螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的制作方法

本发明属于电磁铁特性测试装置，具体为螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置。

背景技术：

低压电器广泛的应用在建筑、军事、交通等领域中，电磁铁作为大多数控制类和保护类电器的核心部件，其性能的好坏直接关系到电器的可靠工作。螺管式电磁铁凭借着结构简单、电磁吸力大、可靠性高等优越特性得到了广泛应用。在进行电磁铁设计的时候由于建模误差、导磁材料非线性以及计算简化等原因使得仿真值与真实值往往具有一定的差距，因此，研究螺管式电磁铁静态电磁吸力测试技术和测试装置显得尤为重要。

目前电磁铁静态电磁吸力测试装置主要是根据电磁铁的结构类型及吸力大小特殊设计的，通用性不强。例如，拍合式的电磁铁一般产生的吸力较小，测试的难点在于气隙不规则，测量困难；螺管式的电磁铁行程较长且电磁吸力大，对于气隙的准确控制和测量尤为重要。申请号为201210507461.9的中国专利公开了一种直流螺管式电磁铁静态特性用多级小位移下压力测试仪，该装置是一种测量螺管式电磁铁在不同气隙压力的测试装置，包括安装架体、压力感测器和位移控制器，该装置测试精度较高但每次通过使用不同厚度的塞片来改变气隙，操作比较繁琐且自动性相对较差，且无法保证电磁铁的动铁心与压力感测器的同心性。申请号为201210507183.7的中国专利公开了一种直流螺管式电磁铁静态特性测试用位移测量器，该位移测量器包括安装架体和安装在其上的位移感测器，结构较简单、精度较高且位移感测器安装定位方便快捷，但无法同时测量不同位移下电磁铁的吸力。

技术实现要素：

本发明的目的为针对当前技术中存在的电磁铁气隙控制不准确、自动性差、电磁吸力测量范围小等缺点，提供一种螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置。本测试装置主要由安装基座、控制模块、驱动模块、测试模块、显示模块组成，在装置中将滚珠丝杠、直线滑轨、步进电机等安装在底板上构成驱动模块，并将该模块固定在安装基座的底座上；将测试模块中的传感器通过第二固定竖板和第二固定支架安装在游动滑台上，通过游动滑台驱动托座将游动滑台与驱动模块的滚珠丝杠相连，通过滚珠丝杠转动来驱动游动滑台前后移动，再将被测电磁铁安装在第一固定竖板上的电磁铁安装座上，采用特制的连接件将电磁铁与传感器相连，这样将安装基座、驱动模块、测试模块集合成为一个整体。通过RS232总线将控制模块中的上位机与步进电机驱动控制器连接，以此驱动步进电机转动带动测试模块运动。本测试装置可以使电磁铁的气隙精度达到0.01mm，并且通过编写程序能够自动的完成螺管式电磁铁在不同气隙下静态电磁吸力的测试。该装置还可通过更换不同量程的拉压传感器测量不同范围的静态电磁吸力。

本发明的技术方案为：

一种螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置，该装置的组成包括安装基座、控制模块、驱动模块、测试模块和显示模块；

所述的安装基座包括底座、第一固定竖板、第一固定支架；两根L型第一固定支架水平部分平行固定在底座上，第一固定竖板通过第一固定支架的竖直部分垂直固定在底座的一端；

所述的控制模块包括上位机、开关电源和步进电机驱动控制器；上位机和步进电机驱动控制器相连，步进电机驱动控制器还与开关电源相连(开关电源给步进电机驱动控制器供电)；

所述的驱动模块包括底板、垫条、直线滑轨、滑块、滚珠丝杠、游动滑台驱动托座、丝杠支座、步进电机和步进电机安装座；其中，底板安装在安装基座中底座上；两个垫条平行安装在底板上；每个垫条上安装有一个直线滑轨，每个直线滑轨上安装有两个滑块；两个垫条的两端各夹持有一块丝杠支座，两块丝杠支座安装在底板上，其中，一块丝杠支座安装在底板的左端，滚珠丝杠无键槽的一端固定在这块丝杠支座上，有键槽的一端固定在另一个丝杠支座上；滚珠丝杠位于两个垫条的中间，并与两个垫条平行；步进电机安装座安装在底板的右端；步进电机固定在步进电机安装座上；滚珠丝杠的有键槽的一端通过弹性联轴器与步进电机相连；滚珠丝杠上旋有丝杠螺母，游动平台驱动托座通过螺栓固定在丝杠螺母上；步进电机与控制模块中的步进电机驱动控制器相连；

