本发明属于摩擦试验机领域，特别涉及一种位置模式下的伺服电机压力和间隙控制装置，可以为低吨位板材摩擦试验机的压力和模具间隙提供高精度高稳定性控制。
背景技术：
冲压过程中摩擦系数测定和摩擦润滑分析等精准摩擦状况的研究离不开准确的压力和模具间隙控制装置。现有国内外摩擦测试控制装置大多数采用液压控制压力，在铝合金摩擦测试所要求的小载荷范围内存在控制压力不稳定，无法定性和定量评估铝合金板与模具之间的摩擦行为。针对铝合金冲压，迫切需要低吨位高精度高稳定性摩擦试验机压力控制装置。
伺服电机具有高精度、快速响应特点。伺服电机有力矩和位置控制模式，通过试验研究发现，在500-2500n范围内，位置模式随着设定力值的增大，控制效果变好，但对比力矩模式下的波动范围仍较大，可对机械传动系统进行改进或是控制模式内部优化；但摩擦试验系统还需高精度间隙值控制，若使用力矩控制模式，间隙值的控制需根据力矩值来写控制程序，控制轴的位移量，并且要考虑速度、加速度、软限位等问题，且单位力对应更小的位移变化量，控制难度较大。
中国专利cn109623134a公开了一种位置控制模式及力控制模式交互作用的轴向摩擦焊接装置以及摩擦焊接工艺，该专利使用液压伺服系统作为动力源，执行力控制模式时控制力，执行位移控制时控制位移，实现了力进行精确控制和位移数据的精确监测。但该专利采用的液压系统存在易漏油、结构复杂、制造成本高等问题，并且在铝合金摩擦测试所要求的小载荷范围内存在控制压力不稳定的问题。
中国专利cn31200u公开了一种用伺服电机实现压力、位移控制的摩擦焊机，该专利使用伺服电机的力矩控制模式控制压力，使用伺服电机的位置控制模式控制位移，其控制过程免去液压、机械系统的层层转换，位移控制精度大于传统的液压位移控制。但该专利采用两种不同的控制模式控制压力和位移，由于伺服电机不可同时进行两种控制模式，因此两种控制模式在使用过程中需反复切换。对于既需要控制位移，同时又需要监测压力的场合则无法适用。
技术实现要素：
为此，本发明提供了一种适用于铝合金摩擦测试的小压力和间隙控制装置，使用伺服电机的位置模式，换用位移量来对压力进行控制，并通过例如碟簧的弹性件使系统特性曲线由纯刚性变为弹性，使得电机单位步距所引起的压力变化减小，在进行摩擦试验时为系统提供稳定可控的正压力和模具间隙。
根据本发明的一方面，提供了一种位置模式下的伺服电机压力和间隙控制装置，包括伺服电机、伺服驱动缸、力传感器、弹性件、上模具座、下模具座、位置传感器和控制模块，所述控制模块包括伺服驱动器、i/o系统和主控制器，所述主控制器主要包括plc、位置控制器、速度控制器和电流控制器，所述位置控制器、所述速度控制器和所述电流控制器控制形成伺服电机的内部编码器的位置环c；
所述伺服电机与所述伺服驱动缸的驱动端连接，所述伺服驱动缸的活塞杆的下端依次与所述力传感器、所述弹性件和所述上模具座连接，所述下模具座布置于所述上模具座的正下方且固定于工作台上，所述位置传感器刚性连接于所述上模具座；
所述位置传感器与所述plc连接，建立位置环d，所述伺服电机的内部编码器的位置环c与所建立的位置环d相结合组成位置控制双闭环，实现上模具和下模具的间隙控制；所述力传感器与所述plc连接，建立压力环e，所述伺服电机的内部编码器的位置环c和所建立的压力环e相结合组成力控制双闭环，实现所述上模具对试件的压力控制。
在一些实施方式中，所述弹性件可以为碟簧。
在一些实施方式中，所述位置传感器可以刚性连接于所述上模具座的侧面。
本发明还提供了一种利用上述控制装置实现位置模式下的伺服电机压力和间隙的控制方法，包括如下步骤：
s1：将上模具向试件移动时，使用绝对运动模块，根据位置传感器的清零位置，采用伺服电机的内部编码器的位置环c控制，控制伺服电机将上模具以速度v1运动到试件表面与所述试件接触；
s2：采用力传感器与plc连接而建立的压力环e控制，实现上模具对试件的压力控制，具体过程如下：
在上模具对试件进行压力加载阶段，使用相对运动模块，以力传感器的反馈值为条件，在实时压力小于设定压力的90％时，以速度v2利用伺服电机的内部编码器的位置环c进行压力加载，所述速度v2＜速度v1；
之后，在上模具对试件进行动态压力控制阶段，在力传感器测得的实时压力大于设定压力的90％时，相对运动模块将以速度v3进行压力加载直到到达设定压力，完成上模具对试件的力控制过程，其中，所述速度v3＜速度v2；
