阅读说明：本技术 一种电动缸效率测试装置和方法 (Device and method for testing efficiency of electric cylinder ) 是由 童小川 邓攀 夏占 黄强强 陈潇 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种电动缸效率测试装置包括控制模块、传感器模块、测试平台；控制模块分别与测试平台和传感器模块连接,用于控制测试平台,并接收传感器模块回传的信号；传感器模块设置在测试平台上,用于采集测试信号；测试平台用于对电动缸进行测试,测试平台包括安装平台、伺服电机、被测电动缸和加载电动缸；安装平台用于支撑伺服电机、被测电动缸和加载电动缸。本发明中测试装置采用智能计算机进行控制,可以实现测试结果的实时输出和显示,操作方式简单快捷,具有很高的人机交互性；同时效率测试装置可以用于测量电动缸产品的全部性能指标,可以实现测试性能的同步完成,减少测试时间,提高测试效率。(The invention provides an electric cylinder efficiency testing device which comprises a control module, a sensor module and a testing platform, wherein the control module is used for controlling the electric cylinder efficiency; the control module is respectively connected with the test platform and the sensor module, and is used for controlling the test platform and receiving a signal returned by the sensor module; the sensor module is arranged on the test platform and used for acquiring test signals; the test platform is used for testing the electric cylinder and comprises an installation platform, a servo motor, a tested electric cylinder and a loading electric cylinder; the mounting platform is used for supporting the servo motor, the tested electric cylinder and the loading electric cylinder. The testing device is controlled by an intelligent computer, so that the real-time output and display of the testing result can be realized, the operation mode is simple and quick, and the human-computer interaction is very high; meanwhile, the efficiency testing device can be used for measuring all performance indexes of the electric cylinder product, the synchronous completion of testing performance can be realized, the testing time is reduced, and the testing efficiency is improved.)

一种电动缸效率测试装置和方法

技术领域

本发明涉及电动缸性能检测领域，尤其涉及一种电动缸效率测试装置和方法。

背景技术

随着现代工业和装备制造业的飞速发展和进步，在数字技术及微处理技术等的推动和影响下，人们对驱动过程控制设备执行终端的性能和功能要求越来越高。传统液压、气动执行机构由于其位置可控性差、维修不便、系统结构复杂、灵敏性差、环境敏感度高，且会造成较大的泄露及噪声污染等特点，已难以适应当今工业发展的需要。而随着电子技术的高速发展，制约电力驱动的调速控制及功率密度等问题逐渐得到解决，电驱化也已成为当前驱动技术领域新的大趋势。

作为直行程电动执行器之一的电动缸是随着现代工业的发展而逐步发展起来的动力基础部件。它是集成的高性能直线作动器，可将电机的旋转运动转化为直线运动，能够实现精确的力、位置、速度控制。由于其优良的性能及可靠的品质，已逐步在工业及国防等各领域得到了应用，且增长速度很快，具有十分良好的市场前景。电动缸装置主要由驱动单元、传动单元、支撑单元、导向单元以及执行单元五部分组成。在伺服电机的驱动下，通过同步带/带轮等减速机构以定减速比将动力传给从动机(丝杠)，经丝杠的动力变换作用，从而将电机旋转动力转换为螺母的直线动力。电动缸效率是电动缸综合性能的一种反映，而且还可以反映电动缸内部的功率损失的大小。高效率的机械作动方式一直是工程师的追求。在实际的设计制造过程中，准确地测量电动缸效率是提高其效率的基础。

由于电动缸为纯机械结构传动的线性执行元件，其各机构的材料、结构等因素直接影响着电动缸总计机构的效率，国内外目前有许多针对其中单一零部件的研究，关于电动缸效率相关研究还比较缺乏，目前市场上专门用于电动缸效率测试的产品也很少见。

中南林业科技大学硕士学位论文“并联式多级丝杠电动缸传输效率影响因素及结构优化研究”中设计了一款基于PC处理的电动缸效率测试试验平台，通过液压缸对待测电动缸进行加载，由PC与控制器实时通讯获得传感器实时监控数据。然而，通过液压缸对被测电动缸进行加载时，在液压缸的收缩阶段，液压缸的压力在动态过程中并不能稳定在设定的载荷。加载载荷的不稳定变化会导致测试的电压、电流、载荷等参数在测量过程中出现较大的波动。需要在试验过程中对液压缸压力进行多次调整，且调整过程比较繁琐，通过液压缸对被测电动缸进行加载的测试平台的加载方式还需要进一步的完善。

