伺服系统复杂负载工况模拟和性能测试装置.pdf

本发明涉及一种伺服系统负载模拟装置和伺服系统性能测试装置，属于检测技术与自动化技术领域。本发明装置综合了惯性加载、伺服电机加载和弹簧加载三种方式，可实现三种加载方式独立加载、两两组合加载或同时加载，能够模拟多种负载工况，如惯性负载、弹性负载、不平衡负载、冲击负载、时变负载以及多种负载的组合。本发明将采集得到的被测伺服系统、扭矩转速传感器和角度传感器信号，送到计算机进行处理，可以实现在不同负载工况下对伺服系统静动态性能测试。

1、  伺服系统复杂负载工况模拟与性能测试装置，包括被试伺服系统、扭矩转速传感器、传动链、减速器和角度传感器，其特征在于还包括变惯量加载机构、伺服电机加载机构、弹簧加载机构，其中：变惯量加载机构、弹簧加载机构和伺服电机加载机构可单独加载、两两组合加载或同时加载，能够模拟多种负载工况，如惯性负载、弹性负载、不平衡负载、冲击负载、时变负载以及多种负载的组合；
变惯量加载机构用于模拟连续变化的惯性负载；
其中：
变惯量加载机构包括固定部分和滑动部分，固定部分包括固定端支架、传动链输出轴、固定端连杆支座、固定端连杆、惯量体；滑动部分包括滑动端连杆、滑动端连杆支座、滑动端支座、滑动端转轴、滑轨；变惯量加载机构的转动部分包括传动链输出轴、固定端连杆支座、固定端连杆、惯量体、滑动端连杆和滑动端连杆支座；其中，固定端支架用于支撑传动链输出轴，固定端连杆支座通过键连接与传动链输出轴固连，固定端连杆通过铰接的方式与固定端连杆支座上的耳轴连接，固定端连杆另一端通过销钉固定惯量体，滑动端连杆通过铰接的方式连接到固定端连杆中部的耳轴上，滑动端连杆的另一端也通过铰接方式与滑动端支座耳轴连接，滑动端支座与滚动轴承外圈采用过盈配合，轴承内圈与滑动端轴也采用过盈配合，滑动端轴通过键固定在滑动端支座上，使得滑动端连杆支座能够在滑动端轴上旋转而保持滑动端轴不转动，滑动端支座底部为燕尾槽结构，留有梯形螺纹，通过丝杠推动滑动端支座在滑轨上滑动，滑轨两侧安装有锁紧螺栓，当滑动端支座移动到位后用锁紧螺栓定位；变惯量机构实现惯量连续变化的动作过程是：当滑动端支座带着滑动端连杆支座及滑动端连杆在滑轨内运动时，滑动端连杆支座推动固定端连杆和惯量体运动，连杆与传动链输出轴所形成的角度随之张开或缩小，使惯量体质心距转轴中心也发生改变，从而转动惯量可发生连续变化；惯量体的数量、质量以及连杆的长度可以根据实际惯量变化范围需要进行设计；另外，可以采用手动方式推动滑动部分，也可以采用自动方式推动滑动部分；
伺服电机加载机构，用于模拟冲击负载、时变负载和实现主动加载；
其中：
伺服电机加载机构包括伺服电机、伺服电机传动轴、伺服电机支座及伺服电机驱动器；其中，伺服电机安装在伺服电机支座上，伺服电机传动轴与伺服电机定子为过盈配合，传动轴通过联轴器连接主传动线路上的减速器，伺服电机驱动器为伺服电机提供电源与驱动信号；伺服电机为空心轴式或双端输出轴式伺服电机，可为直流电机或交流电机；当把伺服电机替换为空心轴式的磁粉制动器，并配备磁粉制动器支座及控制器，其中磁粉制动器固定于磁粉制动器支座上，磁粉制动器的内圈与传动轴采用过盈配合，控制器发出指令信号控制磁粉制动器向传动轴传递扭矩，可以实现磁粉制动器加载；
弹簧加载机构，用于模拟弹性负载、不平衡负载；
其中：
