CN101750174A - 气动加载电动执行器试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气动加载电动执行器试验台。对电动执行器加载的制动系统，包括调节加载气压的电/气转换器，切换加载气路的换向阀，电动执行器输出轴驱动旋转的制动盘，受压缩空气作用对制动盘加载摩擦力的气压制动器。通过换向阀可以选择：压缩空气的压力经过电/气转换器的调整后，作用在气压制动器上，对制动盘施加可调的摩擦力，实现电动执行器的慢速加载模式；压缩空气直接作用在气压制动器上，对制动盘施加最大的摩擦力，实现电动执行器的快速加载模式；作用在气压制动器上的气压，受电/气转换器的控制，实现电动执行器的变速卸载模式。优点是：试验过程中所需要的快速加载、慢速加载、变速卸载，多种对负载控制均可一并实现。
Description
技术领域
本发明涉及检测设备技术领域，尤其是涉及用于检测电动执行器的气动加载试验台。
适用于多圈旋转的执行器负载测试，或者角度旋转的执行器负载测试。可广泛应用于电动执行器产品生产企业和实验室，特别适用于试验输出扭矩在20000Nm以内的电动执行器。
背景技术
作为执行器的试验台，最重要的设计就在使用何种负载方式，以及设计加载方式上。
目前在工厂和实验单位，使用电磁/磁粉制动器作为负载加载的特别普遍。电磁/磁粉制动器所能使用的范围窄，扭矩小，转速高，不适用于电动执行器的大力矩低转速的检测。
随着科技的进步，气压制动/离合器在张力需求领域有了很好的发展，以其能源便宜，使用方便，干净环保，价格适中，高低速均有良好的可控性，维护便利等特点。
气动加载使用的气压制动器与电磁加载使用的磁粉制动器的对比：
第一，气压制动器的散热及耐热性能好，无需水冷或强制空冷，最高耐热温度130℃；磁粉制动器极限温度90℃，所以力矩一大通常需水冷或强制空冷。
第二，气压制动器的抗潮及抗烧结性能好，能在潮湿环境中使用；磁粉制动器使用的磁粉易受潮失效，导致性能不稳定，并且易烧结。
第三，气压制动器的低速时(15转/分以下)扭矩可控性好；磁粉制动器适合于高速场合，测试高速电机作为测功机的负载最常用，而使用在经过多级减速后低速运行的执行器，其可控性差，负载不稳定。
第四，气压制动器的适用转矩范围的多重性，同一型号的制动器，可用高、中、低三种摩擦系数不同的摩擦片，可方便地大范围改变适用转矩；同一型号的磁粉制动器使用的磁粉变化不大，适用转矩范围窄。
第五，气压制动器的维护周期长，易维护，在设备上就能更换摩擦片，寿命45000～60000小时；磁粉制动器只能在允许的滑差功率内使用，维护麻烦，寿命5000～8000小时。
第六，气动加载可以很短的时间内实现紧急制动，只要气路一通，气体马上充满制动器空腔，可在0.05s左右达到全压；电磁加载是一个通电逐步加大电流使得磁粉磁力加大的过程，在紧急制动上失去优势。
发明内容
本发明提供一种试验台使用气压制动器作为负载，通过控制制动器的摩擦力来给定试验负载。本发明气压制动前段的加载气路设计，利用电磁换向阀和电/气转换器实现的气压通路，运用简单电路对两个电/气部件进行调控，实现多种加载、卸载模式。应用于对气动加载需求快速或速度可调的各种场合。
本发明为解决所述技术问题而采用的技术方案是：
气动加载电动执行器试验台，包括：安装被测电动执行器的台架，对电动执行器加载的制动系统，与电动执行器输出端连接的检测系统。所述制动系统为气动加载制动系统，包括：调节加载气压的电/气转换器，切换加载气路的换向阀，电动执行器输出轴驱动旋转的制动盘，受压缩空气作用对制动盘加载摩擦力的气压制动器。通过换向阀可以选择：压缩空气的压力经过电/气转换器的调整后，作用在气压制动器上，对制动盘施加可调的摩擦力，实现电动执行器的慢速加载模式；压缩空气直接作用在气压制动器上，对制动盘施加最大的摩擦力，实现电动执行器的快速加载模式；作用在气压制动器上的气压，受电/气转换器的控制，实现电动执行器的变速卸载模式。
