氣動加載電動執行器試驗臺的製作方法

2023-05-09 19:10:11 2

專利名稱：：氣動加載電動執行器試驗臺的製作方法
技術領域：
：本發明涉及檢測設備
技術領域：
，尤其是涉及用於檢測電動執行器的氣動加載試驗臺°適用於多圈旋轉的執行器負載測試，或者角度旋轉的執行器負載測試。可廣泛應用於電動執行器產品生產企業和實驗室，特別適用於試驗輸出扭矩在20000Nm以內的電動執行器。
背景技術：
：作為執行器的試驗臺，最重要的設計就在使用何種負載方式，以及設計加載方式上。目前在工廠和實驗單位，使用電磁/磁粉制動器作為負載加載的特別普遍。電磁/磁粉制動器所能使用的範圍窄，扭矩小，轉速高，不適用於電動執行器的大力矩低轉速的檢隨著科技的進步，氣壓制動/離合器在張力需求領域有了很好的發展，以其能源便宜，使用方便，乾淨環保，價格適中，高低速均有良好的可控性，維護便利等特點。氣動加載使用的氣壓制動器與電磁加載使用的磁粉制動器的對比第一，氣壓制動器的散熱及耐熱性能好，無需水冷或強制空冷，最高耐熱溫度130°C;磁粉制動器極限溫度9(TC，所以力矩一大通常需水冷或強制空冷。第二，氣壓制動器的抗潮及抗燒結性能好，能在潮溼環境中使用；磁粉制動器使用的磁粉易受潮失效，導致性能不穩定，並且易燒結。第三，氣壓制動器的低速時(15轉/分以下)扭矩可控性好；磁粉制動器適合於高速場合，測試高速電機作為測功機的負載最常用，而使用在經過多級減速後低速運行的執行器，其可控性差，負載不穩定。第四，氣壓制動器的適用轉矩範圍的多重性，同一型號的制動器，可用高、中、低三種摩擦係數不同的摩擦片，可方便地大範圍改變適用轉矩；同一型號的磁粉制動器使用的磁粉變化不大，適用轉矩範圍窄。第五，氣壓制動器的維護周期長，易維護，在設備上就能更換摩擦片，壽命4500060000小時；磁粉制動器只能在允許的滑差功率內使用，維護麻煩，壽命50008000小時。第六，氣動加載可以很短的時間內實現緊急制動，只要氣路一通，氣體馬上充滿制動器空腔，可在0.05s左右達到全壓；電磁加載是一個通電逐步加大電流使得磁粉磁力加大的過程，在緊急制動上失去優勢。
發明內容本發明提供一種試驗臺使用氣壓制動器作為負載，通過控制制動器的摩擦力來給定試驗負載。本發明氣壓制動前段的加載氣路設計，利用電磁換向閥和電/氣轉換器實現4的氣壓通路，運用簡單電路對兩個電/氣部件進行調控，實現多種加載、卸載模式。應用於對氣動加載需求快速或速度可調的各種場合。本發明為解決所述技術問題而採用的技術方案是氣動加載電動執行器試驗臺，包括安裝被測電動執行器的臺架，對電動執行器加載的制動系統，與電動執行器輸出端連接的檢測系統。所述制動系統為氣動加載制動系統，包括調節加載氣壓的電/氣轉換器，切換加載氣路的換向閥，電動執行器輸出軸驅動旋轉的制動盤，受壓縮空氣作用對制動盤加載摩擦力的氣壓制動器。通過換向閥可以選擇壓縮空氣的壓力經過電/氣轉換器的調整後，作用在氣壓制動器上，對制動盤施加可調的摩擦力，實現電動執行器的慢速加載模式；壓縮空氣直接作用在氣壓制動器上，對制動盤施加最大的摩擦力，實現電動執行器的快速加載模式；作用在氣壓制動器上的氣壓，受電/氣轉換器的控制，實現電動執行器的變速卸載模式。所述電/氣轉換器為電/氣比例閥控制閥，所述換向閥為兩位三通電磁換向閥。壓縮空氣分別連接於電/氣轉換器的輸入氣口和換向閥的常閉端，電/氣轉換器的輸出氣口連接在和換向閥的常開端，換向閥的公共端與氣壓制動器的進氣口連接，電/氣轉換器的排氣孔與大氣連通。