CN103175775A - 一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统 - Google Patents

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李建冬
聂光玮
张文波
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本发明公开了一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，包括：底座（1）、缸套（2）、活塞环（3）、活塞杆（4）、上位机（5）、摩擦系数辨识模块（6）、导轨（7）、直线电机（8）、驱动器（9）、连接件（10）、滑块（11）、力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）、力传感器支架A（16）、力传感器支架B（17）、数据采集卡（18）。工作时，直线电机（8）驱动活塞环（3）在缸套（2）中往复运动并使内壁产生摩擦，数据采集卡（18）采集摩擦力与速度，并将其送入上位机（5），摩擦系数辨识模块（6）对各项摩擦系数进行辨识。本发明提高了活塞环摩擦系数的辨识精度。

Description

一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统
技术领域
本发明涉及一种缸套活塞环摩擦测试系统，特别是一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统。
背景技术
缸套活塞环是发动机、内燃机等设备中最重要、最关键的运动副，也是运行在高温、高速等恶劣环境下的一种比较典型的运动副。缸套活塞环的摩擦特性对发动机、内燃机的可靠、持久运行具有重要的意义。
现有的缸套活塞环摩擦测试系统采用间接传动的方式，由旋转电机、曲轴连构、缸套、活塞环、活塞杆、上位机组成。旋转电机通过曲轴连杆与活塞杆连接。在测试系统工作时，旋转电机驱动曲轴连杆，将电机旋转运动转变为直线往复运动，从而间接驱动活塞杆带动活塞环在缸套中进行直线往复运动。上位机采集活塞环运动过程中与缸套间的摩擦力信号，采用简单的拟合算法等对活塞环的摩擦系数进行辨识。由于在这种采用间接传动方式的缸套活塞环摩擦测试系统中存在中间传动装置引起的传动误差，所以其传动精度不高，在进行高频往复运动时的测量误差尤为明显。在对实验数据的处理上，由于只是采用简单的拟合算法等对活塞环的摩擦系数进行辨识，故辨识精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，解决现有的采用间接传动方式的缸套活塞环摩擦测试系统存在的间隙、低带宽以及摩擦系数辨识精度低的问题。
一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，包括：底座、缸套、活塞环、活塞杆、上位机，还包括：摩擦系数辨识模块、导轨、直线电机、驱动器、连接件、滑块、力传感器A、力传感器B、力传感器C、力传感器D、力传感器支架A、力传感器支架B、数据采集卡；其中，摩擦系数辨识模块驻留在上位机内，摩擦系数辨识模块的功能为实现对活塞环摩擦系数的参数辨识。底座垂直放置在地面上；直线电机、导轨竖直置于底座前方并均与底座螺钉连接，直线电机的运动方向与导轨平行；连接件与直线电机的动子螺钉连接；滑块置于导轨上，所述滑块与连接件螺钉连接；活塞杆与滑块固定连接且所述活塞杆与导轨平行；活塞环置于活塞杆下部并与活塞杆套接；力传感器支架A位于滑块的下端并与导轨螺钉连接；力传感器支架B置于导轨下端并与导轨螺钉连接；力传感器A、力传感器B的上端与力传感器支架A螺钉连接；缸套竖直放置在两个力传感器支架之间，缸套上端分别与力传感器A、力传感器B的下端螺钉连接，缸套下端分别与力传感器C、力传感器D的上端螺钉连接；力传感器C的下端、力传感器D的下端均与力传感器支架B螺钉连接；活塞杆套有活塞环的一端伸入缸套内；上位机的串口与驱动器的控制信号输入端导线连接；驱动器的驱动电源输出端与直线电机的电源输入端导线连接；上位机与数据采集卡由PCI卡槽连接；数据采集卡的模拟信号输入端与力传感器A、力传感器B、力传感器C、力传感器D的模拟信号输出端导线连接；数据采集卡的数字信号输入端与直线电机光电编码器的输出端导线连接。
本测试系统处于工作状态时，通过上位机将运动指令发送给驱动器，驱动器根据运动指令输出相应的驱动电源信号给直线电机，直线电机进行相应的运动，通过连接件直接驱动滑块在导轨上滑动，固定在滑块上的活塞杆带动活塞环在缸套中运动，固定在缸套两端的力传感器测量活塞环与缸套间的摩擦力信号，数据采集卡同步采集直线电机光电编码器输出的速度脉冲信号以及四个力传感器测量到的摩擦力信号并送入上位机，控制直线电机进行不同频率不同运动模式的运动，将采集到的各组速度及对应的摩擦力数据送入上位机并保存，驻留在上位机中的摩擦系数辨识模块通过这些数据对活塞环的摩擦系数进行辨识。
为了对活塞环的摩擦系数进行精确的辨识，摩擦系数辨识模块采用基于Lugre模型和粒子群优化算法，对采集到的活塞环的速度、摩擦力信号进行计算处理，实现了活塞环摩擦系数的参数估计。LuGre模型的数学描述如下：