所述电/气转换器为电/气比例阀控制阀，所述换向阀为两位三通电磁换向阀。压缩空气分别连接于电/气转换器的输入气口和换向阀的常闭端，电/气转换器的输出气口连接在和换向阀的常开端，换向阀的公共端与气压制动器的进气口连接，电/气转换器的排气孔与大气连通。电磁换向阀通电时，换向阀(18)的常闭端(P)与换向阀(18)的公共端(A)接通，压缩空气可以经过换向阀(18)的常闭端(P)、换向阀(18)的公共端(A)，到达气压制动器(14)的进气口，快速加载的气路导通；电磁换向阀断电时，换向阀(18)的常开端(R)与换向阀(18)的公共端(A)接通，压缩空气可以经过电/气转换器(17)的输入气口(SUP)、电/气转换器(17)的输出气口(OUT)、换向阀(18)的常开端(R)、换向阀(18)的公共端(A)，到达气压制动器(14)的进气口，慢速加载和变速卸载的气路导通。
本发明设计的气路，巧妙的运用了两位三通电磁换向阀常开端和常闭端的特性，与电/气转换器的连接，实现简单气路也能实现快速加载，慢速加载，变速卸载的多种对负载的控制功能。
与现有电磁加载技术相比较，采用本发明技术方案的优点是：
1.气动加载比电磁加载测试的力矩范围广，不需增加水冷装置和强制空冷。
2.气动加载的能源便利，抗潮性好，低速性能稳定，快速加载反映迅速。
3.结构简单，体积紧凑，安装灵活，使用寿命长，易维护，不需拆下制动器就能更换磨损部件。
4.试验过程中所需要的快速加载、慢速加载、变速卸载，多种对负载控制均可一并实现。
附图说明
图1为本发明气动加载电动执行器试验台的系统框图；
图2为本发明气动加载电动执行器试验台的原理示意图；
图3为本发明实施例的制动系统3中的气路部分原理图；
图4为本发明实施例小型执行器试验台安装结构示意图；
图5为本发明实施例试验台的控制电路的逻辑方框图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的实施例。
本发明电动执行器试验台，采用气动加载的方式，即气压制动器作为执行器的负载。试验台的结构紧凑，可在极短的时间(＜0.1s内)达到最大负载，低速、高速扭矩可控性好，无需水冷和强制空冷耐温高。
该试验台使用工厂和实验室常用的0～8Bar压缩空气作为动力源，通过气路切换、调节给定气压，实现慢速加载和快速加载，同时实现变速释放负载。
如图1的系统框图所示，试验台主要组成包括：
制动系统3，包括制动盘13，气压制动器14，将气压转化成制动力矩，给被测电动执行器11加载。
检测系统4，包括扭矩传感器12、霍尔电位器15，与电动执行器11输出轴连接，检测制动过程的扭矩，转速，转角。
控制系统2，与制动系统3和检测系统4连接，实现对气路部分的控制，同时显示控制值和检测值，供操作人员参考。
功率计1，直接测出被测电动执行器11的电压、电流、功率。
图2为试验台的原理示意图，其关键部件的功能说明如下：
A.被测电动执行器11
主要由电机加减速齿轮箱构成，并带有一定的控制部件，实现对阀门的开关调节动作。主要将电机的高速旋转及小力矩，通过减速齿轮箱减速并放大力矩输出。
B.旋转式扭矩传感器12
连接在电动执行器11和负载之间，测量电动执行器11正、反旋转过程的动态扭矩。主要结构原理是采用应变电测技术，在弹性旋转轴上粘贴应变电阻片组成测量电桥。当弹性旋转轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变成电信号，从而实现扭矩测量。利用此连接被测物和负载，可检测出被测物瞬时的输出扭矩。
