蜗轮蜗杆试验台测控系统设计

刘 淼，白国振

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

0 引言

蜗轮蜗杆传动是目前机械上常使用的传动方式之一，用以传递空间交错的两轴之间的动力和运动。具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和噪声小等优点，获得了广泛应用。但由于它的传动效率较低，且啮合处有较大的滑动速度，会产生较严重的摩擦磨损，引起发热，使润滑情况恶化，影响蜗轮蜗杆的使用寿命。因此，在产品投入使用之前，需要经过大量的实验确定其疲劳寿命。

1 蜗轮蜗杆试验台

蜗轮蜗杆试验台结构如图1所示。第1部分是与蜗杆连接的永磁同步电机1和扭矩传感器，通过设定电机的转速来控制蜗轮蜗杆的转速；扭矩传感器用来测定蜗杆端（输入端）的扭矩。第2部分是与蜗轮连接的交流异步电机2和扭矩传感器，电机2作为模拟负载给蜗轮加载不同的扭矩；扭矩传感器用来测定蜗轮端（加载端）的扭矩。第3部分是支架和连接件，支架用来固定支撑电机以及传感器，联轴器用来传递运动和转矩［1-2］。

图1 蜗轮蜗杆试验台结构

2 西门子SIMOTION

西门子运动控制系统SIMOTION作为新型的控制系统，集运动控制、逻辑控制与工艺控制功能于一身，能够最大程度简化工程系统的开发与调试时间，同时还能保证较高的循环率和最高的产品质量。模块化的设计顺应了模块化机器概念的趋势，使用PROFIBUS和PROFINET实现模块之间的通信，使SIMOTION运动控制系统具有更大的灵活性［3］。SIMOTION是一种简单，灵活的控制系统，具有如下优点：降低工程造价，提高机械性能；独立部件之间的接口对时间响应的要求大为降低；整个机器具有简单、统一、明晰的编程和诊断过程。

SIMOTION系统有硬件平台、工程开发系统（SCOUT）以及实时软件模块3个组成部分：

a.硬件平台。硬件平台是SIMOTION运动控制系统的基础。SIMOTION有3种硬件平台，即基于控制器的SIMOTION C、基于PC的SIMOTION P和基于驱动的SIMOTION D。每种硬件平台都具有针对特定应用领域的优势。而不同的硬件平台也可组合在一起用于处理复杂的控制任务，这是SIMOTION的一个独特优点。本设计采用的SIMOTION D，是集成在新的SINAMICS S120多轴驱动系统的控制模块上，特别适合紧凑和模块化设计。

b.工程开发系统。SCOUT是用于调试SIMOTION的工具软件，可以完成运动控制、逻辑控制与工艺控制的工程开发问题以及驱动器的组态与调试，并且还能够实现电机动态特性的调试、故障诊断等功能。

c.实时软件模块。这些模块提供了众多的运动控制以及工艺控制功能。用户可以根据需要灵活地选择合适的工艺对象，以满足机器所需要的功能。

3 系统硬件组成

根据蜗轮蜗杆试验台的功能需求，选择西门子SIMOTION D425控制器以及SINAMICS S120驱动器功率部分，确定试验台的控制方案如图2所示。

图2 控制方案

系统主要包括以下几部分：

a.控制模块（D425）。作为整个驱动系统的大脑，负责控制和协调整个驱动系统中的模块。

b.电源模块。选用智能电源模块（SLM），作用是将三相交流电转变成直流电，供给各电机模块，并能将直流电回馈到电网，但直流母线电压不能调节。

c.电机模块（功率模块）。即逆变单元，它将直流电逆变成三相交流电。作为伺服电机的供电电源；电机模块A，B分别作为输入端和加载端伺服电机的供电电源。

d.输入端、加载端电机。选择西门子伺服电机。

e.输入端、加载端扭矩传感器。选择Kistler公司的扭矩传感器［4］。

SIMOTION采用一体化的集成连接方式，控制器D425和驱动器SINAMICS之间采用Drive-CLIQ高速通讯方式，通讯速率可达到适合于数据序列增长（衰减）速度过慢的场合。

4 系统软件设计

4.1 蜗轮蜗杆试验台功能需求

针对蜗轮蜗杆的试验项目及内容，对蜗轮蜗杆试验台提出了以下控制要求：

a.要求实现输入端伺服电机给定位置（扭矩）曲线，同时加载端伺服电机给定扭矩（位置）曲线进行同步运动。输入端电机和加载端电机根据给定曲线运行，实现不同速度下的功能实验。

b.能通过PC对数据进行同步采集，包括输入端扭矩、转角和转速，加载端扭矩、转角和转速。

c.能够对上述参数自由设置监控极限，从而在预设的试样件破坏时，试验运行会自动终止并保存当前记录数据。

4.2 开发平台总体设计

系统软件开发平台采用高可靠性的研华工业计算机作为上位机，下位机采用西门子SIMOTION D425运动控制器。上位机软件开发环境采用基于Windows的LabVIEW图形化程序设计软件，下位机由西门子SIMOTION SCOUT软件控制，上位机和下位机的软件之间采用OPC通讯协议。

