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CN110243524B - 一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置 - Google Patents

一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置 Download PDF

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CN110243524B CN201910635628.1A CN201910635628A CN110243524B CN 110243524 B CN110243524 B CN 110243524B CN 201910635628 A CN201910635628 A CN 201910635628A CN 110243524 B CN110243524 B CN 110243524B
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Abstract

一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，水平移动测试台和竖直移动测试台安装在主体框架上。水平移动测试台由横向和纵向两组伺服电机及滚珠丝杆组成，水平板安装其上，直线电机初级固定在水平板上；竖直移动测试台结构为：伺服电机及滚珠丝杆竖向安装，主体框架左、右侧面上分别竖向固定有两组线性模组，长方形框架固定在该四个线性模组的滑动块上，四个三轴力传感器固定在长方形框架底面上、下板之间，直线电机次级固定在下板底面。临近三个滚珠丝杆处分别安装直线位移传感器，三轴力传感器的信号经放大器和多通道数据采集卡发送给工控机。本装置目前用于实验室中大推力、大气隙超导直线电机理论研究的成果验证，结构精简易安装，适用于多种实验环境。

Description

一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置
技术领域
本发明专利涉及三轴力输出设备的性能测试装置，具体而言，涉及一种大推力大气隙超导直线电机三轴力测试装置。
背景技术
直线电机作为一个典型的三轴力输出装置，可以不用借助任何中间转换结构把电能转变成直线运动，以次级为输出端对外输出三轴力，与传统的方式相比，初级和次级之间可以完全无机械连接。
目前的机械制造业中，直线电机已经广泛的应用于高速铣床、激光加工机床、磨床、加工中心等制造设备。直线电机的推广与使用也是数控机床的一个重要发展方向。在军事方面的应用有电磁炮、潜艇等装备，卫星和飞船的一些构件的驱动也采用了直线电机。直线电机在机床、电磁炮等工况的应用中主要使用直线电机的推力，且直线电机初级与次级之间的位置固定。目前此类电机的性能测试方法有些参照旋转电机的试验方法，有些针对直线电机设计了特定的试验方法，但一直没有统一的标准与方法。对拖在该类直线电机的性能测试中使用较为普遍，但该方法对各规格的直线电机不具有普适性，且只能用于研究初级与次级相对位置固定的直线电机。
在轨道交通领域的应用中，磁悬浮列车的直线牵引系统是直线电机一个主要的应用对象。在磁悬浮列车牵引驱动应用中，直线电机初级与次级的三维相对位置在一定范围内变化，且直线电机的输出特性随三维相对位置的变化而变化。目前，尚无用于此类型直线电机性能测试的实验平台和测试方法。
总体而言，直线电机的性能测试包括静态性能测试与动态性能测试。因为工况的多样化，目前不能制定出统一标准对直线电机的性能进行测试。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，旨在对大功率直线电机在不同工况下进行吨级三轴力的测试，以揭示该直线电机的三轴输出力随时间和空间变化的关系规律，用于研究其输出特性。
本发明的目的是这样实现的：一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，包括工控机，主体框架为采用铝型材制作的长方体形框架，水平移动测试台和竖直移动测试台分别设置在主体框架内的下方和上方；水平移动测试台结构为：第二滚珠丝杆两端分别经轴承横向架设在主体框架的底面上，且第二滚珠轴丝杆一个外端与第二伺服电机轴连接，多个线性模组横向安装在主体框架的底面上，长方形的框架位于第二滚珠丝杆和多个线性模组上方，该框架同时固定在与滚珠丝杆相旋接的螺母上，以及固定在多个线性模组的每一个滑动块上，第三滚珠丝杆两端经轴承纵向架设在该框架上，且第三滚珠丝杆一个外端与第三伺服电机轴连接，另外两个线性模组分别安装在上述框架的两个纵向长边上，水平移动板位于第三滚珠丝杆和另外两个线性模组上方，水平移动板同时固定在与第三滚珠丝杆相旋接的螺母上以及固定在另外两个线性模组的每一个滑动块上，待测试直线电机初级固定在水平移动板上；