弹簧加载机构包括大减速比减速器、弹簧加载机构伸出轴、摇臂、弹簧，弹簧套筒和预紧螺栓，可模拟弹性负载、不平衡负载，弹簧预紧力通过预紧螺栓进行调节；其中大减速比减速器的目的是降低弹簧加载机构伸出轴的转速，达到模拟转速低、转动范围小、输出扭矩大的伺服系统加载情况。

2、  根据权利要求1所述的伺服系统复杂负载工况模拟与性能测试装置，其特征在于：采集被测伺服系统、扭矩转速传感器和角度传感器信号，送到计算机进行处理，可以实现在不同负载工况下对伺服系统静动态性能测试；通过采集扭矩转速传感器和角度传感器信号，构成力、速度或位置闭环，可以实现对被试伺服系统的闭环控制，研究伺服系统复杂负载工况下的控制算法。

伺服系统复杂负载工况模拟和性能测试装置
技术领域
本发明涉及一种伺服系统负载模拟装置和伺服系统性能测试装置，属于检测技术与自动化技术领域。
背景技术
伺服系统负载模拟装置是仿真实验的重要设备，主要功能是在实验室条件下模拟实际工作的环境，对被试系统施加与实际工况相对应的负载，从而真实地反映出伺服系统的实际性能。在不同的工况下使用的伺服系统所受到的负载非常复杂，包括惯性负载、弹性负载、不平衡负载、时变负载和冲击负载等。
目前，负载模拟装置一般采用的加载方式为：机械加载、电液伺服加载、电磁加载和电机加载等。机械加载主要优点是工作可靠，结构简单，缺点是不能实现连续变化的载荷谱，且不能在运转中加载或调整载荷。电液伺服加载可实现连续加载，且频带较宽，输出负载力矩大，但是存在液压源体积大、功耗和噪声大，容易产生多余力矩等缺点。电磁加载设备主要有磁滞测功机和磁粉制动器等，主要优点是转速范围宽，控制方便，制动力矩大，可实现自动化操作等，缺点是存在低速时加不上载荷的现象，而且容易出现磁粉“卡死”的现象。电机加载设备目前主要采用直流电机或力矩电机，直流电机作为加载元件存在电枢电流大，功率损失大，由于换向器的存在，对提供“正、反转的力矩”不便。采用力矩电机作为加载元件，能够提供较宽范围力矩，响应速度较快。但是上述加载方式都存在加载方式单一，不能模拟多种负载的缺点，如机械加载不能实现连续变化的载荷，电机加载就不能模拟惯性负载，而且一般惯量加载机构采用惯量盘进行加载，通过改变惯量盘的尺寸和质量达到改变惯量的目的，不能实现惯量连续变化。
发明内容
本发明目的是为了解决上述加载机构加载方式单一的问题而提供一种伺服系统复杂负载工况模拟和性能测试装置。
本发明装置综合了惯性加载、伺服电机加载和弹簧加载三种方式，可实现三种加载方式独立加载、两两组合加载或同时加载，能够模拟多种负载工况，如惯性负载、弹性负载、不平衡负载、冲击负载、时变负载以及多种负载的组合。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明提出的一种伺服系统复杂工况模拟装置，包括被试伺服系统、扭矩转速传感器、传动链、变惯量加载机构、减速器、伺服电机加载机构、弹簧加载机构和角度传感器。
被试伺服系统为伺服系统复杂工况模拟装置的被试对象，可以是由电机、泵或马达等构成的回转伺服系统，也可以是伺服电机；
扭矩转速传感器用于直接测量被试伺服系统的输出扭矩和转速，用于测试被试伺服系统的静动态性能；同时，通过扭矩转速传感器可构成力、速度闭环，用来研究伺服系统在复杂负载工况下控制算法。