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE006
其中，t是时间，是摩擦力， 
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE010
是预滑动阶段摩擦副表面平均变形，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE012
是摩擦副运动速度，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE014
捕获了粘性摩擦和Stribeck效应，六个待辨识参数分别如下：
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE016
是库仑摩擦力，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE018
是静摩擦力，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE020
是Stribeck速度，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE022
是预滑动阶段摩擦副表面刚度系数，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE024
是预滑动阶段摩擦副表面阻尼系数，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE026
是滑动阶段粘性摩擦系数。
将上述六个待辨识参数作为一个六维的粒子通过粒子群优化算法解出最优解。首先进行粒子种群初始化，即得到一组初始解；然后建立适应度函数
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE030
表示粒子群个体适应度值，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE032
为上位机采集到的摩擦力数据，为将粒子种群中第i个六维粒子的值代入LuGre模型中计算出的摩擦力数据，
Figure 2013100773490100002DEST_PATH_IMAGE036
为实验采样数据个数；将粒子种群中的每个个体代入适应度函数，得出相应的适应度函数值，将粒子群个体按适应度值按大小排序；更新粒子个体极值位置、邻域极值位置和全局极值位置；然后根据粒子公式更新粒子的速度及位置；并引入混沌扰动以更新粒子从而得到新的粒子种群；将新的六维粒子种群中每个个体的值代入适应度函数进行迭代计算，直到适应度函数的值达到要求或者迭代次数达到要求，即得到各辨识参数的最优解。
基于直线电机直接传动的方式减少了中间机械传动环节引起的传动误差，保证了传动精度，解决了高频周期往复运动引起的测量误差；缸套、力传感器竖直放置，并采用悬浮结构，缸套与力传感器支架间仅通过力传感器连接，保证了运动过程中摩擦力的准确测量、排除了其他力对测试结果的影响。在对摩擦系数的辨识过程了采用了基于Lugre模型和粒子群优化算法的摩擦系数辨识方法，实现了对活塞环的各项摩擦系数的精确辨识。
附图说明
图1 一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统结构示意图。
1.底座  2.缸套  3.活塞环  4.活塞杆  5.上位机  6.摩擦系数辨识模块  7.导轨  8.直线电机  9.驱动器  10.连接件  11.滑块  12.力传感器A  13.力传感器B  14.力传感器C  15.力传感器D  16.力传感器支架A  17.力传感器支架B  18.数据采集卡。
具体实施方式
    一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，包括：底座1、缸套2、活塞环3、活塞杆4、上位机5，还包括：摩擦系数辨识模块6、导轨7、直线电机8、驱动器9、连接件10、滑块11、力传感器A12、力传感器B13、力传感器C14、力传感器D15、力传感器支架A16、力传感器支架B17、数据采集卡18；其中，摩擦系数辨识模块6的功能为：实现对活塞环3摩擦系数的参数辨识。摩擦系数辨识模块6驻留在上位机5内。底座1垂直放置在地面上；直线电机8、导轨7竖直置于底座前方并均与底座1螺钉连接，直线电机8的运动方向与导轨7平行；连接件10与直线电机8的动子螺钉连接；滑块11置于导轨7上，所述滑块11与连接件10螺钉连接；活塞杆4与滑块11固定连接，且所述活塞杆4与导轨7平行；活塞环3置于活塞杆4下部并与活塞杆4套接；力传感器支架A16位于滑块11的下端并与导轨7螺钉连接；力传感器支架B17置于导轨7下端并与导轨7螺钉连接；力传感器A12、力传感器B13的上端与力传感器支架A16螺钉连接；缸套2竖直放置在两个力传感器支架之间，缸套2上端分别与力传感器A12、力传感器B13的下端螺钉连接，缸套2下端分别与力传感器C14、力传感器D15的上端螺钉连接；力传感器C14、力传感器D15的下端与力传感器支架B17螺钉连接；活塞杆4套有活塞环3的一端伸入缸套2内；上位机5的串口与驱动器9的控制信号输入端导线连接；驱动器9的驱动电源输出端与直线电机8的电源输入端导线连接；上位机5与数据采集卡18通过PCI卡槽连接；数据采集卡18的模拟信号输入端与力传感器A12、力传感器B13、力传感器C14、力传感器D15的模拟信号输出端导线连接；数据采集卡18的数字信号输入端与直线电机8的光电编码器输出端导线连接。
