基于PLC 的电动推杆机械性能测试台的研制

2022-12-20侯恩光

机电产品开发与创新 2022年6期

侯恩光

（福州职业技术学院，福建福州 350108）

0 引言

电动推杆是一种新式的电动执行机构，也是一种小型传动件，具有节能环保，体积小、精度高、动作灵敏、运行平稳、自锁性好、不需要管道的气源、油路和环境适应性好等特点，广泛应用于各个行业。依据新思界产业研究中心发布的《2020 年全球及中国电动推杆产业深度研究报告》显示[1]，随着电动推杆下游行业的不断发展以及电动推杆应用领域的不断拓展，全球电动推杆需求量呈快速增长态势。从区域市场来看，日本、韩国在智能家居、汽车产业和医疗器械等行业推动下，电动推杆市场需求也成逐年增长态势；美国科技创新能力领先全球，是全球主要的电动推杆生产国和消费国；欧洲不仅有全球领先的线性驱动产品生产商，且电动推杆下游市场应用成熟，对电动推杆的需求也较大。

近年来，随着我国智能制造业的快速发展，智能产品不断涌现，带动了电动推杆产业的快速发展，使我国迅速成为全球主要的电动推杆生产国和消费国，并涌现出一批电动推杆生产的中、小企业，但企业电动推杆的机械性能测试设备较少。因此，针对电动推杆的机械性能测量，本文介绍了一种电动推杆的机械性能测试装置，对中、小企业提高产品的品质具有积极的促进作用。

1 电动推杆的工作原理

电动推杆由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母导套、推杆、滑座、弹簧、外壳及涡轮、微动控制开关等组成，是通用型的辅助驱动装置。电动推杆的运动是由电动机的转动经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母运动，把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作。按其应用领域不同，电动推杆可分为：工业推杆，医疗推杆和家居推杆等。工业推杆功率较大，主要是指采矿、机械制造生产线等应用的电动推杆；医疗推杆功率较小但行程较大，主要用于电动医疗床等产品，使之具有较强的可控性和较高的便捷性；家居推杆功率较小且行程也较小，主要应用于升降桌、功能沙发等的驱动系统，实现智能家居产品的多种功能，使人们的生活更加方便、快捷和舒适。电动推杆外形见图1。

图1 电动推杆

2 电动推杆的机械性能测试要求

参照轻工行业标准QB/T 4288—2012 的要求[2]，A 类电动推杆的优选行程为100、150、200、250、300、350、400mm；A 类电动推杆的优选最大推拉力为1000、2000、3000、4000、6000、8000N。 B 类电动推杆的优选行程为100、150、200、250、300、350、400、500、600mm；B 类电动推杆的优选最大推拉力为500、750、1000、1200、2000N。

依据轻工行业标准，电动推杆的机械性能测试有三项：一是自锁力测试，标准为将推杆固定在的测试台上，控制器操纵推杆至行程中的任意点（两端点除外），切断电源，液压缸加力为1.05 倍的最大推力值。保持时间为5S，不发生位移为合格；二是负载测试，标准为将推杆固定在试验台上，在额定电压下驱动，施加推杆额定的推拉力，推杆应能正常移动；三是最大推拉力测试，标准为推杆去除丝杆上螺母后，施加1.5 倍的最大拉力时，推杆外壳无破损现象。

3 测试台的结构设计

参照行业标准结合推杆机械性能测试的要求，结合某生产企业的推杆产品，以推杆的最大推拉力2000N，最大行程300mm 为标准设计推杆机械性能测试台。

3.1 测试台的机械结构

该测试台主要有台架、液压站、推拉力液压缸、垫高块、电动推杆、调高块等组成，见图2。台架是整个测试台的支撑结构；液压站安装在台架内部，为提供系统所需的动力；推拉力液压缸是执行机构；垫高块和调高块为确保不同型号的电动推杆测试时，确保轴线同轴。电动推杆为待测产品。

图2 测试台的结构示意图

3.2 测试台的液压系统设计

设待测推杆的最大推拉力为F，依据推杆机械性能测试的要求，液压缸提供的最大推力应大于待测推杆最大推力的1.05 倍。则系统的推力F1为：

参照液压缸气缸内径及活塞杆外径尺寸系列国家标准GB2348-80，液压缸的缸内径为8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125 等尺寸。根据油缸推力的计算公式，若选择缸筒内径的最小尺寸应为20mm。

因此系统的压力为：

测试台液压系统原理图，见图3。电机带动油泵工作，通过溢流阀调节系统压力，通过电磁换向阀控制液压缸的运动方向，通过节流阀调整液压缸活塞的运动速度。若电磁换向阀左侧通电，液压油进入液压缸的无杆腔，有杆腔的油通过电磁换向阀回油箱，液压缸伸出；反之亦然，若电磁换向阀右侧通电，则液压缸缩回，最终达到控制液压缸输出力和速度的目的。

图3液压系统设计原理图

4 测试台的控制系统设计

电动推杆机械性能测试的三种测试要求，主要读取负载压力和推杆位移两个模拟量，其它的信号均为数字量输入。因此，本文选用S7-1211C 作为主控，该主控有6 个数字量输入口、4 个数字量输出口、2 路电压模拟量输入接口且集成了PROFINET 接口，为各种小型设备提供了简单的通信和有效的解决方案，满足了系统控制的要求。

4.1 I/O 口资源分配

根据控制要求，启用模拟量输入口，第1 路接入负载压力0 到10V 传感器信号，第2 路接入推杆位移0 到10V 传感器信号。6 个数字量的输入点分别接系统启动、系统停止、液压泵手动启动、液压泵手动停止、液压缸手动推出和液压缸手动缩回。4 个数字量的输出点分别接液压泵启动继电器、液压缸推出电磁阀、液压缸缩回电磁阀和系统运行灯。

PLC 的I/O 口资源分配，见表1。

表1 PLC 的I/O 口资源分配表

4.2 PLC 程序编程

为简化PLC 模拟量信号的处理，S7-1200 系列的PLC 提供了两个数据转换指令[4]，分别是标准化指令NORM_X 和缩放指令SCALE_X。

标准化指令NORM_X 是将输入PLC 中的变量值映射到线性标尺上对其进行标准化，即0 到1 之间的百分比。缩放指令SCALE_X 是将输入的百分比值映射到指定的值的范围内。

在PLC 控制程序中，模拟量数据转换方法为0 到10V 的模拟量信号接入PLC 的模拟量输入端口，输入端口会根据电压值的大小自动将模拟信号值转换为0 到27648 的数字量，PLC 程序在读取模拟量输入口的信号时，实际读取的转换后的数字。在控制程序中使用标准化指令NORM_X 将输入值转换为0 到1 的标尺值，在使用缩放指令SCALE_X 将输入的标尺值转换为实际的工程值。模拟量信号数据的转换程序，见图4。

图4 模拟量信号转换PLC 程序

4.3 人机界面设计

根据西门子S7-1211C 的PLC 通信要求，选择MCGS TPC1021Nt 物联网触摸屏，通过以太网端口搭建硬件间的通信网络。触摸屏是人机信息传递的媒介，实现了对PLC程序运行过程的监控，方便了人们对系统运行参数的修改。电动推杆性能测试台的控制界面主要有系统主界面，自锁力测试界面、负载测试界面和最大拉力测试界面等。

自锁测试界面，见图5。在系统界面上，选择自锁力测试，进入自锁测试界面，该界面右侧展示了自锁力测试的方法和设置保压时间；左侧展示了测试过程中液压缸推拉力大小和保压时推杆的位移等信息。测试完成后，若合格指示灯变绿，否则指示灯变红。