一种电动伺服直线加载测试系统的制作方法

本发明属于控制装置技术领域，特别是一种电动伺服直线加载测试系统。

背景技术：

近些年来，随着我国综合国力增长以及国防建设的需要，一批具有自主知识产权的装备设备投入使用，先后启动了如大推力火箭、大重载飞机、航母以及各类新型导弹等项目的研究，而在这类装备中，一种能实现直线运动机构的伺服驱动系统扮演着重要的角色。

如何在整车调试之前根据实际载荷变化规律对该直线运动伺服驱动系统进行模拟加载，并实时测试和显示其驱动电流变化、输出特性和动力学特性，对于了解该伺服驱动系统的工作特性，判定其性能是否满足实际工况的需要，有着重要作用。通过该伺服加载系统进行模拟加载并测试其动态特性，并根据性能测试的结果，方便地对该伺服驱动系统性能参数进行调整并找到相应的优化途径，还可以减少反复装车调试和修改带来的研制周期的加长和研制费用的提高，大大提高研制效率和质量。

但是目前国内主要研究的事以液压马达或作动筒为执行机构的电液式伺服加载系统，这种加载方式存在着漏油、维护不便、对油污敏感且经常性发生故障等缺点，另外大惯性以及密封摩擦等非线性因素也很大程度上影响了加载精度；而采用直线伺服电机的电动式伺服加载存在着局限于主动式加载、成本比较高、制造维修不太方便等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动伺服直线加载测试系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电动伺服直线加载测试系统，包括试验台、控制台和配电柜，其中控制台用于对试验台进行加载闭环控制并实现人机交互功能，配电柜为试验台和控制台提供动力并通过隔离电路将各部分电源模块进行隔离，其中试验台包括基础台架、伺服加载系统、运动转换系统及被测伺服系统，其中基础台架包括基座和t型槽板，伺服加载系统包括伺服加载电机、伺服加载电机支座、波纹管联轴器、波纹管联轴器、转矩转速传感器及转矩转速传感器支座，运动转换系统包括支撑平台、滚珠丝杠副支撑单元、滚珠丝杠、滚珠丝杠副螺母、套筒、连接板、光栅尺连接板、光栅尺读数头、滑块、导轨、光栅尺、连接头、拉压力传感器、拖链、限位开关挡板、限位开关支座、限位开关及连接节，被测伺服系统包括连接轴、被测轴套、微位移传感器、微位移传感器支座、被测直线运动机构、固定夹板、升降台、编码器支座、编码器；

所述基础台架中，基座的顶部设置t型槽板，t型槽板有长度、宽度两个方向的t槽通道，用来调整安装升降台以适应不同规格的直线运动机构，t型槽板通过紧固件与基座连接固定，伺服加载电机支座、转矩转速传感器支座、支撑平台、升降台、编码器支座通过紧固件与t型槽板连接固定；升降台安装于宽度方向一侧的t槽通道上，编码器支座、伺服加载电机支座、转矩转速传感器支座、支撑平台位于长度方向的t槽通道上，支撑平台位于编码器支座和转矩转速传感器支座之间，伺服加载电机支座位于转矩转速传感器支座的另一侧；

所述伺服加载系统中，伺服加载电机通过紧固件与伺服加载电机支座紧固连接，电机轴与转矩转速传感器之间通过第一波纹管联轴器相连，转矩转速传感器与运动转换系统中的滚珠丝杠之间通过第二波纹管联轴器相连，转矩转速传感器通过紧固件安装在转矩转速传感器支座上；

所述运动转换系统中，支撑平台上设置滚珠丝杠副支撑单元、导轨、光栅尺、限位开关支座以及拖链的固定端；滚珠丝杠一端固定，另一端自由，固定端由滚珠丝杠副支撑单元固定，滚珠丝杠副支撑单元通过紧固件固定到支撑平台上；

