CN107421726A - 基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，电动缸的一侧由上至下分别设有电缸上极限保护位、电缸原位和电缸下极限保护位；导向杆为两根，分别设置于电动缸的两侧；感应块固定在一侧的导向杆上；水箱放置在机架底座上；下夹具固定在水箱底部，用于夹持试件下端；上夹具固定在电动缸的活塞杆外端部；气动缸设置于水箱的一侧壁上；位移传感器设置于电动缸的另一侧；磁性块固定在另一侧的导向杆上；伺服电机带动电动缸；控制器与伺服电机驱动连接。本发明对一个或多个试件进行在线检测或者疲劳试验，实现更好的灵活性和更高的效率。具有结构简单、运动控制精密，适合高端材料、零部件和总成的性能测试和耐久性试验等优点。

Description

基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机

技术领域

本发明属于软硬结合机电试验装备技术领域，具体是，是一种用于测试汽车、船舶等零部件的基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，适用于简谐波及其合成波、不同占空比的方波、三角波、路谱等精密运动控制的大负载长行程高速高频激振驱动。

背景技术

以汽车装备为例，随着汽车需求的快速增长，对诸如减震器等的汽车零部件的供应商提出了更高的要求。减震器为汽车上的关键零部件，其寿命关乎汽车的整体质量。现有设备普遍采用电液伺服驱动工作的试验机或采用上下独立电机和偏心驱动的双动试验机，此两种试验机体积庞大、结构复杂、可靠性差、能耗很高。

现代机电一体化市场对产品的精度要求随着工业自动化的快速发展越来越高，随之对伺服系统的要求也越来越严格。伺服电机因其具有工作平稳，响应迅速，及过载能力等优点在自动化行业得到重视，其广泛应用于喷绘机、写真机、医疗仪器及设备及计算机外设及精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。传统的基于单片机的伺服系统受MCU计算速度及内部结构的限制，在面对越来越高要求伺服控制系统时遇到困难，FPGA为实现高要求的电机控制提供了新思路。但是，将两者(伺服电机及FPGA技术)结合通常存在如下技术困难：

由于伺服电机的齿轮间隙误差及大负载长行程高速高频的条件下FPGA的时延误差等，应用FPGA进行伺服电机控制，在高精度实现多种波形的运动上存在困难。

上述困难目前还无法解决。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，该种试验机采用伺服电动缸作为其动力源，解决了现有试验机体积大、结构复杂、生产成本高和能耗高等技术缺陷，并且该试验机控制器将FPGA应用于复杂运动例如叠加简谐运动的产生，致力于将上下独立驱动的双动试验机，简化为一端单驱动，由电子合成的相对运动实现相同的运动和功能，大幅节省能耗。由于取消了下驱动，依附于试件外层的温控水套、调温水管和测温传感器不再运动，加强了系统的灵活性、操作的便利性和控温的可靠性。

本发明通过以下技术解决实现的：

一种基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，其特征在于：包括控制器、伺服电机1、电动缸2、感应块6、水箱9、下夹具10、气动缸11、上夹具13、导向杆14、位移传感器15和磁性块16，其中：