竖直移动测试台结构为：第一伺服电机立式安装固定在主体框架的顶面上，第一滚珠丝杆的两端分别经轴承竖向安装在主体框架内，且第一滚珠丝杆上边的一个外端与第一伺服电机轴连接，主体框架的左、右侧面上分别竖向固定有两个线性模组，长方形框架固定在该四个线性模组的四个滑动块上，长方形的上板固定在该长方形框架底面，四个三轴力传感器均布固定在上板与下板之间，上述直线电机次级固定在下板底面上，长方形框架上固定有一正方体形框架，顶板固定在正方体形框架顶面上，第一滚珠丝杆上旋接的螺母固定在顶板上的孔中；主体框架上临近第一、第二、第三滚珠丝杆位置处分别设置有一个直线位移传感器。
所述主体框架上还安装有工控机、交直流稳压电源、主轴力传感器信号放大器、多通道数据采集卡；所述四个三轴力传感器的输出信号分别经四个三轴力传感器信号放大器放大后，传输至多通道数据采集卡；三个直线位移传感器的输出信号分别传输至多通道数据采集卡，多通道数据采集卡的输出信号接至所述工控机；交直流稳压电源为多通道数据采集卡、直线位移传感器、三轴力传感器及其信号放大器供电。
还具有由伺服电机编码器和伺服电机三轴控制器组成的伺服电机控制装置。
所述多个线性模组为均布设置的4组。
上述装置的测试方法，按如下步骤进行：数据采集程序在初始化后，三轴力传感器和x、y和z三个方向上的直线位置传感器分别通过各自的信号放大器将采集的三轴力模拟信号和三维空间位置的模拟信号发送给多通道数据采集卡，并最后转发给置于工控机中的LabVIEW数据采集、处理、可视化和存储程序；LabVIEW程序将三轴力随时间和空间变化的趋势以曲线的形式给予显示。
本发明的技术方案如下：三轴输出力试件通过螺栓固定在水平移动测试台和竖直移动测试台之间，其中试件的固定端安装在水平移动测试台的试件固定端安装板上，依靠正交水平放置的两套伺服电机与滚珠丝杆组合实现水平面内的移动和定位；试件的三轴力输出侧固定在竖直移动测试台三轴力输出端安装板上，并与三轴力传感器组合刚性连接，依靠竖直放置的伺服电机和滚珠丝杆组合实现竖直移动和定位；所述三轴力传感器组合通过三轴力输出端安装板与试件三轴力输出端刚性连接，将试件输出的三轴力转换为电压信号发送给安装在工控机中的LabVIEW控制程序；所述三维位置监视装置将试件的三维位置发送给安装在工控机中的LabVIEW控制程序；由所述的LabVIEW控制程序进行数据处理后，在工控机屏幕上显示试件输出三轴力随时间和空间的变化曲线。
所述水平移动测试台是由试件固定端安装板、两套卧式安装且异面垂直的伺服电机和滚珠丝杆组合、线形模组和高强度铝型材结构框架通过螺栓组装而成。
所述竖直移动测试台是由试件三轴力输出端安装板，三轴力传感器组合、传感器固定板、一套竖直放置的伺服电机和滚珠丝杆组合、线形模组和高强度铝型材结构框架通过螺栓固定组装而成。
所述三轴力传感器组合包括矩形传感器安装板、对称分布在矩形安装板上的四个三轴力传感器，及其信号放大器组成。
所述LabVIEW控制程序安装在工控机中，通过多通道数据采集卡能够接收到三轴力传感器组合发送的三轴力信号和位移传感器发送的试件三维位置信号，并完成信号数据处理，实时显示三轴力随时间和空间的变化曲线，具有良好的可视化和人际交互界面。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：
1、采用兼具横向和纵向水平移动测试台和竖直移动测试台组成三自由度测试台，通过三个直线位置传感器分别测量大推力超导直线电机的初级和次级之间在三个方向上的相对运动位置，该信号经多通道数据采集卡发送至工控机进行数据处理，实时显示三轴力随时间和空间变化曲线，用于分析三轴力在空间和时间域的分布规律和趋势。
2、本发明三自由度测试台采用高强度铝型材框架结构，不具有铁磁性，降低了对试件电磁场的影响，保证了对试件输出三轴力的准确测量。此外，铝型材框架组装灵活简单、成本低、组装精度高、维修方便。
3、伺服电机和滚珠丝杆组合具有很高的定位精度，能够有效保证试件固定端和三轴力输出端之间三维相对位置的定位精度以及实现大推力驱动。
4、线形模组安装在水平移动测试平台框架的底面和竖直移动测试平台框架的两侧，为水平移动平台和竖直移动平台提供运动轨道，并起到提供导向和减小运动摩擦的作用。
5、采用上板和下板作为4个三轴力传感器与竖直移动测试平台框架以及主体之间的连接件，保证了三轴力传感器组合能够刚性固定在竖直运动平台的结构框架上。该四个三轴力传感器安装在该上板和下板之间，能够增大三轴力传感器组合的受力面，使试件输出的三轴力均匀地作用在各个三轴力传感器上，同时有效弱化由试件输出力导致的结构框架振动，有效提高三维力的测量精度和增大测量量程。
6、本发明伺服电机运动控制系统与传感器系统分离，特别是两者的供电系统分离，有效减小了两者之间的相互串扰，保证了传感器更加稳定的工作状态，提高了测量精度。
本发明能够测量直线电机初级和次级之间三维相对位置不固定时的动态或稳态输出特性，并据此能绘制出吨级三轴力随时间或空间的变化曲线，能够有效地用于直线电机输出特性的特征分析和性能研究，特别是直线电机输出特性在时间和空间上的变化规律的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
图1是本发明的总体结构立体示意图。
图1a是工控机控制系统的硬件安装示意图。
图2是本发明的总体结构框架正视图。
图3是本发明的水平移动测试平台立体示意图。
