一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统及测试方法，系统包括被测精密伺服机构、伺服机构参数测试仪和数据处理显示终端工控机。被测精密伺服机构由闭环回路控制方式达到一个机械系统位置、速度或加速度控制的系统。测试方法包括测静摩擦力矩和测动摩擦力矩，伺服电机用作执行元件，通过具有有限稳定性的传动机械与执行机构连接，伺服驱动器对电机驱动，有转矩、速度和位置三种控制方式，通过伺服机构运动控制卡可以实现对信号的采集处理及上传给上位机系统。该精密伺服机构摩擦力矩的测试方法简便，操作程序化，性价比高，可以更好地满足科研和工程设计的需要。
【专利说明】一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机电系统精密测试领域，特别是一种可用作机电系统测试技术和精密转台的伺服控制系统测试的精密伺服机构摩擦力矩的测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002]精密伺服机构是一个复杂的机电系统，在装配过程中，会受到加工工艺及加工质量不均匀等因素的干扰，这些干扰会以摩擦力矩的形式对伺服系统控制性能产生影响。它的存在不仅影响系统的精度，而且还会导致精密伺服系统的波动和误差，使系统出现低速爬行和死区非线性等现象，使分辨率以及重复率降低并引起系统的稳态误差。更重要的是，在伺服机构的制造和装配过程中，由于人为因素的影响，导致产品成品率低、性能差别很大。
[0003]伺服机构的摩擦力矩可以分为静摩擦力矩和动摩擦力矩。静摩擦力矩是指伺服机构的输入轴启动时所具有的摩擦力矩，此即为启动死区。动摩擦力矩是指伺服机构在一定速度旋转时所具有的摩擦力矩。
[0004]目前，对于伺服机构摩擦力矩测量的研究多是通过手动测量或者利用专用摩擦力矩测量设备测量的方法进行，手动测量一般采用悬挂砝码的方式，测量方式方法虽然简单，但是测量精度较低，随机性较大，而利用摩擦力矩测试设备则无法完成在特定的狭小空间内测量。鉴于精密伺服机构的特定要求和特定环境，本发明将对精密伺服机构最大静摩擦力矩和动摩擦力矩的测试方法进行研究，搭建测试实验平台，实现对摩擦力矩的自动化测试。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种精密伺服机构摩擦力矩测试系统及测试方法，该方法采用自动化技术，测试基本原理为电机的转矩T与电机电流I成正比关系，可用表达式T =KXI来表示。使用户方便快捷地测试出系统的最大静摩擦力矩和动摩擦力矩，为以后系统的设计提出数据支持。
[0006]本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
[0007]一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统，包括一个被测精密伺服机构，一个用于测量被测精密伺服机构的伺服机构参数测试仪，以及一个用于控制伺服机构参数测试仪的数据处理显示终端工控机；
[0008]所述被测精密伺服机构包括通过框架固定轴支撑的底座，所述底座上设置有伺服电机，伺服电机通过传动减速齿轮组啮合连接位置传感器，位置传感器连接负载盘；所述伺服电机通过数据传输电缆与伺服机构参数测试仪相连；
[0009]所述伺服机构参数测试仪包括通过数据传输电缆与被测精密伺服机构相连的电机驱动器，所述电机驱动器分别连接数据转换处理卡和多轴运动控制卡，多轴运动控制卡通过数据传输电缆连接工控机；[0010]所述工控机包括通过数据传输电缆连接的工控机主机，工控机主机连接有工控机显示器；
[0011]伺服电机经传动减速齿轮组带动置于负载盘上的负载运动，负载与位置传感器同轴同步运动，其负载的位置信息由位置传感器传送给伺服机构参数测试仪做数据转换，并经由工控机控制计算得到测试精密伺服机构的摩擦力矩。
[0012]进一步地，所电机驱动器内嵌有用于驱动伺服电机精确运动的电流环、速度环和位置环三环反馈控制环。
[0013]进一步地，所述被测精密伺服机构中的位置传感器连接负载盘为单轴伺服机构或多轴伺服机构。
