閥門電動(dòng)執(zhí)行器重復(fù)性精度實(shí)驗(yàn)研究

馬 帥，曹艷紅

(1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所,北京 100074;2.泰爾信通(北京)投資管理有限公司,北京 100088)

0 引言

閥門是流體介質(zhì)輸送系統(tǒng)中的控制設(shè)備,廣泛應(yīng)用于電力、水利、煤炭、石油、化工、航空航天等行業(yè)[1]。隨著自動(dòng)化程度的提高,大部分閥門由人力手動(dòng)驅(qū)動(dòng)變成自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng),這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)閥門的遠(yuǎn)程控制、集中控制和自動(dòng)控制[2-3]。電動(dòng)執(zhí)行器是工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分[4],它的控制精度決定著閥門穩(wěn)定性、安全性等性能,因此,在滿足參數(shù)和質(zhì)量要求下,如何提高電動(dòng)執(zhí)行器的性能、拓展其功能、增強(qiáng)其智能[5]是一項(xiàng)有意義的研究方向。

本文對(duì)航天發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中控制流體介質(zhì)輸送的閥門進(jìn)行了電動(dòng)執(zhí)行器重復(fù)性精度實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了分析,以期對(duì)我國閥門電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購

針對(duì)閥門電動(dòng)執(zhí)行器重復(fù)性精度研究,根據(jù)設(shè)計(jì)方案采購了步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)、限位開關(guān)、直流電源、驅(qū)動(dòng)器、控制器等一系列設(shè)備,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為1.8°,輸出扭矩2.5 N·m,機(jī)身長度為100 mm。

蝸輪蝸桿減速機(jī)減速比為1∶50。

限位開關(guān)側(cè)面感應(yīng),為NPN常開型,低電位有效,檢測距離4 mm。

直流開關(guān)電源額定功率250 W,輸出直流電壓24 V,輸出電流10 A。

控制器右側(cè)是與可視化屏幕的連線接口,左側(cè)上方是與驅(qū)動(dòng)器的連線接口,左側(cè)下方是與限位開關(guān)的連線接口。

可視化屏幕界面中可以顯示電機(jī)運(yùn)動(dòng)、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等狀態(tài),還有控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、停止的按鈕。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建原理如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建原理

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制流程

搭建系統(tǒng)前,對(duì)控制器進(jìn)行了限位開關(guān)反饋的指令編碼,整套系統(tǒng)主要控制流程如下:

1) 通電后,電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng),設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度;

2) 撥動(dòng)復(fù)位按鈕,電機(jī)到達(dá)預(yù)設(shè)點(diǎn)A(復(fù)位過程中B處限位開關(guān)反饋的信號(hào)系統(tǒng)不進(jìn)行評(píng)判);

3) 點(diǎn)擊液晶屏幕上的正轉(zhuǎn)按鈕,電機(jī)正轉(zhuǎn),通過減速機(jī)帶動(dòng)輸出軸上的感應(yīng)片動(dòng)作;

4) 輸出軸從A到B轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),到達(dá)B點(diǎn)后,B處限位開關(guān)反饋的信號(hào)給控制器,然后控制器使電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)(從A到B轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)A處限位開關(guān)反饋的信號(hào)系統(tǒng)不進(jìn)行評(píng)判);

5) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí),液晶屏幕上顯示電機(jī)從A到B轉(zhuǎn)過的角度;

6) 點(diǎn)擊液晶屏幕上的反轉(zhuǎn)按鈕,電機(jī)反轉(zhuǎn),通過減速機(jī)帶動(dòng)輸出軸上的感應(yīng)片動(dòng)作;

7) 輸出軸從B到A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),到達(dá)A點(diǎn)后,A處限位開關(guān)反饋的信號(hào)給控制器,然后控制器使電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)(從B到A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)B處限位開關(guān)反饋的信號(hào)系統(tǒng)不進(jìn)行評(píng)判);

8) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止時(shí),液晶屏幕上顯示電機(jī)從B到A轉(zhuǎn)過的角度。

搭建完成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 數(shù)據(jù)采集與分析

限位開關(guān)的位置和方向由支撐板上的定位槽確定,這樣可以使閥門開關(guān)所對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制為4200°,并以此開展不同轉(zhuǎn)速下多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),記錄各個(gè)開關(guān)行程中電機(jī)的已轉(zhuǎn)角度。某一行程后,屏幕的顯示界面如圖5所示。

圖5 屏幕顯示界面

調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度依次為100r/min、50r/min、20r/min,各重復(fù)20次實(shí)驗(yàn),記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)線圖繪制,如圖6所示。可以看出,重復(fù)20次實(shí)驗(yàn),3組不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下閥門開關(guān)所對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度都在期望值上下波動(dòng),存在一些偏差,且低轉(zhuǎn)速下偏差較小。

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)線圖

對(duì)3組不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)進(jìn)行極值提取與處理,如表2所示。對(duì)比可知,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低,閥門開關(guān)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度極大值逐漸變小;隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低,閥門開關(guān)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度極小值逐漸變大,從而使得極值偏差逐漸變小。3組不同電機(jī)轉(zhuǎn)速分別重復(fù)20次實(shí)驗(yàn)時(shí),閥門開關(guān)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度極值偏差依次為78.1°、51.8°、6.3°。因此,可以通過為電機(jī)設(shè)置合適的、較低的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來提高閥門開關(guān)的精度。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表

閥門重復(fù)性精度要求為0.08°,即要求減速機(jī)的輸出軸最小旋轉(zhuǎn)0.08°,根據(jù)減速機(jī)的傳動(dòng)比可知允許電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度偏差為±4°。在電機(jī)20r/min的多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)下,角度極值偏差為6.3°,故可以滿足閥門重復(fù)性精度要求。

4 結(jié)論

依據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)閥門的電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行系統(tǒng)搭建,通過多組實(shí)驗(yàn)對(duì)其重復(fù)性精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出:

1) 閥門電動(dòng)執(zhí)行器在工作中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與期望值存在一定偏差。

2) 低轉(zhuǎn)速下閥門電動(dòng)執(zhí)行器的波動(dòng)范圍小,極值偏差小,重復(fù)性好。

3) 20r/min的電動(dòng)執(zhí)行器多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),角度極值偏差為6.3°,滿足閥門重復(fù)性精度要求。