蝸輪蝸桿試驗臺測控系統(tǒng)設計

劉 淼，白國振

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

0 引言

蝸輪蝸桿傳動是目前機械上常使用的傳動方式之一，用以傳遞空間交錯的兩軸之間的動力和運動。具有結構緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)和噪聲小等優(yōu)點，獲得了廣泛應用。但由于它的傳動效率較低，且嚙合處有較大的滑動速度，會產(chǎn)生較嚴重的摩擦磨損，引起發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化，影響蝸輪蝸桿的使用壽命。因此，在產(chǎn)品投入使用之前，需要經(jīng)過大量的實驗確定其疲勞壽命。

1 蝸輪蝸桿試驗臺

蝸輪蝸桿試驗臺結構如圖1所示。第1部分是與蝸桿連接的永磁同步電機1和扭矩傳感器，通過設定電機的轉速來控制蝸輪蝸桿的轉速；扭矩傳感器用來測定蝸桿端（輸入端）的扭矩。第2部分是與蝸輪連接的交流異步電機2和扭矩傳感器，電機2作為模擬負載給蝸輪加載不同的扭矩；扭矩傳感器用來測定蝸輪端（加載端）的扭矩。第3部分是支架和連接件，支架用來固定支撐電機以及傳感器，聯(lián)軸器用來傳遞運動和轉矩［1-2］。

圖1 蝸輪蝸桿試驗臺結構

2 西門子SIMOTION

西門子運動控制系統(tǒng)SIMOTION作為新型的控制系統(tǒng)，集運動控制、邏輯控制與工藝控制功能于一身，能夠最大程度簡化工程系統(tǒng)的開發(fā)與調試時間，同時還能保證較高的循環(huán)率和最高的產(chǎn)品質量。模塊化的設計順應了模塊化機器概念的趨勢，使用PROFIBUS和PROFINET實現(xiàn)模塊之間的通信，使SIMOTION運動控制系統(tǒng)具有更大的靈活性［3］。SIMOTION是一種簡單，靈活的控制系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點：降低工程造價，提高機械性能；獨立部件之間的接口對時間響應的要求大為降低；整個機器具有簡單、統(tǒng)一、明晰的編程和診斷過程。

SIMOTION系統(tǒng)有硬件平臺、工程開發(fā)系統(tǒng)（SCOUT）以及實時軟件模塊3個組成部分：

a.硬件平臺。硬件平臺是SIMOTION運動控制系統(tǒng)的基礎。SIMOTION有3種硬件平臺，即基于控制器的SIMOTION C、基于PC的SIMOTION P和基于驅動的SIMOTION D。每種硬件平臺都具有針對特定應用領域的優(yōu)勢。而不同的硬件平臺也可組合在一起用于處理復雜的控制任務，這是SIMOTION的一個獨特優(yōu)點。本設計采用的SIMOTION D，是集成在新的SINAMICS S120多軸驅動系統(tǒng)的控制模塊上，特別適合緊湊和模塊化設計。

b.工程開發(fā)系統(tǒng)。SCOUT是用于調試SIMOTION的工具軟件，可以完成運動控制、邏輯控制與工藝控制的工程開發(fā)問題以及驅動器的組態(tài)與調試，并且還能夠實現(xiàn)電機動態(tài)特性的調試、故障診斷等功能。

c.實時軟件模塊。這些模塊提供了眾多的運動控制以及工藝控制功能。用戶可以根據(jù)需要靈活地選擇合適的工藝對象，以滿足機器所需要的功能。

3 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)蝸輪蝸桿試驗臺的功能需求，選擇西門子SIMOTION D425控制器以及SINAMICS S120驅動器功率部分，確定試驗臺的控制方案如圖2所示。

圖2 控制方案

系統(tǒng)主要包括以下幾部分：

a.控制模塊（D425）。作為整個驅動系統(tǒng)的大腦，負責控制和協(xié)調整個驅動系統(tǒng)中的模塊。

b.電源模塊。選用智能電源模塊（SLM），作用是將三相交流電轉變成直流電，供給各電機模塊，并能將直流電回饋到電網(wǎng)，但直流母線電壓不能調節(jié)。

c.電機模塊（功率模塊）。即逆變單元，它將直流電逆變成三相交流電。作為伺服電機的供電電源；電機模塊A，B分別作為輸入端和加載端伺服電機的供電電源。

d.輸入端、加載端電機。選擇西門子伺服電機。

e.輸入端、加載端扭矩傳感器。選擇Kistler公司的扭矩傳感器［4］。

SIMOTION采用一體化的集成連接方式，控制器D425和驅動器SINAMICS之間采用Drive-CLIQ高速通訊方式，通訊速率可達到適合于數(shù)據(jù)序列增長（衰減）速度過慢的場合。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 蝸輪蝸桿試驗臺功能需求