或者，采用位置传感器与plc连接而建立的位置环d控制，实现上模具和下模具的间隙控制，具体过程如下：
在上模具对试件进行压力加载阶段，使用相对运动模块，以位置传感器反馈实际位置值为条件，在上模具的实际位置未达到设定条件时，上模具以速度v2利用伺服电机的内部编码器的位置环c向下运动，到达设定位置后，上模具停止运动，完成上模具和下模具的间隙控制过程。
进一步，采用力传感器与plc连接而建立的压力环e控制，实现上模具对试件的压力控制时，根据所述弹性件的特性，在力传感器测得的实时压力大于设定压力时，压力卸载速度v4＜速度v3。
本发明的有益效果：
(1)本装置通过将伺服控制位置模式与外部力传感器和位置传感器结合，使用伺服电机的内部编码器的位置环和plc搭建的压力环相结合组成的力控制双闭环，实现1％的高精度稳定压力控制；使用伺服电机的内部编码器的位置环和plc搭建的位置环相结合组成的位置控制双闭环，实现了高精度模具间隙值控制；
基于上述实现的压力的高精度和高稳定性控制，本发明可以自动对试件施加试验设置压力值；在拉伸试件运动时，可以使压力值保持稳定；可以迅速精确地施加压力；可以准确监测实际试件的压力；
基于上述实现的精确控制模具间隙，本发明可以实时监测上模具与下模具的间隙值；试验时，可根据设定值保持模具间隙值，直到试验结束；可以使间隙值稳定，而不受试件厚度和表面划痕变化影响。
2)选用伺服电机替代液压控制作为摩擦测试压力控制装置，伺服电机具有高精度和快速响应的特点。
3)可以在铝合金摩擦测试所要求的小载荷范围内提供稳定可控的正压力和模具间隙。
附图说明
图1为本发明实施例的位置模式下的伺服电机压力和间隙控制装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的位置模式下的伺服电机压力和间隙控制装置的机械和传感部分的结构示意图。
图3为本发明的伺服电机双闭环控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明实施例提供的位置模式下的伺服电机压力和间隙控制装置，如图1和2所示，包括伺服电机1、伺服驱动缸2、力传感器3、碟簧4、上模具座5、下模具座6、位置传感器7、伺服驱动器8、i/o系统9、上模具10、下模具11和主控制器12。其中，伺服电机1、伺服驱动缸2、碟簧4、上模具座5、下模具座6、上模具10和下模具11组成机械部分，力传感器3和位置传感器7组成传感部分，伺服驱动器8、i/o系统9和主控制器12组成控制模块，其中，主控制器12主要包括plc13、位置控制器14、速度控制器15和电流控制器16，系统的控制还需要使用伺服电机的内部编码器17。
如图所示，伺服驱动器8与主控制器12相连，伺服驱动器8是用来控制伺服电机1的控制器。伺服电机1直接与伺服驱动缸2的驱动端相连，中间无减速机构，系统输出动态特性好。伺服电机1根据伺服驱动器8发出的位置指令和力矩指令输出转矩、转速、转动方向和转数，由伺服驱动缸2将转动变为直线运动输出力、位移和速度。
伺服驱动缸2的活塞杆下端直接与力传感器3和碟簧4相连，用于监测传动链的压力值。碟簧4直接与上模具座5相连。有利地，在力传感器3和上模具座5之间设置碟簧4，可以在伺服电机1使用位置控制模式来控制压力输出时，使系统特性曲线由纯刚性变为弹性，使得伺服电机1单位步距所引起的压力变化减小，便于压力控制。
位置传感器7与上模具座5刚性连接，直接测量上模具10的实际位置。应该理解，碟簧5在受压时产生的压缩会导致伺服电机1输出位移与位置传感器7位移不一致，因此无法将位置传感器7替代伺服电机1的内部编码器17添加到伺服驱动器8的内部闭环，而将位置传感器7固定于上模具座5，根据其监测值可以获得上模具10的精确位置值。
图3示出了本发明的伺服电机双闭环控制原理图，如图所示，为了对上模具和下模具进行高精度的间隙值控制，本发明采用位置模式对试件进行压力控制，位置控制模式下系统进行了位置控制器14、速度控制器15和电流控制器16的运算。