传动链用于在传动主线路上形成一条分支路线，传动主线路上包括被试伺服系统、扭矩转速传感器、减速器、伺服电机加载机构和弹簧加载机构，传动分支线路包括变惯量加载机构；传动链传动比可以根据所需惯量进行调整，当被试系统所需惯量大时，可以采用增速方式；传动链可以是同步带轮机构、齿轮箱或皮带轮机构。
变惯量加载机构包括固定部分和滑动部分，固定部分包括固定端支架、传动链输出轴、固定端连杆支座、固定端连杆、惯量体；滑动部分包括滑动端连杆、滑动端连杆支座、滑动端支座、滑动端转轴、滑轨；变惯量加载机构的转动部分包括传动链输出轴、固定端连杆支座、固定端连杆、惯量体、滑动端连杆和滑动端连杆支座，用于模拟连续变化的惯性负载；其中，固定端支架用于支撑传动链输出轴，固定端连杆支座通过键连接与传动链输出轴固连，固定端连杆通过铰接的方式与固定端连杆支座上的耳轴连接，固定端连杆另一端通过销钉固定惯量体，滑动端连杆通过铰接的方式连接到固定端连杆中部的耳轴，滑动端连杆的另一端也通过铰接方式与滑动端支座耳轴连接，滑动端支座与滚动轴承外圈采用过盈配合，轴承内圈与滑动端轴也采用过盈配合，使得支座能够在滑动端轴上旋转而保持滑动端轴不转动，滑动端轴通过平键安装在滑动端支座上，滑动端支座底部为燕尾槽结构，留有梯形螺纹，通过丝杠推动滑动端支座在滑轨上滑动，滑轨两侧安装有锁紧螺栓，当滑动端支座移动到位后用锁紧螺栓定位；变惯量机构实现惯量连续变化的动作过程是：当滑动端支座带着滑动端连杆支座及滑动端连杆在滑轨内运动时，滑动端连杆支座推动固定端连杆和惯量体运动，连杆与转轴所形成的张开角度随之张开或缩小，使惯量体质心距转轴中心也发生改变，从而转动惯量可发生连续变化；惯量体的数量、质量以及连杆的长度可以根据实际惯量变化范围需要进行设计；另外，可以采用手动方式推动滑动部分，也可以采用自动方式推动滑动部分。
减速器用于降低主传动线路的速度。
伺服电机加载机构包括伺服电机、伺服电机传动轴、伺服电机支座及伺服电机驱动器，用于模拟冲击负载、时变负载和实现主动加载；其中，伺服电机安装在伺服电机支座上，伺服电机传动轴与伺服电机定子为过盈配合，传动轴通过联轴器连接主传动线路上的减速器，伺服电机驱动器为伺服电机提供电源与驱动信号；伺服电机加载机构伺服电机为空心轴式或双端输出轴式伺服电机，可为直流电机或交流电机。当把伺服电机替换为空心轴式的磁粉制动器，并配备磁粉制动器支座及控制器，其中磁粉制动器固定于磁粉制动器支座上，磁粉制动器的内圈与传动轴采用过盈配合，控制器发出指令信号控制磁粉制动器向传动轴传递扭矩，可以实现磁粉制动器加载。
弹簧加载机构包括大减速比减速器、弹簧加载机构伸出轴、摇臂、弹簧、弹簧套筒和预紧螺栓，用于模拟弹性负载、不平衡负载；其中，大减速比减速器输入端连接伺服电机传动轴，输出端连接弹簧加载机构伸出轴，摇臂通过螺栓固定在伸出轴上，摇臂下端的两侧各套一个弹簧，弹簧的另一端固定在弹簧套筒内，通过安装在套筒两端的预紧螺栓调节弹簧的初始预紧力；大减速比减速器的目的是进一步降低主传动线路的转速，用于模拟低转速、小转动范围、大扭矩输出伺服系统的负载情况。
角度传感器用于采集弹簧加载机构伸出轴的角位置信号，构成位置闭环系统，进行伺服系统复杂负载工况下位置控制算法研究；
被试伺服系统(或伺服电机)通过联轴器连接扭矩转速传感器，扭矩转速传感器的输出通过联轴器连接传动链的输入轴，通过传动链将传动线路分成两路，主传动线路沿原来传动路线方向，依次连接减速器、联轴器、伺服电机加载机构和弹簧加载机构；另一路连接变惯量加载机构。