滚珠丝杠副螺母与套筒前端通过紧固件连接，套筒上端面通过紧固件与连接板固定，套筒尾端通过紧固件与连接头连接固定以实现直线运动输出；

套筒端部被限制在支撑平台中部以实现机械限位，限位开关支座安装在支撑平台侧面，限位开关挡板安装在连接板上，限位开关安装在限位开关支座上以实现电气限位；

连接板中部与套筒通过紧固件连接固定，连接板两端与滑块连接固定，并通过直线导轨的作用限制滚珠丝杠副螺母和套筒的转动，确保套筒输出直线运动，连接板与光栅尺连接板通过紧固件连接固定；

光栅尺安装在支撑平台一凹槽内，光栅尺读数头与光栅尺连接板通过紧固件连接固定，光栅尺采集系统的位移信号反馈给计算机控制系统；

拉压力传感器一端与连接头通过螺纹连接，另一端与连接节通过螺纹连接，拉压力传感器一侧安装有信号线，信号线将加载力反馈给计算机控制系统，信号线置于拖链中，拖链移动端固定在连接板上，拖链固定端安装在支撑平台上；

连接节螺纹端与拉压力传感器以螺纹方式连接，另一端通过连接轴与被测直线运动机构连接；

所述被测伺服系统中，被测轴套与连接轴配合连接，微位移传感器安装在微位移传感器支座上，微位移传感器测得被测轴套的位移输出并反馈给计算机控制系统，被测直线运动机构通过固定夹板固定安装在升降台上，升降台一侧装有高度微调旋钮，可满足不同类型被测直线运动机构对中性的要求，微位移传感器支座通过紧固件固定在升降台上；

编码器支座安装在t型槽板上，编码器安装在编码器支座上，被测直线运动机构输出轴另一侧与编码器相连。

所述配电柜包括伺服加载电机驱动器、可编程电源及制动电阻，加载电机驱动器与试验台中的伺服加载电机通过电机制动抱闸线缆、反馈线缆相连，加载电机驱动器与控制器相连，可编程电源为被测直线运动机构供电。

所述控制台包括上位机、实时控制器、数据采集卡、信号处理系统、机箱及接线盒，上位机中安装测控软件，上位机通过tcp/ip通信协议与实时控制器通信并实时监控系统状态，实时控制器与加载电机驱动器、被测直线运动机构驱动器相连。

上位机设定加载模式并将控制指令通过tcp/ip通信协议发送给实时控制器，实时控制器对指令进行处理后发送给伺服加载电机驱动器，由伺服加载电机驱动器驱动伺服加载电机完成加载任务，同时转矩转速传感器、拉压力传感器、光栅尺采集实时数据并反馈给实时控制器进行闭环控制，实时控制器将数据发送给上位机进行显示和存储。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明中套筒、连接板、光栅尺连接板、限位开关挡板及限位开关支座采用高强度硬铝合金材料，加载系统本身惯量小，有利于提高系统的动态性能；2)相对于现有的电液伺服加载系统因加载对象的主动运动而对加载系统所造成很强位置干扰、较大的多余力、维护不方便等问题，本发明采用伺服电机取代液压阀构成的电动加载系统具有响应快速、体积小、结构简单、成本低、控制方便、维护使用方便等优点；3)相对于采用直线伺服电机的电动式伺服加载存在着局限于主动式加载、成本比较高、制造维修不太方便等缺点，本发明虽然在设计时结构相对复杂，但可用于被动式加载，技术比较成熟，加载控制比较方便，制造成本比较低，是一种性价比比较高的伺服加载形式；4)本发明将直线导轨、滚珠丝杠副支撑单元、位移传感器、拖链、限位开关集成安装到同一平台，可以降低安装误差，降低振动所带来的干扰，保证加载测试整体性能；5)本发明在运动转换结构设计中转动部件仅有丝杆，其转动惯量的组成部分少且单一，转动惯量数值小，有利于克服多余力矩、提高系统加载频率；6)本发明套筒端部被限制在支撑平台中部以实现机械限位，限位开关支座安装在支撑平台侧面，限位开关挡板安装在连接板上，限位开关安装在限位开关支座上以实现电气限位，能够避免因电机故障对传感器及系统部件的损坏，起到双重安全保护的作用；7)本发明具有广泛的适用性，可以根据机构的实际受载变动情况，有效地针对某系列不同尺寸的直线运动机构使用合适的载荷谱对机构进行模拟加载，以考核机构在实际工况下的工作性能及工作可靠性；8)本发明加载测试系统功能多种多样，能够满足伺服模拟加载、传动机构的精度测量、机构力学特性试验、机构的极限承载能力及可靠性试验四个主要功能，其中伺服模拟加载形式包括恒值加载、波形加载、带载启动、同步加载及任意波形加载。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明的一种电动伺服直线加载测试系统的俯视图。