具体地，伺服电机1的控制一般为三个环控制，即，3个闭环负反馈pid调节系统。如图3所示，电流环a(最内的pid环)，此环中的控制器为电流控制器16。速度环b，由速度控制器15和电流控制器16进行控制，编码器17等传感器进行速度负反馈pid调节，其调节输出对应电流环a的设定，所以速度环b进行控制时应用了速度环b和电流环a。位置环c，由位置控制器14、速度控制器15和电流控制器16进行控制，可以用力传感器3也可以用位置传感器7作为负反馈来源，其内部输出为速度环b的设定。本发明在位置控制模式下进行了上述三个环的运算。
在使用位置模式进行压力和间隙控制时，本发明装置内部的控制共使用内部编码器17、位置传感器7及力传感器3三个反馈量，使用伺服电机1的内部编码器17的位置环c和plc13搭建的压力环e相结合组成的力控制双闭环，实现上模具10对试件的压力高精度控制；伺服内部使用编码器17做位置模式闭环c，位置传感器7的检测值在plc13做闭环d控制，组成位置控制双闭环，实现上模具10和下模具11的间隙高精度控制。
因此，本发明的装置可进行压力和间隙的高精度和高稳定性控制，下面以具体试件试验为例，详细说明本发明高精度和高稳定性压力和间隙控制步骤：
s1：在上模具10与试件接触阶段，设置试验间隙或力参数后，主控制器12发出运动指令经伺服驱动器8转换，信号以电流大小的形式到达伺服电机1，伺服电机1根据指令以一定的转数经伺服驱动缸2带动上模具10的运动，上模具10向试件运动时，使用绝对运动模块(指直接先快速向下运动到坐标系中的某一个特定点)，根据位置传感器7的位置(已清零)，采用伺服电机1的内部编码器17的位置环c控制，控制伺服电机1将上模具10以速度v1快速运动到试件表面与试件接触。
s2：采用力传感器3与plc13连接而建立的压力环e控制，实现上模具10对试件的压力控制，具体过程如下：
在上模具10对试件进行压力加载阶段，采用压力环e控制，即，使用相对运动模块(指受力控制，一点点的向下运动，直到运动到力满足要求，与坐标系中的绝对位置无关)以力传感器3反馈值为条件，力信号反馈到i/o系统9，经转换后以数字信号形式到达主控制器12，经逻辑运算与设定参数对比后主控制器12调整所发出的指令，在实时压力小于设定压力的90％时，以速度v2(v2<v1)利用伺服电机1的内部编码器17的位置环c进行压力加载。外部压力e和内部位置环c组成了力控制双闭环。
之后，在上模具10对试件进行动态压力控制阶段，力传感器3测得的实时压力大于设定压力的90％时，相对运动模块将以速度v3(v3<v2)进行加载直到到达设定压力值，不过根据碟簧4的特性实时压力超设定压力时，压力卸载速度应为小于v3的v4，由此可得到1％的稳定压力控制。
采用位置传感器7与plc13连接而建立的位置环d控制，实现上模具10和下模具11的间隙控制，具体过程如下：
当需要进行上模具10和下模具11的间隙精确控制时，在上模具10对试件进行压力加载阶段，使用相对运动模块以位置传感器7反馈的实际位置值为条件，采用位置环d控制，将位移信号反馈到i/o系统9，经转换后以数字信号形式到达主控制器12，经逻辑运算与设定参数对比后主控制器12调整所发出的指令。在上模具10的实际位置未达到设定条件时，上模具10以速度v2伺服电机1的内部编码器17位置环c向下运动，外部位置环d和内部位置环c组成了模具间隙控制双闭环，到达设定位置后，模具停止运动，完成控制过程。
本装置通过为摩擦试验机提供精确的压力和模具间隙值，实现了对铝合金摩擦较为准确的模拟测试，能够较精确的得到摩擦系数和评价润滑状态。经过大量的铝板试验，表明铝板摩擦试验所需的压力在2kn以内，现有的试验机基本采用液压控制压力，无法满足精度要求。本装置可以自动对试件施加试验设置的压力值，精度为±1％，压力在实施过程中迅速，当进行拉伸操作时，压力值保持稳定，可结合拉力得出试件的摩擦系数，精确的模具间隙和力值控制也可用于拉延筋试验，为板材成形工艺提供有效指导数据。此外，本发明装置对于进一步推广金属板材成形工艺和提高其成形质量有重要意义和价值。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。
技术特征：
1.一种位置模式下的伺服电机压力和间隙控制装置，其特征在于，包括伺服电机(1)、伺服驱动缸(2)、力传感器(3)、弹性件(4)、上模具座(5)、下模具座(6)、位置传感器(7)和控制模块，所述控制模块包括伺服驱动器(8)、i/o系统(9)和主控制器(12)，所述主控制器(12)包括plc(13)、位置控制器(14)、速度控制器(15)和电流控制器(16)，所述位置控制器(14)、所述速度控制器(15)和所述电流控制器(16)控制形成伺服电机(1)的内部编码器(17)的位置环c；