本发明装置综合了惯性加载、伺服电机加载和弹簧加载三种方式，可实现三种加载方式独立加载、两两组合加载或同时加载，能够模拟多种负载工况，如惯性负载、弹性负载、不平衡负载、冲击负载、时变负载以及多种负载的组合等。以下为各种加载方式的组合情况：
第一种加载方式为惯性加载，变惯量机构通过传动链加到主传动线路中，用于实现模拟惯量连续变化的负载，将传动链输出端连接变惯量机构部分断开(如将皮带取下)即可取消惯性加载方式；
第二种加载方式为伺服电机加载，伺服电机根据伺服电机驱动器指令信号，在伺服电机转子上产生扭矩，通过伺服电机传动轴传递扭矩，实现伺服电机加载，用于模拟冲击负载、时变负载和实现主动加载；当电机不通电时，即可取消伺服电机加载；
第三种加载方式为弹簧加载，当摇臂偏离中心位置时，摇臂收到一侧弹簧的压力，和另一侧弹簧的拉力，在弹簧加载机构伸出轴上产生扭矩，并通过大减速比减速器加载到主传动线路上；将摇臂上螺栓松开就可取消弹簧加载；
第四种加载方式为惯性加载和伺服电机加载，断开弹簧加载机构，而同时加载变惯量机构和伺服电机加载机构；
第五种加载方式为惯性加载和弹簧加载，断开伺服电机加载机构，而同时加载变惯量机构和弹簧加载机构；
第六种为弹簧加载和伺服电机加载，断开变惯量加载机构，而同时加载伺服电机加载机构和弹簧加载机构；
第七种为惯性负载、弹簧加载和伺服电机加载，同时加载变惯量加载机构、伺服电机加载机构和弹簧加载机构。
本发明也提供一种伺服系统性能测试装置，采集扭矩转速传感器信号，用于测试被试伺服系统在不同负载工况下的静动态性能。同时，本发明还通过扭矩转速传感器或角度传感器构成力、速度或位置闭环控制系统，可以研究伺服系统在复杂负载工况下控制算法。
有益效果
本发明与现有加载装置相比，具有如下优点：(1)本发明装置综合了惯性加载、伺服电机加载和弹簧加载三种方式，可实现三种加载方式独立加载、两两组合加载或同时加载共7种组合方式，能够模拟多种负载工况，如惯性负载、弹性负载、不平衡负载、冲击负载、时变负载以及多种负载的组合等，克服了现有加载装置加载方式单一的缺点，能够满足多种复杂负载工况下伺服系统加载需要；(2)本发明装置可模拟连续变化的惯量负载，具有负载大小可控、加载频带宽的特点；(3)本发明装置通过测量被试伺服系统扭矩、转速、角度等信号，能够测试伺服系统在不同负载工况下的静动态性能，也能够构成位置或力控制闭环系统，可以用来研究伺服系统在复杂负载工况下控制算法。
附图说明
图1是伺服系统复杂负载工况模拟与性能测试装置的组成方框图；
图2是伺服系统复杂负载工况模拟装置的一种实施例的三维机械结构图；
图中1-被试电机、2-被试电机输出端支架、3-联轴器A、4-扭矩转速传感器、5-联轴器B、6-传动链输入轴、7-传动链、8-减速器支架、9-减速器、10-联轴器C、11-伺服电机、12-伺服电机支座、13-大减速比减速器、14-弹簧加载机构支座、15-角度传感器、16-固定端支座、17-传动链输出轴、18-固定端连杆支座、19-固定端连杆、20-惯量体、21-滑动端连杆、22-滑动端连杆支座、23-滑动端支座、24-滑轨、25-定位锁紧螺栓、26-蜗杆、27-方向盘、28-弹簧预紧螺栓、29-弹簧套筒、30-弹簧、31-弹簧加载结构伸出轴、32-摇臂。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明装置的机械结构以及工作过程。