電磁換向閥通電時，換向閥(18)的常閉端(P)與換向閥(18)的公共端(A)接通，壓縮空氣可以經過換向閥(18)的常閉端(P)、換向閥(18)的公共端(A)，到達氣壓制動器(14)的進氣口，快速加載的氣路導通；電磁換向閥斷電時，換向閥(18)的常開端(R)與換向閥(18)的公共端(A)接通，壓縮空氣可以經過電/氣轉換器(17)的輸入氣口(SUP)、電/氣轉換器(17)的輸出氣口(0UT)、換向閥(18)的常開端(R)、換向閥(18)的公共端(A)，到達氣壓制動器(14)的進氣口，慢速加載和變速卸載的氣路導通。本發明設計的氣路，巧妙的運用了兩位三通電磁換向閥常開端和常閉端的特性，與電/氣轉換器的連接，實現簡單氣路也能實現快速加載，慢速加載，變速卸載的多種對負載的控制功能。與現有電磁加載技術相比較，採用本發明技術方案的優點是1.氣動加載比電磁加載測試的力矩範圍廣，不需增加水冷裝置和強制空冷。2.氣動加載的能源便利，抗潮性好，低速性能穩定，快速加載反映迅速。3.結構簡單，體積緊湊，安裝靈活，使用壽命長，易維護，不需拆下制動器就能更換磨損部件。4.試驗過程中所需要的快速加載、慢速加載、變速卸載，多種對負載控制均可一併實現。圖1為本發明氣動加載電動執行器試驗臺的系統框圖；圖2為本發明氣動加載電動執行器試驗臺的原理示意圖；圖3為本發明實施例的制動系統3中的氣路部分原理圖；圖4為本發明實施例小型執行器試驗臺安裝結構示意圖；圖5為本發明實施例試驗臺的控制電路的邏輯方框圖。具體實施例方式下面結合附圖來進一步說明本發明的實施例。本發明電動執行器試驗臺，採用氣動加載的方式，即氣壓制動器作為執行器的負載。試驗臺的結構緊湊，可在極短的時間(<0.Is內)達到最大負載，低速、高速扭矩可控性好，無需水冷和強制空冷耐溫高。該試驗臺使用工廠和實驗室常用的08Bar壓縮空氣作為動力源，通過氣路切換、調節給定氣壓，實現慢速加載和快速加載，同時實現變速釋放負載。如圖1的系統框圖所示，試驗臺主要組成包括制動系統3，包括制動盤13，氣壓制動器14，將氣壓轉化成制動力矩，給被測電動執行器11加載。檢測系統4，包括扭矩傳感器12、霍爾電位器15，與電動執行器11輸出軸連接，檢測制動過程的扭矩，轉速，轉角。控制系統2，與制動系統3和檢測系統4連接，實現對氣路部分的控制，同時顯示控制值和檢測值，供操作人員參考。功率計l，直接測出被測電動執行器11的電壓、電流、功率。圖2為試驗臺的原理示意圖，其關鍵部件的功能說明如下A.被測電動執行器ll主要由電機加減速齒輪箱構成，並帶有一定的控制部件，實現對閥門的開關調節動作。主要將電機的高速旋轉及小力矩，通過減速齒輪箱減速並放大力矩輸出。B.旋轉式扭矩傳感器12連接在電動執行器11和負載之間，測量電動執行器11正、反旋轉過程的動態扭矩。主要結構原理是採用應變電測技術，在彈性旋轉軸上粘貼應變電阻片組成測量電橋。當彈性旋轉軸受扭矩產生微小變形後引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變成電信號，從而實現扭矩測量。利用此連接被測物和負載，可檢測出被測物瞬時的輸出扭矩。C.氣壓制動器14本試驗臺選用的是鉗式制動器，作用是將輸出到制動器腔體內的空氣壓力推動活塞運動，從而使摩擦片從兩側擠壓制動盤13。排出空氣，靠復位彈簧來放開。利用這個原理可以控制輸入的空氣壓力，從而控制摩擦片和制動盤13之間的摩擦力，作為試驗臺的可調負載。D、霍爾電位器15——採用了霍爾效應，即當電流垂直於外磁場方向通過導體時，在垂直於磁場和電流方向的導體的兩個端面之間出現電勢差的現象稱為霍爾效應。