所述伺服电机(1)与所述伺服驱动缸(2)的驱动端连接，所述伺服驱动缸(2)的活塞杆的下端依次与所述力传感器(3)、所述弹性件(4)和所述上模具座(5)连接，所述下模具座(6)布置于所述上模具座(5)的正下方且固定于工作台上，所述位置传感器(7)刚性连接于所述上模具座(5)；
所述位置传感器(7)与所述plc(13)连接，建立位置环d，所述伺服电机(1)的内部编码器(17)的位置环c与所建立的位置环d相结合组成位置控制双闭环，实现上模具(10)和下模具(11)的间隙控制；所述力传感器(3)与所述plc(13)连接，建立压力环e，所述伺服电机(1)的内部编码器(17)的位置环c和所建立的压力环e相结合组成力控制双闭环，实现所述上模具(10)对试件的压力控制。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述弹性件(4)为碟簧。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述位置传感器(7)刚性连接于所述上模具座(5)的侧面。
4.一种利用根据权利要求1-3之一所述的控制装置实现位置模式下的伺服电机压力和间隙的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1：将上模具(10)向试件移动时，使用绝对运动模块，根据位置传感器(7)的清零位置，采用伺服电机(1)的内部编码器(17)的位置环c控制，控制伺服电机(1)将上模具(10)以速度v1运动到试件表面与所述试件接触；
s2：采用力传感器(3)与plc(13)连接而建立的压力环e控制，实现上模具(10)对试件的压力控制，具体过程如下：
在上模具(10)对试件进行压力加载阶段，使用相对运动模块，以力传感器(3)的反馈值为条件，在实时压力小于设定压力的90％时，以速度v2利用伺服电机(1)的内部编码器(17)的位置环c进行压力加载，所述速度v2＜速度v1；
之后，在上模具(10)对试件进行动态压力控制阶段，在力传感器(3)测得的实时压力大于设定压力的90％时，相对运动模块将以速度v3进行压力加载直到到达设定压力，完成上模具(10)对试件的力控制过程，其中，所述速度v3＜速度v2；
或者，采用位置传感器(7)与plc(13)连接而建立的位置环d控制，实现上模具(10)和下模具(11)的间隙控制，具体过程如下：
在上模具(10)对试件进行压力加载阶段，使用相对运动模块，以位置传感器(7)反馈实际位置值为条件，在上模具(10)的实际位置未达到设定条件时，上模具(10)以速度v2利用伺服电机(1)的内部编码器(17)的位置环c向下运动，到达设定位置后，上模具停止运动，完成上模具(10)和下模具(11)的间隙控制过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用力传感器(3)与plc(13)连接而建立的压力环e控制，实现上模具(10)对试件的压力控制时，根据所述弹性件(4)的特性，在力传感器(3)测得的实时压力大于设定压力时，压力卸载速度v4＜速度v3。
技术总结
本发明公开了一种位置模式下的伺服电机压力和间隙控制装置，其特征在于，包括伺服电机、伺服驱动缸、力传感器、弹性件、上模具座、下模具座、位置传感器和控制模块，所述控制模块包括伺服驱动器、I/O系统和主控制器，所述主控制器包括PLC、位置控制器、速度控制器和电流控制器。其中，位置传感器与PLC连接，建立位置环D，伺服电机的内部编码器的位置环C与所建立的位置环D相结合组成位置控制双闭环，实现上模具和下模具的间隙控制；力传感器与PLC连接，建立压力环E，伺服电机的内部编码器的位置环C和所建立的压力环E相结合组成力控制双闭环，实现上模具对试件的压力控制。
技术研发人员：李小强;孟庆阔;李东升;王烁
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：.09.09
技术公布日：.01.07