图4是本发明的竖直移动测试平台立体示意图。
图5是本发明的数据采集和可视化流程图。
图标：1-第一伺服电机；2-(铝型材)主体框架；3-三轴力传感器信号放大器；4-多通道数据采集卡；5-线性模组；6-直线位移传感器(共3个)；7-水平移动板；8-(待检测)直线电机初级；9-下板；10-工控机；11-伺服电机驱动器；12-伺服电机三轴控制器；13-交直流稳压电源；14-三轴力传感器(共4个)；15-直线电机次级；16、16a、16b-第一、第二、第三滚珠丝杆；17-(长方形的)框架(铝型材)；18-正方体形框架(铝型材)；19-上板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
图1、图2示出，一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，包括工控机10，主体框架2为采用铝型材制作的长方体形框架，水平移动测试台和竖直移动测试台分别设置在主体框架2内的下方和上方；水平移动测试台结构为：第二滚珠丝杆16a两端分别经轴承横向架设在主体框架的底面上，且第二滚珠轴丝杆16a一个外端与第二伺服电机1a轴连接，多个线性模组5横向安装在主体框架的底面上，长方形的框架17位于第二滚珠丝杆16a和多个线性模组5上方，该框架17同时固定在与滚珠丝杆16a相旋接的螺母上，以及固定在多个线性模组5的每一个滑动块上，第三滚珠丝杆16b两端经轴承纵向架设在该框架17上，且第三滚珠丝杆16b一个外端与第三伺服电机1b轴连接，另外两个线性模组分别安装在上述框架17的两个纵向长边上，水平移动板7位于第三滚珠丝杆16b和另外两个线性模组上方，水平移动板7同时固定在与第三滚珠丝杆16b相旋接的螺母上以及固定在另外两个线性模组的每一个滑动块上，待测试直线电机初级8固定在水平移动板7上；
竖直移动测试台结构为：第一伺服电机1立式安装固定在主体框架2的顶面上，第一滚珠丝杆16的两端分别经轴承竖向安装在主体框架内，且第一滚珠丝杆16上边的一个外端与第一伺服电机1轴连接，主体框架2的左、右侧面上分别竖向固定有两个线性模组，长方形框架固定在该四个线性模组的四个滑动块上，长方形的上板19固定在该长方形框架底面，四个三轴力传感器14均布固定在上板19与下板9之间，上述直线电机次级15固定在下板9底面上，长方形框架上固定有一正方体形框架，顶板20固定在正方体形框架顶面上，第一滚珠丝杆16上旋接的螺母固定在顶板20上的孔中；主体框架2上临近第一、第二、第三滚珠丝杆16、16a、16b位置处分别设置有一个直线位移传感器6。
第一、第二、第三伺服电机分别经联轴器与第一、第二、第三滚珠丝杆连接。另外两个线性模组也可直接作为框架17的纵向长边。第一伺服电机安装在安装板上(图1)，安装板固定在主体框架顶面上。多个线性模组5为均布设置的4个(参见图4)。
请参照图1和图2，一种三轴力测试平台，以同步大推力超导直线电机初级8放置在水平移动板7上，直线电机次级15固定在竖直移动测试台的下板9下表面；实验启动前，通过伺服电机1、第一滚珠丝杆16和线性模组5分别驱动导向水平移动板7和竖直移动测试台的下板9实现直线电机初级和次级之间的三维相对位置调节，使用交直流稳压电源13为多通道数据采集卡4、直线位移传感器6、三轴力传感器14及其信号放大器3进行供电，打开工控机10，启动LabVIEW控制程序准备数据采集。为直线电机初级通入三相交流电产生行波磁场，次级通入直流励磁电流产生直流磁场，初级行波磁场与直流磁场互相耦合产生三轴电磁力；三轴力作用在三轴力传感器上，再经三轴力传感器信号放大器放大后，将感受到的三轴力信号转换为电信号通过多通道数据采集卡4发送给工控机10中的LabVIEW控制程序；LabVIEW控制程序实时处理三轴力数据，并以曲线的形式在工控机屏幕上实时显示。
还具有由伺服电机编码器和伺服电机三轴控制器12组成的伺服电机控制装置。
请参照图3，水平移动测试台是由水平移动板7、两套水平放置且异面垂直的伺服电机和滚珠丝杆组合、线性模组5和高强度铝型材水平移动长方形的框架17通过螺栓组装而成。
请参照图4，竖直移动测试台是由下板9、三轴力传感器14组合、上板19、一套竖直安装的伺服电机1和第一滚珠丝杆16组合、线性模组5和高强度铝型材正方体形框架18通过螺栓固定组装而成。
请参照图1，所述三轴力传感器14组合是由对称分布在长方形的上板19四个角位置的三轴力传感器14，与四个三轴力传感器的信号放大器3通过信号线连接组成。
请参照图1，安装在主体框架上的三个直线位移传感器6共同作用实现对直线电机初级与次级之间三维相对位置的监视。
本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
上述装置的测试方法，按如下步骤进行：数据采集程序在初始化后，三轴力传感器14和x、y、z三个方向上的直线位置传感器6分别通过各自的信号放大器13将采集的三轴力模拟信号和三维空间位置的模拟信号发送给多通道数据采集卡4，并最后转发给置于工控机10中的LabVIEW数据采集、处理、可视化和存储程序；LabVIEW程序将三轴力随时间和空间变化的趋势以曲线的形式给予显示。