C.气压制动器14
本试验台选用的是钳式制动器，作用是将输出到制动器腔体内的空气压力推动活塞运动，从而使摩擦片从两侧挤压制动盘13。排出空气，靠复位弹簧来放开。利用这个原理可以控制输入的空气压力，从而控制摩擦片和制动盘13之间的摩擦力，作为试验台的可调负载。
D、霍尔电位器15——采用了霍尔效应，即当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应。由于磁铁的磁场在霍尔元件表面不同位置的强度不同，霍尔元件感应出与其所在位置的磁场强度成正比的电压信号，电压信号经过AD转换和计算处理之后得到磁铁的位置信息。利用制动盘13直接连接霍尔电位器15可检测被测物的转速和转角。
E、电/气转换器17——也称为电/气比例阀，就是将输入的电信号依比例地转换成空气压力输出。因此利用控制电/气转换器输入的电信号就可以控制进入气压制动器14的气压，从而实现调节气压制动器14与制动盘13之间摩擦力的改变，得到控制试验台负载的变化。
F、电磁换向阀18——电磁换向阀是用于控制流体方向的自动化基础元件，它的好处时能实现快速的导通和切断流体。由于电/气转换器需要转换电信号，无法实现在＜0.1s内快速达到最大气压输出，所以此处选用两位三通电磁换向阀作为制动系统3的气路切换的通道，实现压缩空气的快速导通或切断，从而实现气压制动器14的快速加载。
从图2看上述关键部件之间的连接关系和工作原理：
被测电动执行器11按照正常的工作状态开始运行，执行器的电机旋转通过机械齿轮减速后输出低速大力矩的旋转运动。其旋转带动连接在试验台下方与被测电动执行器11输出轴连接的旋转式扭矩传感器12以相同的速度随之转动，通过控制系统2读取和显示扭矩数值。
扭矩传感器12下方连接一个制动盘13也随着扭矩传感器12一起旋转运动。制动盘13的边上有一个或多个气压制动器14(钳式、鼓式均可，此处用的是钳式)，气压制动器14根据其内腔的气压大小给制动盘13施加相应的摩擦力。没有气压时，气压制动器14与制动盘13是不接触的，保证被测执行器11的空载特性。
为了检测被测执行器的旋转圈数和角度，在扭矩传感器12与制动盘13之间，将旋转传递给霍尔电位器15，通过控制系统2读取和显示所测数值。
本试验台，旋转式扭矩传感器12连接在被测执行器11和制动盘13之间，通过制动盘13和气压制动器14之间的摩擦力给予被测执行器11转动的输出轴一个反向的作用力，来模拟产品使用现场的负载。利用扭矩传感器12的轴的扭转变形检测出相应的扭矩值，从而得出被测执行器11的负载能力。
气压制动器14和制动盘13产生的摩擦力，由气压制动器14的空腔内的气压力决定。一定气压对应产生一定的摩擦力。所以只要控制给予气压制动器14的气压，并实现到达一定压力的时间可调，就能实现本试验台对被测电动执行器11可控的气动加载。
图3为本发明实施例的制动系统3中的气路部分原理图，图中可以看到如何实现气路连接和气压的控制。
为了实现气压制动器14的气压控制，在制动系统3的气路部分使用了电/气转换器17和电磁换向阀18组成的两条通路，可以实现慢速加载和快速加载两种模式。并通过控制系统2实现对气路部分中的电/气转换器17和电磁换向阀18的控制，将电气控制转换成气压控制。加载模式的变化控制，通过对电/气转换器17和两位三通电磁换向阀18的控制实现。
电/气转换器17有三个气路接口，输入气口SUP、输出气口OUT、排气口，和一个控制线端口。2位3通电磁换向阀18也有三个气路接口，公共端A、常开端R、常闭端P，和一个电控端。换向阀18的公共端A与气压制动器14的进气口连接，换向阀18的常开端R与电/气转换器17的输出气口OUT连接，换向阀18的常闭端P和电/气转换器17的输入气口SUP与气源连接。
