电动缸缸体性能测试系统的研究

辛大欣　何　垒　刘少贞

(西安工业大学电子信息工程学院　西安　710021)

电动缸缸体性能测试系统的研究

辛大欣何垒刘少贞

(西安工业大学电子信息工程学院西安710021)

摘要为了提高对电动缸缸体性能测试的准确性,通过对电动缸运动形式和过程的深入研究,设计出一套以PC机为上位机,美国NI运动控制卡作为核心控制器,高精度的光栅尺传感器和拉压力传感器为检测装置的电动缸缸体性能测试系统。系统使用PID控制算法实现对电动缸运动过程的控制,PID控制算法相比其他算法具有原理相对简单,使用方便,适应性强等优点,能够保证测试项目的顺利完成。系统的软件是使用LabVIEW进行设计和实现的,使用LabVIEW进行程序的设计相对简单、方便,可以提高工作效率。在测试过程中实时获取安装在试验平台上测试元件的相关数据,保存到相应的数据库中,并且图形化显示在软件界面上。技术工程师可以对存储在数据库中的试验数据进行查询,然后根据所得到的数据对电动缸缸体的性能作出定性和定量的分析。

关键词电动缸缸体; LabVIEW; NI运动控制卡; PID控制算法

Class NumberTP391

1引言

电动缸通常主要由电机、传送带/减速器、缸体三部分构成[1]。以伺服电机或步进电机为动力源,通过机械传动机构,把电机的旋转运动转换为直线运动并提供精确定位的装置[2]。电动缸具有伺服电机的精确位置控制、精确速度控制以及精确推力控制的优势,在机械自动化、电子、汽车等领域,电动缸都有着广泛的应用[3～4]。

随着电动缸的应用领域不断拓宽,对电动缸的性能要求越来越高[5],并且提出了新的要求。缸体作为电动缸的重要组成部分,相应得对缸体的性能要求也有了很大程度的提高。目前国内对电动缸缸体所做的研究性工作较少。为提高电动缸缸体的性能从而促进电动缸的发展,对电动缸缸体的性能进行测试尤为重要,只有通过反复测试才可以进一步改进其性能。在测试方面,国内还没有比较成熟、高效的测试系统。现在大部分都由工程师手动或半自动完成,而且测试不全面,这就造成了测试工作操作困难,浪费了大量时间与精力,且测试结果不太理想。针对上述现状为提高电动缸缸体的测试自动化程度、全面性和精度,并使测试平台更具有灵活性、准确性,本文提出基于美国NI运动控制卡和PC机的测试平台的研究,采用高精度光栅尺传感器进行定位,测试项目包括单轴测试项目和双轴测试项目。在运动过程中使用PID控制算法[6],PID控制算法应用广泛,并且已经十分成熟,具有适应性强等优点[7],能够保证测试项目的顺利完成。

2电动缸缸体测试系统介绍

系统运动类型主要有两类: 1) 加载缸和被测缸分开,分别进行各种形式的单轴运动。 2) 加载缸和被测缸之间通过球铰链和拉压力传感器连接在一起,进行各种形式的双轴联动运动。

系统的功能是通过各种形式的运动对被测缸进行一些项目的测试,根据在测试过程中通过安装在半实物作动系统上的光栅尺位移传感器、拉压力传感器等测试元件实时获得的相关数据对缸体的特性做出定性和定量的分析。测试项目包括:行程、静态特性、输出力、动态特性等。其中行程包括机械行程和工作行程;静态特性包括极性、位置控制精度、回中位置精度;输出力包括最大输出力、承载力;动态特性包括阶跃响应、响应时延、频率响应。

2.1系统主程序的设计

系统开机后进行一系列的初始化,如电机的运行模式、前软限位、后软限位、PID参数等,并对电机设备进行检查,从而保证整个测试系统可以正常运行。系统进行项目测试之前,必须首先进行找零运动。找零运动顺利完成之后,进行测试项目的选取和相关参数的设置,在测试过程中实时存储相关数据、运动曲线图形化显示和运动状态指示灯的形式显示。其主流程图如图1所示。

2.2基于LabVIEW的数据库操作

程序员在使用LabVIEW[8]设计、实现一些领域如测试、测量领域、工业自动化领域的应用程序时,常常需要对大量的数据进行存储、查询、删除等操作,使用数据库可以高效的完成对数据进行的这一系列操作。NI为LabVIEW程序员提供了一个专门的数据库链接(Database Connectivity)工具包,工具包的VI在LabVIEW后面板的“互连接口”中的“Database”子选板中,借助工具包中的VI实现对数据库中数据的存储、查询、删除等操作[9]。