所述的测试模块包括游动滑台、电磁铁连接件、拉压传感器、第二固定支架、第二固定竖板和电磁铁安装座；游动滑台的底部固定在游动滑台驱动托座上，同时游动滑台的两侧分别与2个滑块相连；两根L型的第二固定支架平行放置，其水平部分分别固定在游动滑台上，其竖直部分固定有第二固定竖板，拉压传感器平行于游动滑台，横向安装在第二固定竖板的中央，拉压传感器上安装有电磁铁连接件；所述的电磁铁连接件包括水平管和U型件，其中，水平管两端开有外螺纹，通过螺纹连接分别与U型件、拉压传感器连接，U型件水平放置，开口向左，两边处于上下位置；电磁铁安装座中部开有竖直滑槽，通过螺栓固定在第一固定竖板上的两条水平滑槽内，同时，固定电磁铁安装座中部竖直滑槽的两侧各开有一条竖直滑槽，用于固定待测电磁铁；

所述的显示模块包括传感器控制显示仪和电流表，二者相互独立，拉压传感器与传感器控制显示仪相连(传感器控制显示仪的输入端接220V交流电)；电流表与待测电磁铁相连，二者还分别与直流电源相连。

所述的底座、第一固定竖板和第二固定竖板均为环氧树脂板，厚度为20～30mm。

本发明的实质性特点为：

本专利通过上位机为主的控制模块，控制驱动模块中的步进电机转动，步进电机驱动滑台运动，进而带动电磁铁动铁心运动，准确的控制气隙，精度可达0.01mm；驱动模块和测试模块选材上机械强度很大，最大测量值可以达到5000N(最关键是控制模块与驱动模块组合的应用能自动的准确改变电磁铁气隙)；现在类似的测试装置测量范围小、自动性差，每改变一次气隙就需要手动操作一次，工作量大。

与现有的螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置相比，本发明显著的进步是：

1.本发明装置通过步进电机驱动控制器进行电磁铁气隙的自动调节，气隙控制准确，可以精确至0.01mm；本发明装置自动测量电磁吸力，测量范围大，可以从0N-5000N。

2.本发明中采用的驱动模块为步进电机与滚珠丝杠相连，避免了传统方式中用传送带或者齿轮的传动方式由于老化带来的精度变差；同时为保证机械强度和老化问题，本专利中的角铁采用不锈钢材质，钢板均采用45#钢并进行发黑处理。

3.本发明特制了电磁铁连接件和电磁铁安装座，连接件的前端做成如图11所示的U型件，无论待测件的动铁心是圆柱形还是长方体都可以方便连接，增强了本装置的通用性；第一固定竖板和电磁铁安装座制作成如图2和图9所示的结构，这样电磁铁可以在前后左右四个方向移动，从而解决了电磁铁动铁心与拉压传感器测量方向不在一个轴线方向上的问题，从而使测量的电磁吸力误差较小。

与现有的技术相比，本发明的效益为：

1.本发明中的拉压传感器固定简单，操作人员可以根据测量的需要更换不同型号不同精度是拉压传感器，从而测量不同范围的电磁吸力。

2.本发明中传感器与电磁铁连接件的部件二做成U型件，便于类似结构的电磁铁与传感器的连接，使连接件更具有通用性。

3.本发明中底座、固定竖板采用厚度较大的环氧板，固定支架采用加有斜拉撑的不锈钢角铁，机械强大且绝磁性好。

4.本专利把驱动模块和测试模块集成，采用上位机控制步进电机驱动游动滑台移动，进而带动电磁铁动铁心运动，每次步进最小距离可以达到0.01mm，同时电磁铁可以在前后左右四个方向移动保证同轴性，自动化程度和测试精度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的一种实施例的等轴测结构示意图；其中图1(a)为安装基座和测试模块的等轴测结构示意图；其中图1(b)为驱动模块的等轴测结构示意图；

