１电动缸实验平台测试系统介绍
电动缸测试系统支持多卡运行，最多可以同时控制３２个电动缸并完成其参数测试，可以进行多台电动缸的并行测试。为使测试互不干涉地顺利运行，并尽可能地节约系统资源和提高软件运行效率，需要对软件模块进行合理的组织规划，并对程序算法进行优化设计。在上位程序中采用间接算法对磁栅尺检测所得到的位置数据进行处理，得到速度和加速度数据［１０］。上位程序中还有专门的数据处理和分析模块，在运动曲线显示模块里可以实时观测到位移、速度、加速的变化以及跟随误差的变化，在数据处理模块内除了对数据处理还可以采用多种方式对定位误差进行补偿，可以把补偿值带入测试系统验证电动缸补偿后的性能［１１－１２］。对于不同型号和类型的电动缸，完成相应的参数设置后主要进行行程、走合、定位精度、回程误差、重复定位精度、误差分析与补偿、跟随误差测试、最大速度、最大加速度及扭矩等测试。
２系统的硬件设计
本测试平台目前主要用于轴线方向运动参数的测试，所以位置检测采用磁栅尺。测试系统原理图如图１所示。ＩＰＣ与运动控制卡通过ＰＣＩ总线进行数据通信，ＩＰＣ作为上位机，通过开发的基于ＷＩＮＤＯＷＳ的测试软件完成人机界面的交互，主要负责一些实时性要求不是很高的工作，如界面交互、图形显示、控制指令发送、接收运动控制卡采集到的现场数据、数据处理等。运动控制卡作为下位控制器，主要负责一些实时性要求较高的任务，如伺服电机运动控制、位置检测脉冲计数、紧急情况处理等。图１所示为单个电动缸的测试情况，如果为多个电动缸同时测试，则可相应地增加伺服驱动器和伺服电机，并根据情况选择相应的运动控制卡。系统选用性价比较高的研华工控机ＩＰＣ－６１０－Ｈ和国内比较有名的雷赛ＤＭＣ５４８０运动控制卡。ＤＭＣ５４８０是一款基于ＰＣＩ总线的脉冲式运动控制卡，同一计算机系统最多可支持８块卡同时运行，最多可同时控制３２轴。ＤＭＣ５４８０开发了Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下的设备驱动程序和运动控制函数动态链接库，用户只需用ＶＣ或ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ设计程序并调用ＤＭＣ５４８０函数库中的相关运动控制函数即可。ＤＭＣ５４８０的函数库处理了所有与运动控制有关的复杂问题，这样程序开发者可以专注于应用程序本身的开发上。
３测试系统软件设计
测试平台可以同时进行多个电动缸及整机的测试，单台ＰＣ最多可支持８张ＤＭＣ５４８０卡同时运行，所以使用ＤＭＣ５４８０最多可控制３２轴同时运行，这可以大大提高电动缸的测试效率。为节约系统资源，提高软件运行效率，程序在启动时会自动检测ＩＰＣ上所插的运动控制卡的数目，根据运动控制卡数目动态开辟全局变量存储单元。在测试过程当中，系统会自动检测控制卡上所有轴的运行状态，只对当前处于测试运行状态的轴进行数据处理和图形显示［１３－１４］。主程序流程图如图２所示。测试系统中，速度和加速度是通过间接算法求取的，因此需要知道位置数据采样点的精确采样时刻。ＭＳＤＮ里面的ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ、ｔｉｍｅＧｅｔＴｉｍｅ、ＱｕｅｒｙＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｏｕｎｔｅ、ＱｕｅｒｙＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ可用于时刻获取的函数，前两个函数的分辨率ＭＳＤＮ提供均为１０ｍｓ，后两个函数分辨率在本测试平台工控机上实测获得均为１０－６ｍｓ。因此，可通过调用ｗｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函数ＱｕｅｒｙＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｏｕｎｔｅｒ和ＱｕｅｒｙＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ获取精确的采样时刻，这两个函数分别返回系统高精度计数器的值和频率。人机交互采用ＶＢ语言来设计系统界面。上位控制系统界面可以选择不同卡号及对应轴号。可以实时改变运动参数，也可以模拟伺服驱动器的点动控制。如图３所示为上位控制主界面。其他控制界面还有参数设置界面、运动曲线观测界面（可以动态输出各轴的位移、速度、加速度运动曲线，以及当前定位误差、跟随误差信息）等，如图４所示，（ａ）、（ｂ）、（ｃ）分别为采用差商法数据处理得到的电动缸测试过程中实时显示的位移、速度、加速度运动曲线。但二阶差商所求得的加速度数据由于干扰幅度太大已经不能使用。究其原因，是由于原始位移数据中存在高频噪声，而差商运算是微分运算，对高频干扰有放大作用。为了满足加速度要求，这里加速度数据处理采用移动中心平滑算法［１５］，如图４（ｄ）所示。测试系统实测数据与系统误差补偿结果如表２、３所示。表２是电动缸位置精度实测数据，通过表２可以看出电动缸正向定位精度和负向定位精度不相等，究其原因，是由于电动缸正反运动之间存在回程间隙，最大回程间隙０．１６０ｍｍ。表２测量结果正反位置误差累计偏大，满足不了工业要求。表３是通过分段线性插值、分段抛物线插值、改进的分段三次拉格朗日插值后得到的结果。表３所示的３种插值方法明显改善了测试结果，正负重复定位精度达到０．０２０ｍｍ，满足大多数工业要求。当补偿点数较少时，只能补偿其中的长周期误差；随着补偿点数目增加，对短周期误差的补偿效果越来越好，因此补偿精度逐渐提高。通过对表３及图５中不同分段插值算法的补偿效果比较可知，在３种分段插值中，总体来说，改进的分段三次拉格朗日插值补偿效果始终是最好的。
４结语
笔者针对目前国内电动缸设计生产技术落后、运动精度不高、测试实验数据不足等实际情况，研发了一套电动缸出厂参数测量及数据分析处理系统，可对电动缸定位精度、回程误差、重复定位精度、误差分析与补偿、跟随误差测试、最大速度、最大加速度、扭矩等进行测试。所研发的系统是基于ＰＣ和运动控制卡的开放式系统，下一步将考虑增加更多的功能模块，如增加温度和声音传感器，检测电动缸温度和声音变化；增加视觉功能，使电动缸参数测量系统智能化。
作者：杨继东 刘昆 杨中山 车海伟 单位：重庆大学 机械工程学院