Claims (5)

1.一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，其特征在于，主体框架(2)为采用铝型材制作的长方体形框架，水平移动测试台和竖直移动测试台分别设置在主体框架(2)内的下方和上方；水平移动测试台结构为：第二滚珠丝杆(16a)两端分别经轴承横向架设在主体框架的底面上，且第二滚珠轴丝杆(16a)一个外端与第二伺服电机(1a)轴连接，多个线性模组(5)横向安装在主体框架的底面上，长方形的框架(17)位于第二滚珠丝杆(16a)和多个线性模组(5)上方，该框架(17)同时固定在与第二滚珠丝杆(16a)相旋接的螺母上，以及固定在多个线性模组(5)的每一个滑动块上，第三滚珠丝杆(16b)两端经轴承纵向架设在该框架(17)上，且第三滚珠丝杆(16b)一个外端与第三伺服电机(1b)轴连接，另外两个线性模组分别安装在上述框架(17)的两个纵向长边上，水平移动板(7)位于第三滚珠丝杆(16b)和另外两个线性模组上方，水平移动板(7)同时固定在与第三滚珠丝杆(16b)相旋接的螺母上以及固定在另外两个线性模组的每一个滑动块上，待测试直线电机初级(8)固定在水平移动板(7)上；
竖直移动测试台结构为：第一伺服电机(1)立式安装固定在主体框架(2)的顶面上，第一滚珠丝杆(16)的两端分别经轴承竖向安装在主体框架内，且第一滚珠丝杆(16)上边的一个外端与第一伺服电机(1)轴连接，主体框架(2)的左、右侧面上分别竖向固定有两个线性模组，长方形框架固定在该四个线性模组的四个滑动块上，长方形的上板(19)固定在该长方形框架底面，四个三轴力传感器(14)均布固定在上板(19)与下板(9)之间，直线电机次级(15)固定在下板(9)底面上，长方形框架上固定有一正方体形框架，顶板(20)固定在正方体形框架顶面上，第一滚珠丝杆(16)上旋接的螺母固定在顶板(20)上的孔中；主体框架(2)上临近第一、第二、第三滚珠丝杆(16、16a、16b)位置处分别设置有一个直线位移传感器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，其特征在于，所述主体框架(2)上还安装有工控机(10)、交直流稳压电源(13)、主轴力传感器信号放大器(3)、多通道数据采集卡(4)；所述四个三轴力传感器(14)的输出信号分别经四个三轴力传感器信号放大器(3)放大后，传输至多通道数据采集卡(4)；三个直线位移传感器(6)的输出信号分别传输至多通道数据采集卡(4)，多通道数据采集卡(4)的输出信号接至所述工控机；交直流稳压电源(13)为多通道数据采集卡(4)、直线位移传感器(6)、三轴力传感器(14)及其信号放大器(3)供电。
3.根据权利要求2所述的一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，其特征在于，还具有由伺服电机编码器和伺服电机三轴控制器(12)组成的伺服电机控制装置。
4.根据权利要求3所述的一种大推力超导直线电机的三轴力性能测试装置，其特征在于，所述多个线性模组(5)为均布设置的4个。
5.一种如权利要求1～4任一权利要求所述装置的测试方法，其特征在于，按如下步骤进行：
数据采集程序在初始化后，三轴力传感器(14)和x、y、z三个方向上的直线位移传感器(6)分别通过各自的信号放大器(3)将采集的三轴力模拟信号和三维空间位置的模拟信号发送给多通道数据采集卡(4)，并最后转发给置于工控机(10)中的LabVIEW数据采集、处理、可视化和存储程序；LabVIEW程序将三轴力随时间和空间变化的趋势以曲线的形式给予显示。
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