图2是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的一种实施例的安装基座1的等轴侧结构示意图；

图3是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的一种实施例的安装基座1的主视结构示意图；

图4是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的底板、滚珠丝杠及其支座、步进电机安装座组合的三视图，其中图4(a)为底板、滚珠丝杠及其支座、步进电机安装座组合的主视结构示意图；图4(b)为底板、滚珠丝杠及其支座、步进电机安装座组合的俯视结构示意图；图4(c)为底板、滚珠丝杠及其支座、步进电机安装座组合的右视结构示意图；

图5是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的底板、滚珠丝杠及其支座、游动滑台、游动滑台角铁、直线滑块组合的结构示意图，其中图5(a)为组合的主视结构示意图；图5(b)为组合的俯视结构示意图；图5(c)为组合的右视结构示意图；

图6是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的直线滑轨、垫条的俯视结构示意图；

图7是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的游动滑台、直线滑块、游动滑台驱动托座右视结构示意图；

图8是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的步进电机安装座三视图，其中图8(a)为步进电机安装座的主视结构示意图；图8(b)为步进电机安装座的俯视结构示意图；图8(c)为步进电机安装座的右视结构示意图；

图9(a)是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的电磁铁安装座等轴测结构示意图；图9(b)为电磁铁安装座的俯视结构示意图；

图10(a)是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的电磁铁连接件部件一的主视结构示意图；图10(b)是传感器与电磁铁连接件的部件一的等轴测结构示意图；

图11是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的电磁铁连接件部件二的结构图；图11(a)为电磁铁连接件部件二的等轴测结构示意图；图11(b)为电磁铁连接件部件二的俯视结构示意图；图11(c)为电磁铁连接件部件二的左视结构示意图；

图12是本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的左丝杠支座的左视图；图中，1-安装基座、2-驱动模块、3-测试模块、11-底座、12-第一固定竖板、13-第一固定支架、21-底板、22-垫条、23-直线滑轨、24-滑块、25-滚珠丝杠、26-游动平台驱动托座、27-丝杠支座、28-步进电机、29-步进电机安装座、31-游动滑台、32-电磁铁连接件、33-拉压传感器、34-第二固定支架、35-第二固定竖板、36-电磁铁安装座。

图13为不同电流、不同气隙下电磁吸力实验数据。

具体实施方式

本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置主要由安装基座1、控制模块(图中未画出)、驱动模块2、测试模块3、显示模块(图中未画出)构成；

所述的安装基座1包括底座11、第一固定竖板12、第一固定支架13；两根L型第一固定支架13水平部分平行固定在底座11上，第一固定竖板12通过第一固定支架13的竖直部分垂直固定在底座11的一端；在底座11中间开4个与驱动模块底板21相对应的通孔，通过内六角螺栓将驱动模块安装在底座11的中部；

所述的控制模块包括上位机、开关电源和步进电机驱动控制器；RS232串口线将上位机和步进电机驱动控制器相连，步进电机驱动控制器还与开关电源相连。开关电源给步进电机驱动控制器供电，通过控制模块中上位机给步进电机驱动控制器发送指令，再由步进电机驱动控制器驱动步进电机。