針對蝸輪蝸桿的試驗項目及內容，對蝸輪蝸桿試驗臺提出了以下控制要求：

a.要求實現(xiàn)輸入端伺服電機給定位置（扭矩）曲線，同時加載端伺服電機給定扭矩（位置）曲線進行同步運動。輸入端電機和加載端電機根據(jù)給定曲線運行，實現(xiàn)不同速度下的功能實驗。

b.能通過PC對數(shù)據(jù)進行同步采集，包括輸入端扭矩、轉角和轉速，加載端扭矩、轉角和轉速。

c.能夠對上述參數(shù)自由設置監(jiān)控極限，從而在預設的試樣件破壞時，試驗運行會自動終止并保存當前記錄數(shù)據(jù)。

4.2 開發(fā)平臺總體設計

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用高可靠性的研華工業(yè)計算機作為上位機，下位機采用西門子SIMOTION D425運動控制器。上位機軟件開發(fā)環(huán)境采用基于Windows的LabVIEW圖形化程序設計軟件，下位機由西門子SIMOTION SCOUT軟件控制，上位機和下位機的軟件之間采用OPC通訊協(xié)議。

上下位機之間對實時采集到的數(shù)據(jù)進行實時通訊，但對控制信號則采用一次性中斷通訊，這樣可以實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)實時顯示，控制信號按照需要進行通訊。

系統(tǒng)通過SCOUT軟件將軸配置為標準+力軸的模式，這樣可通過指令來改變反饋為電機編碼器反饋或扭矩傳感器反饋，從而靈活地切換電機為位置閉環(huán)控制模式或扭矩閉環(huán)控制模式［5］。軟件里包含速度環(huán)和電流環(huán)2個輸出設定點，都為PI控制，并將輸出設定點設定在速度環(huán)前面。整個控制流程如圖3所示。

圖3 控制流程

試驗臺主要使用SCOUT軟件的CAM曲線設定和控制程序編輯功能。SIMOTION工藝對象的同步運行功能，提供了使用“控制工程”替代“剛性機械連接”的選項。CAM同步時，主軸與從軸的速度或位置關系可以是非線性的，這樣能夠減少速度變化對機械設備的沖擊。SCOUT軟件自帶的凸輪文本輯器操作簡單，可以根據(jù)不同的實驗要求設定試驗扭矩曲線和位置曲線。此外，CamTool還可以為SCOUT提供全圖形化的凸輪編輯及優(yōu)化工具。

控制程序包括運動控制、邏輯控制以及工藝控制3種。MCC（motion control chart）是圖形化的編程語言，適用于編寫順序執(zhí)行的程序，主要用其編寫運動控制的程序。程序也可以用LAD及FBD編程，梯形圖直觀易懂、容易掌握，特別適用于邊沿觸發(fā)、二進制數(shù)據(jù)處理等邏輯控制。ST語言是基于文本的類似于Pascal的高級編程語言，對于復雜的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理及包含數(shù)學算法的運動控制，可用ST編程語言進行編程。這3種編程方式均集成在SIMOTION SCOUT軟件中。

系統(tǒng)的軟件編程主要包括計算程序、運動控制程序。計算部分程序是由ST語言編寫來實現(xiàn)有效控制，主要包括電源模塊上電的控制，凸輪曲線的讀取及計算等。運動控制部分的程序是用MCC語言進行編程，主要包括電機的使能，凸輪曲線的同步運行，故障診斷報警，軸的停止等。

LabVIEW通過數(shù)據(jù)采集卡來采集所需的各路數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

上位機使用LabVIEW編寫的軟件，通過OPC與D425進行通信和數(shù)據(jù)交換，來實現(xiàn)上位機對試驗臺的控制功能，試驗曲線的設定和傳輸，以及各路數(shù)據(jù)信號的同步采集、處理和顯示輸出［6］。

輸入端和輸出端的2個扭矩傳感器所采集的實時扭矩信號和編碼器采集的位置信號，由NI-PCI6259數(shù)據(jù)采集卡以模擬量信號采集，通過上位機的Lab-VIEW軟件將實時數(shù)據(jù)以曲線形式顯示出來。

5 試驗臺測控實驗

使用編寫的LabVIEW程序對蝸輪蝸桿試驗臺進行測試試驗。通過上位機控制面板，進行試驗參數(shù)的配置以及加載曲線的設定和傳輸，設定了位置和扭矩同步曲線。其中，位置曲線是以某恒定速度到達正向目標位置，然后以同樣速度反向到達反向目標位置，最后回到初始位置；加載曲線是力的方向與速度相反的分段曲線。

實驗開始后，上位機通過采集卡同步采集實際位置曲線和扭矩曲線信號并顯示。測得的實際位置曲線與設定位置曲線一致，實際采集到扭矩曲線波動范圍為±2N·m，說明了所設計的試驗臺測控系統(tǒng)，能夠對設定的扭矩和位置曲線進行同步加載并進行實時數(shù)據(jù)的采集，基本滿足了試驗臺系統(tǒng)的實驗要求，設計方案是可行的。

6 結束語

利用西門子SIMOTION D，設計了蝸輪蝸桿試驗臺測控系統(tǒng)。通過試驗臺測控實驗表明，測控系統(tǒng)能夠滿足蝸輪蝸桿試驗臺的實驗要求，且可靠性高，達到預期目標，運行效果好。

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［2］李 芹，劉 平，何代華，等.蝸輪蝸桿試驗臺疲勞測試及控制系統(tǒng)仿真［J］.計算機測量與控制，2012，20（12）：3154-3157.

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［5］梁偉強.電動助力轉向試驗臺開發(fā)［J］.機電工程技術，2008，37（7）：68-70.

［6］翟邵春，閔新和，黃志堅，等.汽車電動助力轉向裝置試驗臺測控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.機床與液壓，2008，36（12）：141-143.