发明内容

本发明提供了一种能够克服现有测试装置采用液压加载装置测试过程繁琐且测试效率低下，构建一种能够方便的测量出整个电动缸的效率的电动缸效率测试装置和方法。

具体而言本发明提供了一种电动缸效率测试装置，其特征在于，所述电动缸效率测试装置包括控制模块、传感器模块、测试平台；

所述控制模块分别与测试平台和传感器模块连接，用于控制所述测试平台，并接收所述传感器模块回传的信号；

所述传感器模块设置在所述测试平台上，用于采集测试信号；

所述测试平台用于对电动缸进行测试，所述测试平台包括安装平台、伺服电机、被测电动缸和加载电动缸；

所述安装平台用于支撑所述伺服电机、被测电动缸和加载电动缸；

所述伺服电机与所述控制模块和被测电动缸连接，用于使所述控制模块驱动所述被测电动缸进行测试；

所述加载电动缸与所述控制模块和被测电动缸连接，用于由所述控制模块驱动对所述被测电动缸提供相应的反作用力。

更进一步地，所述传感器模块包括扭矩传感器和推拉力传感器；

所述扭矩传感器与所述伺服电机输出端连接，用于采集所述电动缸效率测试装置输入力矩；

所述推拉力传感器设置在所述被测电动缸和加载电动缸之间，用于采集所述被测电动缸输出推拉力。

更进一步地，所述传感器模块包括非接触位移传感器和速度测量传感器，所述非接触位移传感器和速度测量传感器用于向所述控制模块提供所述被测电动缸的推杆运动速度。

还包括一种电动缸效率测试方法，其特征在于，所述电动缸效率测试方法包括以下步骤：

步骤S1：将伺服电机和被测电动缸固定于测试平台上，并关联各传感器；

步骤S2：将所述被测电动缸活塞杆调节至初始位置，并控制加载电动缸作扭矩限制；

步骤S3：控制所述被测电动缸进行匀速运动，并由所述各传感器获取所述被测电动缸匀速运动期间所述伺服电机转速n₁和实际扭矩输出值T以及所述被测电动缸实际力输出值F和速度V；

步骤S4：由所述各传感器采集的数据对所述被测电动缸效率进行计算，并输出计算结果。

更进一步地，在步骤S1中，所述传感器包括扭矩传感器和推拉力传感器；

所述扭矩传感器与所述伺服电机输出端连接，用于采集所述电动缸效率测试装置输入力矩；

所述推拉力传感器设置在所述被测电动缸和加载电动缸之间，用于采集所述被测电动缸输出推拉力。

更进一步地，在步骤S3中，所述被测电动缸运动速度规划曲线分成三个阶段；

第一阶段为加速阶段，所述被测电动缸由静止匀加速至速度V；

第二阶段为匀速阶段，所述被测电动缸以所述速度V进行匀速运动；

第三阶段为减速阶段，所述被测电动缸由所述速度V减速至静止。

更进一步地，在步骤S4中，所述电动缸效率测试模型为：

其中，η表示电动缸的传动效率；T表示输入的扭矩；n₁表示电机输出的转速；V表示推杆组件的动作速度；F表示实际力输出值。

本发明的有益效果是：

本发明相比现有技术，本发明中测试装置采用智能计算机进行控制，可以实现测试结果的实时输出和显示，操作方式简单快捷，具有很高的人机交互性。

本发明中效率测试装置几乎可以用于测量电动缸产品的全部性能指标，可以实现测试性能的同步完成，减少测试时间，提高测试效率。

本发明中测试装置使用加强板提高了整个测试平台的使用范围，属于一种模块化设计手段，通过简单地更换测试或改装特定部件可以实现不同型号电动缸产品的效率测试。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种电动缸效率测试装置中测试平台结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种电动缸效率测试装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种电动缸效率测试方法流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种电动缸效率测试方法中被测电动缸速度规划曲线的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种电动缸效率测试方法中被测电动缸效率测试的原理示意图。

其中，100-安装平台、101-伺服电机加强板、102-中间加强板、103-加载电动缸加强板、201-伺服电机、202-被测电动缸、203-加载电动缸、301-扭矩传感器、302-推拉力传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-5，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明提供一种电动缸效率测试装置，该电动缸效率测试装置包括控制模块、传感器模块、测试平台和输出模块。

控制模块分别与测试平台、传感器模块和输出模块连接，用于控制测试平台和输出模块，以及接收传感器模块回传的信号。在一种实施例中，控制模块包括工控机、加载电动缸伺服控制箱和被测电动缸伺服控制箱；其中，工控机采用计算机或FPGA芯片，分别与加载电动缸伺服控制箱、被测电动缸伺服控制箱、传感器模块和输出模块连接，用于控制加载电动缸伺服控制箱、被测电动缸伺服控制箱和输出模块，以及接收传感器模块回传的信号；加载电动缸伺服控制箱与测试平台连接，用于控制测试平台中加载电动缸；被测电动缸伺服控制箱与测试平台连接，用于控制测试平台中被测电动缸。

