基于SIMOTION的接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳古波，李建堯

（重慶理工大學(xué) a.電氣與電子工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)是研究材料在模擬工況條件下滾動(dòng)接觸疲勞性能的主要方法。滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)是開展?jié)L動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)的主要裝備，用于測(cè)試齒輪、軸承等基礎(chǔ)零部件材料接觸疲勞壽命［1］。為了確保疲勞試驗(yàn)?zāi)軌虻玫骄_、可靠的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)機(jī)需準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)工況，并具備長(zhǎng)時(shí)間、不間斷運(yùn)行和準(zhǔn)確記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)的功能。因此，穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)是試驗(yàn)機(jī)正常運(yùn)行的重要保障。

近年來，疲勞試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)的研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來越廣泛的關(guān)注［2］。楊育林等［3］研發(fā)了一種杠桿加載式超硬涂層材料滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了精確監(jiān)控和診斷試件接觸表面疲勞狀態(tài)等功能；王磊等［4］研發(fā)了一種氣動(dòng)加載的五球疲勞試驗(yàn)機(jī)，采用帶有跟蹤濾波的智能電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)大載荷、高轉(zhuǎn)速運(yùn)行等功能；陶立輝等［5］基于STM32單片機(jī)研發(fā)了合金材料疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)的無極調(diào)速、間隔控制及疲勞次數(shù)統(tǒng)計(jì)功能。

目前，疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)雖能基本滿足試驗(yàn)要求，但仍存在不能準(zhǔn)確控制滑差率及試驗(yàn)載荷等試驗(yàn)條件的問題。為此，基于自主設(shè)計(jì)的新型智能滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，以SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器為核心，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)滑差率和試驗(yàn)載荷控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了滾滑摩擦的滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)工況的準(zhǔn)確模擬，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的功能和控制精度。

1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 試驗(yàn)原理

滾動(dòng)接觸疲勞是試樣在純滾動(dòng)或滾滑摩擦?xí)r，表面在接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期反復(fù)作用下引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象，其接觸形式主要分為點(diǎn)接觸和線接觸兩種。本文中相關(guān)研究主要針對(duì)線接觸滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)展開，試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1中，試樣和陪試件裝配在對(duì)應(yīng)的主軸上，通過動(dòng)力源傳遞至各主軸的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)控兩主軸的轉(zhuǎn)速可模擬不同的試驗(yàn)滑差率。試樣和陪試件之間的接觸壓應(yīng)力由施加在試驗(yàn)?zāi)K主軸上的載荷間接提供。

1.2 試驗(yàn)控制要求

滾動(dòng)接觸疲勞是試樣在純滾動(dòng)或滾滑摩擦?xí)r，在接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期反復(fù)作用下引起的一種表面疲勞破壞現(xiàn)象，其接觸形式主要分為點(diǎn)接觸和線接觸兩種。

為了確保滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，要求盡可能地模擬材料或零部件的真實(shí)滾動(dòng)接觸工況。結(jié)合YB／T 5345—2014《金屬材料滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)需滿足以下兩點(diǎn)要求：

1）兩試樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變，即試驗(yàn)滑差率保持不變；

2）兩試樣的接觸壓應(yīng)力波動(dòng)應(yīng)盡量小，即試驗(yàn)載荷誤差盡量小。

1.3 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

基于模塊化思想，將滾子式滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)分為試驗(yàn)?zāi)K、陪試模塊及加載模塊，各模塊的主要功能如下：

1）試驗(yàn)?zāi)K：試樣按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)精度要求裝配在該模塊主軸端部，并通過該模塊的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)試樣旋轉(zhuǎn)，模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的工況；

2）陪試模塊：陪試件按國(guó)標(biāo)精度要求裝配在該模塊主軸端部，并通過該模塊的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)陪試件旋轉(zhuǎn)，模擬陪試系統(tǒng)的工況；