由於磁鐵的磁場在霍爾元件表面不同位置的強度不同，霍爾元件感應出與其所在位置的磁場強度成正比的電壓信號，電壓信號經過AD轉換和計算處理之後得到磁鐵的位置信息。利用制動盤13直接連接霍爾電位器15可檢測被測物的轉速和轉角。E、電/氣轉換器17——也稱為電/氣比例閥，就是將輸入的電信號依比例地轉換成空氣壓力輸出。因此利用控制電/氣轉換器輸入的電信號就可以控制進入氣壓制動器14的氣壓，從而實現調節氣壓制動器14與制動盤13之間摩擦力的改變，得到控制試驗臺負載的變化。F、電磁換向閥18——電磁換向閥是用於控制流體方向的自動化基礎元件，它的好處時能實現快速的導通和切斷流體。由於電/氣轉換器需要轉換電信號，無法實現在<0.ls內快速達到最大氣壓輸出，所以此處選用兩位三通電磁換向閥作為制動系統3的氣路切換的通道，實現壓縮空氣的快速導通或切斷，從而實現氣壓制動器14的快速加載。從圖2看上述關鍵部件之間的連接關係和工作原理被測電動執行器11按照正常的工作狀態開始運行，執行器的電機旋轉通過機械齒輪減速後輸出低速大力矩的旋轉運動。其旋轉帶動連接在試驗臺下方與被測電動執行器11輸出軸連接的旋轉式扭矩傳感器12以相同的速度隨之轉動，通過控制系統2讀取和顯示扭矩數值。扭矩傳感器12下方連接一個制動盤13也隨著扭矩傳感器12—起旋轉運動。制動盤13的邊上有一個或多個氣壓制動器14(鉗式、鼓式均可，此處用的是鉗式)，氣壓制動器14根據其內腔的氣壓大小給制動盤13施加相應的摩擦力。沒有氣壓時，氣壓制動器14與制動盤13是不接觸的，保證被測執行器11的空載特性。為了檢測被測執行器的旋轉圈數和角度，在扭矩傳感器12與制動盤13之間，將旋轉傳遞給霍爾電位器15，通過控制系統2讀取和顯示所測數值。本試驗臺，旋轉式扭矩傳感器12連接在被測執行器11和制動盤13之間，通過制動盤13和氣壓制動器14之間的摩擦力給予被測執行器11轉動的輸出軸一個反向的作用力，來模擬產品使用現場的負載。利用扭矩傳感器12的軸的扭轉變形檢測出相應的扭矩值，從而得出被測執行器11的負載能力。氣壓制動器14和制動盤13產生的摩擦力，由氣壓制動器14的空腔內的氣壓力決定。一定氣壓對應產生一定的摩擦力。所以只要控制給予氣壓制動器14的氣壓，並實現到達一定壓力的時間可調，就能實現本試驗臺對被測電動執行器11可控的氣動加載。圖3為本發明實施例的制動系統3中的氣路部分原理圖，圖中可以看到如何實現氣路連接和氣壓的控制。為了實現氣壓制動器14的氣壓控制，在制動系統3的氣路部分使用了電/氣轉換器17和電磁換向閥18組成的兩條通路，可以實現慢速加載和快速加載兩種模式。並通過控制系統2實現對氣路部分中的電/氣轉換器17和電磁換向閥18的控制，將電氣控制轉換成氣壓控制。加載模式的變化控制，通過對電/氣轉換器17和兩位三通電磁換向閥18的控制實現。電/氣轉換器17有三個氣路接口，輸入氣口SUP、輸出氣口0UT、排氣口，和一個控制線埠。2位3通電磁換向閥18也有三個氣路接口，公共端A、常開端R、常閉端P，和一個電控端。換向閥18的公共端A與氣壓制動器14的進氣口連接，換向閥18的常開端R與電/氣轉換器17的輸出氣口OUT連接，換向閥18的常閉端P和電/氣轉換器17的輸入氣口SUP與氣源連接。—般工廠用的壓縮空氣從氣源21通過空氣過濾器22和油水分離器23的過濾及分離後得到乾淨的壓縮空氣，通過三通24分流分別通向電/氣轉換器17和2位3通電磁換向閥18。