图2是本发明的一种电动伺服直线加载测试系统的主视图。

图3是本发明的一种电动伺服直线加载测试系统的运动转换系统局部图。

图4是本发明的一种电动伺服直线加载测试系统的工作原理图。

图中编号所代表的含义为：1-基座2-t型槽板3-伺服加载电机4-伺服加载电机支座5-波纹管联轴器6-转矩转速传感器7-转矩转速传感器支座8-支撑平台9-滚珠丝杠副支撑单元10-滚珠丝杠11-滚珠丝杠副螺母12-套筒13-连接板14-光栅尺连接板15-光栅尺读数头16-滑块17-导轨18-光栅尺19-连接头20-拉压力传感器21-拖链22-限位开关挡板23-限位开关支座24-限位开关25-连接节26-连接轴27-被测轴套28-微位移传感器29-微位移传感器支座30-被测直线运动机构31-固定夹板32-升降台33-编码器支座34-编码器35-紧固件

具体实施方式

本发明为了解决现有的电液伺服加载系统因加载对象的主动运动而对加载系统所造成很强位置干扰、较大的多余力、维护不方便等问题，提出一种针对某系列直线运动机构的电动伺服加载系统，加载系统能够有效针对此型直线运动机构不同型号尺寸施加合适的载荷谱对伺服机构进行模拟加载，以考核机构在实际工作情况下的工作性能及工作可靠性。

本发明公开了一种电动伺服直线加载测试系统，包括试验台、控制台和配电柜，其中控制台用于对试验台进行加载闭环控制并实现人机交互功能，配电柜为试验台和控制台提供动力并通过隔离电路将各部分电源模块进行隔离，其中试验台包括基础台架、伺服加载系统、运动转换系统、被测伺服系统及传感器系统，其中基础台架包括基座1和t型槽板2，伺服加载系统包括伺服加载电机3、伺服加载电机支座4、波纹管联轴器5-1、波纹管联轴器5-2、转矩转速传感器6及转矩转速传感器支座7，运动转换系统包括支撑平台8、滚珠丝杠副支撑单元9、滚珠丝杠10、滚珠丝杠副螺母11、套筒12、连接板13、光栅尺连接板14、光栅尺读数头15、滑块16、导轨17、光栅尺18、连接头19、拉压力传感器20、拖链21、限位开关挡板22、限位开关支座23、限位开关24及连接节25，被测伺服系统包括连接轴26、被测轴套27、微位移传感器29、微位移传感器支座28、被测直线运动机构30、固定夹板31、升降台32、编码器支座33、编码器34，传感器系统包括转矩转速传感器6、光栅尺18、拉压力传感器20、微位移传感器29及编码器34，传感器系统主要用于测试该系统输出的运动和动力信号；

所述基础台架中，基座1的顶部设置t型槽板2，t型槽板2有长度、宽度两个方向的t槽通道，用来调整安装升降台以适应不同规格的直线运动机构，t型槽板2通过紧固件与基座1连接固定，伺服加载电机支座4、转矩转速传感器支座7、支撑平台8、升降台32、编码器支座33通过紧固件与t型槽板2连接固定；升降台32安装于宽度方向一侧的t槽通道上，编码器支座33、伺服加载电机支座4、转矩转速传感器支座7、支撑平台8位于长度方向的t槽通道上，支撑平台8位于编码器支座33和转矩转速传感器支座7之间，伺服加载电机支座4位于转矩转速传感器支座7的另一侧；

