一種扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統的製作方法

2023-05-26 09:51:26

本發明屬於控制
技術領域：
：，涉及一種驅動控制系統，具體涉及一種扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統。
背景技術：
：：目前的扭轉疲勞試驗設備，典型驅動方式是採用機械驅動或液壓驅動。其中，機械驅動方式採用機械凸輪或四連杆機構，將電機的轉動變換為偏擺，通過凸輪軌跡或調節偏心距離來改變扭轉角度的大小。但是，機械驅動方式存在扭轉角度範圍窄(一般在±40°以下)，試驗頻率不高(機構運行於不平衡狀態，試驗頻率一般在10hz以下)，振動和噪聲較大，扭轉角度的調節煩瑣，操作不方便等缺點，適用於試驗精度要求不高的場所。液壓驅動方式採用偏擺油缸作為驅動器，配置伺服閥、油源、油冷卻器等，控制系統運用fpid技術，控制精度和運行頻率優於機械驅動方式。但是，存在系統龐大，運行成本高、能耗大和不耐用(存在漏油的風險)的缺點，最大扭轉角度能達到±90°，用於試驗精度要求較高的場所。鑑於現有技術的上述技術缺陷，迫切需要研製一種新型的扭轉疲勞試驗設備的驅動方式。技術實現要素：本發明的目的在於克服現有技術中存在的缺點，提供一種扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統，其具有控制精度高、扭轉角度不受限、體積小、節能和耐用等一系列優點，將該驅動控制系統應用於扭轉疲勞試驗設備上，能簡化設備結構，提升設備性能，降低試驗成本，將設備提升到一個新的臺階。為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統，其包括工業控制計算機，其特徵是，進一步包括伺服驅動器、伺服電機、編碼器和現場模塊，其中，所述工業控制計算機與所述現場模塊和所述伺服驅動器相連，所述現場模塊用於收集採集的外圍信號和輸出控制信號到外圍設備，所述編碼器用於將所述伺服電機的信息反饋給所述工業控制計算機，所述工業控制計算機用於將根據所述外圍信號和所述信息進行運算，並將運算結果輸出給所述伺服驅動器，所述伺服驅動器用於根據所述工業控制計算機的運算結果驅動所述伺服電機，所述伺服電機用於實現扭轉疲勞試驗設備的驅動。進一步地，其中，所述現場模塊包括耦合器、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、稱重測量模塊和終端模塊，所述耦合器通過ethercat總線與所述工業控制計算機相連，所述數字量輸入模塊與外圍設備相連以實現數位訊號的輸入，所述數字量輸出模塊與外圍設備相連以實現控制數位訊號的輸出，所述稱重測量模塊用於實現扭矩傳感器的輸入。更進一步地，其中，所述工業控制計算機中設置有twincat控制器，其包括twincatplc和twincatnc，所述twincatplc通過ads路由器與所述twincatnc關聯，所述伺服驅動器為ax驅動器，所述twincatnc與所述ax驅動器之間通過內部地址映射，所述編碼器和所述ax驅動器採用endata2.1協議通訊。再進一步地，其中，所述twincatplc通過ads路由器將報文數據傳輸給所述twincatnc，所述twincatnc根據所述報文數據應用電子凸輪技術生成所需的運動曲線並根據所述運動曲線產生運動。此外，所述扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統進一步包括遠程控制站，並且所述現場模塊還包括profinet通訊從站，所述profinet通訊從站通過profinet總線與所述遠程控制站相連。進一步地，所述扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統進一步包括冷卻系統，所述冷卻系統用於對所述伺服電機進行冷卻，且所述冷卻系統與所述現場模塊之間進行通信以獲得控制命令。更進一步地，其中，所述伺服驅動器工作在轉矩模式下，以實現轉矩閉環控制。與現有的驅動方式相比，本發明的扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統具有如下有益技術效果：1、其扭轉角度不受限制，解決了扭轉疲勞試驗設備不能做大角度(≥±90°)扭轉試驗的難題(優於機械驅動方式和液壓驅動方式)。