[发明专利]一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统

摘要

本发明公开了一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，包括：底座（1）、缸套（2）、活塞环（3）、活塞杆（4）、上位机（5）、摩擦系数辨识模块（6）、导轨（7）、直线电机（8）、驱动器（9）、连接件（10）、滑块（11）、力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）、力传感器支架A（16）、力传感器支架B（17）、数据采集卡（18）。工作时，直线电机（8）驱动活塞环（3）在缸套（2）中往复运动并使内壁产生摩擦，数据采集卡（18）采集摩擦力与速度，并将其送入上位机（5），摩擦系数辨识模块（6）对各项摩擦系数进行辨识。本发明提高了活塞环摩擦系数的辨识精度。

主权项

1.一种基于直线电机直接传动的缸套活塞环摩擦测试系统，包括：底座（1）、缸套（2）、活塞环（3）、活塞杆（4）、上位机（5），其特征在于还包括：摩擦系数辨识模块（6）、导轨（7）、直线电机（8）、驱动器（9）、连接件（10）、滑块（11）、力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）、力传感器支架A（16）、力传感器支架B（17）、数据采集卡（18）；其中，摩擦系数辨识模块（6）的功能为：实现对活塞环（3）摩擦系数的参数辨识；摩擦系数辨识模块（6）驻留在上位机（5）内；底座（1）垂直放置在地面上；直线电机（8、）导轨（7）竖直置于底座前方并均与底座（1）螺钉连接，直线电机（8）的运动方向与导轨（7）平行；连接件（10）与直线电机（8）的动子螺钉连接；滑块（11）置于导轨（7）上，所述滑块（11）与连接件（10）螺钉连接；活塞杆（4）与滑块（11）固定连接，且所述活塞杆（4）与导轨（7）平行；活塞环（3）置于活塞杆（4）下部并与活塞杆（4）套接；力传感器支架A（16）位于滑块（11）的下端并与导轨（7）螺钉连接；力传感器支架B（17）置于导轨（7）下端并与导轨（7）螺钉连接；力传感器A（12）、力传感器B（13）的上端与力传感器支架A（16）螺钉连接；缸套（2）竖直放置在两个力传感器支架之间，缸套（2）上端分别与力传感器A（12）、力传感器B（13）的下端螺钉连接，缸套（2）下端分别与力传感器C（14）、力传感器D（15）的上端螺钉连接；力传感器C（14）、力传感器D（15）的下端与力传感器支架B（17）螺钉连接；活塞杆（4）套有活塞环（3）的一端伸入缸套（2）内；上位机（5）的串口与驱动器（9）的控制信号输入端导线连接；驱动器（9）的驱动电源输出端与直线电机（8）的电源输入端导线连接；上位机（5）与数据采集卡（18）由PCI卡槽连接；数据采集卡（18）的模拟信号输入端与力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）的模拟信号输出端导线连接；数据采集卡（18）的数字信号输入端与直线电机（8）的光电编码器输出端导线连接；本测试系统处于工作状态时，通过上位机（5）将运动指令发送给驱动器（9），驱动器（9）根据运动指令输出相应的驱动电源信号给直线电机（8），直线电机（8）进行相应的运动，通过连接件（10）直接驱动滑块（11）在导轨（7）上滑动，固定在滑块（11）上的活塞杆（4）带动活塞环（3）在缸套（2）中运动，固定在缸套（2）两端的力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）测量活塞环（3）与缸套（2）间的摩擦力信号，数据采集卡（18）同步采集直线电机（8）的光电编码器输出的速度脉冲信号以及力传感器A（12）、力传感器B（13）、力传感器C（14）、力传感器D（15）测量到的摩擦力信号并送入上位机（5），控制直线电机（8）进行不同频率不同运动模式的运动，将采集到的各组速度及对应的摩擦力数据送入上位机（5）并保存，驻留在上位机（5）中的摩擦系数辨识模块（6）通过这些参数对活塞环（3）的摩擦系数进行辨识；为了对活塞环的摩擦系数进行精确的辨识，摩擦系数辨识模块（6）采用基于Lugre模型和粒子群优化算法，对采集到的活塞环（3）的速度、摩擦力信号进行计算处理，实现了活塞环（3）摩擦系数的参数估计；LuGre模型的数学描述如下：其中，t是时间，是摩擦力，是预滑动阶段摩擦副表面平均变形，是摩擦副运动速度，捕获了粘性摩擦和Stribeck效应，六个待辨识参数分别如下：是库仑摩擦力，是静摩擦力，是Stribeck速度，是预滑动阶段摩擦副表面刚度系数，是预滑动阶段摩擦副表面阻尼系数，是滑动阶段粘性摩擦系数；将上述六个待辨识参数作为一个六维的粒子通过粒子群优化算法解出最优解；首先进行粒子种群初始化，即得到一组初始解；然后建立适应度函数，其中表示粒子群个体适应度值，为上位机采集到的摩擦力数据，为将粒子种群中第i个六维粒子的值代入LuGre模型中计算出的摩擦力数据，为实验采样数据个数；将粒子种群中的每个个体代入适应度函数，得出相应的适应度函数值，将粒子群个体按适应度值按大小排序；更新粒子个体极值位置、邻域极值位置和全局极值位置；然后根据粒子公式更新粒子的速度及位置；并引入混沌扰动以更新粒子从而得到新的粒子种群；将新的六维粒子种群中每个个体的值分别代入适应度函数进行迭代计算，直到适应度函数的值达到要求或者迭代次数达到要求，即得到各辨识参数的最优解。