所述伺服加载系统中，伺服加载电机3通过紧固件与伺服加载电机支座4紧固连接，电机轴与转矩转速传感器6之间通过第一波纹管联轴器5-1相连，转矩转速传感器6与运动转换系统中的滚珠丝杠10之间通过第二波纹管联轴器5-2相连，转矩转速传感器6通过紧固件安装在转矩转速传感器支座7上；

所述运动转换系统中，支撑平台8上设置滚珠丝杠副支撑单元9、导轨17、光栅尺18、限位开关支座23以及拖链21的固定端；滚珠丝杠10一端固定，另一端自由，固定端由滚珠丝杠副支撑单元9固定，滚珠丝杠副支撑单元9通过紧固件固定到支撑平台8上；

滚珠丝杠副螺母11与套筒12前端通过紧固件连接，套筒12上端面通过紧固件与连接板13固定，套筒12尾端通过紧固件与连接头19连接固定以实现直线运动输出；

套筒12端部被限制在支撑平台8中部以实现机械限位，限位开关支座23安装在支撑平台8侧面，限位开关挡板22安装在连接板13上，限位开关24安装在限位开关支座23上以实现电气限位；

连接板13中部与套筒12通过紧固件连接固定，连接板13两端与滑块16连接固定，并通过直线导轨的作用限制滚珠丝杠副螺母11和套筒12的转动，确保套筒12输出直线运动，连接板13与光栅尺连接板14通过紧固件连接固定；

光栅尺18安装在支撑平台8一凹槽内，光栅尺读数头15与光栅尺连接板14通过紧固件连接固定，光栅尺18采集系统的位移信号反馈给计算机控制系统；

拉压力传感器20一端与连接头19通过螺纹连接，另一端与连接节25通过螺纹连接，拉压力传感器20一侧安装有信号线，信号线将加载力反馈给计算机控制系统，信号线置于拖链21中，拖链21移动端固定在连接板13上，拖链21固定端安装在支撑平台8上；

连接节25螺纹端与拉压力传感器20以螺纹方式连接，另一端通过连接轴26与被测直线运动机构30连接；

所述被测伺服系统中，被测轴套27与连接轴26配合连接，微位移传感器29安装在微位移传感器支座28上，微位移传感器29测得被测轴套27的位移输出并反馈给计算机控制系统，被测直线运动机构30通过固定夹板31固定安装在升降台32上，升降台32一侧装有高度微调旋钮，可满足不同类型被测直线运动机构30对中性的要求，微位移传感器支座28通过紧固件固定在升降台32上；

编码器支座33安装在t型槽板2上，编码器34安装在编码器支座33上，被测直线运动机构30输出轴另一侧与编码器34相连。

所述伺服加载电机3、转矩转速传感器6、滚珠丝杠10、连接头19、拉压力传感器20、连接节25、被测直线运动机构30及编码器34同轴连接。

所述的套筒12、连接板13、光栅尺连接板14、限位开关挡板22及限位开关支座23采用高强度硬铝合金材料。

连接头19、连接节25、连接轴26采用45钢材料并经过调质处理。

所述配电柜包括伺服加载电机驱动器、可编程电源及制动电阻，加载电机驱动器与试验台中的伺服加载电机3通过电机制动抱闸线缆、反馈线缆相连，加载电机驱动器与控制器相连，可编程电源为被测直线运动机构30供电。

所述控制台包括上位机、实时控制器、数据采集卡和运动控制卡，上位机中安装测控软件，上位机通过tcp/ip通信协议与实时控制器通信并实时监控系统状态，实时控制器与运动控制卡和数据采集卡相连，数据采集卡与转矩转速传感器6、光栅尺18、拉压力传感器20相连，接收上述传感器的信号，并将上述信号传输给实时控制器；实时控制器同时通过运动控制卡控制伺服加载电机3、被测直线运动机构30运动；

上位机设定加载模式并将控制指令通过tcp/ip通信协议发送给实时控制器，实时控制器对指令进行处理后发送给运动控制卡，由运动控制卡驱动伺服加载电机完成加载任务，同时转矩转速传感器6、拉压力传感器20、光栅尺18采集实时数据并反馈给实时控制器进行闭环控制，实时控制器将数据发送给上位机进行显示和存储。

