專利名稱：一種直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電機測試設備領域，特別涉及用于實現(xiàn)直線電機運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性試 驗、推力系數(shù)測定、溫升試驗及低速運動特性試驗的一種直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置。
背景技術：
直線電機應用于制造裝備行業(yè)有著突出的優(yōu)勢，已受到國家和行業(yè)的重視。制造 裝備的性能測試與試驗是裝備投入市場和實現(xiàn)應用前的必須進行的環(huán)節(jié)，對于確定直線電 機驅(qū)動的制造裝備性能指標、指出裝備存在的問題和提高裝備的應用水平有著重要意義。已有的典型測試裝置如圖1所示。圖1是哈爾濱工業(yè)大學設計的測量直線電機定 位力的測試裝置。本裝置采用步進電機121通過同步帶輪114拖動吧，直線電機初級101 往復運動。在測定直線電機定位力時，由計算機131向步進電機控制器130發(fā)出脈沖指令， 進而控制步進電機121運動。由于定位力的存在，直線電機初級101兩端的第一力傳感器 108和第二力傳感器109會產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過分析得到行程內(nèi)推力波動的情況。本裝置的 不足之處是直線電機初級101相對于直線電機次級102的位置是根據(jù)計算機131發(fā)出的 脈沖計算得出的，計算過程會引入偏差；在運動過程中，被測直線電機初級101的速度波動 會影響測量精度。該試驗裝置存在如下幾個問題(1)采用同步帶作為傳動介質(zhì)，但由于其撓度過 大導致蠕變和響應延遲，并不適用于定位和動態(tài)力測試；(2)僅能用于完成一項試驗(伺服 剛度)；(2)試驗裝置中沒能有效排除干擾因素，測量精度難以保證，重復性差。尚未見直線電機運動系統(tǒng)的多參數(shù)和性能(如摩擦力、粘滯系數(shù)等參數(shù)和系統(tǒng)的 穩(wěn)定性試驗)的綜合測試裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置，其特征在于，由直線 電機、旋轉(zhuǎn)伺服電機、力矩電機、傳感器模塊和傳動機構(gòu)組成；被測直線電機初級1-1安裝 在直線運動導軌2上，被測直線電機次級1-2、直線運動導軌2和直線位置傳感器5固定在 工作臺16上，并且直線位置傳感器5在被測直線電機1的側(cè)面；第一鋼絲出繩主動輪11和 第二鋼絲出繩主動輪12分別安裝在被測直線電機初級1-1及直線運動導軌2的兩端，鋼絲 出繩主動輪上面的鋼絲繩15分別通過第一拉力傳感器8、第二拉力傳感器9與被測直線電 機初級1-1的兩端相連；旋轉(zhuǎn)伺服電機4的輸出軸與第二鋼絲出繩主動輪12滑輪軸相連 接，力矩電機3的輸出軸與第一鋼絲出繩主動輪11滑輪軸相連；第一拉力傳感器8和第二 拉力傳感器9分別固定在被測直線電機初級1-1的左右端面、第一鋼絲出繩從動輪10與第 一鋼絲出繩主動輪11相連，第二鋼絲出繩從動輪13與第二鋼絲出繩主動輪12相連，張緊 鋼絲并提供預緊力和防滑摩擦力；加速度傳感器6和溫度傳感器7分別安裝在直線電機硅 鋼片內(nèi)、直線電機初級繞組內(nèi)和直線電機初級殼體上，控制器14的輸出通過通信接口分別 連接旋轉(zhuǎn)伺服電機4、第一拉力傳感器8、第二拉力傳感器9、直線位置傳感器5、加速度傳感器6、溫度傳感器7、直線電機初級1和力矩電機3 ；各個傳感器通過傳感器接口將獲得的試 驗過程中的位置、加速度、拉力和溫度測量信號傳出；旋轉(zhuǎn)伺服電機、力矩電機和直線電機 