如附图1所示，测试平台包括安装平台100、伺服电机201、被测电动缸202和加载电动缸203。加载电动缸203和伺服电机201均与控制模块连接；伺服电机201受控制模块控制，进行特定运动，进而带动被测电动缸202的运动；加载电动缸203由控制模块控制，提供相应的反作用力。

传感器模块包括扭矩传感器301、推拉力传感器302、非接触位移传感器、速度测量传感器、温度传感器、噪音传感器和激光测距传感器等，各传感器均设置在测试平台中，并与控制模块连接，用于采集被测电动缸202的各项数据，并向控制模块发送采集到的数据。

输出模块与控制模块连接，用于输出电动缸测试结果。在一种实施例中，输出模块包括存储器、显示器和打印机，实现相关系统测试参数数据和测试曲线的显示、存储及打印。

安装平台100包括T型槽工作台，用于安装加载电动缸203、伺服电机201、被测电动缸202以及传感器模块。为减小精加工面积以及保证加载电动缸203、伺服电机201、被测电动缸202能够稳定、牢固的安装于T型槽工作台上，安装平台100上的所有装置通过加强平板安装固定于T型槽工作台上。加强平板顶部是安装平面，底部设有用于固定的T型槽滑块，用于与T型槽工作台固定。

加强平板包括伺服电机加强板101、中间加强板102和加载电动缸加强板103，伺服电机加强板101、中间加强板102和加载电动缸加强板103分别固定在T型槽工作台的左端、中间以及右端，各加强板之间位置可以依据被测电动缸202和加载电动缸203的尺寸进行调节，进而实现多种不同型号的被测电动缸202在本测试装置中进行测试。伺服电机201和被测电动缸202相互平行切相互错位地固定在伺服电机加强板101顶部。伺服电机201通过电机座固定于被测电动缸202的左端前方，伺服电机201的电机座通过螺钉固定于伺服电机加强板101上。伺服电机201的输出端通过联轴器与主动带轮和扭矩传感器301相连。在一种实施例中，联轴器由左半连轴器和右半联轴器组成，伺服电机201输出端与左半连轴器相连接，扭矩传感器301与右半联轴器相连；两半联轴器通过4件六角头铰制孔用螺栓连接；扭矩传感器301设置在伺服电机201的电机座上。

被测电动缸202的缸体中轴沿T型槽工作台左右中轴方向设置，被测电动缸202的缸体左右两端分别通过支撑座连接伺服电机加强板101和中间加强板102，缸体左侧通过左被测支撑座固定于伺服电机加强板101上，缸体右侧通过右被测支撑座固定于中间加强板102上。在一种实施例中，左被测支撑座通过缸体上的耳轴连接螺孔与缸体相连，通过螺钉固定于伺服加强板上；右被测支撑座通过缸体上的耳轴与缸体相连，通过螺钉固定于中间加强板102。

加载电动缸203与被测电动缸202沿同一中轴线上设置，加载电动缸203的缸体左右两端分别通过支撑座连接中间加强板102和加载电动缸加强板103，加载电动缸203的缸体左侧通过左加载支撑座固定于中间加强板102上，缸体右侧通过右加载支撑座固定于加载电动缸加强板103上。在一种实施例中，左加载支撑座通过缸体上的耳轴连接螺孔与缸体相连，通过螺钉固定于中间加强板102上；右加载支撑座通过缸体上的耳轴与缸体相连，通过螺钉固定于加载电动缸加强板103上。

被测电动缸202与加载电动缸203中间用过渡套及刚性联轴器分别与推拉力传感器302左右两端连接，两半联轴器用螺栓和螺母连接。在一种实施例中，为了保证加载电动缸203和被测电动缸202的同轴度，加载电动缸203和被测电动缸202的支撑座通过调整螺钉与加强板连接，用于调节水平方向，调整螺钉通过螺钉座与加强板相对固定。

如附图2所示，在一种实施方式中，通过控制模块中工控机设置被测电动缸202的动作行为，将动作数据信号输出给被测电动缸伺服控制箱，由被测电动缸202伺服控制箱驱动伺服电机201进行特定运动，进而带动被测电动缸202的运动。

