本发明涉及一种凸轮式开关的力特性模拟与测量装置及其控制方法。
背景技术：
手感是凸轮式开关的重要性能，力特性曲线是对开关手感性能的要求的图形描述，力特性曲线是指人在转动开关档位过程中所有力的集合，即在每个档位周期内，每转动多少角度对应的转矩曲线。工程师在进行凸轮式开关设计时，为了设计出具有出色操作手感的开关，通常是先测量出描述开关出色操作手感的力特性曲线，然后通过该期望的力特性曲线反求出凸轮式开关的图轮廓曲线，最终制造出具有出色操作手感的开关。
目前，用来测量凸轮式开关力特性曲线的装置是扭矩测试台，该测试台主题体括电机、扭矩传感器、角度传感器、控制台及试验平台等。具体的测量步骤是：首先将凸轮式开关、扭矩传感器、角度传感器、电机依次机械连接，然后启动电机对凸轮式开关加载，同时记录传感器输出的数据，最后绘制出开关的力特性曲线。该扭矩测试台虽然能够很好地测量出凸轮式开关的力特性曲线，但是不具有连续性，一次只能获得一个开关的力特性曲线，这就意味着要获得开关的期望力特性曲线要对不同的凸轮式开关一个一个进行测量，然后专业人员在进行手感测试，这就使得测量的过程变的很复杂、漫长，测量的结果误差比较大，耗费更多的人力物力。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种凸轮式开关的力特性模拟与测量装置及其控制方法，以克服现有技术中存在的区别。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种凸轮式开关的力特性模拟与测量装置，包括：一实验台，所述实验台上设有并排设置的电机和角度—扭矩传感器，所述电机与角度—扭矩传感器之间设有凸轮式开关，所述凸轮式开关的外壳一端经由第一联轴器与电机的输出端固定连接，所述凸轮式开关的驱动轴远离电机端经由第二联轴器与角度—扭矩传感器的一输入端固定连接，所述角度—扭矩传感器的另一输入端固连有旋钮，所述电机与角度—扭矩传感器之间还设有工控机，所述工控机与角度—扭矩传感器电连，所述工控机与电机之间经由驱动器电连，所述电机上设有编码器，所述编码器与工控机电连；所述旋钮经一连接结构与一第一驱动单元相连；所述第一驱动单元与所述工控机相连。
在本发明一实施例中，所述电机为交流伺服电机。
在本发明一实施例中，所述实验台上经由螺栓固连有并排设置的第一支撑架和第二支撑架，所述实验台的上表面设置有以利螺栓穿过的横向长条槽，所述第一支撑架的上端设置有水平的第一通槽，所述第一通槽内经由螺栓固连有用以安装电机的电机座，所述第一通槽的两侧壁设置有以利螺栓穿过的第一纵向长条槽；所述第二支撑架的上端设置有水平的第二通槽，所述第二通槽内经由螺栓固连有用以安装角度—扭矩传感器的传感器支座，所述第二通槽的两侧壁设置有以利螺栓穿过的第二纵向长条槽。
在本发明一实施例中，所述第一通槽的底面与电机座的下表面之间连接有第一千斤顶，所述第一千斤顶的下端经由螺栓固连在第一通槽的底面；所述第二通槽的底面与传感器支座的下表面之间连接有第二千斤顶，所述第二千斤顶的下端经由螺栓固连在第二通槽的底面。
在本发明一实施例中，所述工控机上设置有用户图形显示界面和用于采集并记录编码器和角度—扭矩传感器输出的测量数据的采集卡。
还提供一种凸轮式开关的力特性模拟与测量装置根据的控制方法，所述工控机根据预设扭矩指令控制所述驱动器输出，控制所述电机加载扭矩；所述电机通过所述第一联轴器将输出的扭矩加载于所述凸轮式开关的外壳上；同时，所述工控机根据预设驱动指令，通过所述第一驱动单元驱动所述凸轮式开关换挡；所述编码器将所述电机的转角反馈给所述工控机，所述角度—扭矩传感器将所述旋钮的转角和扭矩反馈给所述工控机；所述工控机根据所获取的电机转角与旋钮的转角和扭矩，并以所述旋钮的转角与电机的转角之差作为横坐标，将所述旋钮的扭矩作为纵坐标，建立开关的力特性曲线；每达到一个档位行程，则所述工控机将所述编码器以及所述角度—扭矩传感器归零，重新记录电机的转角以及旋钮的转角和扭矩，并采用上述方式建立另一开关的力特性曲线，并重复多次，获取复数条不同的力特性曲线；所述工控机计算力特性曲线参数；采用模糊评价法评价所获取的复数条不同的力特性曲线的好坏，并取最大隶属度值的曲线为该凸轮式开关的期望力特性曲线，即操作手感最好的开关的力特性曲线。
