电动缸传输效率测试系统的设计与试验研究

龚中良，金 可

（中南林业科技大学机电工程学院，湖南 长沙 410004）

1 引言

电动缸是一种以电机的旋转运动作为动力源，通过齿轮、同步带等机构的传递，将电机的旋转运动通过螺旋丝杠副转换为输出端的直线运动的电动线性执行机构[1]。文献[2]提出了梯形丝杠副扭矩和轴向载荷力测量的方法，并设计出一套直接测量扭矩和轴向载荷力的装置。文献[3]分析滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素，并给出一种采用电阻应变片测量摩擦力矩的方法。但上述测试系统和测试方法仅适用于电动缸中回转零部件测试，不能测试电动缸整体性能。文献[4]针对现有的电动缸测试系统和测试方法不能满足电动缸产品出厂参数快速测量的问题，研发了一套以PC 机作为上位机，运动控制卡作为核心控制器，高精度磁栅尺为检测装置的电动缸性能参数测试系统。测量包括电动缸的位置精度、回程误差、重复定位精度等功能模块，该测试系统成功应用于某公司电动缸出厂参数快速测量。其测试系统组成较为复杂，生产和研制成本比较高。在电动缸的设计和研发的过程中，针对电动缸的各项性能参数的试验数据，进行专项的性能参数的改进设计与研究对电动缸的生产和科研具有十分重要的意义。国外部分电动缸厂家为了提高电动缸生产和研制的测试效率和测试结果的准确度，研制了很多专用的试验和测试平台以及开发了相应的配套测试软件[5]。目前国内对电动缸对电动缸性能参数的测试装置的深入研究较少，许多厂家仍然采用手动或者半机械化的设备进行试验操作，且目前测试系统的测试项目比较单一，检测设备效率较低，检测结果不太理想[6-7]。部分企业对电动缸的加载装置测试，仍然是采用重物加载弹簧、滑轮组等被动的加载方式，该种试验方法在测试过程中无法随时进行载荷大小的调整，且使用的结构占用空间较大，调整和安装过程较为繁琐，试验的周期较长，不能到达快速高效的检测目的[8-9]。研究并设计了一种以液压缸作为加载装置，基于轮辐式压力传感器和伺服驱动器电流、电压等参数为反馈，以PC 为数据接收和处理终端的一种电动缸加载和效率测试综合试验系统的方案。

2 电动缸测试系统设计

2.1 电动缸测试系统基本组成

测试系统分为机械结构部分：电动缸加载试验台架，加载液压缸，待测电动缸；电气和软件：CAN 控制器、驱动器、轮辐式压力传感器、上位机软件检测系统以及电器、液压控制元器件等。组成部分，如图1 所示。

图1 电动缸测试系统组成Fig.1 The Group of Test System for Electric Cylinder

2.2 电动缸测试系统工作原理

通过液压工作站实现对加载液压缸的控制对待测电动缸进行额定载荷的加载，如图1 所示。在电动缸活塞杆底部安装轮辐式压力传感器，将传感器与显示器控制仪相连，可以实时显示电动缸加载的大小。通过调整液压工作站的溢流阀，同时观察显示控制仪上读数可以将载荷调整至额定载荷，加载范围可控制为（0～15）t。通过控制箱实现对待测电动缸的运动控制，CAN 控制器可实现与伺服驱动器、压力传感器和PC 端之间的实时通讯。在运动过程中液压缸端部通过法兰连接始终与待测电动缸保持固定，以保证对待测电动缸持续加载。

将待测电动缸的伺服驱动器、轮辐压力传感器分别通过RS232 串口与CAN 控制器相连接，驱动器可检测伺服电动机的直流母线电压、电流、实际转速等数据，同时轮辐传感器内实时压力数值传输至CAN 控制器内。将CAN 控制器与PC 端通过CAN转RS232 通讯方式建立联系，通过PC 软件端采集处理转速、电压、电流、压力等数据，可以实时绘制各数据曲线以及电动缸传输效率曲线。实现上位机PC 端与试验平台数据的交互与处理。

图2 电动缸测试系统原理图Fig.2 Schematic Diagram of an Electric Cylinder Test System

采集参数与效率之间关系可表示为：

式中：η—待测电动缸测试效率；F—待测电动缸加载载荷，即为压力传感器采集数据，N；v—电动缸活塞杆端部运行速度，可通过电机实际转速根据式2 计算得知，m/s；U—待测电动缸电机端电压，即为伺服电机驱动器采集数据，V；I—待测电动缸电机端电流，即为伺服驱动器采集数据，A；n—电动缸电机实际转速，可通过驱动器采集数据读取，r/min；i—多级电动缸传输总速比；Pj—第j 级丝杠导程。

2.3 电动缸测试系统硬件设计

电动缸测试系统主要包括：安装台架、液压加载油缸、轮辐压力传感器、CAN 控制器、驱动器、显示控制仪、PC 以及开关按钮等。试验测试系统的元器件选型清单，如表1 所示。

表1 元器件选型清单Tab.1 Component Selection List

由于测试需要给待测电动缸施加额定载荷，为方便系统的使用和操作。若采用电动缸做为加载装置，则需加载电动缸和待测电动缸做到同步运动控制，否则会导致待测电动缸的结构发生损坏。而液压缸通过对压力阀值的调整可以做到自动泄压，不会损坏待测电动缸。压力加载液压系统主要通过调节溢流阀和节流阀来实现改变液压加载马达进出液压缸的油压差，并通过单向阀组成的液压油路来实现加载马达的正、反转给液压加载系统的补油[10]。同等输出功条件下，液压缸结构较电动缸更为紧凑，具有自动过载保护功能，液压缸机械系统能进行自行润滑，运动过程中功率损失产生的热量可以由油液带走，无需安装额外的散热系统[10]。称重传感器是一种将重量信号或拉、压力信号转换为可测量的电信号，并将电信号输出的装置[11]。