慢速加載模式下，電磁換向閥18電控端不接電源，電磁換向閥常閉端P與公共端A氣路關斷。控制系統2給出420mA控制信號，對應電/氣轉換器17設置的最小輸出氣壓到最大輸出氣壓。壓縮空氣通過電/氣轉換器17給出一定的氣壓，通過電磁換向閥18的常開端R通向公共端A進入制動器14的內腔。快速加載模式下，電磁換向閥18控制線接通電源，電磁換向閥18常開端R與公共端A氣路關斷，電磁換向閥18常閉端P與公共端A氣路接通，高壓的壓縮空氣在最短的時間內達到制動器14腔內，電動執行器11快速加到最大負載。在釋放氣壓時，就是電磁換向閥18控制線斷開電源，回到慢速加載模式，由電/氣轉換器17控制氣壓的釋放。此時電磁換向閥18常閉端P與公共端A氣路再度關斷，電磁換向閥18常開端R與公共端A氣路接通。制動器腔內的氣壓通過電/氣轉換器17的控制從排氣口25釋放，可快可慢，這種方式下可以不用另外增加氣壓釋放通路。排氣孔25設在電/氣轉換器17的底部，在排氣孔25加裝上消音器，最好是跟排氣孔螺紋一樣大小的平端銅基粉末冶金消音器，剛好平封埠，又能達到良好消音的效果。通常加載後放氣引起很大的噪音，加裝的小堵塞件粉末冶金消音器大大降低釋放氣壓時的噪音。控制系統2對電/氣轉換器17的控制通過給定420mA直流電流信號控制電/氣轉換器17的氣路開關幅度，達到控制電/氣轉換器17氣體輸出端的氣壓的效果。其中4mA對應電/氣轉換器的氣路全關，即無氣壓輸出；20mA對應電/氣轉換器的氣路全開，即輸出氣壓達到最大，與氣壓源一致。同時，電/氣轉換器17通過420mA直流電流信號，向控制系統2反饋當前氣路開關幅度，其中4mA對應電氣轉換器的氣路全關，即無氣壓輸出；20mA對應電/氣轉換器的氣路全開，即輸出氣壓達到最大，與氣壓源一致。並且，電/氣轉換器17獲得420mA直流信號，對應轉換器17從排氣孔25排出多餘氣壓的溢流能力的變化，可實現從快速排氣到慢速排氣的變速卸載。控制系統2對電磁換向閥18的控制通過控制系統2的繼電器輸出端，控制電磁換向閥18的電控端。電磁換向閥18使用220V交流電源，繼電器開關串接在交流電源上，再供給電磁換向閥18的電控端。當繼電器閉合時，電源接通，即電磁閥得電，換向閥換位，常閉端P與公共端A氣路接通，為快速加載模式。當繼電器放開時，電源斷開，即電磁閥掉電，換向閥回位，常開端R與公共端A氣路接通，為慢速加載模式。圖4是一臺200Nm試驗臺的結構示意圖，上端一個電動執行器11固定在一個過渡法蘭32上，法蘭可根據實際對應的執行器安裝法蘭孔可更換。傳動軸34連接在電動執行器11和旋轉式扭矩傳感器12之間。傳動軸34座在一個可微調心的球面軸承座33上，並起著支撐傳動軸不竄動的作用。扭矩傳感器12的底部連接的第二傳動軸36座在第二可微調心的球面軸承座37上。為便於氣壓制動器14的易損件更換方便，將其裝在臺架40的下平臺的下方，採用了倒裝的方式。制動盤13是一個鋼製的圓盤，中間部分在保證強度和剛度的情況下儘量多加一些小孔，以降低轉動慣量。制動盤13水平放置，並使得圓盤的軸向對稱中心面在制動器14的中間，偏差不超過2mm。轉速傳感器為扭矩傳感器12與制動盤13之間的第二傳動軸36齒輪驅動的霍爾電位器15。霍爾電位器按原理直連主傳動軸是檢測最直接誤差最小的方式，但由於制動盤8及制動器在一段時間使用後會涉及維修更換事宜，如果將霍爾電位器放置在制動盤下將會加大後期維護量。我們在第二傳動軸36上安裝了一個齒輪38，在霍爾電位器15伸出的轉動軸上也安裝一個齒輪39，採用齒輪傳動的方式將執行器11的旋轉信息傳遞到霍爾電位器15上。