3）加載模塊：為試樣和陪試件提供接觸壓應(yīng)力，載荷通過伺服電缸進(jìn)行控制。

試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要控制指標(biāo)及精度要求如表1所示。

表1 主要控制指標(biāo)及精度要求

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)滑差率控制方案

試樣與陪試件相互作用的滑差率根據(jù)試樣材料的實(shí)際工況選擇。例如，模擬滾動(dòng)軸承材料一般選擇5%，模擬齒輪材料一般選擇10%～20%。

為了降低滑差率的調(diào)控誤差，引入主從同步控制的控制策略，將試驗(yàn)主軸的指令速度作為主值，經(jīng)過同步運(yùn)算后作為從軸（即陪試主軸）速度的輸入，實(shí)現(xiàn)主軸和從軸速度的線性傳遞，避免了單獨(dú)控制時(shí)誤差的疊加。具體采用SIMOTION控制器的電子齒輪實(shí)現(xiàn)主從同步控制，電子齒輪同步原理如圖3所示。

結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)機(jī)主從同步運(yùn)動(dòng)控制要求，在試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速和滑差率通過指令分配的設(shè)置條件下，為確保滑差率調(diào)控的準(zhǔn)確性，陪試主軸轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速和滑差率的調(diào)控方程為

式中：υ陪為陪試主軸轉(zhuǎn)速（r／min）；υ主為試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速（r／min）；h為滑差率。

2.2 試驗(yàn)控制要求

采用伺服電缸實(shí)現(xiàn)電動(dòng)加載功能。電動(dòng)加載系統(tǒng)是典型的被動(dòng)式加載系統(tǒng)，被加載件的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來位置變化而引起多余力矩。多余力矩影響加載系統(tǒng)的控制精度，減小多余力矩是電動(dòng)加載系統(tǒng)的關(guān)鍵問題［6-7］。疲勞試驗(yàn)機(jī)加載過程中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸系統(tǒng)帶來的位置干擾會(huì)引起多余力矩，嚴(yán)重影響伺服電缸加載的精度。

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載性能的穩(wěn)定性，提出一種位置閉環(huán)補(bǔ)償和串入速度閉環(huán)控制的位置-載荷復(fù)合控制方法，其結(jié)構(gòu)框圖和數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

由式（2）可知：在位置-載荷復(fù)合控制中，對(duì)干擾信號(hào)r（s）的抑制主要通過Gω（s）實(shí)現(xiàn)，Gθ（s）和GF（s）也起輔助調(diào)節(jié)作用，相較單閉環(huán)的控制系統(tǒng)有明顯的性能改善。

在輸入u和干擾r的作用下輸出為y的系統(tǒng)，其抗干擾能力可用信噪比來衡量，該值越大表示抗干擾能力越強(qiáng)。可得力閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)的信噪比為：

在復(fù)合控制中串入的速度環(huán)，處于內(nèi)回路階次較低，其增益系數(shù)較大。由式（3）（4）有所以復(fù)合控制系統(tǒng)相較于力閉環(huán)控制對(duì)干擾有更強(qiáng)的抑制能力。同時(shí)，復(fù)合控制系統(tǒng)內(nèi)部的位置閉環(huán)也可以快速作用于速度調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的回路增益和相位裕度，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也有所改善。

3 試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SIMOTION集運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制和工藝控制功能于一體，可快速可靠地控制多臺(tái)伺服電機(jī)［8-9］。采用SIMOTION作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器，對(duì)試驗(yàn)主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和陪試主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制及加載電機(jī)的力位進(jìn)行控制，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5中，各硬件模塊功能詳述如下：

1）SITOP模塊：提供24V直流電源。

2）電抗器：限制電網(wǎng)電壓突變和平整峰值電壓確保系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。

3）控制器：是試驗(yàn)機(jī)的控制核心。

4）PC機(jī)：通過通信協(xié)議向SIMOTION發(fā)送操作指令，SIMOTION接受到指令后進(jìn)行邏輯計(jì)算并產(chǎn)生控制脈沖，再由DRIVE-CLIQ接口傳輸給電機(jī)模塊進(jìn)行伺服控制。