一般工厂用的压缩空气从气源21通过空气过滤器22和油水分离器23的过滤及分离后得到干净的压缩空气，通过三通24分流分别通向电/气转换器17和2位3通电磁换向阀18。
慢速加载模式下，电磁换向阀18电控端不接电源，电磁换向阀常闭端P与公共端A气路关断。控制系统2给出4～20mA控制信号，对应电/气转换器17设置的最小输出气压到最大输出气压。压缩空气通过电/气转换器17给出一定的气压，通过电磁换向阀18的常开端R通向公共端A进入制动器14的内腔。
快速加载模式下，电磁换向阀18控制线接通电源，电磁换向阀18常开端R与公共端A气路关断，电磁换向阀18常闭端P与公共端A气路接通，高压的压缩空气在最短的时间内达到制动器14腔内，电动执行器11快速加到最大负载。
在释放气压时，就是电磁换向阀18控制线断开电源，回到慢速加载模式，由电/气转换器17控制气压的释放。此时电磁换向阀18常闭端P与公共端A气路再度关断，电磁换向阀18常开端R与公共端A气路接通。制动器腔内的气压通过电/气转换器17的控制从排气口25释放，可快可慢，这种方式下可以不用另外增加气压释放通路。
排气孔25设在电/气转换器17的底部，在排气孔25加装上消音器，最好是跟排气孔螺纹一样大小的平端铜基粉末冶金消音器，刚好平封端口，又能达到良好消音的效果。通常加载后放气引起很大的噪音，加装的小堵塞件粉末冶金消音器大大降低释放气压时的噪音。
控制系统2对电/气转换器17的控制：
通过给定4～20mA直流电流信号控制电/气转换器17的气路开关幅度，达到控制电/气转换器17气体输出端的气压的效果。其中4mA对应电/气转换器的气路全关，即无气压输出；20mA对应电/气转换器的气路全开，即输出气压达到最大，与气压源一致。同时，电/气转换器17通过4～20mA直流电流信号，向控制系统2反馈当前气路开关幅度，其中4mA对应电气转换器的气路全关，即无气压输出；20mA对应电/气转换器的气路全开，即输出气压达到最大，与气压源一致。并且，电/气转换器17获得4～20mA直流信号，对应转换器17从排气孔25排出多余气压的溢流能力的变化，可实现从快速排气到慢速排气的变速卸载。
控制系统2对电磁换向阀18的控制：
通过控制系统2的继电器输出端，控制电磁换向阀18的电控端。电磁换向阀18使用220V交流电源，继电器开关串接在交流电源上，再供给电磁换向阀18的电控端。
当继电器闭合时，电源接通，即电磁阀得电，换向阀换位，常闭端P与公共端A气路接通，为快速加载模式。当继电器放开时，电源断开，即电磁阀掉电，换向阀回位，常开端R与公共端A气路接通，为慢速加载模式。
图4是一台200Nm试验台的结构示意图，上端一个电动执行器11固定在一个过渡法兰32上，法兰可根据实际对应的执行器安装法兰孔可更换。传动轴34连接在电动执行器11和旋转式扭矩传感器12之间。传动轴34座在一个可微调心的球面轴承座33上，并起着支撑传动轴不窜动的作用。扭矩传感器12的底部连接的第二传动轴36座在第二可微调心的球面轴承座37上。
为便于气压制动器14的易损件更换方便，将其装在台架40的下平台的下方，采用了倒装的方式。
制动盘13是一个钢制的圆盘，中间部分在保证强度和刚度的情况下尽量多加一些小孔，以降低转动惯量。制动盘13水平放置，并使得圆盘的轴向对称中心面在制动器14的中间，偏差不超过2mm。
转速传感器为扭矩传感器12与制动盘13之间的第二传动轴36齿轮驱动的霍尔电位器15。霍尔电位器按原理直连主传动轴是检测最直接误差最小的方式，但由于制动盘及制动器在一段时间使用后会涉及维修更换事宜，如果将霍尔电位器放置在制动盘下将会加大后期维护量。我们在第二传动轴36上安装了一个齿轮38，在霍尔电位器15伸出的转动轴上也安装一个齿轮39，采用齿轮传动的方式将执行器11的旋转信息传递到霍尔电位器15上。