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

一种电动伺服直线加载测试系统，包括试验台、控制台和配电柜，其中控制台用于对试验台进行加载闭环控制并实现人机交互功能，配电柜为试验台和控制台提供动力并通过隔离电路将各部分电源模块进行隔离，其中试验台包括基础台架、伺服加载系统、运动转换系统及被测伺服系统，其中基础台架包括基座1和t型槽板2，伺服加载系统包括伺服加载电机3、伺服加载电机支座4、波纹管联轴器5-1、波纹管联轴器5-2、转矩转速传感器6及转矩转速传感器支座7，运动转换系统包括支撑平台8、滚珠丝杠副支撑单元9、滚珠丝杠10、滚珠丝杠副螺母11、套筒12、连接板13、光栅尺连接板14、光栅尺读数头15、滑块16、导轨17、光栅尺18、连接头19、拉压力传感器20、拖链21、限位开关挡板22、限位开关支座23、限位开关24及连接节25，被测伺服系统包括连接轴26、被测轴套27、微位移传感器29、微位移传感器支座28、被测直线运动机构30、固定夹板31、升降台32、编码器支座33、编码器34；

所述基础台架中，基座1的顶部设置t型槽板2，t型槽板2有长度、宽度两个方向的t槽通道，用来调整安装升降台以适应不同规格的直线运动机构，t型槽板2通过紧固件与基座1连接固定，伺服加载电机支座4、转矩转速传感器支座7、支撑平台8、升降台32、编码器支座33通过紧固件与t型槽板2连接固定；升降台32安装于宽度方向一侧的t槽通道上，编码器支座33、伺服加载电机支座4、转矩转速传感器支座7、支撑平台8位于长度方向的t槽通道上，支撑平台8位于编码器支座33和转矩转速传感器支座7之间，伺服加载电机支座4位于转矩转速传感器支座7的另一侧；

所述伺服加载系统中，伺服加载电机3通过紧固件与伺服加载电机支座4紧固连接，电机轴与转矩转速传感器6之间通过第一波纹管联轴器5-1相连，转矩转速传感器6与运动转换系统中的滚珠丝杠10之间通过第二波纹管联轴器5-2相连，转矩转速传感器6通过紧固件安装在转矩转速传感器支座7上；

所述运动转换系统中，支撑平台8上设置滚珠丝杠副支撑单元9、导轨17、光栅尺18、限位开关支座23以及拖链21的固定端；滚珠丝杠10一端固定，另一端自由，固定端由滚珠丝杠副支撑单元9固定，滚珠丝杠副支撑单元9通过紧固件固定到支撑平台8上；

滚珠丝杠副螺母11与套筒12前端通过紧固件连接，套筒12上端面通过紧固件与连接板13固定，套筒12尾端通过紧固件与连接头19连接固定以实现直线运动输出；

套筒12端部被限制在支撑平台8中部以实现机械限位，限位开关支座23安装在支撑平台8侧面，限位开关挡板22安装在连接板13上，限位开关24安装在限位开关支座23上以实现电气限位；

连接板13中部与套筒12通过紧固件连接固定，连接板13两端与滑块16连接固定，并通过直线导轨的作用限制滚珠丝杠副螺母11和套筒12的转动，确保套筒12输出直线运动，连接板13与光栅尺连接板14通过紧固件连接固定；

光栅尺18安装在支撑平台8一凹槽内，光栅尺读数头15与光栅尺连接板14通过紧固件连接固定，光栅尺18采集系统的位移信号反馈给计算机控制系统；

拉压力传感器20一端与连接头19通过螺纹连接，另一端与连接节25通过螺纹连接，拉压力传感器20一侧安装有信号线，信号线将加载力反馈给计算机控制系统，信号线置于拖链21中，拖链21移动端固定在连接板13上，拖链21固定端安装在支撑平台8上；

连接节25螺纹端与拉压力传感器20以螺纹方式连接，另一端通过连接轴26与被测直线运动机构30连接；

所述被测伺服系统中，被测轴套27与连接轴26配合连接，微位移传感器29安装在微位移传感器支座28上，微位移传感器29测得被测轴套27的位移输出并反馈给计算机控制系统，被测直线运动机构30通过固定夹板31固定安装在升降台32上，升降台32一侧装有高度微调旋钮，可满足不同类型被测直线运动机构30对中性的要求，微位移传感器支座28通过紧固件固定在升降台32上；