一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统处于工作状态时，通过上位机5将运动指令发送给驱动器9，驱动器9根据运动指令输出相应的驱动电源信号给直线电机8，直线电机8进行相应的运动，通过连接件10直接驱动滑块11在导轨7上滑动，固定在滑块11上的活塞杆4带动活塞环3在缸套2中运动，固定在缸套2两端的力传感器A12、力传感器B13、力传感器C14、力传感器D15测量活塞环3与缸套2间的摩擦力信号，数据采集卡18同步采集直线电机8的光电编码器输出的速度脉冲信号以及力传感器A12、力传感器B13、力传感器C14、力传感器D15测量到的摩擦力信号并送入上位机5，控制直线电机8进行不同频率不同运动模式的运动，将采集到的各组速度及对应的摩擦力数据送入上位机5并保存，驻留在上位机5中的摩擦系数辨识模块6通过这些参数对活塞环3的摩擦系数进行辨识。
为了对活塞环的摩擦系数进行精确的辨识，摩擦系数辨识模块6采用基于Lugre模型和粒子群优化算法，对采集到的活塞环3的速度、摩擦力信号进行计算处理，实现了活塞环3摩擦系数的参数估计。LuGre模型的数学描述如下：
Figure 60082DEST_PATH_IMAGE002
Figure 162905DEST_PATH_IMAGE004
Figure 636129DEST_PATH_IMAGE006
其中，t是时间，
Figure 448620DEST_PATH_IMAGE008
是摩擦力， 
Figure 469535DEST_PATH_IMAGE010
是预滑动阶段摩擦副表面平均变形，
Figure 666511DEST_PATH_IMAGE012
是摩擦副运动速度，
Figure 798284DEST_PATH_IMAGE014
捕获了粘性摩擦和Stribeck效应，六个待辨识参数分别如下：
Figure 465282DEST_PATH_IMAGE016
是库仑摩擦力，
Figure 657098DEST_PATH_IMAGE018
是静摩擦力，
Figure 341370DEST_PATH_IMAGE020
是Stribeck速度，
Figure 11255DEST_PATH_IMAGE022
是预滑动阶段摩擦副表面刚度系数，
Figure 798339DEST_PATH_IMAGE024
是预滑动阶段摩擦副表面阻尼系数，是滑动阶段粘性摩擦系数。
将上述六个待辨识参数作为一个六维的粒子通过粒子群优化算法解出最优解。首先进行粒子种群初始化，即得到一组初始解；然后建立适应度函数
Figure 394941DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 871447DEST_PATH_IMAGE030
表示粒子群个体适应度值，
Figure 182211DEST_PATH_IMAGE032
为上位机采集到的摩擦力数据，
Figure 736337DEST_PATH_IMAGE034
为将粒子种群中第i个六维粒子的值代入LuGre模型中计算出的摩擦力数据，
Figure 398132DEST_PATH_IMAGE036
为实验采样数据个数；将粒子种群中的每个个体代入适应度函数，得出相应的适应度函数值，将粒子群个体按适应度值按大小排序；更新粒子个体极值位置、邻域极值位置和全局极值位置；然后根据粒子公式更新粒子的速度及位置；并引入混沌扰动以更新粒子从而得到新的粒子种群；将新的六维粒子种群中每个个体的值分别代入适应度函数进行迭代计算，直到适应度函数的值达到要求或者迭代次数达到要求，即得到各辨识参数的最优解。

Claims (1)

1.一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，包括：底座（1）、缸套（2）、活塞环（3）、活塞杆（4）、上位机（5），其特征在于还包括：摩擦系数辨识模块（6）、导轨（7）、直线电机（8）、驱动器（9）、连接件（10）、滑块（11）、力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）、力传感器支架A（16）、力传感器支架B（17）、数据采集卡（18）；其中，摩擦系数辨识模块（6）的功能为：实现对活塞环（3）摩擦系数的参数辨识；摩擦系数辨识模块（6）驻留在上位机（5）内；底座（1）垂直放置在地面上；直线电机（8、）导轨（7）竖直置于底座前方并均与底座（1）螺钉连接，直线电机（8）的运动方向与导轨（7）平行；连接件（10）与直线电机（8）的动子螺钉连接；滑块（11）置于导轨（7）上，所述滑块（11）与连接件（10）螺钉连接；活塞杆（4）与滑块（11）固定连接，且所述活塞杆（4）与导轨（7）平行；活塞环（3）置于活塞杆（4）下部并与活塞杆（4）套接；力传感器支架A（16）位于滑块（11）的下端并与导轨（7）螺钉连