所述电动缸2为一个或多个；

每一个电动缸2的一侧均由上至下设置电缸上极限保护位3、电缸原位4和电缸下极限保护位17；

每一个电动缸2的另一侧均设有位移传感器15，用于获得电动缸2活塞杆的实时位移，并发送至控制器；

每一个电动缸2的两侧均分别设有一根导向杆14；

每一个电动缸2的一侧导向杆14上均固定有感应块6，用于感应试件12运动行程范围的上限位5和下限位7，并发送至控制器；

每一个电动缸2的另一侧导向杆14上均固定有磁性块16，用作位移传感器15的敏感元件；

所述水箱9放置在电动缸2的下方，用于保证测试环境恒温；

每一个电动缸2的活塞杆外端部均固定有上夹具13，用于夹持试件12的上端；

所述下夹具10与上夹具13的数量相适配，并分别固定于水箱9的底部，用于夹持试件12的下端；

每一个电动缸2配套设置一个气动缸11；

所述气动缸11设置于水箱9的一侧壁上，为试件12提供侧向力；

所述伺服电机1与电动缸2的数量相适配，用于带动电动缸2；

所述控制器与伺服电机1驱动连接。

优选地：所述上限位5和下限位7的位置根据试验的幅值调整。

优选地：所述控制器应用FPGA发送脉冲驱动伺服电机1带动电动缸2的活塞杆做往复伸缩运动。

优选地，所述控制器包括：

-数据生成模块，设置于PC端，用于生成精密运动所需时间数据和方向数据，并将时间数据和方向数据进行融合；

-以太网通信模块，用于将数据生成模块融合的数据通过以太网传输到FPGA开发板。

-存储模块，设置于FPGA开发板，用于存储由以太网通信模块传输到FPGA开发板的融合数据；

-脉冲发生器模块，用于获取存储模块中的融合数据后进行分离处理，生成分离数据，并按照分离数据发送对应方向上的脉冲；

-位移纠偏器模块，作为保护模块，当电动缸2的活塞杆到达上限位5或下限位7时，发送脉冲使电动缸2的活塞杆运动到电缸原位4；

-脉冲选择器模块，根据电动缸2的活塞杆运动状态选择起作用的是脉冲发生器模块还是位移纠偏器模块；

-误差补偿模块，用于将位移传感器15获得的电动缸2活塞杆实时位移反馈到脉冲发生器模块，形成闭环控制，并进行误差补偿。

优选地，当电动缸2的活塞杆运动到上限位或下限位时，脉冲选择器模块选择启动位移纠偏器模块驱动电动缸2活塞杆回复气缸原位，接着脉冲选择器模块选择启动脉冲发生器模块。

优选地，所述基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，还包括如下任一项或任多项特征：

-最大动态负载为50kN；

-电动缸2活塞杆最大行程为±100mm，示值精度控制在±0.1FS范围内；

-试验频率范围为0.001～10Hz；

-试验波形包括：

简谐波；

两种以上不同频率和振幅的简谐合成波；

不同占空比的方波、三角波、T形波、斜波或路谱；

试验波形失真度小于±0.1％。

本发明提供的试验机，其为设计原理上的创新，以伺服电缸单驱动，电子合成双驱动精密运动控制，该试验机的应用并不限制于某一特定应用场合。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)本发明采用伺服电动缸作为其动力源，并将双动试验机简化为单动以实现相同功能，解决了现有试验机体积大、结构复杂、生产成本高等技术缺陷；

(2)本发明将FPGA应用于控制伺服电机的运转，通过专用算法来定时发送脉冲信号和方向信号，精度更高，开发更灵活；

(3)本发明可根据需要布置多个电动缸，对多个被试件进行在线检测或者疲劳试验，可以实现更好的灵活性和更高的效率；也可以按传统方式由单一电动缸驱动多个被试件。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机的机械结构示意图。

图2为基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机的控制器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，所述试验机包括控制器、伺服电机1、电动缸2、感应块6、水箱9、下夹具10、气动缸11、试件12、上夹具13、导向杆14、位移传感器15以及磁性块16。电缸上极限保护位3、电缸下极限保护为17以及电缸原位4设置于电动缸2一侧的上部、下部及中部位置。感应块6固定在一侧的导向杆14上，用于感应上限位5和下限位7。上限位5和下限位7的位置根据试验的幅值调整。水箱9放置在电动缸2的下方(即机架底座上)，用于保证测试环境恒温。下夹具10固定在水箱底部，用于夹持试件12下端。上夹具13固定在电动缸2活塞杆外端部，用于夹持试件12的上端。气动缸11为试件提供侧向力。试件12可以为减震器、弹簧、橡胶件、阻尼器等零件。位移传感器15设置于电动缸2的另一侧，用于获得电动缸2活塞杆的实时位移。磁性块16固定在另一侧的导向杆14上，用作位移传感器15的敏感元件。图1为基于单个电缸精密运动控制试验机的机械结构示意图，根据试验需要可以灵活布置多个电动缸，对多个被试件进行在线检测或者疲劳试验(详见实施例2)。