與控制器14通過通信接口實現(xiàn)協(xié)調(diào)運動；—種直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置，其特征在于，由驅(qū)動直線電機系統(tǒng)17、被測 直線電機1、傳感器模塊和雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)18組成，雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)18 對稱安裝在驅(qū)動直線電機系統(tǒng)17和被測直線電機1的外側(cè)，雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)18 分別連接驅(qū)動直線電機系統(tǒng)17次級和第三拉力傳感器19和第四拉力傳感器20 ；第三拉力 傳感器19和第四拉力傳感器20分別連接被測直線電機次級1-2的兩端，以保證通過滑輪 的鋼絲繩15與兩個電機的運行方向一致；鋼絲繩15通過雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)18進行 預緊；控制驅(qū)動直線電機系統(tǒng)17，驅(qū)動被測直線電機1運行，或者為被測直線電機1施加負 載力，通過第三拉力傳感器19和第是，第四拉力傳感器20記錄電機的受力狀態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點是可以滿足直線運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗、動態(tài)參數(shù)測試、推力系數(shù) 測定、溫升試驗及低速運動特性試驗等多個試驗的需求，可以縮短試驗周期和提高測試的 可重復性與測試精度。(1)綜合了直線電機性能測試中的多種測試要求，在不需更換試驗裝 置的情況下，能夠完成推力波動、系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗、溫升試驗、推力系數(shù)試驗和摩擦力參數(shù) 的測試等試驗，大大縮短了整個系統(tǒng)的測試周期；(2)系統(tǒng)中的直線位置傳感器可以為旋 轉(zhuǎn)伺服電機提供位置或者速度反饋，使旋轉(zhuǎn)伺服電機拖動直線電機初級的位置定位或者運 動速度精度更高，有利于提高測試精度。(3)本傳動機構(gòu)使被測試直線電機平臺具有很小的 加速度，即產(chǎn)生可以忽略的慣性力，從而得到較準確的牽引力測量結(jié)果；(4)該機構(gòu)具有很 高的定位能力，用力矩電機可以將被測電機定位在指定電角度位置，它使得測試平臺又可 以同時滿足測量在某一位置下的全電流范圍內(nèi)的推力系數(shù)的測量要求，利于研究直線電機 的極限輸出狀態(tài)。


圖1是哈爾濱工業(yè)大學設計的測量直線電機定位力的測試裝置(CN101520348A)；圖2是是本發(fā)明中實施方案一的示意圖；圖3是本發(fā)明的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的第一實施例的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實施方式一本發(fā)明的被測直線電機初級1-1安裝在直線運動導軌2上，被測直線 電機次級1-2、直線運動導軌2和直線位置傳感器5固定在工作臺16上，并且直線位置傳感 器5在被測直線電機1的側(cè)面；第一鋼絲出繩主動輪11和第二鋼絲出繩主動輪12分別安 裝在被測直線電機初級1-1及直線運動導軌2的兩端，鋼絲出繩主動輪上面的鋼絲繩15分 別通過第一拉力傳感器8、第二拉力傳感器9與被測直線電機初級1-1的兩端相連；旋轉(zhuǎn)伺 服電機4的輸出軸與第二鋼絲出繩主動輪12滑輪軸相連接，力矩電機3的輸出軸與第一鋼 絲出繩主動輪11滑輪軸相連；第一拉力傳感器8和第二拉力傳感器9分別固定在被測直線 