上下位机之间对实时采集到的数据进行实时通讯，但对控制信号则采用一次性中断通讯，这样可以实现实时采集数据实时显示，控制信号按照需要进行通讯。

系统通过SCOUT软件将轴配置为标准+力轴的模式，这样可通过指令来改变反馈为电机编码器反馈或扭矩传感器反馈，从而灵活地切换电机为位置闭环控制模式或扭矩闭环控制模式［5］。软件里包含速度环和电流环2个输出设定点，都为PI控制，并将输出设定点设定在速度环前面。整个控制流程如图3所示。

图3 控制流程

试验台主要使用SCOUT软件的CAM曲线设定和控制程序编辑功能。SIMOTION工艺对象的同步运行功能，提供了使用“控制工程”替代“刚性机械连接”的选项。CAM同步时，主轴与从轴的速度或位置关系可以是非线性的，这样能够减少速度变化对机械设备的冲击。SCOUT软件自带的凸轮文本辑器操作简单，可以根据不同的实验要求设定试验扭矩曲线和位置曲线。此外，CamTool还可以为SCOUT提供全图形化的凸轮编辑及优化工具。

控制程序包括运动控制、逻辑控制以及工艺控制3种。MCC（motion control chart）是图形化的编程语言，适用于编写顺序执行的程序，主要用其编写运动控制的程序。程序也可以用LAD及FBD编程，梯形图直观易懂、容易掌握，特别适用于边沿触发、二进制数据处理等逻辑控制。ST语言是基于文本的类似于Pascal的高级编程语言，对于复杂的逻辑控制、数据处理及包含数学算法的运动控制，可用ST编程语言进行编程。这3种编程方式均集成在SIMOTION SCOUT软件中。

系统的软件编程主要包括计算程序、运动控制程序。计算部分程序是由ST语言编写来实现有效控制，主要包括电源模块上电的控制，凸轮曲线的读取及计算等。运动控制部分的程序是用MCC语言进行编程，主要包括电机的使能，凸轮曲线的同步运行，故障诊断报警，轴的停止等。

LabVIEW通过数据采集卡来采集所需的各路数据信号，数据采集系统如图4所示。

图4 数据采集系统

上位机使用LabVIEW编写的软件，通过OPC与D425进行通信和数据交换，来实现上位机对试验台的控制功能，试验曲线的设定和传输，以及各路数据信号的同步采集、处理和显示输出［6］。

输入端和输出端的2个扭矩传感器所采集的实时扭矩信号和编码器采集的位置信号，由NI-PCI6259数据采集卡以模拟量信号采集，通过上位机的Lab-VIEW软件将实时数据以曲线形式显示出来。

5 试验台测控实验

使用编写的LabVIEW程序对蜗轮蜗杆试验台进行测试试验。通过上位机控制面板，进行试验参数的配置以及加载曲线的设定和传输，设定了位置和扭矩同步曲线。其中，位置曲线是以某恒定速度到达正向目标位置，然后以同样速度反向到达反向目标位置，最后回到初始位置；加载曲线是力的方向与速度相反的分段曲线。

实验开始后，上位机通过采集卡同步采集实际位置曲线和扭矩曲线信号并显示。测得的实际位置曲线与设定位置曲线一致，实际采集到扭矩曲线波动范围为±2N·m，说明了所设计的试验台测控系统，能够对设定的扭矩和位置曲线进行同步加载并进行实时数据的采集，基本满足了试验台系统的实验要求，设计方案是可行的。

6 结束语

利用西门子SIMOTION D，设计了蜗轮蜗杆试验台测控系统。通过试验台测控实验表明，测控系统能够满足蜗轮蜗杆试验台的实验要求，且可靠性高，达到预期目标，运行效果好。

［1］廖抒华，王金波，张宝霞，等.转向系统试验台转向阻力模拟研究现状及发展［J］.上海汽车，2009（10）：33-35.

［2］李 芹，刘 平，何代华，等.蜗轮蜗杆试验台疲劳测试及控制系统仿真［J］.计算机测量与控制，2012，20（12）：3154-3157.

［3］周 全，白国振，熊 友，等.基于SIMOTION D425运动控制系统的CAM 曲线［J］.电子科技，2011，24（10）：96-98.

［4］刘 斌.基于西门子840D的数控系统教研机的构建与应用［J］.制造技术与机床，2012（11）：152-153.

［5］梁伟强.电动助力转向试验台开发［J］.机电工程技术，2008，37（7）：68-70.

［6］翟邵春，闵新和，黄志坚，等.汽车电动助力转向装置试验台测控系统的研究与开发［J］.机床与液压，2008，36（12）：141-143.