2、其機構簡單，操作方便，試件一次裝夾到位，沒有額外的機構調節，只需設定好試驗參數，就能進行試驗(優於機械驅動方式)。3、其佔地面積小，運行噪聲低、節能環保(優於機械驅動方式和液壓驅動方式)。4、其節能效果明顯，與液壓驅動方式相對比，能降低50％的能耗。5、其運行成本和製作成本低於液壓驅動方式。6、根據試驗記錄，其運行於定角度扭轉模式下，扭角誤差≤0.08°，控制精度高。7、其試驗運行的頻率可達到30hz(±2.0°)。8、其智能化程度高，控制系統通過各種傳感器監視工況，如超載、零件失效後引起轉矩、轉角變化等，均有信息提示，可自動停機，實現無人職守作業。9、通過更換工裝夾具，可實現多品種產品的試驗(汽車離合器、雙質量飛輪總成等)的扭轉耐久試驗。附圖說明圖1是本發明的扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統的構成示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，實施例的內容不作為對本發明的保護範圍的限制。圖1示出了本發明的扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統的構成示意圖。如圖1所示，本發明的扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統包括工業控制計算機。所述扭轉試驗設備的驅動控制系統進一步包括伺服驅動器、伺服電機、編碼器和現場模塊。其中，所述工業控制計算機與所述現場模塊和所述伺服驅動器相連。優選地，所述工業控制計算機通過ethercat總線與所述現場模塊相連。在本發明中，所述現場模塊用於收集採集的外圍信號和輸出控制信號到外圍設備。其中，所述現場模塊包括耦合器、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、稱重測量模塊和終端模塊。優選地，所述耦合器為ek1100耦合器，其是所述現場模塊的開始端，通過ethercat總線與所述工業控制計算機相連，以實現所述現場模塊的其它模塊與所述工業控制計算機之間的連接。所述數字量輸入模塊為el1889數字量輸入端子模塊，其為16路數字量輸入模塊，用於實現採集數據信號的輸入。在使用時，所述數字量輸入模塊與外圍設備相連以實現數位訊號的輸入。其中，所述外圍設備包括各種信號採集傳感器，例如，轉矩採集傳感器、轉角採集傳感器等。所述數字量輸出模塊為el2889數字量輸出端子模塊，其為16路數字量輸出模塊，用於實現控制數位訊號的輸出。在使用時，所述數字量輸出模塊與外圍設備相連以實現控制數位訊號的輸出。其中，所述外圍設備可以包括冷卻系統等。所述冷卻系統用於對所述伺服電機進行冷卻。所述冷卻系統接收所述數字量輸出模塊輸出的控制數位訊號，並依據所述控制數位訊號確定是否啟動。所述稱重測量模塊為el3356-0010子模塊，用於實現扭矩傳感器的輸入。所述終端模塊為el9010子模塊，其作為所述現場模塊的結束端。此外，更優選地，所述現場模塊還可以包括profinet通訊從站。所述profinet通訊從站通過profinet總線與所述遠程控制站相連。其中，所述profinet通訊從站為el6631子模塊，用於與所述遠程控制站之間進行profinet通訊。所述遠程控制站用於控制其他設備(例如機械手)與本系統的聯動。所述編碼器用於將所述伺服電機的信息反饋給所述工業控制計算機。具體地，通過所述編碼器可以將所述伺服電機的位置、速度、溫度等信息反饋給所述工業控制計算機。所述工業控制計算機用於將根據所述外圍信號和所述信息進行運算，並將運算結果輸出給所述伺服驅動器。所述伺服驅動器用於根據所述工業控制計算機的運算結果驅動所述伺服電機。所述伺服電機用於實現扭轉疲勞試驗設備的驅動。在本發明中，所述工業控制計算機中設置有twincat控制器，其包括twincatplc和twincatnc。twincat是「thewindowscontrolandautomationtechnology」的縮寫，即基於windows作業系統的自動化控制技術。twincat控制器是一套純軟體的控制器，完全利用計算機標配的硬體，實現邏輯運算和運動控制。