電機初級1-1的左右端面、第一鋼絲出繩從動輪10與第一鋼絲出繩主動輪11相連，第二鋼 絲出繩從動輪13與第二鋼絲出繩主動輪12相連，張緊鋼絲并提供預緊力和防滑摩擦力；加速度傳感器6和溫度傳感器7分別安裝在直線電機硅鋼片內(nèi)、被測直線電機初級繞組內(nèi)和 被測直線電機初級殼體上，電機控制器14的輸出通過通信接口分別連接旋轉(zhuǎn)伺服電機4、 第一拉力傳感器8、第二拉力傳感器9、直線位置傳感器5、加速度傳感器6、溫度傳感器7、被 測直線電機初級1-1和力矩電機3 ；各個傳感器通過傳感器接口將獲得的試驗過程中的位 置、加速度、拉力和溫度測量信號傳出；旋轉(zhuǎn)伺服電機、力矩電機、被測直線電機1與電機控 制器14通過通信接口實現(xiàn)協(xié)調(diào)運動；保證其測力方向與被測直線電機運動方向相一致、加 速度傳感器6和溫度傳感器7分別安裝在被測直線電機硅鋼片內(nèi)、被測直線電機初級繞組 內(nèi)和直線電機初級殼體上，電機控制器14的輸出分別連接旋轉(zhuǎn)伺服電機4、第一拉力傳感 器8、第二拉力傳感器9、直線位置傳感器5、加速度傳感器6、溫度傳感器7、被測直線電機初 級1-1和力矩電機3 ；加速度傳感器6安裝在被測直線電機初級1-1上，跟隨其運動，保證 所測加速度為被測直線電機初級1-1在運動方向的加速度。直線位置傳感器5可以選用直 線光柵尺或直線磁柵尺。將直線位置傳感器5的讀數(shù)頭與被測直線電機初級1-1聯(lián)接。電 機控制器4由DSP控制板和驅(qū)動板組成。在簡單試驗的情況下，控制板亦可以采用其它控 制芯片系統(tǒng)，如ARM控制板、各種單片機控制板替代。各電機的運動系統(tǒng)控制器間通過串口 RS232、RS485或者SPI數(shù)據(jù)接口相互通信；本發(fā)明的第二實施例的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)18對稱安裝 在驅(qū)動直線電機系統(tǒng)17和被測直線電機1的外側(cè)，雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)18分別連接 驅(qū)動直線電機系統(tǒng)17次級和第三拉力傳感器19和第四拉力傳感器20 ；第三拉力傳感器19 和第四拉力傳感器20分別連接被測直線電機次級1-2的兩端，以保證通過滑輪的鋼絲繩15 與兩個電機的運行方向一致；鋼絲繩15通過雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)18進行預緊；控制 驅(qū)動直線電機系統(tǒng)17，驅(qū)動被測直線電機1運行，或者為被測直線電機1施加負載力，通過 第三拉力傳感器19和第是，第四拉力傳感器20記錄電機的受力狀態(tài)。工作原理1.直線電機運動系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗方案利用本發(fā)明進行被測直線電機運動系統(tǒng)試驗時，首先啟動被測直線電機運動系 統(tǒng)，控制被測直線電機加速至0. 5倍額定速度，并保持勻速運行；控制力矩電機3的輸入電 流值，對被測直線電機運動系統(tǒng)施加0. 5倍額定推力的負載，同時記錄被測直線電機運動 系統(tǒng)的速度隨時間的響應情況。2.被測直線電機推力系數(shù)測定試驗本發(fā)明提出的被測直線電機連續(xù)位置的變化規(guī)律的測試方法詳細說明如下。(1)測定指定電流下電磁輸出推力關于電角度(位置)變化規(guī)律的測定方法第 一步，不啟動被測直線電機，拖動被測直線電機低速運動，測量被測直線電機在非運行狀態(tài) 下的各種外力狀況，包括齒槽力Fripple、摩擦力f、端部力及拖鏈阻力Fd等外力，由于基本消 除了慣性力的影響，傳感器所測量的拉力為h = Fripple+f+Fd ；第二步控制被測直線電機工 作在電流環(huán)，保持被測直線電機平穩(wěn)運行時在各個位置的電樞電流I。