结合附图1，图中实线连接部分表示伺服系统复杂负载工况模拟装置组成方框图。伺服系统复杂负载工况模拟装置由被试电机、扭矩转速传感器、传动链及变惯量加载机构、减速器、伺服电机加载机构、弹簧加载机构和角度传感器组成。综合了惯性加载、伺服电机加载和弹簧加载三种方式，可实现三种加载方式独立加载、两两组合加载或同时加载共7种加载方式，能够模拟多种负载工况，如惯性负载、弹性负载、不平衡负载、冲击负载、时变负载以及多种负载的组合等。其中，电机加载机构用于模拟冲击负载、时变负载，以及实现主动加载；弹簧加载机构用于模拟小角度变化范围的负载工况，包括弹性负载、不平衡负载；变惯量机构用于模拟连续可变的惯性负载，传动链可以是同步带轮、齿轮箱或皮带传动副，通过改变传动链的传动比可以实现小质量系统模拟大惯量系统。
图1中虚线连接部分表示伺服系统性能测试装置组成方框图。信号采集与调理模块采集被试伺服系统、扭矩转速传感器、角度传感器信号，送入计算机进行处理，可以实现在不同负载工况下伺服系统静动态性能测试。另外，通过扭矩转速传感器或角度传感器可构成力、速度和位置闭环，可以实现伺服系统闭环控制，研究伺服系统在不同负载工况下控制算法。
下面根据图2详细介绍伺服系统复杂工况负载模拟装置的一种实施例的具体实施方式：
被试电机1安装于被试电机支架上，输出通过联轴器A3连接扭矩转速传感器4，扭矩转速传感器4输出经联轴器B5通过传动链输入轴6连接同步带轮7，同步带轮7的输出连接变惯量加载机构。同时，同步带轮输入轴6输出到减速器9，减速器9输出通过联轴器C10连接伺服电机传动轴，伺服电机传动轴输出后接弹簧加载机构。
为了实现伺服电机和弹簧加载机构同时加载，伺服电机11采用空心轴式，伺服电机传动轴与伺服电机11的定子为过盈配合，伺服电机传动轴通过轴承安装在伺服电机支座12，一端连接联轴器C10，另一端接到大减速比减速器13的输入端。
变惯量加载机构包括固定端支座16、同步带轮输出轴17、固定端连杆支座18、固定端连杆19、惯量体20、滑动端连杆21、滑动端连杆支座22、滑动端支座23、滑轨24、定位锁紧螺栓25、蜗杆26、方向盘27组成。其中可转动部分包括传动链输出轴17、固定端连杆支座18、固定端连杆19、惯量体20、滑动端连杆21、滑动端连杆支座22、滑动端支座23、滑轨24、定位锁紧螺栓25、蜗杆26和方向盘27；
其中，固定端支架16用于支撑同步带轮输出轴17，固定端连杆支座18通过键与同步带轮输出轴17固连，固定端连杆19通过铰接的方式与固定端连杆支座18上的耳轴连接，固定端连杆19另一端通过销钉固定惯量体20，滑动端连杆21通过铰接的方式连接到固定端连杆19中部的耳轴上，滑动端连杆21的另一端也通过铰接方式与滑动端支座22的耳轴连接，滑动端支座22与滑动端轴上滚动轴承外圈采用过盈配合，轴承内圈与滑动端轴也采用过盈配合，使得滑动端支座22能够在轴上旋转而保持滑动端轴不转动，滑动端轴通过平键安装在滑动端支座23上，滑动端支座23底部为燕尾槽结构，中部留有梯形螺纹，通过丝杠26推动滑动端支座23在滑轨24上滑动，丝杠的末端安装有方向盘27，滑轨24两侧安装有锁紧螺栓25，当滑动端支座23移动到位后用锁紧螺栓25定位；
