CN110715800A - 一种直线推杆测试仪 - Google Patents

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CN110715800A CN201911119455.4A CN201911119455A CN110715800A CN 110715800 A CN110715800 A CN 110715800A CN 201911119455 A CN201911119455 A CN 201911119455A CN 110715800 A CN110715800 A CN 110715800A
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朱俊
唐静
辛改芳
裴志坚
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere

Abstract

本发明涉及一种直线推杆测试仪，包括柜体、伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、滑台和电气控制系统，伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、滑台和电气控制系统采用双工位的形式安装在柜体内；滑台底部套装在滚珠丝杠上并可移动式地嵌合在直线导轨上，伺服电机控制滚珠丝杠的运作，以控制滑台在直线导轨上的运动，滑台的上部设有传感器连接块，该连接块下侧连接应变式力传感器，将待测直线推杆的力通过传感器连接块传递至应变式力传感器。本发明用电驱替代气缸加载负载力，使用伺服电机编码器间接检测直线位移的整体设计方案，一键操作，操作工易上手，漏检率低，应用该测试仪后，退货返工量至少减少，保证了出货产品的质量，也为企业赢得了声誉。

Description

一种直线推杆测试仪
技术领域
本发明涉及电气元器件领域，具体涉及一种直线推杆测试仪。
背景技术
直线推杆是一种将直流或交流电机的旋转运动转化为推杆直线运动的电气元器件。直线推杆是各种电动升降桌椅、医疗卫生健身器械产品的主要部件，常州周边地区已经形成了直线推杆生产制造的完整产业链，产品除供应国内市场外，还远销美国、欧洲等世界各地。
直线推杆出厂以前需要检测产品的各项性能参数是否满足图纸要求。检测时需施加一恒定的负载力(不同型号的推杆，负载力大小不同)，在此负载力下需要检测的参数包括：推杆的行程和锁紧力间隙大小，推杆电机电流平均值、推杆平均直线速度，检测值与标准值相比对来判定该件推杆产品是否合格，应下游厂家要求每件产品必检。目前直线推杆生产厂家的检测装置采用气缸产生恒定负载力，推杆通电后反推气缸直线移动，通过数显卡尺人工读数行程和锁紧力间隙大小，通过电流表读取实时电流，速度只能工人肉眼判别。该检测装置结构简单，最大的不足在于所提供的负载力不稳定，且负载力大小与指定值误差较大。当被测推杆型号变更时，通过减压阀改变压缩空气压力从而改变负载力，这种做法也较为粗放。其二，人工读数电流表只是截取整个检测过程中的某个瞬时值，不能反映整个检测过程中的电流变化情况，所带来的随机性较大；其三，自动化程度低，工人劳动强度大，操作工注意力不集中稍有疏忽就造成产品漏检，发货至客户处被退回给公司带来经济损失。
发明内容
本发明提出了一种直线推杆测试仪，采用电机驱动实现恒定负载力的加载，应变式力传感器实时监测负载力大小，伺服电机编码器和电流传感器分别记录行程、锁紧力间隙大小和推杆电机的电流，并通过触摸屏曲线实时展示被测参数的动态变化情况，自动采样计算平均值，自动与设定的标准参数比对给出产品是否合格的结论。
一种直线推杆测试仪，包括柜体、伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、滑台和电气控制系统，其特征在于：
伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、滑台和电气控制系统采用双工位的形式安装在柜体内；
滑台底部套装在滚珠丝杠上并可移动式地嵌合在直线导轨上，伺服电机控制滚珠丝杠的运作，以控制滑台在直线导轨上的运动；滑台下部设有传感器固定块，传感器固定块上侧面安装应变式力传感器；
应变式力传感器和待测直线推杆之间设置传感器连接块以将待测直线推杆的力通过传感器连接块传递至应变式力传感器；
伺服电机由电气控制系统控制，伺服电机旁设有直线推杆的电源接线处，伺服电机下部分的前面板固定待测的直线推杆；