编码器支座33安装在t型槽板2上，编码器34安装在编码器支座33上，被测直线运动机构30输出轴另一侧与编码器34相连。

所述配电柜包括伺服加载电机驱动器、可编程电源及制动电阻，加载电机驱动器与试验台中的伺服加载电机3通过电机制动抱闸线缆、反馈线缆相连，加载电机驱动器与控制器相连，可编程电源为被测直线运动机构30供电。

所述控制台包括上位机、实时控制器、数据采集卡、信号处理系统、机箱及接线盒，上位机中安装测控软件，上位机通过tcp/ip通信协议与实时控制器通信并实时监控系统状态，实时控制器与加载电机驱动器、被测直线运动机构驱动器相连。

上位机设定加载模式并将控制指令通过tcp/ip通信协议发送给实时控制器，实时控制器对指令进行处理后发送给伺服加载电机驱动器，由伺服加载电机驱动器驱动伺服加载电机完成加载任务，同时转矩转速传感器6、拉压力传感器20、光栅尺18采集实时数据并反馈给实时控制器进行闭环控制，实时控制器将数据发送给上位机进行显示和存储。

配电柜用于给被测直线运动机构30、伺服加载电机3、传感器和数据采集系统提供所需的动力，并通过隔离电路将各部分电源模块进行隔离，以免相互影响；固定夹板31、支撑平台8及升降台32主要用于安装加载测试系统的各部件，保证试验时各部分的正常可靠工作，并能适应某系列不同直线运动机构加载和测试的需要；伺服加载系统主要是由伺服加载电机3驱动，带动机械部件传动，通过控制伺服加载电机3电流信号控制其输出力矩的变化，模拟所要求的载荷工况，并通过运动转换机构将加载力矩转化成施加到被测直线运动机构30上的轴向力；传感器系统包括转矩转速传感器6、光栅尺18、拉压力传感器20、微位移传感器29及编码器34，主要用于测试该系统输出的运动和动力信号；数据采集系统主要用于采集传感器的数据信号，对信号进行分析、处理和显示等，并将相关信号反馈给控制系统，更加精确的控制伺服加载系统给的输出，实现所需的加载规律，并尽可能地减少多余力矩影响，提高系统加载精度。

本发明具有广泛的适用性，可以根据机构的实际受载变动情况，有效地针对某系列不同尺寸的直线运动机构使用合适的载荷谱对机构进行模拟加载，以考核机构在实际工况下的工作性能及工作可靠性；

本发明加载测试系统功能多种多样，能够满足伺服模拟加载、传动机构的精度测量、机构力学特性试验、机构的极限承载能力及可靠性试验四个主要功能，其中伺服模拟加载形式包括恒值加载、波形加载、带载启动、同步加载及任意波形加载；

本发明的工作过程为：

上位机设定加载模式及加载力，经d/a转换、信号调理电路调理后输出电压控制信号，通过驱动器控制伺服加载电机3运转；上位机通过rs422将发送给被加载机构驱动器驱动信号，驱动直线运动机构；

伺服加载电机3经转矩转速传感器6将输出扭矩传递给滚珠丝杠10，并将旋转运动转化为直线运动，即将旋转的加载扭矩转化为直线的加载力，推动套筒12直线运动，从而实现对被测直线运动机构30的力加载；被测直线运动机构30与套筒12通过连接头19、拉压力传感器20及连接节25相连；

拉压力传感器20测得实际加载力信号，经信号调理电路及a/d转换反馈给上位机，形成闭环控制；

上位机将驱动信号与反馈信号比较得出调节误差，经控制算法运算，给出调节后的电压控制信号，反复运行上述过程。

本发明具有广泛的适用性，可以根据机构的实际受载变动情况，有效地针对某系列不同尺寸的直线运动机构使用合适的载荷谱对机构进行模拟加载，以考核机构在实际工况下的工作性能及工作可靠性。