twincat控制器運行核安裝在beckhoff的ipc或者epc上，其功能就相當於1臺計算機加上1個邏輯控制器(twincatplc)和1個運動控制器(twincatnc)。其中，所述twincatplc通過ads(advanceddesignsystem)路由器與所述twincatnc關聯。所述伺服驅動器為ax驅動器，ax驅動器是專為ethercat(實時乙太網系統)開發的，ethercat的卓越性能特別有益於驅動技術：它們擁有很短的周期時間和良好的同步性及實時性，即使通訊網絡中連接了大量的設備，通過ethercat仍然能夠實現極短的周期時間。其中，ax驅動器的調試界面集成在twincatsystemmanager中，所有參數也保存在twincat控制器而不是ax驅動器裡面。所述twincatnc與所述ax驅動器之間通過內部地址映射。所述編碼器和所述ax驅動器採用endata2.1協議通訊，以將將所述伺服電機的位置、速度、溫度等信息傳遞給所述ax驅動器，再有所述ax驅動器傳遞給所述工業控制計算機。這樣，所述twincatplc根據所述現場模塊的數字量輸入模塊輸入的數位訊號和所述編碼器通過所述伺服驅動器反饋的所述伺服電機的信息進行控制計算。之後，其會將控制計算結果的報文數據通過ads路由器傳輸給所述twincatnc。所述twincatnc根據所述報文數據應用電子凸輪技術生成所需的運動曲線並根據所述運動曲線產生運動。所述twincatnc將產生的運動映射到所述ax驅動器，由所述ax驅動器驅動所述伺服電機進行轉動。在此需要說明的是，基於伺服電機直驅的扭轉疲勞試驗設備的研發，我們做過大量的摸底探索工作。對伺服電機的輸出控制方式，曾以速度控制、位置控制等形式做過實驗，均沒有達到理想效果，直到採取了電子凸輪技術菜達到理想效果，因此，在本發明中採用了電子凸輪技術進行控制。下面將詳細介紹以上幾種控制方式的利與弊。速度給定：採用速度控制的方式，主要是通過直接給定速度讓伺服驅動器帶動伺服電機運轉，扭轉過程中可以做到速度可控，反應快速。但是，位置偏移誤差較嚴重，頻繁試驗後誤差值將逐步累積。針對帶有工件運轉的情況，甚至會造成工件的損壞。在運轉頻率較高的情況下，通過軟體補償也不能滿足要求，所以這種控制方式被捨棄。位置控制：採用位置控制的方式主要是直接讓伺服電機運動到給定位置，運動的速度、加速度等參數可設定。位置控制由於有位置環的調節，位置偏差較速度控制方式要小得多。但位置控制方式同樣有弊端：1、位置控制方式比速度控制方式更優，但運轉頻率很難提高到更高水平。2、位置控制方式的加速度設置比較複雜，不同角度和不同頻率對加速度的設置不同，對控制的實時性要求很高。所以這種控制方式同樣被捨棄。電子凸輪控制：電子凸輪描繪了主軸與從軸的位置保持對應關係。這個對應關係通過凸輪表(camtable)來表示的。我們利用時間軸作為主軸，電機軸作為從軸，從而將電機的運動位置與時間點一一對應起來。另外，通過對位置(position)的求導運算得到速度(velocity)與時間點的關係，通過對速度的求導運算得到加速度(acceleration)與時間點的關係，通過對加速度的求導運算得到加加速度(jerk)與時間點的關係。所以，通過凸輪表的方式，將位置、速度、加速度、加加速度都做到了可控，極大的提高了扭轉試驗的實時性和可靠性。最後，在本發明中，所述伺服驅動器工作在轉矩模式下，以實現轉矩閉環控制。為實現轉矩控制，必須讓伺服驅動器工作在轉矩模式下。轉矩模式是指伺服驅動器以控制伺服電機的輸出力矩為目的，速度大小和外部負載大小有關。此時，伺服驅動器以電流環控制為主，外部給定直接給電流環作為力矩設定。為防止超速，採用速度斜坡起一個限制最大速度的作用。在轉矩閉環控制下，轉矩的實際給定由轉矩給定、轉矩補償給定、轉矩負反饋三部分組成，超調量主要由比例增益kp和積分響應時間tn決定，這兩個參數由程序動態給定調節。本發明的扭轉疲勞試驗設備的驅動控制系統應用於扭轉疲勞試驗設備，具有控制精度高、扭轉角度不受限、體積小、節能和耐用等一系列優點。同時，其簡化了設備結構，提升了設備性能，降低了試驗成本，能將設備提升到一個新臺階。本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。當前第1頁12當前第1頁12