所述的驱动模块2包括底板21、垫条22、直线滑轨23、滑块24、滚珠丝杠25、游动滑台驱动托座26、丝杠支座27、步进电机28和步进电机安装座29；其中，底板21安装在安装基座1中底座11上；两个垫条22平行安装在底板21上(垂直于安装基座1中的第一固定竖板12)；每个垫条22上安装有一个直线滑轨23，每个直线滑轨23上安装有两个滑块24；两个垫条22的两端各夹持有一块丝杠支座27，两块丝杠支座27安装在底板21上，其中，一块丝杠支座27安装在底板21的左端，(该丝杠支座、底板21左端均与安装基座1中的固定竖板12相贴近(间距为0-5mm))，滚珠丝杠25无键槽的一端固定在这块丝杠支座27上，有键槽的一端固定在另一个丝杠支座27上；滚珠丝杠25位于两个垫条22的中间，并与两个垫条22平行；步进电机安装座29安装在底板21的右端；步进电机28通过四个螺栓固定在步进电机安装座29上；滚珠丝杠25的有键槽的一端通过弹性联轴器与步进电机28相连；滚珠丝杠25上旋有丝杠螺母，游动平台驱动托座26通过螺栓固定在丝杠螺母上；步进电机28与控制模块中的步进电机驱动控制器相连(步进电机驱动控制器给步进电机供电并发送脉冲)。

所述的测试模块3包括游动滑台31、电磁铁连接件32、拉压传感器33、第二固定支架34、第二固定竖板35和电磁铁安装座36；游动滑台31的底部固定在游动滑台驱动托座26上，同时游动滑台31的两侧分别与2个滑块24相连；两根L型的第二固定支架34平行放置，其水平部分分别固定在游动滑台31上，其竖直部分固定有第二固定竖板35，拉压传感器33平行于游动滑台31，横向安装在第二固定竖板35的中央，拉压传感器33上安装有电磁铁连接件32；所述的电磁铁连接件32包括水平管和U型件，其中，水平管两端开有外螺纹，通过螺纹连接分别与U型件、拉压传感器33连接，U型件水平放置，开口向左，两边处于上下位置；电磁铁安装座36中部开有竖直滑槽(一条或两条，当为两条时，两条滑槽位于同一垂线上)，通过螺栓固定在第一固定竖板12上的两条水平滑槽内，同时，固定电磁铁安装座36中部竖直滑槽的两侧各开有一条竖直滑槽，用于固定待测电磁铁。

所述的电磁铁安装座36的中部的竖直滑槽为通槽(同时两侧各削去一部分)。该结构主要是为了使固定用的螺栓不露出来以免影响电磁铁安装的平整性，再者中部槽底和两侧开滑槽是为了调整电磁铁在竖直方向的位置，配合第一固定竖板12的水平槽在水平方向调节电磁铁的位置，使电磁铁的动铁心与传感器测试方向的同轴性。

所述的显示模块包括传感器控制显示仪和电流表，二者相互独立，拉压传感器33通过导线与传感器控制显示仪相连；电流表与待测电磁铁相连，二者还分别与直流电源相连。

实施例1

图1为螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的等轴侧结构示意图，螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置主要包括安装基座1、控制模块(图中未画出)、驱动模块2、测试模块3、显示模块(图中未画出)构成；所述的控制模块包括上位机、开关电源、步进电机驱动控制器、RS232串口线，用串口线将上位机和步进电机驱动控制相连，通过控制模块给驱动模块2发送指令；

安装基座1的结构如图2所示，安装基座1包括底座11、第一固定竖板12、第一固定支架13；底座11采用长500mm、宽250mm、厚20mm的环氧树脂板，并在其表面开10个沉孔，在其中部开2个水平滑槽；第一固定竖板12采用250mm、宽216mm、厚20mm的环氧树脂板，并在两侧均匀开3个沉孔；第一固定支架13的形状为L型，数量为两个，每个由2块厚为3mm、宽为30mm的不锈钢角铁垂直焊接而成，并加斜拉撑加强机械强度，在水平方向开3个通孔，用外六角螺栓从上至下旋入底座11，在竖直方向开3个与第一固定竖板12相匹配的通孔，用外六角螺栓将第一固定竖板12固定在其竖直方向上，在安装的过程中通过适当的添加垫片使第一固定竖板12与底座11垂直；