不變，此時牽引電機 所需的實際拉力為F2 = Fthrust+Fripple+f+Fd，其中電機的輸出推力為Fthrust = Kt(x) I。，式中 Kt(x)為連續(xù)位置的電磁推力系數(shù)。兩式相減后除以恒值電樞電流，則Kt(x) = Fthrust/Ic = (h-FD/I。。設定另一恒定驅(qū)動電流，以使被測直線電機產(chǎn)生不同的理論輸出力，重復上述 試驗過程，便可以得到不同的驅(qū)動電流下電磁推力系數(shù)關于位置的變化情況。
(2)測定指定位置下電磁輸出推力關于直軸電流變化規(guī)律的測定方法進行試驗 時，控制驅(qū)動電機使被測直線電機定位在某位置。然后再使被測直線電機運行在電流環(huán)，設 定直軸電流在全額定范圍內(nèi)變化，采集拉力傳感器輸出并計算被測直線電機的電磁輸出推 力，繪出推力一電流曲線。曲線的斜率即為推力系數(shù)。3.被測直線電機運動系統(tǒng)溫升試驗方案采用本發(fā)明的第一實施例，進行被測直線電機初級1-1溫升試驗前，根據(jù)電機的 額定推力計算出力矩電機3所需輸出的制動力矩，再根據(jù)力矩與電流的關系設定力矩電機 3的定子電流，使得電機勻速運動時所克服的阻力剛好為額定推力。采用本發(fā)明的第二實施例，進行被測直線電機運動系統(tǒng)溫升試驗前，根據(jù)電機的 額定推力計算出驅(qū)動直線電機所需輸出的力，使得電機勻速運動時所克服的阻力剛好為額 定推力。試驗開始后，通過檢測埋置在電機初級中的溫度傳感器7得到溫升曲線圖。4.庫侖摩擦力、摩擦力粘滯系數(shù)的試驗方案首先在速度閉環(huán)的前提下，拖動被測直線電機初級1-1從工作臺16的一端以恒定 的速度Vl運動到另一端(如圖2所示)，通過直線位置傳感器5記錄運動過程中的位置，及 與位置對應的第一拉力傳感器8的輸出值&、第二拉力傳感器9的輸出值F2，加速度傳感器 6輸出值a。在某一位置Xl處，根據(jù)牛頓第二定律可得FrF2+Fr-Ffvl = ma(1)式中Ffvl代表在速度Vl下的摩擦力；&代表位置Xl處的定位力值。再拖動被測直 線電機初級1以相同的恒定的速度Vl反向運動到另一端，可得F；-F； + F； + F'm = ma'(2)由于兩次運動的速度大小相等且為恒速，所以可以認為巧=巧 ,a ‘ = a ^ 0 o 式⑴和式⑵相加，可以得到 Fl-F2+Fr+ F^-F2' + F'r = ma + ma' 0(3)由于定位力值大小也只與被測直線電機初級1-1的運動位置相關，則在相同的位 置時有^；=盡，代入式(1)中可以求得在速度Vl下的摩擦力Ffvl:Ffvl = FrF2+Fr(5)最后，在速度閉環(huán)的前提下，拖動被測直線電機初級1-1以恒定的速度v2做往返 運動，采用同樣的方法計算在速度v2下的摩擦力Ffv2 Ffv2 = Flv2-F2v2+Frv2(6)通過式(6)和式(5)就可以計算得出直線運動導軌⑵的摩擦力粘滯系數(shù)b b=Ffi2~Ffil(7)
V2-Vl
權利要求
一種直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置，其特征在于，由直線電機、旋轉(zhuǎn)伺服電機、力矩電機、傳感器模塊和傳動機構(gòu)組成；被測直線電機初級(1 1)安裝在直線運動導軌(2)上，被測直線電機次級(1 2)、直線運動導軌(2)和直線位置傳感器(5)固定在工作臺(16)上，并且直線位置傳感器(5)在被測直線電機(1)的側(cè)面；第一鋼絲出繩主動輪(11)和第二鋼絲出繩主動輪(12)分別安裝在被測直線電機初級(1 1)及直線運動導軌(2)的兩端，鋼絲出繩主動輪上面的鋼絲繩(15)分別通過第一拉力傳感器(8)、第二拉力傳感器(9)與被測直線電機初級(1 