试验台台架40采用方通钢架焊接结构，两块螺钉固定的钢板作为上、下平台，气路部分41固定安装在台架40中。功率计1和控制系统2封装在一个操控箱43内，安装在可旋挂臂下。可由操作人员实际视线方位需要，进行便捷的旋转面对使用。
对于一些常用开关，为了方便操作人员使用，用一些牢固可靠的按键组成一个可移动的手操盒42。可随时放置在方便操作的位置，并且对于将来按键长期使用或暴力使用损坏的维修也方便。
图5为本发明实施例试验台的控制系统2和功率计1及相关电路的逻辑方框图。控制系统2包括手动控制换向阀18的按键开关50，给转换器17和扭矩传感器12供电的电源转换模块51，与转换器17和换向阀18电连接的转换控制表52，采样扭矩传感器12信号的扭矩检测表53，读取霍尔电位器15数据的转速记录表54，操控电动执行器11的机构器控制表55。
A、执行器的电压、电流、功率检测
通过功率计1配合电流互感器可实时检测执行器的运行电压(小于600V)、电流、功率和功率因数，并具备实时显示，同时具有RS485通讯功能。
B、电源转换
通过电源转换模块51将外部输出的220VAC转换为15VDC，用于给电/气转换器17和扭矩传感器12供电。该电源转换模块输出功率应在10W左右。
C、气路部分的控制
由转换控制表52输出一路4～20mA电流信号给电/气转换器17，同时显示输出的电流值和电/气转换器17输出的气压值。手动状态下由按键开关50控制电磁换向阀18的换向，自动状态下由转换控制表52的继电器输出控制电流到电/气转换器17。
D、扭矩数据检测
由扭矩检测表53采样扭矩传感器12输出的10kHz±5kHz频率信号，采样率为500次每秒，并将数据存储在控制表缓存中，同时显示瞬时扭矩信号和本次操作过程最大扭矩信号的功能。
E、霍尔电位器数据检测
由转速记录表54给霍尔电位器15配电5VDC，然后读取霍尔电位器15输出数据，转换为角度，并通过角度的变化计算被测执行器的转速，同时显示本次操作过程中的瞬时转速和转角。
F、被测电动执行器的控制
由执行器控制表55输出4～20mA电流信号控制被测执行器的正转、反转和停止，以及读取执行器自测的位置反馈信号，同时显示控制电流输出和被测执行器的位置反馈。
G、外配电脑
可配置外部电脑，设定相应程序。通过RS485通讯接口，用于控制被测执行器11、制动系统3，以及读取和记录相关数据。
本发明气动加载电动执行器试验台实施例的功能参数：
1.基本功能
A、检测执行器输出力矩
B、检测执行器功率
C、检测执行器转速
D、检测执行器转角
E、远程控制执行器
F、手动/自动调节负载压力
G、实现缓慢或紧急加载
H、与电脑通讯
2.规格参数
| 外形尺寸 | 660W×600D×1059H(不含控制箱) |
| 控制箱尺寸 | 350W×210D×450H |
| 法兰 | F10(可更换) |
| 测量力矩范围 | 0～200Nm，精度0.5Nm |
| 力矩扫描频率 | 500次/s |
| 气压范围 | 0～6Bar |
| 气源接头 | G 1/4 |
| 使用电压 | 220VAC |
| 被测电流范围 | Max.50A |
| 被测电压范围 | Max.690VAC/220VDC |
| 转速 | Max 250rpm，精度0.1rpm |
| 位置 | +/-1000转或者+/-360000度，精度1度 |
| 负载调节变化时间 | 1～100s可调 |
| 紧急制动时间 | 0.05s |
| 远程执行器控制 | 带 |
| 外形尺寸 | 660W×600D×1059H(不含控制箱) |
| 通讯方式 | RS485 |