上述技术方案中采用的控制应用FPGA发送脉冲驱动伺服电机1带动电动缸3的活塞杆做往复伸缩运动。

上述控制器包括：

数据生成模块，生成精密运动所需时间和方向数据，并将数据进行融合。

以太网通信模块，通过以太网传输PC端数据生成模块中生成的融合数据到FPGA开发板的存储模块中。

存储模块，存储由以太网通信模块传输到FPGA开发板的融合数据。

脉冲发生器模块，获取存储模块中的融合数据进行分离处理，并按照分离后数据发送对应方向上的脉冲。

位移纠偏器模块，作为保护模块，当电动缸2活塞杆到达上限位5或下限位7时，发送脉冲使其运动到电缸原位4。

脉冲选择器模块，根据电动缸2活塞杆的运动状态选择起作用的是脉冲发生器模块还是位移纠偏器模块。

误差补偿模块，将位移传感器15获得的电动缸2活塞杆的实时位移反馈到脉冲发生器模块，形成闭环控制，并进行误差补偿。

进一步地，当电动缸2活塞杆运动到上限位或下限位时，脉冲选择器模块选择启动位移就偏器驱动活塞杆回复气缸原位，接着脉冲选择器模块启动脉冲发生器模块。

实施例2

实施例2为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，与实施例1的区别在与：

电动缸2为多个；其中：

每一个电动缸2的一侧均由上至下设置电缸上极限保护位3、电缸原位4和电缸下极限保护位17；

每一个电动缸2的另一侧均设有位移传感器15，用于获得电动缸2活塞杆的实时位移，并发送至控制器；

每一个电动缸2的两侧均分别设有一根导向杆14；

每一个电动缸2的一侧导向杆14上均固定有感应块6，用于感应试件12运动行程范围的上限位5和下限位7，并发送至控制器；

每一个电动缸2的另一侧导向杆14上均固定有磁性块16，用作位移传感器15的敏感元件；

多个电动缸2共用一个水箱；

所述水箱9放置在机架的底座上，用于保证测试环境恒温；

每一个电动缸2的活塞杆外端部均固定有上夹具13，用于夹持试件12的上端；

所述下夹具10与上夹具13的数量相适配，并分别固定于水箱9的底部，用于夹持试件12的下端；

每一个电动缸2配套设置一个气动缸11；

所述气动缸11设置于水箱9的一侧壁上，为试件12提供侧向力；

所述伺服电机1与电动缸2的数量相适配，用于带动电动缸2；

所述控制器与伺服电机1驱动连接。

本实施例提供的试验机，其工作原理与实施例1相同，通过本实施例提供的试验机，可以同时试验多个试件12。

上述两个实施例提供的基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，此试验机包括机械部分、试验机驱动器部分和控制器部分。所述机械部分主要由伺服电机、电动缸、水箱、立柱等组成。所述试验机控制器主要由数据生成模块、以太网通信模块、存储模块、脉冲发生器模块、位移纠偏器模块、脉冲选择器模块、误差补偿模块组成。所述试验机可通过脉冲控制电动缸活塞杆做往复直线运动，所述直线运动为简谐波及两种以上不同频率和振幅的简谐合成波、不同占空比的方波、三角波、路谱等的转化运动。该种试验机根据需要布置多个电动缸，对多个被试件进行在线检测或者疲劳试验，可以实现更好的灵活性和更高的效率。该种试验机具有结构简单、运动控制精密，适合高端材料、零部件和总成的性能测试和耐久性试验等优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，其特征在于：包括控制器、伺服电机(1)、电动缸(2)、感应块(6)、水箱(9)、下夹具(10)、气动缸(11)、上夹具(13)、导向杆(14)、位移传感器(15)和磁性块(16)，其中：