伺服电机分别为左伺服电机和右伺服电机，分别配有左工位伺服驱动器和右工位伺服驱动器；
电气控制系统包括PLC，和搭配PLC扩展的AD/DA模块EM06，以及触摸屏；
AD/DA模块EM06提供4模拟量输入和2模拟量输出，其中4个A/D通道分别连接双工位的2个应变式力传感器和2个电流传感器；电流传感器置于柜体内，其输入电路与待测的直线推杆的供电电路串联，另一端连接至AD/DA模块EM06；2个D/A通道分别输出0～10V转矩指令至左工位伺服驱动器和右工位伺服驱动器。
进一步地，测试仪采用双工位设计，两工位功能完全相同，两个工位均通过实体按钮实现检测流程的启动和直线推杆的手动控制，实体按钮包括行程开关、原点开关等按钮。
进一步地，伺服电机采用HG-KN73J-S100三菱电机，其额定扭矩为2.39N.m，最大转矩为8.36N.m，功率为750W。
进一步地，PLC选用西门子S7-200 SMART ST30，集成有4个高速计数器通道，用来接收来自于伺服电机的编码器脉冲，PLC与行程开关和原点开关等实体按钮连接，PLC进行被测直线推杆的电机正反转控制。
进一步地，触摸屏采用昆仑通态7寸TPC7062KS型显示器。
进一步地，触摸屏的画面结构依次为欢迎画面，可互相切换的当前生效参数画面和参数设定画面，以及汇总表格画面，汇总表格画面进一步连接采集数据历史表格、采集数据实时曲线表格和滑台位置手动控制三个画面。
进一步地，触摸屏中的参数设定画面，以适应不同型号的推杆测试，用户可在此画面输入待测推杆型号的负载力、行程、电流、锁紧力间隙、速度等参数的正常范围，并掉电保存在触摸屏中。
进一步地，柜体底部设有带刹车的万向轮。
本发明达到的有益效果为：本发明针对当前直线推杆厂家的要求，提出一种直线推杆检测仪。针对原有检测装置的三项不足，创造性地提出了用电驱替代气缸加载负载力，使用伺服电机编码器间接检测直线位移的整体设计方案，通过测试本发明开发的检测仪较好地解决了原有检测装置的三项不足，一键操作，操作工易上手，漏检率低，应用该测试仪后，直线推杆的下游厂家退货返工量至少减少了2/3，保证了出货产品的质量，也为企业赢得了声誉。
附图说明
图1为本发明一种直线推杆测试仪的结构示意图。
图2为本发明一种直线推杆测试仪的滑台部分侧视图。
图3为本发明的电气控制系统硬件结构框图。
图4为本发明测试仪的使用流程图。
图5为本发明的触摸屏画面结构示意图。
图中，1-柜体，2-伺服电机，4-待测直线推杆，5-触摸屏，6-滑台，7-滚珠丝杠，8-直线导轨，9-实体按钮，10-传感器连接块，11-应变式力传感器，12-万向轮，13-传感器固定件，14-插销，15-圆棒。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种直线推杆测试仪，包括柜体1、伺服电机2、滚珠丝杠7、直线导轨8、滑台6和电气控制系统。
伺服电机2、滚珠丝杠7、直线导轨8、滑台6和电气控制系统采用双工位的形式安装在柜体1内。滑台6底部套装在滚珠丝杠7上并可移动式地嵌合在直线导轨8上，伺服电机2控制滚珠丝杠7的运作，以控制滑台6在直线导轨8上的运动。
参照图2，滑台6下部通过螺栓固定传感器固定块13，传感器固定块13的上侧面对应设置有固定槽，将应变式力传感器11设置在该固定槽内，并通过螺栓固定于传感器固定块13。
应变式力传感器11和待测直线推杆4之间设置传感器连接块10以将待测直线推杆4的力通过传感器连接块10传递至应变式力传感器11，传感器连接块10和滑台6之间不设置直接的机械连接。传感器连接块10的下端通过螺栓固定于应变式力传感器11的弹性元件上，待测直线推杆4的推杆的下端通过插销14固定于传感器连接块10。
伺服电机2由电气控制系统控制，伺服电机2旁设有直线推杆的电源接线处，伺服电机2下部分的前面板上设置有圆孔，待测直线推杆4上也设有圆孔，通过一根圆棒15作为插销穿过该两个圆孔，将待测直线推杆4与测试仪的伺服电机2固定连接起来。伺服电机2分别为左伺服电机2和右伺服电机2，分别配有左工位伺服驱动器和右工位伺服驱动器。电气控制系统包括PLC，和搭配PLC扩展的AD/DA模块EM06，以及触摸屏5。AD/DA模块EM06提供4模拟量输入和2模拟量输出，其中4个A/D通道分别连接双工位的2个应变式力传感器和2个电流传感器。电流传感器置于柜体内，其输入电路与待测的直线推杆的供电电路串联，将电机的大电流线性转换为4-20mA的小电流，另一端输出小电流至至AD/DA模块EM06。2个D/A通道分别输出0～10V转矩指令至左工位伺服驱动器和右工位伺服驱动器。柜体1底部设有带刹车的万向轮12。