試驗臺臺架40採用方通鋼架焊接結構，兩塊螺釘固定的鋼板作為上、下平臺，氣路部分41固定安裝在臺架40中。功率計l和控制系統2封裝在一個操控箱43內，安裝在可旋掛臂下。可由操作人員實際視線方位需要，進行便捷的旋轉面對使用。對於一些常用開關，為了方便操作人員使用，用一些牢固可靠的按鍵組成一個可移動的手操盒42。可隨時放置在方便操作的位置，並且對於將來按鍵長期使用或暴力使用損壞的維修也方便。圖5為本發明實施例試驗臺的控制系統2和功率計1及相關電路的邏輯方框圖。控制系統2包括手動控制換向閥18的按鍵開關50，給轉換器17和扭矩傳感器12供電的電源轉換模塊51，與轉換器17和換向閥18電連接的轉換控制表52，採樣扭矩傳感器12信號的扭矩檢測表53，讀取霍爾電位器15數據的轉速記錄表54，操控電動執行器11的機構器控制表55。A、執行器的電壓、電流、功率檢測通過功率計1配合電流互感器可實時檢測執行器的運行電壓(小於600V)、電流、功率和功率因數，並具備實時顯示，同時具有RS485通訊功能。B、電源轉換通過電源轉換模塊51將外部輸出的220VAC轉換為15VDC，用於給電/氣轉換器17和扭矩傳感器12供電。該電源轉換模塊輸出功率應在10W左右。C、氣路部分的控制由轉換控制表52輸出一路420mA電流信號給電/氣轉換器17，同時顯示輸出的電流值和電/氣轉換器17輸出的氣壓值。手動狀態下由按鍵開關50控制電磁換向閥18的換向，自動狀態下由轉換控制表52的繼電器輸出控制電流到電/氣轉換器17。D、扭矩數據檢測由扭矩檢測表53採樣扭矩傳感器12輸出的10kHz士5kHz頻率信號，採樣率為500次每秒，並將數據存儲在控制表緩存中，同時顯示瞬時扭矩信號和本次操作過程最大扭矩信號的功能。E、霍爾電位器數據檢測由轉速記錄表54給霍爾電位器15配電5VDC，然後讀取霍爾電位器15輸出數據，轉換為角度，並通過角度的變化計算被測執行器的轉速，同時顯示本次操作過程中的瞬時轉速和轉角。F、被測電動執行器的控制由執行器控制表55輸出420mA電流信號控制被測執行器的正轉、反轉和停止，以及讀取執行器自測的位置反饋信號，同時顯示控制電流輸出和被測執行器的位置反饋。G、外配電腦可配置外部電腦，設定相應程序。通過RS485通訊接口，用於控制被測執行器11、制動系統3，以及讀取和記錄相關數據。本發明氣動加載電動執行器試驗臺實施例的功能參數1.基本功能A、檢測執行器輸出力矩B、檢測執行器功率C、檢測執行器轉速D、檢測執行器轉角E、遠程控制執行器F、手動/自動調節負載壓力G、實現緩慢或緊急加載H、與電腦通訊2.規格參數tableseeoriginaldocumentpage10tableseeoriginaldocumentpage11權利要求氣動加載電動執行器試驗臺，包括安裝被測電動執行器(11)的臺架(40)，對電動執行器(11)加載的制動系統(3)，與電動執行器(11)輸出端連接的檢測系統(4)；其特徵是，所述制動系統(3)為氣動加載制動系統，包括調節加載氣壓的電/氣轉換器(17)，切換加載氣路的換向閥(18)，電動執行器(11)輸出軸驅動旋轉的制動盤(13)，受壓縮空氣作用對制動盤(13)加載摩擦力的氣壓制動器(14)；通過換向閥(18)可以選擇壓縮空氣的壓力經過電/氣轉換器(17)的調整後，作用在氣壓制動器(14)上，對制動盤(13)施加可調的摩擦力，實現電動執行器(11)的慢速加載模式；壓縮空氣直接作用在氣壓制動器(14)上，對制動盤(13)施加最大的摩擦力，實現電動執行器(11)的快速加載模式；作用在氣壓制動器(14)上的氣壓，受電/氣轉換器(17)的控制，實現電動執行器(11)的變速卸載模式。