5）分布式I／O ET200和13位ADC：共同組成數(shù)據(jù)采集模組，可同時(shí)對(duì)8路信號(hào)進(jìn)行采集。

6）主動(dòng)調(diào)節(jié)型電源模塊ALM：具有整流和能量回饋功能，可調(diào)節(jié)直流母線電壓和交流側(cè)電壓與電流的相位角，保證電機(jī)工作的可靠性和效率。

7）單軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：通過DRIVE-CLIQ接口接受控制參數(shù)，并通過直流母線驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)伺服控制。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)機(jī)控制程序在SCOUT環(huán)境下開發(fā)，主要使用MCC和LAD編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制和數(shù)據(jù)處理等功能。SCOUT軟件開發(fā)平臺(tái)是SIMOTION應(yīng)用程序開發(fā)的基本載體，它將運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)、工藝功能、PLC任務(wù)和驅(qū)動(dòng)組態(tài)組合在一個(gè)系統(tǒng)，方便用戶開發(fā)。

軟件開發(fā)時(shí)根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)功能進(jìn)行分解，分別完成每個(gè)功能的程序編寫，再將這些程序按要求分配到執(zhí)行系統(tǒng)中，通過各子程序的互相調(diào)用與協(xié)調(diào)運(yùn)行完成各項(xiàng)功能。試驗(yàn)機(jī)控制程序主要包括試樣＼陪試件電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制程序、電動(dòng)缸加載運(yùn)動(dòng)控制程序、電機(jī)急停控制程序以及數(shù)據(jù)處理程序等。最后，將這些程序分配到SIMOTION執(zhí)行系統(tǒng)中，使之間能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件環(huán)境，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)功能和控制精度。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖6所示。

4.1 滑差率試驗(yàn)

為了驗(yàn)證滑差率控制的功能和精度，在試驗(yàn)載荷等試驗(yàn)條件一致的情況下，設(shè)計(jì)如表2所示的滑差率控制功能和精度驗(yàn)證試驗(yàn)方案。

表2 滑差率控制功能和精度驗(yàn)證試驗(yàn)方案

根據(jù)滑差率控制功能及精度驗(yàn)證方案，將試樣主軸轉(zhuǎn)速和滑差率設(shè)定值輸入試驗(yàn)機(jī)。裝備啟動(dòng)并運(yùn)行穩(wěn)定后，在試驗(yàn)載荷一致的條件下，針對(duì)3個(gè)試驗(yàn)工況分別隨機(jī)采集120個(gè)連續(xù)的試驗(yàn)主軸和陪試主軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，驗(yàn)證滑差率的控制功能，并分析控制精度。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)滑差率的控制功能，平均控制誤差小于0.3%，控制精度滿足±1%的設(shè)計(jì)要求。

4.2 載荷控制試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)載荷調(diào)控功能和精度，在試驗(yàn)滑差率等試驗(yàn)條件一致的情況下，設(shè)計(jì)試驗(yàn)載荷控制功能及精度驗(yàn)證試驗(yàn)方案（表3）。

表3 試驗(yàn)載荷調(diào)控驗(yàn)證試驗(yàn)方案

根據(jù)載荷控制驗(yàn)證試驗(yàn)方案，將試驗(yàn)載荷設(shè)定值輸入系統(tǒng)。裝備啟動(dòng)并運(yùn)行穩(wěn)定后，在試驗(yàn)滑差率一致的條件下，間隔20 min采集1次載荷數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)1～3的3種不同載荷工況下分別采集25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，分析載荷調(diào)控的精度，如表4所示。

表4 試驗(yàn)載荷控制試驗(yàn)精度統(tǒng)計(jì)

由表4可知，試驗(yàn)載荷的平均控制誤差小于3%，控制精度滿足±3%的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1）滑差率可在設(shè)計(jì)范圍按試驗(yàn)要求調(diào)控，控制精度滿足±1%的控制要求；

2）試驗(yàn)載荷可在設(shè)計(jì)范圍按試驗(yàn)要求調(diào)控，試驗(yàn)過程中載荷的控制精度滿足±3%的控制要求；

3）所提出的控制方法和原理可行、有效，可為同類試驗(yàn)裝備研制和試驗(yàn)提供理論依據(jù)。