驱动模块2的结构包括底板21、垫条22、直线滑轨23、直线滑块24、滚珠丝杠25、游动滑台驱动托座26、丝杠支座27、步进电机28、步进电机安装座29；底板21采用45#钢板，并在其表面开与垫条22、丝杠支座27、步进电机安装座29相对应的带螺纹的沉孔；左丝杠支座27为长方形圆角轴承座,内部装有轴承，左丝杠支座通过内六角螺栓安装在底板21的左端，右丝杠支座的形状及结构与左丝杠支座的形状及结构基本一致，依旧采用内六角螺栓安装在底板21右侧的相应位置；

垫条22采用平整度高的长方体的金属条，两个垫条22表面开与底板21对应的通孔；直线滑轨23采用工字型铝制直线滑轨，在直线滑轨表面均匀开3个带螺纹的沉孔，将两个直线滑轨23分别放在垫条22上面，通过内六角螺栓从上向下旋入水平滑轨23和垫条22中，使二者结合成为一个整体，将其平行安装在底板21两侧；

滚珠丝杠25的一侧有键槽，另一侧无键槽，有键槽的一侧通过弹性联轴器与和步进电机28相连，无键槽的一侧固定在左丝杠支座27上；丝杠螺母的内径与滚珠丝杠25的外径一致，丝杠螺母通过螺纹孔旋入滚珠丝杠25，游动平台驱动托座26如图7所示为长方体金属块,上端面两侧开有两个竖向螺纹孔,侧面中间开有大通孔,大通孔周围沿轴向开6个轴向螺纹孔，使用螺栓穿过丝杠螺母旋入游动平台驱动托座26的轴向螺纹孔，从而将丝杠螺母与游动平台驱动托座26固装在一起；移动滑台31同样采用45#钢板，在其表面开20个直径6mm的沉孔分别用来固定四个直线滑块24和移动滑台驱动托座26，开6个直径8mm的通孔用来安装第二固定支架32；

所述弹性联轴器的一端与滚珠丝杠25有键槽的一端相连，另一端与步进电机28的电机轴相连,并通过内六角螺钉夹紧固定。由此，将滚珠丝杠25与步进电机28通过弹性联轴器固装在一起。步进电机安装座29是一个类似于U型铁板,在其底部开有两个水平槽，用内六角螺栓与底板21相连,在侧面开4个与57步进电机相匹配的通孔，通过螺栓将步进电机安装在步进电机安装座29上；

所述的测试模块3包括游动滑台31、电磁铁连接件32、拉压传感器33、第二固定支架34、第二固定竖板35、电磁铁安装座36；第二固定竖板35采用160mm、宽160mm、厚20mm的环氧树脂板，中部开与拉压传感器33相匹配的通孔，用外六角螺栓将拉压传感器33横向安装在第二固定竖板35上；电磁铁的连接件32做成两个部件，部件一采用直径12mm的空心的不锈钢管制作，并在两端外侧各做15mm的外螺纹，使两端的外螺纹的直径分别与拉压传感器33的内螺纹直径、部件二底部的内螺纹直径相匹配，将部件一的一端旋入部件二的底部，另一端旋入拉压传感器33，可根据改变部件一与部件二的连接深度来微调电磁铁与拉压传感器33之间的距离，部件二底部中央开与部件一相匹配的带螺纹的通孔，上部做成U型件且在槽两侧的中部开孔，用来与电磁铁相连；此外，在第一固定竖板12的中间平行开2个水平滑槽，在电磁铁安装座36的中间开2个竖直滑槽，通过水平滑槽与竖直滑槽配合使用，可在上、下、左、右四个方向调节电磁铁安装座36的位置，进而使电磁铁的动铁心与传感器的测量方向在同一条轴线方向；将电磁铁安装座36固定在第一固定竖板12上；

所述的显示模块包括传感器控制显示仪和电流表，用导线将拉压传感器与控制显示仪相连，并将电流表与电磁铁串联接到直流电源。

本发明螺管式电磁铁静态电磁吸力测试装置的运行方法是在进行螺管式电磁铁静态电磁吸力测试时,按照上述连接方式组装好测试装置,通过控制模块中的上位机设置步进电机步进角、驱动细分数和安全设定距离，进行气隙调节和电磁吸力自动测量，其具体运行方法是：