[0014]进一步地，所述传动减速齿轮组为单级减速、多级增速、单级增速或者电机直拖。
[0015]进一步地，所述位置传感器为旋转变压器、编码器、陀螺、光栅中任意一种或多种。
[0016]相应地，本发明还给出了一种精密伺服机构摩擦力矩的测试方法，该方法包括测静摩擦力矩和测动摩擦力矩，包括下述步骤:
[0017]A、测试静摩擦力矩:
[0018]1)首先系统初始化，在工控机上设定被测精密伺服机构伺服电机转矩系数K，和伺服机构参数测试仪的电机驱动器和多轴运动控制卡的伺服机构控制参数PID11 ；
[0019]2)在伺服机构参数测试仪的传感器选择开关上设置不同位置传感器的设定键；
[0020]3)工控机读出伺服机构参数测试仪的数据转换处理卡得到伺服电机姿态角即当前位置Qtl;在工控机设置所需要测量姿态角位置Q1，其中，可测量角度范围为
O。≤ Θ i ≤ 360。；
[0021]4)在工控机上发出正向测试指令，控制指令通过多轴运动控制卡控制伺服电机正向旋转；
[0022]5)此时，工控机通过位置传感器检测电机是否发生位移，如果没有发生位移，则程序继续增加电压；如果发生位移，则程序停止增加电压；此时电机驱动器读出伺服电机的电流I1值；
[0023]6)工控机根据上述电流I1值，然后由伺服电机转矩系数K计算出电机姿态角位置Θ!正向测试静摩擦力矩T1的大小，其中T1 = KXI1 ；
[0024]7)在工控机上发出反向测试指令，控制指令通过多轴运动控制卡控制伺服电机反向旋转；
[0025]8)重复步骤5)至6)，得到反向测试静摩擦力矩T2的大小；
[0026]9)工控机将上述正、反两次测得的静摩擦力矩，取平均值即为精密伺服机构静摩擦力矩；
[0027]B、测试动摩擦力矩:
[0028]1)首先系统初始化，在工控机上设定被测精密伺服机构伺服电机转矩系数K，和伺服机构参数测试仪的电机驱动器和多轴运动控制卡的伺服机构控制参数PIDa ；
[0029]2)在伺服机构参数测试仪的传感器选择开关上设置不同位置传感器的设定键；
[0030]3)工控机设置所需要速度测量范围Vmin≤ V≤ Vmax ；
[0031]4)在工控机发出正向旋转指令,控制指令通过多轴运动控制卡发出恒速控制指令控制伺服电机正反向匀速旋转；[0032]5)经正反向交替旋转，由电机驱动器读取稳定运行后的电流In值，由下式计算动摩擦力矩Tn:
[0033]Tn = KXIn
[0034]其中，η= 1，2，3…30 ;
[0035]6)然后通过下式计算动摩擦力矩平均值:
【权利要求】
1.一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统，包括一个被测精密伺服机构(101)，一个用于测量被测精密伺服机构(101)的伺服机构参数测试仪(109)，以及一个用于控制伺服机构参数测试仪(109)的数据处理显示终端工控机(114);其特征在于， 所述被测精密伺服机构(101)包括通过框架固定轴(103)支撑的底座(108)，所述底座(108)上设置有伺服电机(105)，伺服电机(105)通过传动减速齿轮组(104)啮合连接位置传感器(107)，位置传感器(107)连接负载盘(102);所述伺服电机(105)通过数据传输电缆(106)与伺服机构参数测试仪(109)相连； 所述伺服机构参数测试仪(109)包括通过数据传输电缆(106)与被测精密伺服机构(101)相连的电机驱动器(111)，所述电机驱动器(111)分别连接数据转换处理卡(110)和多轴运动控制卡(112)，多轴运动控制卡(112)通过数据传输电缆(113)连接工控机(114)； 所述工控机(114)包括通过数据传输电缆(113)连接的工控机主机(116)，工控机主机(116)连接有工控机显示器(115)； 伺服电机(105)经传动减速齿轮组(104)带动置于负载盘(102)上的负载运动，负载与位置传感器(107)同轴同步运动，其负载的位置信息由位置传感器(107)传送给伺服机构参数测试仪(109)做数据转换，并经由工控机(114)控制计算得到测试精密伺服机构的摩擦力矩。