例如通过本发明中电动缸效率测试装置进行电动缸效率测试，通过工控机设置相应的测试参数控制被测电动缸伺服控制箱和加载电动缸伺服控制箱的工作。被测电动缸202向外提供推力和运动时，加载电动缸203提供相应的反作用力，加载电动缸203的推杆同时随着被测电动缸202运动的方向收缩或伸出。此时，扭矩传感器301和推拉力传感器302分别提供测试装置的输入力矩和输出推拉力，非接触位移传感器和速度测量传感器提供推杆的运动速度。传感器测量的数据通过数据线传导至工控机，由测试装置进行数据处理生成被测电动缸202的输入、输出功率，进而计算出电动缸的效率。

本发明中电动缸效率测试装置还能测试电动缸的最大静负载，将被测电动缸202的活塞杆伸出至约100mm左右。加载电动缸203的伺服电机201刹车抱死，并在整个静态推、拉力测试过程中保持不动。在被测电动缸伺服控制箱上选择驱动控制模式为力控制模式。在推、拉力两种出力状态下，分别逐渐增加被测电动缸202的力输出，30kN、60kN、90kN。观察在不同力输出下伺服电机201有无异常(如噪声、发热异常)，被测电动缸202各机械部件是否有裂纹或塑性变形，并读取各力输出下的电机电流、推拉力传感器302反馈的实际力输出值。

如附图3所示，本发明还提供一种电动缸效率测试方法，包括以下步骤：

步骤S1：将伺服电机201和被测电动缸202固定于测试平台上，并关联各传感器；

步骤S2：将被测电动缸202活塞杆调节至初始位置，并控制加载电动缸203作扭矩限制；

步骤S3：控制被测电动缸202进行匀速运动，并由各传感器获取电动缸匀速运动期间伺服电机201转速n₁和实际扭矩输出值T以及被测电动缸202实际力输出值F和速度V；

步骤S4：由各传感器采集的数据对被测电动缸202效率进行计算，并输出计算结果。

具体的，在步骤S1中，将伺服电机201和被测电动缸202固定于测试平台上，伺服电机201与被测电动缸202间通过工装增设动态扭矩传感器。调整被测电动缸202与加载电动缸203的同轴度，使其作动杆处于同一轴线上。在被测电动缸202与加载电动缸203的连接部位设置推拉力传感器。调整设置激光测速传感器，并在被测电动缸202推杆上设置激光测速传感器的识别标志。

在步骤S2中，将被测电动缸202作动杆调节至0mm标志处。通过电动缸效率测试装置中的控制模块将加载电动缸203设置成力控制模式，并根据试验需求作扭矩限制，对应活塞杆端出力20kN、50kN、80kN，使加载电动缸203起到类似“阻尼”的扭矩限制作用。

如附图4所示，在步骤S3中，在控制模块上设置被测电动缸202为位置控制模式，以位置指令为0-600mm为例，在位置控制过程中被测电动缸202运动速度规划曲线分成三个阶段，第一阶段为加速阶段，被测电动缸202由0mm运行至100mm位置时，被测电动缸202由静止匀加速至速度V；第二阶段为匀速阶段，被测电动缸202以速度V从100mm运行至500mm；第三阶段为减速阶段，当电缸由500mm运行至600mm位置时，被测电动缸202由速度V减速至静止，速度V可以取不同的测试速度。控制模块记录在第二阶段中，匀速运动期间伺服电机201转速n₁、扭矩传感器反馈的实际扭矩输出值T、推拉力传感器反馈的被测电动缸202实际力输出值F和激光测速传感器反馈的速度V。

如附图5所示，在步骤S4中，伺服电机201和被测电动缸202主要由电机、减速装置、丝杠螺母以及推杆组件组成，电机输出一定的力矩和转速，经过丝杠螺母的机械结构转换成推杆组件的直线运动。根据效率测试公式：

其中，η表示电动缸的传动效率；T表示输入的扭矩；ω表示输入的转动角速度；V表示推杆组件的动作速度；F表示实际力输出值。

进一步，一般情况下电机的输入转速能够由控制模块获得，该效率测试公式可以转化为：

其中，n₁表示电机输出的转速。

一般情况下，机械传动不会存在速度的损失，该效率计算公式可以简化为：

其中，n₂表示经过减速器后的转速；i表示减速器的减速比；S表示丝杠螺母的导程。

因此，通过各传感器采集的电动缸匀速运动期间伺服电机201转速n₁、扭矩传感器反馈的实际扭矩输出值T、推拉力传感器反馈的被测电动缸202实际力输出值F和激光测速传感器反馈的速度V，即可计算电动缸的传动效率η，并将计算的传动效率η输出。

虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。