在本发明一实施例中，所述力特性曲线参数包括：位置信息、转角行程信息以及转矩信息；所述位置信息包括：起始点O、峰值点P、谷值点C以及终止点Z；所述转角行程信息包括：峰值行程SP、压缩行程SD＝SC-SP、谷值行程SC以及总行程SZ；所述转矩信息包括：峰值转矩TP、谷值转矩TC、落差转矩TD＝TP-TC、末点转矩TZ。
在本发明一实施例中，计算用以描述开关操作手感的行程感、档位感、力感以及回弹感；
所述行程感为峰值点行程与总行程的比值，即SP/SZ；
所述力感为落差转矩与峰值转矩的比值，即TD/TP＝(TP-TC)/TP；
所述档位感为落差转矩与落差转矩对应转角行程的比值，即TD/SD＝(TP-TC)/(SC-SP)；
所述回弹感为谷值行程与总行程的比值，即SC/SZ。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种凸轮式开关的力特性模拟与测量装置及其控制方法，工控机提供了图形化用户界面，完成对系统硬件的配置和对用户界面和控制参数的设置。交流伺服电机工作于扭矩模式，通过改变电流的大小与方向来控制加载于凸轮式开关的扭矩的大小方向，达到模拟开关力特性的目的。利用交流伺服电机对凸轮式开关进行连续加载，从而模拟出不同开关的力特性曲线，并可以直接获得具有出色操作手感的开关的期望力特性曲线，具有测量精度高、响应快，可以进行实时调节，具备自动测试功能，成本低廉，大大减低了凸轮式开关产品的开发成本，缩短了开发周期。
附图说明
图1是本发明中凸轮式开关的力特性模拟与测量装置的立体图。
图2是本发明中凸轮式开关的力特性模拟与测量装置的构造示意图。
图3是图2中A-A剖视图。
图4是图2中B-B剖视图。
【标号说明】：1-实验台；2-电机；3-转角—扭矩传感器；4-凸轮式开关；5-第一联轴器；6-第二联轴器；7-旋钮；8-工控机；9-驱动器；10-编码器；11-第一支撑架；12-第二支撑架；13-第一纵向长条槽；14-第二纵向长条槽；15-横向长条槽；16-第一千斤顶；17-电机座；18-第二千斤顶；19-传感器支座；20-第一通槽；21-第二通槽；22-第三联轴器；23-第一驱动单元。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1～4所示，本发明提供一种凸轮式开关的力特性模拟与测量装置，包括实验台1，实验台1上设有并排设置的电机2和角度—扭矩传感器3，电机2与角度—扭矩传感器3之间设有凸轮式开关4，凸轮式开关4的外壳一端经由第一联轴器5与电机2的输出端固定连接，凸轮式开关4的驱动轴远离电机2端经由第二联轴器6与角度—扭矩传感器3的一输入端固定连接，角度—扭矩传感器3的另一输入端固连有旋钮7，电机2与角度—扭矩传感器3之间还设有工控机8，工控机8与角度—扭矩传感器3电连，工控机8与电机2之间经由驱动器9电连，电机2上设有编码器10，编码器10与工控机8电连，旋钮7经一连接结构22与一第一驱动单元23相连；第一驱动单元与工控机8相连。
在本实施例中，第一驱动单元采用步进电机，连接机构采用第三联轴器，步进电机的输出轴经第三联轴器，带动旋钮转动。编码器10用于记录电机2的转角与速度信息，角度—扭矩传感器3用于测量旋钮7端的转角和驱动扭矩大小，然后将数据反馈给工控机8，工控机8向驱动器9发送控制指令，并根据角度—扭矩传感器3和编码器10反馈过来的信息进行动态调节输出给驱动器9的指令。本实施例中，电机2为交流伺服电机，驱动器9为伺服驱动器。
本实施例中，实验台1上经由螺栓固连有并排设置的第一支撑架11和第二支撑架12，实验台1的上表面设置有以利螺栓穿过的横向长条槽15，第一支撑架11的上端设置有水平的第一通槽20，第一通槽20内经由螺栓固连有用以安装电机2的电机座17，第一通槽20的两侧壁设置有以利螺栓穿过的第一纵向长条槽13；第二支撑架12的上端设置有水平的第二通槽21，第二通槽21内经由螺栓固连有用以安装角度—扭矩传感器3的传感器支座19，在本实施例中，第一驱动单元设置于第二通槽21内的传感器支座19上；第二通槽21的两侧壁设置有以利螺栓穿过的第二纵向长条槽14，即第一支撑架11与第二支撑架12的安装位置可沿着横向长条槽15移动，使得第一支撑架11与第二支撑架12的横向距离可调整，进而电机2与转角—扭矩传感器3之间的距离可调，适用于各种规格型号的凸轮式开关，适用范围广。