| 加载方式 | 缓慢加载、快速加载 |
| 控制方式 | 就地操作控制、远程操作控制 |
| 数据显示 | 最大值显示、瞬时显示 |
| 重量 | 180kg |
Claims (10)
1.气动加载电动执行器试验台，包括：安装被测电动执行器(11)的台架(40)，对电动执行器(11)加载的制动系统(3)，与电动执行器(11)输出端连接的检测系统(4)；
其特征是，所述制动系统(3)为气动加载制动系统，包括：调节加载气压的电/气转换器(17)，切换加载气路的换向阀(18)，电动执行器(11)输出轴驱动旋转的制动盘(13)，受压缩空气作用对制动盘(13)加载摩擦力的气压制动器(14)；
通过换向阀(18)可以选择：压缩空气的压力经过电/气转换器(17)的调整后，作用在气压制动器(14)上，对制动盘(13)施加可调的摩擦力，实现电动执行器(11)的慢速加载模式；压缩空气直接作用在气压制动器(14)上，对制动盘(13)施加最大的摩擦力，实现电动执行器(11)的快速加载模式；作用在气压制动器(14)上的气压，受电/气转换器(17)的控制，实现电动执行器(11)的变速卸载模式。
2.如权利要求1所述的试验台，其特征是：所述电/气转换器(17)为电/气比例阀控制阀，所述换向阀(18)为两位三通电磁换向阀；
压缩空气分别连接于电/气转换器(17)的输入气口(SUP)和换向阀(18)的常闭端(P)，电/气转换器(17)的输出气口(OUT)连接在和换向阀(18)的常开端(R)，换向阀(18)的公共端(A)与气压制动器(14)的进气口连接，电/气转换器(17)的排气孔(25)与大气连通；
电磁换向阀(18)通电时，快速加载的气路导通；电磁换向阀(18)断电时，慢速加载和变速卸载的气路导通。
3.如权利要求1或2所述的试验台，其特征是：所述电/气转换器(17)获得4～20mA直流信号，对应转换器(17)的气路开关幅度为全关到全开，可实现从无气压输出到最大气压输出。
4.如权利要求3所述的试验台，其特征是：所述电/气转换器(17)获得4～20mA直流信号，对应转换器(17)从排气孔(25)排出多余气压的溢流能力的变化，可实现从快速排气到慢速排气的变速卸载。
5.如权利要求4所述的试验台，其特征是：所述制动盘(13)为盘面水平设置、可垂直转动的钢制圆盘；所述气压制动器(14)为钳式制动器，控制输入的压缩空气的压力，从而控制其和制动盘(13)之间的摩擦力，作为试验台的可调负载。
6.如权利要求4所述的试验台，其特征是：所述检测系统(4)包括与被测电动执行器(11)输出轴传动连接的扭矩传感器和转速传感器。
7.如权利要求6所述的试验台，其特征是：所述扭矩传感器为连接在执行器(11)输出轴与制动盘(13)之间的旋转式应变电阻扭矩传感器(12)；所述转速传感器为扭矩传感器(12)与制动盘(13)之间的第二传动轴(36)齿轮驱动的霍尔电位器(15)。
8.如权利要求4所述的试验台，其特征是：该试验台还包括与制动系统(3)和检测系统(4)连接的控制系统(2)。
9.如权利要求8所述的试验台，其特征是：所述控制系统(2)包括手控换向阀(18)的按键开关(50)，给转换器(17)和扭矩传感器(12)供电的电源转换模块(51)，与转换器(17)和换向阀(18)电连接的转换控制表(52)，采样扭矩传感器(12)信号的扭矩检测表(53)，读取霍尔电位器(15)数据的转速记录表(54)，操控电动执行器(11)的执行控制表(55)。
10.如权利要求4所述的试验台，其特征是：该试验台还包括与被测电动执行器(11)连接的，检测电压、电流和功率的功率计(1)。
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