该检测仪机械结构采用伺服电机2+滚珠丝杠7+直线导轨8+滑台6的经典形式，如图1所示。伺服驱动器工作在扭矩模式，使得伺服电机2输出恒定扭矩，直线导轨8摩擦力、丝杠预紧力的变化经事先测定小于60N，远小于拟加载的负载力。因此电机扭矩经滑台6转化为加载在被测直线推杆上的负载力可以认为是恒定的。待测直线推杆4的推杆经传感器连接块10、应变式力传感器11、传感器固定块13倒推滑台6向下或拉着滑台6向上运行，应变式力传感器11实时监测被测推杆的负载力。该检测仪要求能适应不同型号推杆的检测，方便加载不同的负载力，通过改变伺服驱动器扭矩模式下的扭矩指令电压，改变了伺服电机2输出扭矩，从而改变了滑台6给直线推杆的负载力。
在此负载力的作用下，检测滑台6的直线位移从而获知推杆的行程和锁紧力间隙。本发明未使用光栅尺等直线位移传感器检测滑台6的直线位移，而使用伺服电机2编码器输出的脉冲获得电机角位移后间接获得滑台6的直线位移，从而可以降低成本，滚珠丝杠7经预紧后消除间隙可以满足检测精度的要求，伺服电机2编码器经伺服驱动器分频后向外输出电机编码器的脉冲，技术上是十分可行的。
另外考虑利用电流传感器采样推杆电机的电流大小，然后计算平均值。
该测试仪考虑到产线节拍要求，采用双工位设计，两工位功能完全相同。两个工位的操作按钮盒完全分开，通过实体按钮9而不是触摸屏5按钮实现检测流程的启动和直线推杆的手动控制，充分考虑了生产现场工人操作的方便，符合人体工程学的设计原则。
本测试仪机械结构为典型的滚珠丝杠7螺母副结构，使用伺服电机2的负载转矩计算公式：
Figure BDA0002275032760000061
式中，TL为折算到电机轴上的负载转矩(N.m)；F为轴向移动滑台6所需的力(N)；L为电机每转的机械位移量(m)；TC为滚珠丝杠7螺母或轴承等摩擦转矩折算到电机轴上的负载转矩(N.m)；η为驱动系统的效率。
本测试仪滚珠丝杠7轴为竖直布置，考虑重力影响，假设滑台6施加的负载力向上，推杆向下运行；
F＝Fc+W+μ(fg+Fcf) (2)
式中，Fc为直线推杆的反作用力(N)；W为工作台工件等滑动部分总重量(N)；μ为摩擦系数；fg镶条锁紧力(N)；Fcf为由于直线推杆的反作用力使滑台6压向导轨的正压力(N)。
Fc客户要求最大为5000N，W为300N，μ取0.05，fg取500N，Fcf取300N，由公式(2)计算F＝5340N。TC取0.2N.m，η取0.9，L＝0.005m再利用公式(1)计算TL＝4.92N.m。由于每测完一个直线推杆，需要将测试完成的推杆换下，将要被测试的推杆加载，故伺服电机2并非连续工作，可以工作在电机特性曲线的“反复使用区域”，结合测试仪的这一工况，最终选定的型号是三菱伺服电机2HG-KN73J-S100，其额定扭矩为2.39N.m，最大转矩为8.36N.m，功率为750W，完全能满足本测试仪的使用要求。
电气控制系统的硬件以PLC作为控制核心，选用西门子S7-200 SMART ST30，搭配扩展的AD/DA模块EM06提供4模拟量输入和2模拟量输出，如图3所示。双工位的2个应变式力传感器，2个电流传感器充分利用了4个A/D通道，输出至驱动器的0～10V转矩指令利用了2个D/A通道。ST30集成有4个高速计数器通道，用来接收来自于伺服电机2的编码器脉冲。为了图形化展示检测过程中采样的各参数动态变化情况，本测试仪配置有触摸屏5，触摸屏5采用昆仑通态7寸TPC7062KS型显示器，经济实惠完全能满足本发明要求。
电气控制系统的软件包括两部分的内容，PLC程序和触摸屏5画面、脚本、策略。PLC程序负责整个检测流程时序的控制，后期的数据采集与处理则交由触摸屏5脚本、策略负责。PLC程序完成被测直线推杆的手动伸出、缩回控制，滑台6运行速度的实时监视(客户基于安全的要求)，配合触摸屏5完成直线推杆检测过程中负载力、行程位移、电流的实时采样等功能，流程图如图3所示。
PLC编程采用最常用的梯形图语言，使用STEP7-MicroWIN SMART编程软件，该软件将常见应用包括高速计数、PID、位置控制等功能内置在软件中，向导操作简单不出错，本测试仪所使用的高速计数功能只需要在向导的指引下输入必要的参数即能完成两个高速计数通道的配置使用。