本实施例中，电机与电机座经螺栓固定连接，转角—扭矩传感器与传感器支座经螺栓固定连接，保证电机与转角—扭矩传感器安装牢固，工作时不易晃动，进而影响测量精度。
本实施例中，第一通槽21的底面与电机座17的下表面之间连接有第一千斤顶16，第一千斤顶16的下端经由螺栓固连在第一通槽20的底面，即第一千斤顶16与第一纵向长条槽13相配合，调整电机座17在第一通槽20内的纵向高度，进而对电机2的纵向高度进行调整；第二通槽21的底面与传感器支座19的下表面之间连接有第二千斤顶18，第二千斤顶18的下端经由螺栓固连在第二通槽21的底面，即第二千斤顶18与第二纵向长条槽14相配合，调整传感器支座19在第二通槽21内的纵向高度，进而对转角—扭矩传感器3的纵向高度进行调整；第一千斤顶16与第二千斤顶18可为微型液压千斤顶，体积小，升降平稳，调整精度高，可调整整个装置的同轴度，提高装置的测量精度。
本实施例中，工控机8上设置有用户图形显示界面和用于采集并记录编码器和角度—扭矩传感器输出的测量数据的采集卡，且工控机的操作软件为Labview，方便对系统硬件的配置、用户图形界面以及控制参数的设置。
本实施例中，驱动器9与工控机8可直接放置在实验台1上空旷的区域，也可放置在实验台以外便于技术人员操作的区域，防止实验台由于放置过多用于连接电性连接的数据线，而显得杂乱无章。
进一步的，还提供一种凸轮式开关的力特性模拟与测量装置根据的控制方法，工控机根据预设扭矩指令控制驱动器输出，控制电机加载扭矩；电机通过第一联轴器将输出的扭矩加载于凸轮式开关的外壳上；同时，工控机根据预设驱动指令，通过第一驱动单元驱动凸轮式开关换挡；编码器将电机的转角反馈给工控机，角度—扭矩传感器将旋钮的转角和扭矩反馈给工控机；工控机根据所获取的电机转角与旋钮的转角和扭矩，并以旋钮的转角与电机的转角之差作为横坐标，将旋钮的扭矩作为纵坐标，建立开关的力特性曲线；每达到一个档位行程，则工控机将编码器以及角度—扭矩传感器归零，重新记录电机的转角以及旋钮的转角和扭矩，并采用上述方式建立另一开关的力特性曲线，并重复多次，获取复数条不同的力特性曲线；工控机计算力特性曲线参数；采用模糊评价法评价所获取的复数条不同的力特性曲线的好坏，并取最大隶属度值的曲线为该凸轮式开关的期望力特性曲线，即操作手感最好的开关的力特性曲线。
进一步的，在本实施例中，力特性曲线参数包括：位置信息、转角行程信息以及转矩信息；位置信息包括：起始点O、峰值点P、谷值点C以及终止点Z；转角行程信息包括：峰值行程SP、压缩行程SD＝SC-SP、谷值行程SC以及总行程SZ；转矩信息包括：峰值转矩TP、谷值转矩TC、落差转矩TD＝TP-TC、末点转矩TZ。
进一步的，在本实施例中，引入开关的力特性来评价开关手感的好坏。力特性曲线即力值曲线是指人在转动开关过程中所有力的集合，即在某个档位周期内，每转动多少角度对应的转矩曲线。开关手感是一个力特性的总体集合，对应开关在档位转换过程中位置、转角行程、转矩的变换关系，其中包括了行程感、档位感、力感等其他各种感觉。通过计算用以描述开关操作手感的行程感、档位感、力感以及回弹感，进而用以评价开关手感的好坏；
(1)行程感：行程感即为峰值点行程与总行程的比值，即SP/SZ；
(2)力感：力感即人在操作开关过程中，开关反馈给人手的力值变化大小的感觉。即落差转矩与峰值转矩的比值，即TD/TP＝(TP-TC)/TP。力感也就是我们上面提及的狭义手感，力感值过大或者过小，手感都不会太好。
(3)档位感：档位感即人在操作开关过程中，开关反馈给人手的档位明显变化的感觉。即落差转矩与落差转矩对应转角行程的比值，即TD/SD＝(TP-TC)/(SC-SP)。如果档位感的值过小，一般情况下人在操作开关时就没有明显的感觉；如果档位感的值过大，开关会有折断的感觉。
(4)回弹感：回弹感即谷值行程与总行程的比值，即SC/SZ。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。