第一步、安装被测试品电磁铁：

把电磁铁安装在电磁铁安装座36上，上位机向步进电机驱动控制器发送指令，再由步进电机驱动控制器控制步进电机转动，控制步进电机28反转,游动滑台31向后移动,使电磁铁和拉压传感器33之间留有大于电磁铁连接件32的距离后,步进电机28停转。通过在上下左右调节电磁铁安装座36使电磁铁的动铁心与拉压传感器33的测量方向在一条轴线上，然后用电磁铁连接件32将拉压传感器33与电磁铁连接好以后锁死。

第二步、进行被测试品电磁铁的静态电磁吸力特性测试

电磁铁安装好以后，通过上位机向步进电机驱动控制器发送指令，再由步进电机驱动控制器控制步进电机驱动步进电动机28转动，使拉压传感器33控制显示仪示数为0，启动设置好的驱动程序，驱动步进电机正转，带动滚珠丝杠25转动,进而带动拉压传感器33向前移动，前移规定距离后步进电机28停止转动，接通直流电源给电磁铁通电，待传感器控制显示仪示数稳定后记录电流表与显示仪示数；再次使步进电机28正转带动传感器前移规定的距离(根据需要，可以与前面的距离不同)，记录电流与电磁吸力，如此循环多次，记录电流表与显示仪示数。

第三步、根据测试数据绘制电磁铁静态电磁吸力曲线

根据记录的电磁吸力与电流数据绘制电磁铁在不同气隙、不同电流下的电磁吸力的曲线。

表1不同电流、不同气隙的电磁吸力

本发明的框架结构是根据电磁铁的工作特点和其静态特性测试要求设计，其结构合理，实验操作简单，可以减少因安装等人工操作而造成的测量误差。其中，安装基座1中第一固定竖板12、第一固定支架13主要功能是安装电磁铁，由于电磁铁电磁吸力较大，第一固定竖板12、第一固定支架13要有一定的刚性和厚度且平整度高，故第一固定竖12板采用厚度为20mm的环氧树脂板既具有良好的绝缘性又具有足够的机械强度，第一固定支架13采用带斜拉撑厚为3mm不锈钢角铁，这样才能保证装置机械强度和电磁铁的垂直安装；驱动模块2中的滚珠丝杠25是决定电磁铁气隙精度大小的关键部件，不但机械强度要大，而且精度要高，故采用高精度的TBI滚珠丝杠，重复定位精度可达0.01mm，保证位了电磁铁气隙在测试过程中准确控制,从而降低测量误差。

本发明的电磁铁连接件32由两部分构成，部件一采用直径12mm空心的不锈钢管制作，即能保证足够的机械强度又能减小自重，有效的避免了摩擦力对实验的影响，部件二做成U型件且中间开孔以便和不同型号的电磁铁相连增强了通用性。

本发明的电磁铁安装座36制作成T型槽的形状，在竖直方向开有滑槽，通过螺栓在固定在第一固定竖板12的水平滑槽中，可以在上、下、左、右四个方向进行调整，保证了电磁铁的动铁心与传感器测量方向的同心性，避免了由于测量过程中由于电磁吸力与测量方向不在同一条轴线方向引起的测量误差。

实施例2

本实施例中采用实施例1所述的连接及位置关系，所述滚珠丝杆25选用SUF-2单螺母滚珠丝杆(标准件)，丝杠支撑座的固定端和支持段分别采用BK20与BF20，直线导轨选用SBR20型直线导轨，导轨滑块为SBR 20UU滑块，控制单元包括步进电机驱动器和控制器，控制器通过步进电机驱动器向步进电机提供指令,本实施例选用57步进电机提供动力,步距角为1.8。,保持转矩1.35N·m，步进电机驱动器采用2M542-N等角度恒力矩驱动器,控制器采用COW1中正型步进电机控制器。被测试品为长为68mm、宽56mm、高55mm的螺管式电磁铁，并能对该螺管式电磁铁进行静态电磁吸力测试。

本发明未述及之处适用于现有技术。