所述电动缸(2)为一个或多个；

每一个电动缸(2)的一侧均由上至下设置电缸上极限保护位(3)、电缸原位(4)和电缸下极限保护位(17)；

每一个电动缸(2)的另一侧均设有位移传感器(15)，用于获得电动缸(2)活塞杆的实时位移，并发送至控制器；

每一个电动缸(2)的两侧均分别设有一根导向杆(14)；

每一个电动缸(2)的一侧导向杆(14)上均固定有感应块(6)，用于感应试件(12)运动行程范围的上限位(5)和下限位(7)，并发送至控制器；

每一个电动缸(2)的另一侧导向杆(14)上均固定有磁性块(16)，用作位移传感器(15)的敏感元件；

所述水箱(9)放置在电动缸(2)的下方，用于保证测试环境恒温；

每一个电动缸(2)的活塞杆外端部均固定有上夹具(13)，用于夹持试件(12)的上端；

所述下夹具(10)与上夹具(13)的数量相适配，并分别固定于水箱(9)的底部，用于夹持试件(12)的下端；

每一个电动缸(2)配套设置一个气动缸(11)；

所述气动缸(11)设置于水箱(9)的一侧壁上，为试件(12)提供侧向力；

所述伺服电机(1)与电动缸(2)的数量相适配，用于带动电动缸(2)；

所述控制器与伺服电机(1)驱动连接。

2.根据权利要求1所述的基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，其特征在于：所述上限位(5)和下限位(7)的位置根据试验的幅值调整。

3.根据权利要求1所述的基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，其特征在于：所述控制器应用FPGA发送脉冲驱动伺服电机(1)带动电动缸(2)的活塞杆做往复伸缩运动。

4.根据权利要求3所述的基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，其特征在于，所述控制器包括：

-数据生成模块，设置于PC端，用于生成精密运动所需时间数据和方向数据，并将时间数据和方向数据进行融合；

-以太网通信模块，通过以太网传输数据生成模块融合的数据到FPGA开发板；

-存储模块，设置于FPGA开发板，用于存储由以太网通信模块传输到FPGA开发板的融合数据；

-脉冲发生器模块，用于获取存储模块中的融合数据后进行分离处理，并按照分离数据发送对应方向上的脉冲；

-位移纠偏器模块，作为保护模块，当电动缸(2)的活塞杆到达上限位(5)或下限位(7)时，发送脉冲使电动缸(2)的活塞杆运动到电缸原位(4)；

-脉冲选择器模块，根据电动缸(2)的活塞杆运动状态选择起作用的是脉冲发生器模块还是位移纠偏器模块；

-误差补偿模块，用于将位移传感器(15)获得的电动缸(2)活塞杆的实时位移反馈到脉冲发生器模块，形成闭环控制，并进行误差补偿。

5.根据权利要求4所述的基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，其特征在于：当电动缸(2)的活塞杆运动到上限位或下限位时，脉冲选择器模块选择启动位移纠偏器模块驱动电动缸(2)活塞杆回复气缸原位，接着脉冲选择器模块选择启动脉冲发生器模块。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于伺服电动缸大负载高速度精密运动控制的试验机，其特征在于：还包括如下任一项或任多项特征：

-最大动态负载为50kN；

-电动缸(2)活塞杆最大行程为±100mm，示值精度控制在±0.1FS范围内；

-试验频率范围为0.001～10Hz；

-试验波形包括：

简谐波；

两种以上不同频率和振幅的简谐合成波；

不同占空比的方波、三角波、T形波、斜波或路谱；

试验波形失真度小于±0.1％。