CLIQ接口接受控制參數，并通過直流母線驅動伺服電機，實現伺服控制。

3.2 軟件系統設計

試驗機控制程序在SCOUT環境下開發，主要使用MCC和LAD編程語言實現試驗機的運動控制、邏輯控制和數據處理等功能。SCOUT軟件開發平臺是SIMOTION應用程序開發的基本載體，它將運動控制任務、工藝功能、PLC任務和驅動組態組合在一個系統，方便用戶開發。

軟件開發時根據試驗機的系統功能進行分解，分別完成每個功能的程序編寫，再將這些程序按要求分配到執行系統中，通過各子程序的互相調用與協調運行完成各項功能。試驗機控制程序主要包括試樣＼陪試件電機同步驅動控制程序、電動缸加載運動控制程序、電機急停控制程序以及數據處理程序等。最后，將這些程序分配到SIMOTION執行系統中，使之間能夠協調運行。

4 試驗驗證

搭建試驗機控制系統的硬件及軟件環境，并進行現場試驗，驗證試驗機的控制系統功能和控制精度。試驗現場環境如圖6所示。

4.1 滑差率試驗

為了驗證滑差率控制的功能和精度，在試驗載荷等試驗條件一致的情況下，設計如表2所示的滑差率控制功能和精度驗證試驗方案。

表2 滑差率控制功能和精度驗證試驗方案

根據滑差率控制功能及精度驗證方案，將試樣主軸轉速和滑差率設定值輸入試驗機。裝備啟動并運行穩定后，在試驗載荷一致的條件下，針對3個試驗工況分別隨機采集120個連續的試驗主軸和陪試主軸轉速數據，驗證滑差率的控制功能，并分析控制精度。統計分析結果如圖7所示。

由圖7可知：所設計的運動控制系統可實現滑差率的控制功能，平均控制誤差小于0.3%，控制精度滿足±1%的設計要求。

4.2 載荷控制試驗

為驗證試驗載荷調控功能和精度，在試驗滑差率等試驗條件一致的情況下，設計試驗載荷控制功能及精度驗證試驗方案（表3）。

表3 試驗載荷調控驗證試驗方案

根據載荷控制驗證試驗方案，將試驗載荷設定值輸入系統。裝備啟動并運行穩定后，在試驗滑差率一致的條件下，間隔20 min采集1次載荷數據，在試驗1～3的3種不同載荷工況下分別采集25個數據點，分析載荷調控的精度，如表4所示。

表4 試驗載荷控制試驗精度統計

由表4可知，試驗載荷的平均控制誤差小于3%，控制精度滿足±3%的設計要求。

5 結論

1）滑差率可在設計范圍按試驗要求調控，控制精度滿足±1%的控制要求；

2）試驗載荷可在設計范圍按試驗要求調控，試驗過程中載荷的控制精度滿足±3%的控制要求；

3）所提出的控制方法和原理可行、有效，可為同類試驗裝備研制和試驗提供理論依據。