2.根据权利要求1所述的一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统，其特征在于，所电机驱动器(111)内嵌 有用于驱动伺服电机(105)精确运动的电流环、速度环和位置环三环反馈控制环。
3.根据权利要求1所述的一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统，其特征在于，所述被测精密伺服机构(101)中的位置传感器(107)连接负载盘(102)为单轴伺服机构或多轴伺服机构。
4.根据权利要求1所述的一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统，其特征在于，所述传动减速齿轮组(104)为单级减速、多级增速、单级增速或者电机直拖。
5.根据权利要求1所述的一种精密伺服机构摩擦力矩的测试系统，其特征在于，所述位置传感器(107)为旋转变压器、编码器、陀螺、光栅中任意一种或多种。
6.一种精密伺服机构摩擦力矩的测试方法，其特征在于，包括测静摩擦力矩和测动摩擦力矩，包括下述步骤: A、测试静摩擦力矩: 1)首先系统初始化，在工控机(114)上设定被测精密伺服机构(101)伺服电机转矩系数K，和伺服机构参数测试仪(109)的电机驱动器(111)和多轴运动控制卡(112)的伺服机构控制参数PID11; 2)在伺服机构参数测试仪(109)的传感器选择开关(117)上设置不同位置传感器的设定键； 3)工控机(114)读出伺服机构参数测试仪(109)的数据转换处理卡(110)得到伺服电机(105)姿态角即当前位置Qtl;在工控机(114)设置所需要测量姿态角位置Q1，其中，可测量角度范围为0° ( Θ: ^ 360° ； 4)在工控机(114)上发出正向测试指令，控制指令通过多轴运动控制卡(112)控制伺服电机(105)正向旋转； 5)此时，工控机(114)通过位置传感器(107)检测电机是否发生位移，如果没有发生位移，则程序继续增加电压；如果发生位移，则程序停止增加电压；此时电机驱动器(111)读出伺服电机(105)的电流I1值； 6)工控机(114)根据上述电流^值，然后由伺服电机转矩系数K计算出电机姿态角位置Θ I正向测试静摩擦力矩T1的大小，其中T1 = KXI1 ； 7)在工控机(114)上发出反向测试指令，控制指令通过多轴运动控制卡(112)控制伺服电机(105)反向旋转； 8)重复步骤5)至6)，得到反向测试静摩擦力矩T2的大小； 9)工控机(114)将上述正、反两次测得的静摩擦力矩，取平均值即为精密伺服机构静摩擦力矩； B、测试动摩擦力矩: 1)首先系统初始化，在工控机(114)上设定被测精密伺服机构(101)伺服电机转矩系数K，和伺服机构参数测试仪(109)的电机驱动器(111)和多轴运动控制卡(112)的伺服机构控制参数PID动； 2)在伺服机构参数测试仪(109)的传感器选择开关(117)上设置不同位置传感器的设定键； 3)工控机(114)设置所需要速度测量范围Vmin^ Vmax ； 4)在工控机(114)发出旋转指令，控制指令通过多轴运动控制卡(112)发出恒速控制指令控制伺服电机(105)正反向匀速旋转； 5)经正反向交替旋转，由电机驱动器(111)读取稳定运行后的电流In值，由下式计算动摩擦力矩Tn:
Tn = KXIn 其中，η = 1,2,3-30 ； 6)然后通过下式计算动摩擦力矩平均值:
7.根据权利要求6所述的一种精密伺服机构摩擦力矩的测试方法，其特征在于，所述多轴运动控制卡(112)控制伺服电机(105)正向旋转是按照电压斜坡递增函数U(t)的条件进行的，其中U(t) =a*t，a为电压增长步长，t为伺服电机(105)的运动时间。
8.根据权利要求7所述的一种精密伺服机构摩擦力矩的测试方法，其特征在于，所述a为电压增长步长，且满足
【文档编号】G01L3/00GK104034461SQ201410186642
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】马伯渊, 王卫东, 王和宁, 刘颖莹, 李建文 申请人:西安电子科技大学