如图4所示，触摸屏5负责采集行程、电流、负载力、锁紧力间隙数据。通过昆仑通态触摸屏5的策略功能触发数据采集的开始与结束，采样周期为1秒，实时曲线画面以图形化的形式直观展示各参数的动态变化情况，所采集到的数据以历史表格的功能存储在触摸屏5中，用户可以方便打开或关闭。历史表格中所采集的数据自动计算平均值后显示在汇总表格画面中，由于应变式力传感器11的动态响应较差，前6秒的数据尚未稳定，需要剔除掉。触摸屏5的循环脚本根据参数画面所设定的行程、电流、锁紧力间隙、速度的正常范围自动判断该推杆合格与否，点亮绿灯或红灯，任意一个参数不合格，则整个推杆检测不合格。触摸屏5画面的结构如图5所示。
如前，本测试仪应用户要求需要适应不同型号的推杆测试，因此专门设计有参数设定画面，用户可以在此画面输入待测直线推杆4的负载力、行程、电流、锁紧力间隙、速度等参数的正常范围，并掉电保存在触摸屏5中。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种直线推杆测试仪，包括柜体、伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、滑台和电气控制系统，其特征在于：
所述伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨、滑台和电气控制系统采用双工位的形式安装在柜体内；
所述滑台底部套装在滚珠丝杠上并可移动式地嵌合在直线导轨上，所述伺服电机控制滚珠丝杠的运作，以控制滑台在直线导轨上的运动；所述滑台下部设有传感器固定块，所述传感器固定块上侧面安装应变式力传感器；
所述应变式力传感器和待测直线推杆之间设置传感器连接块以将待测直线推杆的力通过传感器连接块传递至应变式力传感器；
所述伺服电机由电气控制系统控制，所述伺服电机旁设有直线推杆的电源接线处，所述伺服电机下部分的前面板固定待测的直线推杆；
所述伺服电机分别为左伺服电机和右伺服电机，分别配有左工位伺服驱动器和右工位伺服驱动器；
所述电气控制系统包括PLC，和搭配PLC扩展的AD/DA模块EM06，以及触摸屏；
所述AD/DA模块EM06提供4模拟量输入和2模拟量输出，其中4个A/D通道分别连接双工位的2个应变式力传感器和2个电流传感器；所述电流传感器置于柜体内，其输入电路与待测的直线推杆的供电电路串联，另一端连接至AD/DA模块EM06；2个D/A通道分别输出0～10V转矩指令至左工位伺服驱动器和右工位伺服驱动器。
2.根据权利要求1所述的一种直线推杆测试仪，其特征在于：所述测试仪采用双工位设计，两工位功能完全相同，两个工位均通过实体按钮实现检测流程的启动和直线推杆的手动控制，所述实体按钮包括行程开关、原点开关等按钮。
3.根据权利要求1所述的一种直线推杆测试仪，其特征在于：所述伺服电机采用HG-KN73J-S100三菱电机，其额定扭矩为2.39N.m，最大转矩为8.36N.m，功率为750W。
4.根据权利要求1所述的一种直线推杆测试仪，其特征在于：所述PLC选用西门子S7-200 SMART ST30，集成有4个高速计数器通道，用来接收来自于伺服电机的编码器脉冲，所述PLC与行程开关和原点开关等实体按钮连接，所述PLC进行被测直线推杆的电机正反转控制。
5.根据权利要求1所述的一种直线推杆测试仪，其特征在于：所述触摸屏采用昆仑通态7寸TPC7062KS型显示器。
6.根据权利要求5所述的一种直线推杆测试仪，其特征在于：所述触摸屏的画面结构依次为欢迎画面，可互相切换的当前生效参数画面和参数设定画面，以及汇总表格画面，所述汇总表格画面进一步连接采集数据历史表格、采集数据实时曲线表格和滑台位置手动控制三个画面。
7.根据权利要求6所述的一种直线推杆测试仪，其特征在于：所述触摸屏中的参数设定画面，以适应不同型号的推杆测试，用户可在此画面输入待测推杆型号的负载力、行程、电流、锁紧力间隙、速度等参数的正常范围，并掉电保存在触摸屏中。
8.根据权利要求1所述的一种直线推杆测试仪，其特征在于：所述柜体底部设有带刹车的万向轮。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111458128A (zh) * 2020-04-26 2020-07-28 宁波大榭开发区天正模具有限公司 压铸模具推杆使用寿命的检测设备
CN112924076A (zh) * 2021-01-28 2021-06-08 南京金城机械有限公司 一种摩托车制动推力位移检测系统
CN115096633A (zh) * 2022-08-23 2022-09-23 江苏万泰电机有限公司 一种滑台式电缸检测装置

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