图1　测试系统主程序流程图

2.2.1试验数据的存储

在测试过程中通过安装在试验单元上的光栅尺位移传感器、拉压力传感器等测试元件实时获得的相关数据,存储到Access数据库[10]中。存储数据时以月为单位建立数据库中的表,即每个月建立一个表,把相同月份内的试验数据存储在一个表中。存储数据程序流程如图2所示。存储到表中试验的数据如图3所示。

图2　存储数据程序流程图

图3　存储在表中试验的数据

2.2.2试验数据的查询

在已经建立的Access数据库中对试验数据进行查询,数据表名为“数据查询”,首先根据试验的日期、试验类型查询出相应的试验编号,然后再根据试验编号查询出具体的所需要的试验数据,显示出相应的具体数据或者曲线,然后技术工程师根据所查询的数据和显示的曲线对电动缸性能进行分析。查询操作界面(查询结果以图形的形式显示)如图4所示。

当按下“查看数据波形图”按钮时,查询结果以数据的形式进行显示,显示结果如图5所示。

2.2.3试验数据的删除

由于Access数据库容量的限制,随着试验的长期进行,存储的数据量不断增加,可能会超出数据库的最大容量,所以需要对没有意义的数据进行删除。删除时选择相应的时间(xxxx年xx月),与数据库中表的名称相对应,可把本月所做试验的全部数据删除。删除数据的相关程序如图6所示。

图4　查询操作界面(查询结果以图形的形式显示)

图5　查询操作界面(查询结果以数据的形式显示)

图6　删除数据的相关程序

3电动缸运动过程中运动控制算法

系统无论是单轴运动还是双轴联动运动,都采用常规PID运动控制算法对伺服电机进行控制,以保障测试过程的顺利进行。

PID控制就是按实际输出与设定值两者差值的比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)对系统的输出进行控制,从而实现对被控对象的控制[7]。PID控制器主要由三部分组成,分别为比例单元(P)、积分单元(I)、微分单元(D),这三部分对被控对象控制作用的关系是关联的。采用传统PID调节器的系统控制原理如图7所示,图中r(t)表示给定值、e(t)表示实际输出与设定值的差、u(t)表示PID控制器输出值、y(t)表示实际输出值。

图7　采用传统PID调节器的系统控制原理

PID调节器控制规律的数学表达式为

4测试系统人机交互界面

人机交互采用LabVIEW来设计系统界面。上位机控制系统界面如图8所示,可以选择电动缸的测试类型,设置相应运动类型的参数。在电动缸运动过程中实时显示运动状态、运动曲线,并且相关数据存储到ACCESS数据库中,以便于进行数据分析。

图8　测试系统主界面

5结语

本系统通过各种形式的运动可以对电动缸的性能作出更加全面的测试,并且采用PID控制算法对运动过程进行控制,使系统的稳定性得到较大的增强,提高控制系统的控制质量,提高对电动缸性能测试的准确性。人机交互采用LabVIEW来设计系统界面,过程相对较易实现,操作简单明了。

参 考 文 献

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Testing System of Electric Cylinder Body Performance

XIN DaxinHE LeiLIU Shaozhen

(School of Electrical Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractIn order to improve the accuracy of electric cylinder body performance test, based on the in-depth study of electric cylinder movement form and process, a set of electric cylinder body performance testing system is designed that PC as upper machine, the NI motion control card as the core controller, high precision grating ruler sensor and pressure sensor as detecting devices. In the process of movement the system uses conventional PID control algorithm to control the movement of electric cylinders. Compared with other algorithm, the conventional PID control algorithm is simple relatively, easy to use, and can guarantee that the test project is finished smoothly. The software of the system is designed and implemented by LabVIEW, using LabVIEW to design the program is relatively simple and convenient, can improve efficiency. In the process of movement the system acquires the relevant data of test components that installed on the test platform real-time, the data is saved in the corresponding database, displayed on the software at the same time. The technical engineers can query related test data that stored in the database, and then the electric cylinder body qualitatively and quantitatively according are analyzed to the obtained experimental data.

Key Wordselectric cylinder body, LabVIEW, NI motion control card, PID control algorithm

收稿日期:2015年12月17日,修回日期:2016年1月27日

作者简介:辛大欣,男,硕士,副教授,研究方向:人工智能、计算机控制。何垒,男,硕士研究生,研究方向:计算机控制技术。

中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.022