2.如權利要求l所述的試驗臺，其特徵是所述電/氣轉換器(17)為電/氣比例閥控制閥，所述換向閥(18)為兩位三通電磁換向閥；壓縮空氣分別連接於電/氣轉換器(17)的輸入氣口(SUP)和換向閥(18)的常閉端(P)，電/氣轉換器(17)的輸出氣口(OUT)連接在和換向閥(18)的常開端(R)，換向閥(18)的公共端(A)與氣壓制動器(14)的進氣口連接，電/氣轉換器(17)的排氣孔(25)與大氣連通；電磁換向閥(18)通電時，快速加載的氣路導通；電磁換向閥(18)斷電時，慢速加載和變速卸載的氣路導通。3.如權利要求l或2所述的試驗臺，其特徵是所述電/氣轉換器(17)獲得420mA直流信號，對應轉換器(17)的氣路開關幅度為全關到全開，可實現從無氣壓輸出到最大氣壓輸出。4.如權利要求3所述的試驗臺，其特徵是所述電/氣轉換器(17)獲得420mA直流信號，對應轉換器(17)從排氣孔(25)排出多餘氣壓的溢流能力的變化，可實現從快速排氣到慢速排氣的變速卸載。5.如權利要求4所述的試驗臺，其特徵是所述制動盤(13)為盤面水平設置、可垂直轉動的鋼製圓盤；所述氣壓制動器(14)為鉗式制動器，控制輸入的壓縮空氣的壓力，從而控制其和制動盤(13)之間的摩擦力，作為試驗臺的可調負載。6.如權利要求4所述的試驗臺，其特徵是所述檢測系統(4)包括與被測電動執行器(11)輸出軸傳動連接的扭矩傳感器和轉速傳感器。7.如權利要求6所述的試驗臺，其特徵是所述扭矩傳感器為連接在執行器(11)輸出軸與制動盤(13)之間的旋轉式應變電阻扭矩傳感器(12);所述轉速傳感器為扭矩傳感器(12)與制動盤(13)之間的第二傳動軸(36)齒輪驅動的霍爾電位器(15)。8.如權利要求4所述的試驗臺，其特徵是該試驗臺還包括與制動系統(3)和檢測系統(4)連接的控制系統(2)。9.如權利要求8所述的試驗臺，其特徵是所述控制系統(2)包括手控換向閥(18)的按鍵開關(50)，給轉換器(17)和扭矩傳感器(12)供電的電源轉換模塊(51)，與轉換器(17)和換向閥(18)電連接的轉換控制表(52)，採樣扭矩傳感器(12)信號的扭矩檢測表(53)，讀取霍爾電位器(15)數據的轉速記錄表(54)，操控電動執行器(11)的執行控制表(55)。10.如權利要求4所述的試驗臺，其特徵是該試驗臺還包括與被測電動執行器(11)連接的，檢測電壓、電流和功率的功率計(1)。全文摘要本發明公開了氣動加載電動執行器試驗臺。對電動執行器加載的制動系統，包括調節加載氣壓的電/氣轉換器，切換加載氣路的換向閥，電動執行器輸出軸驅動旋轉的制動盤，受壓縮空氣作用對制動盤加載摩擦力的氣壓制動器。通過換向閥可以選擇壓縮空氣的壓力經過電/氣轉換器的調整後，作用在氣壓制動器上，對制動盤施加可調的摩擦力，實現電動執行器的慢速加載模式；壓縮空氣直接作用在氣壓制動器上，對制動盤施加最大的摩擦力，實現電動執行器的快速加載模式；作用在氣壓制動器上的氣壓，受電/氣轉換器的控制，實現電動執行器的變速卸載模式。優點是試驗過程中所需要的快速加載、慢速加載、變速卸載，多種對負載控制均可一併實現。文檔編號G01B7/30GK101750174SQ20091018948公開日2010年6月23日申請日期2009年12月25日優先權日2009年12月25日發明者傅宇晨,袁敏勳,袁菲申請人:深圳萬訊自控股份有限公司