2.4 电动缸测试系统软件设计

电动缸数据采集系统软件界面，采用QT 为界面设计，使用QT 中C++作为语言框架进行开发，软件功能分为数据图表显示区域和数据实时显示区域，如图3 所示。通过串口设置与PC 通讯连接的CAN 控制器进行实时通讯，通讯频率为2Hz，没秒收集控制器各个参数两个数据进行实时显示和存储。图表显示区域可以单独显示电流、电压、载荷以及效率的采集与计算数值，同时也可在综合显示区域进行整合统一显示。右侧数据实时显示窗口为当前各参数的实时读数。

图3 电动缸测试系统软件界面Fig.3 The Software Interface of the Test System for Electric Cylinder

点击开始采集，PC 发生采集数据指令至CAN 控制器，同时接受控制器的采集传输数据。点击保持数据按钮开始将采集数据以txt 格式存储至制定文件夹，通过对该数据的提取和分析可进一步全面分析各个时段的电动缸测试数据。

图4 电动缸测试系统图Fig.4 The Diagram of Electric Cylinder Test System

进行电动缸测试时：首先将待测电动缸安装法兰与安装架固定，接上电机传感器的连接线缆，连接驱动器与PC 通讯电缆；调节液压工作站的压力调节阀门，观察显示控制仪上读数，将加载压力调整至额定值；打开上位机采集软件，选择通讯COM 端结构，点击开始采集数据（此时采集软件界面有载荷实时采集曲线，则通讯正常）；按照上位机软件操作步骤进行数据的采集与保存即可。

3 三级电动缸的测试与分析

建立以三级丝杠为优化对象优化设计模型，以丝杠传动结构总效率最高为设计目标，三级电动缸总传动效率

式中：ηjs—行星减速机效率，取0.955；ηcl—齿轮组传动效率，ηcl=0.9552×0.985=0.898（两级齿轮，一个滚动轴承）；η1z—一级丝杠轴承组效率，η1z=0.9852=0.970；η2z—二级丝杠轴承组效率，η2z=0.9852=0.970；η3z—三级丝杠轴承组效率，η3z=0.9852=0.970；η2j—二级空心丝杠键滑动副，η2j=0.900；η3j—三级空心丝杠键滑动副，η3j=0.900。将上述数值代入式（3）则有：

伺服电机设置转速为2000r/min，三级电动缸总减速比i=55，由式（2）可计算电动缸活塞杆端部速度v=0.02m/s。启动测试系统加载载荷设定为10000N，开启PC 端软件采集系统，采集等多个行程运动周期内的数据，观察数据后截取其中一个完整行程数据的部分，电动缸运行一个行程内数据分为电动缸启动阶段，电动缸举升阶段以及电动缸的收回阶段，在不同运行阶段中电动缸采集到的数据有较为明显的区分。测试三级电动缸机构在一个运动周期内的电压、电流、载荷以及效率测试数据图像分别，如图5～图8 所示。

图5 三级测试电动缸电压值Fig.5 The Voltage Value of the Three Stage Test Electric Cylinder

图6 测试电动缸电流值Fig.6 The Current Value of the Test Electric Cylinder

图7 测试电动缸载荷Fig.7 The Load of the Test Electric Cylinder

图8 测试电动缸综合效率Fig.8 The Comprehensive Efficiency of the Test Electric Cylinder

图7 为测试三级电动缸机构在一个运动周期内的载荷变化的采集数据，在启动阶段（0～5）s 载荷呈现突然增大的趋势，在测试电动缸的举升阶段前期（5～20）s，由于电动缸的启动和液压加载液压缸在油压供给处于不平衡状态等原因，测试电动缸施加载荷未达到额定载荷。在（25～57）s 时间内待测电动缸载荷处于额定载荷阶段且运动较为平稳，可取该部分的数据参数进行电动缸的效率分析。在（57～110）s 时间段电动缸处于收回阶段，此阶段内对电动缸施加的载荷对电动缸丝杠螺母部分传动机构为逆传动阶段（即直线运动转换为旋转运动），此时外加负载力装换为驱动力且做正功，不属于本课题研究和本试验平台测试范围。

根据观察举升阶段的各参数情况，三级电动缸启动后经过一段时间的运行到达平稳状态，在平稳运行状态电压、电流、载荷都在一定的范围内做小幅度的波动，根据图8 可知三级电动缸效率举止在68%左右在（63～72）%范围内变化，实际电动缸由于载荷不稳定以及在实际使用过程中的振动等情况在存在着一定的误差。对比理论计算效率72.3%，实际测试平均值低于理论效率，由于在计算过程中运动副的效率选取的为实验经验值，零部件加工以及装配误差会导致运动副的效率低于理论值，且存在实际装配配合与润滑状态可能处于不理想状态等影响因素。

4 结论

研究并设计了一种电动缸的加载与效率测试的试验平台，通过液压缸对待测电动缸进行载荷加载，PC 与控制器实时通讯获取传感器的实时监控数据。通过PC 的后台数据处理与分析，可实现对电动缸测试数据的实时监控与分析。通过理论分析数据和使用测试系统对三级电动缸测试数据进行分析比较，该测试系统设计合理可靠。