关键词：动态加载，节能，PID控制，作动器
引言
在工程研究人员发现用实验的手段来研究材料的各种特性以来，各种作动器、试验设备及辅助装置大量涌现，实验的各项性能不断完善，实验的加载方法也出现了很多类型。其中，很多机械装置利用机械传动的方法，让执行件产生直线运动，可对试件施加直线动态载荷，这就构成了机械式直线作动器。除了产生直线运动以外，在作动器输出端配以合适的辅助装置，便可对试件完成扭转、剪切、弯曲等疲劳试验任务。如以电气设备对机械式直线作动器进行驱动，我们便对其进行新的定义——电子机械式直线作动器。
1机械式动态加载控制技术基本方案
动态加载力的载体是作动器，根据产生加载力的方式，机械式作动器可分三种，即凸轮或连杆直接驱动激振器、偏心轴通过连杆压缩激振器、不平衡旋转质量旋转惯性激振器。对于上述三种机械式作动器来说，其功能的实现基本上都是电力驱动。采用汽车内燃机（图1）反向原理，即可够成第一种作动器形式，通过控制电气设备的输出和反馈状态及设计出理想的飞轮，可实现对频率、振幅进行有效测控。
2机械式动态加载控制技术结构方案
以曲柄滑块机构为原型的机械式直线作动器，基本上是围绕着滑块行程的调节展开的，但是以往的设计中，曲柄偏心距e不可调整，其行程范围需多次设计完成。如图2所示：充分利用伺服技术和设计手段，通过伺服电机改变曲柄偏心距e，其范围可达±50mm。同时通过异步电动机带动曲柄转动，经电动机变频调速达到改变滑块直线往复频率的目的，其频率范围理论上可与内燃机频率（100Hz以上）相媲美，作动器输出端直接作用于试件，克服负载，此时飞轮同电动机一同旋转克服负载进行节能。综上，通过对电子机械式直线作动器的幅值和频率加以控制，便可针对不同试件的要求进行多种动态加载疲劳试验。
3以疲劳试验机为应用对象的总体设计方案
3.1控制系统的设计原则
对于动态加载测制系统而言，在系统硬件方面要求较高，在系统硬件部分，尽可能选用优质的产品，在满足各项性能指标的情况下，尽可能降低控制系统的制作成本。在控制部分，本系统对功耗大小、调幅精度要求比较严格。
3.2控制系统两大功能要求及结构分析
本控制系统的功能主要分为两部分：（1）无级调幅控制系统：在给出伺服电机指令后，调节曲柄偏心距e,来满足作动器在不同的振幅下对式件进行动态加载试验。（2）作动器加载控制系统：在给出主动力电机指令后，在不同频率下带动直线作动器对试件施加动态力加载试验。就机械式疲劳试验机动态加载系统的功能来说，系统的主要部分可分为：上位机软件控制模块，主控制器模块，加载系统模块，无极调幅系统控制模块、信号反馈模块。
3.3控制策略的选择
（1）作动器加载系统控制策略。v/f控制即恒压频比控制，易于实现变频调速，这种控制方式下的三相异步电动机，如选择节能运行的方式，在本课题中，将会有明显的节能效果。
（2）无级调幅系统控制策略。矢量控制又称为磁场定向控制，我们要求调幅值的精度比较高，永磁同步旋转电机id=0的矢量控制策略配以伺服系统三闭环及控制卡位置闭环，使控制灵活、响应快、定位精度高。
4硬件系统的选择
4.1中央测控器结构类型的选择
对于控制系统的结构有很多种，其中利用上位机（PC机）进行软件开发的控制系统结构中，主要结构有三种：NC板卡嵌入PC机拓展卡槽、PC板卡嵌入NC板卡、PC连接SoftCNC。本文采用的是第一种方法，即NC板卡嵌入到PC机扩展卡槽，有如下两大优点：1）易于搭建硬件平台。选择用户需要的电器及硬件，如本题中的运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机等。2）充分利用PC机现代技术中强大的编程和算法，控制运动轨迹，位置精度，显示实验力值与位置曲线图等。除了主要的控制功能之外，运动控制卡还会提供一些编码器反馈函数、拐点减速函数等，使得控制精度提高，控制系统功能更加强大。
4.2运动控制卡选型
关于运动控制卡我们选用的是长春奥维精密设备有限公司研PCA8008动态测量控制卡，其采用优越的测量及控制技术，PC机插卡式设计，集成PCI总线管理，综合多种模拟器放大器、A/D采集、PID环空于一体，功能相当强大，性能上可靠稳定，而且易于使用，适合于动静力值加载、零部件和材料动态及静态测试的控制系统，基本符合我们控制系统的基本条件，能够实现对伺服系统的全闭环的测控。
4.3传感器选型
1）位移传感器选型
在选择位移传感器时，确定传感器类型为铁芯分离式，量程为±10mm，最终我们选定了辽宁阜新福传感器有限公司出品的型号为FXG-6-1差动式（LEVT）位移传感器。差动式位移传感器具有三大优点，分别为：无限的检测次数、无限分辨率和零位可重复性。
2）测力传感器
测力传感器，为满足安装要求，我们规定其分布螺栓孔直径小于与动横梁安装面宽度。在机械式疲劳机动态加载实验中，设计时对试件的最大力值为100KN，所以需要一个量程为100KN的测力传感器，再者，由于试验机作动器的工作频率在5-50Hz，所以测力传感器的频率响应最低为50Hz。
4.4油泵选型
润滑系统在机械式疲劳试验机中，起着至关重要的作用，主要有三个方面：1）为减小加载过程中的摩擦，使得每个相对运动机构均得到润滑效果。2）润滑线路贯穿于整个疲劳机中，动态加载试验时所产生的摩擦热量，由润滑油流动散布在机体的各个位置，同时通过机器自身配置的散热片进行散热。3）由于制造间隙的存在，如交变加载的一个周期中，每隔π/2将会产生位移突变，实际上运动过程存在摩擦力、间隙中充满润滑油，那么位移将随着时间成渐变性的，将会减小实验中波形的失真，提高实验精度。
5硬件系统搭建
由以上分析及各部分硬件选型可知，PCA8008动态测量控制卡为整个控制系统的核心枢纽，不仅可以对测力传感器、位移传感器模拟量数据进行采集，而且可以通过机械传动部分、伺服单元、位移传感器相结合来做调幅系统全闭环的测控。这里值得注意的是，驱动器控制面板最好单独接入单相220V电网电压，以免当三相电压中的两相电压不稳时击穿控制面板中显示屏电容。驱动器和上位机以RS232进行通信，最好使用工业RS232用线，这样可以更好的屏蔽掉外界信号对伺服驱动器信号的干扰。
6总结
基于曲柄滑块机构振幅无级可调的机械式疲劳试验机动态加载控制技术进行研究，对疲劳机加载控制系统做出了总体方案设计。由内燃机工作原理得到启发，提出施加载荷的新原理与新方法，并以疲劳试验机为应用对象，进行了总体方案设计，硬件选型，并建立了硬件系统结构图，介绍了电子机械式疲劳试验机在各个硬件模块下的工作原理，为加载控制打下基础。
参考文献
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[2]易孟林,朱钒,陆祥生邹占江.结构加载系统的动态特性分析与试验研究[J].华中理工大学学报,1996(4):56-59.
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论文作者:朱亚萍
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第08期
论文发表时间:2019/7/16
标签：加载论文; 控制系统论文; 动态论文; 曲柄论文; 直线论文; 疲劳论文; 系统论文; 《工程管理前沿》2019年第08期论文;