1)的兩端相連；旋轉(zhuǎn)伺服電機(4)的輸出軸與第二鋼絲出繩主動輪(12)滑輪軸相連接，力矩電機(3)的輸出軸與第一鋼絲出繩主動輪(11)滑輪軸相連；第一拉力傳感器(8)和第二拉力傳感器(9)分別固定在被測直線電機初級(1 1)的左右端面、第一鋼絲出繩從動輪(10)與第一鋼絲出繩主動輪(11)相連，第二鋼絲出繩從動輪(13)與第二鋼絲出繩主動輪(12)相連，張緊鋼絲并提供預緊力和防滑摩擦力；控制器(14)的輸出通過通信接口分別連接旋轉(zhuǎn)伺服電機(4)、第一拉力傳感器(8)、第二拉力傳感器(9)、直線位置傳感器(5)、加速度傳感器(6)、溫度傳感器(7)、直線電機初級(1)和力矩電機(3)；各個傳感器通過傳感器接口將獲得的試驗過程中的位置、加速度、拉力和溫度測量信號傳出；旋轉(zhuǎn)伺服電機、力矩電機和直線電機與控制器(14)通過通信接口實現(xiàn)協(xié)調(diào)運動；
2.根據(jù)權利要求1所述直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置，其特征在于傳動機構(gòu)采用 繩傳動機構(gòu)，保持出繩主動輪的出繩位置不變，出繩方向與直線電機運動方向一致；所采用 的繩為鋼絲繩或高剛度復合材料繩；
3.如權利要求1直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置，其特征在于直線位置傳感器(5) 選用直線光柵尺或者直線磁柵尺；加速度傳感器(6)和溫度傳感器(7)分別安裝在被測直 線電機硅鋼片內(nèi)、被測直線電機初級(1-1)內(nèi)部或置于外表。
4.一種直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置，其特征在于，由驅(qū)動直線電機系統(tǒng)(17、被測 直線電機(1)、傳感器模塊和雙向鋼絲繩滑輪牽引機構(gòu)(18)組成，雙向鋼絲繩滑輪牽引機 構(gòu)(18對稱安裝在驅(qū)動直線電機系統(tǒng)(17)和被測直線電機⑴的外側(cè)，雙向鋼絲繩滑輪牽 引機構(gòu)(18)分別連接驅(qū)動直線電機系統(tǒng)(17)次級和第三拉力傳感器(19和第四拉力傳感 器(20 ；第三拉力傳感器(19)和第四拉力傳感器(20)分別連接被測直線電機次級(1-2)的 兩端，以保證通過滑輪的鋼絲繩(15)與兩個電機的運行方向一致；鋼絲繩(15)通過雙向鋼 絲繩滑輪牽引機構(gòu)(18)進行預緊；控制驅(qū)動直線電機系統(tǒng)(17)，驅(qū)動被測直線電機⑴運 行，或者為被測直線電機⑴施加負載力，通過第三拉力傳感器(19)和第是，第四拉力傳感 器(20記錄電機的受力狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電機測試設備領域的的一種直線電機運動系統(tǒng)綜合試驗裝置。由被測直線電機、旋轉(zhuǎn)伺服電機、力矩電機、傳感器模塊和傳動機構(gòu)組成；直線運動導軌和直線位置傳感器固定工作臺面上，直線電機初級安裝在直線運動導軌上，控制器的輸出通過通信接口分別連接各個傳感器，各個傳感器通過通信接口將獲得的試驗過程中的位置、加速度、拉力和溫度測量信號傳出；旋轉(zhuǎn)伺服電機、力矩電機和直線電機與控制器通過通信接口實現(xiàn)協(xié)調(diào)運動；本測試裝置可以完成直線電機驅(qū)動的機床進給系統(tǒng)動剛度試驗、推力系數(shù)測定、溫升試驗及低速運動特性試驗等多種試驗。解決直線電機驅(qū)動的機床進給系統(tǒng)缺少成套測試裝置、測試精度低和可重復性差的問題。
文檔編號G01R31/34GK101980037SQ201010538340
公開日2011年2月23日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權日2010年11月8日
發(fā)明者劉成穎, 孟凡偉, 李志軍, 沈祥明, 王昊 申請人:清華大學