接；力传感器支架B（17）置于导轨（7）下端并与导轨（7）螺钉连接；力传感器A（12）、力传感器B（13）的上端与力传感器支架A（16）螺钉连接；缸套（2）竖直放置在两个力传感器支架之间，缸套（2）上端分别与力传感器A（12）、力传感器B（13）的下端螺钉连接，缸套（2）下端分别与力传感器C（14）、力传感器D（15）的上端螺钉连接；力传感器C（14）、力传感器D（15）的下端与力传感器支架B（17）螺钉连接；活塞杆（4）套有活塞环（3）的一端伸入缸套（2）内；上位机（5）的串口与驱动器（9）的控制信号输入端导线连接；驱动器（9）的驱动电源输出端与直线电机（8）的电源输入端导线连接；上位机（5）与数据采集卡（18）由PCI卡槽连接；数据采集卡（18）的模拟信号输入端与力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）的模拟信号输出端导线连接；数据采集卡（18）的数字信号输入端与直线电机（8）的光电编码器输出端导线连接；
本测试系统处于工作状态时，通过上位机（5）将运动指令发送给驱动器（9），驱动器（9）根据运动指令输出相应的驱动电源信号给直线电机（8），直线电机（8）进行相应的运动，通过连接件（10）直接驱动滑块（11）在导轨（7）上滑动，固定在滑块（11）上的活塞杆（4）带动活塞环（3）在缸套（2）中运动，固定在缸套（2）两端的力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）测量活塞环（3）与缸套（2）间的摩擦力信号，数据采集卡（18）同步采集直线电机（8）的光电编码器输出的速度脉冲信号以及力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）测量到的摩擦力信号并送入上位机（5），控制直线电机（8）进行不同频率不同运动模式的运动，将采集到的各组速度及对应的摩擦力数据送入上位机（5）并保存，驻留在上位机（5）中的摩擦系数辨识模块（6）通过这些参数对活塞环（3）的摩擦系数进行辨识；
为了对活塞环的摩擦系数进行精确的辨识，摩擦系数辨识模块（6）采用基于Lugre模型和粒子群优化算法，对采集到的活塞环（3）的速度、摩擦力信号进行计算处理，实现了活塞环（3）摩擦系数的参数估计；LuGre模型的数学描述如下：
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE006
其中，t是时间，是摩擦力， 
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE010
是预滑动阶段摩擦副表面平均变形，
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE012
是摩擦副运动速度，
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE014
捕获了粘性摩擦和Stribeck效应，六个待辨识参数分别如下：
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE016
是库仑摩擦力，
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE018
是静摩擦力，
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE020
是Stribeck速度，
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE022
是预滑动阶段摩擦副表面刚度系数，
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE024
是预滑动阶段摩擦副表面阻尼系数，
Figure 2013100773490100001DEST_PATH_IMAGE026
是滑动阶段粘性摩擦系数；
将上述六个待辨识参数作为一个六维的粒子通过粒子群优化算法解出最优解；首先进行粒子种群初始化，即得到一组初始解；然后建立适应度函数，其中表示粒子群个体适应度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为上位机采集到的摩擦力数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为将粒子种群中第i个六维粒子的值代入LuGre模型中计算出的摩擦力数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为实验采样数据个数；将粒子种群中的每个个体代入适应度函数，得出相应的适应度函数值，将粒子群个体按适应度值按大小排序；更新粒子个体极值位置、邻域极值位置和全局极值位置；然后根据粒子公式更新粒子的速度及位置；并引入混沌扰动以更新粒子从而得到新的粒子种群；将新的六维粒子种群中每个个体的值分别代入适应度函数进行迭代计算，直到适应度函数的值达到要求或者迭代次数达到要求，即得到各辨识参数的最优解。
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