变惯量机构实现惯量连续变化的动作过程是：当转动方向盘27时，丝杠26推动滑动端支座23带着滑动端连杆支座22及滑动端连杆21在滑轨24内运动时，滑动端连杆21推动固定端连杆19和惯量体20运动，固定端连杆19与同步带轮输出轴17所形成的角度随之张开或缩小，使惯量体20质心距同步带轮输出轴17中心也发生改变，从而转动惯量可发生连续变化；滑轨上标有惯量刻度，当滑动端支座23移动到设定位置后，用滑轨24两侧的锁紧螺栓25进行锁紧定位；惯量体的数量、质量以及连杆的长度可以根据实际惯量变化范围需要进行设计。
电机加载机构由伺服电机11、伺服电机支座12和伺服电机驱动器组成。其中，伺服电机11固定在伺服电机支架12上，其定子通过伺服电机传动轴连接减速器9和大减速比减速器13，通过伺服电机加载机构可以模拟阻尼负载、冲击负载、时变负载等，同时实现主动加载。当把伺服电机11替换为空心轴式的磁粉制动器，并配备磁粉制动器支座及控制器，其中磁粉制动器固定于磁粉制动器支座上，磁粉制动器的内径与传动轴采用过盈配合，控制器发出指令信号控制磁粉制动器向传动轴传递扭矩，可以实现磁粉制动器加载。
弹簧加载机构包括大减速比减速器13、弹簧加载机构支座14、弹簧加载机构伸出轴31、摇臂32、弹簧30，弹簧套筒29和预紧螺栓28组成。其中，大减速比减速器13固定在弹簧加载机构支座14上，输入端连接伺服电机传动轴，输出端连接弹簧加载机构伸出轴31，摇臂32通过螺栓固定在伸出轴上，摇臂32下端的两侧各套一个弹簧30，弹簧30的另一端固定在弹簧套筒29内，通过安装在弹簧套筒29两端的预紧螺栓28调节弹簧的初始预紧力；弹簧加载机构加载动作过程是：当摇臂32偏离中心位置时，摇臂32受一侧弹簧30的压力和另一侧弹簧30的拉力，通过摇臂施加扭矩到轴31，达到模拟弹性力和不平衡力加载效果，弹簧的初始压紧力可通过预紧螺栓28进行调节。
本实施例综合了惯性加载、伺服电机加载和弹簧加载三种方式，可实现三种加载方式独立加载、两两组合加载或同时加载共7种组合方式，下面详细介绍各种加载方式的具体实施过程：
第一种加载方式为惯性加载，变惯量机构通过同步带轮7加到传动主线路中，用于实现模拟惯量连续变化的负载，将同步带轮7的皮带取下即可断开惯性加载机构；
第二种加载方式为伺服电机加载，伺服电机11根据伺服电机驱动器指令信号，在伺服电机转子上产生扭矩，通过伺服电机传动轴传递扭矩，实现伺服电机加载，用于模拟冲击负载、时变负载和实现主动加载；当电机不通电时，伺服电机加载机构则不起作用；
第三种加载方式为弹簧加载，当摇臂32偏离中心位置时，摇臂32收到一侧弹簧30的压力，和另一侧弹簧30的拉力，在弹簧加载机构伸出轴31上产生扭矩，并通过大减速比减速器13加载到主传动线路上；将摇臂32上螺栓松开就可以断开弹簧加载；
第四种加载方式为惯性加载和伺服电机加载，断开弹簧加载机构，而同时加载变惯量机构和伺服电机加载机构；
第五种加载方式为惯性加载和弹簧加载，断开伺服电机加载机构，而同时加载变惯量机构和弹簧加载机构；
第六种为弹簧加载和伺服电机加载，断开变惯量加载机构，而同时加载伺服电机加载机构和弹簧加载机构；
第七种为惯性负载、弹簧加载和伺服电机加载，同时加载变惯量机构、伺服电机加载机构和弹簧加载机构。