用于耐久性、零件表亚博微信vip群征和动态力学分析(DMA)的先进运动控制

本白皮书综述了使用动态力学分析(DMA)和相关测试应用来产生运动和施加在测试样品上的力的技术。关于典型类型的DMA测试，请参阅图1。

一般来说，在研究材料时，有一个兴趣是了解它们的动态模量(弹性、抗拉强度等)，它描述了材料中的应力和应变之间的关系。当研究小部件(减震器，橡胶支架等)时，通常感兴趣的是小部件在各种操作条件下的耐久性。这两种测试都考虑特定的工作点和频率、温度和/或位移范围。

从根本上说，这些测试是通过将样品放入一台机器来进行的，该机器将:

• 向试样施加力并测量位移。施加的力可以是静态的或频率变化。
• 导致位移和测量力。通常，位移越过频率和/或距离范围。
• 在一些情况下，还测量或控制试样运动的速度和加速度。例如，可以期望将施加恒定加速度的变化位移的频率扫描，可以是可能的被测单元（UUT）。

传统上这些应用程序使用伺服液压解决方案 - 执行器和控制器。亚博登录平台除了电动解决方案提供的“绿色”因素之外，使用电动执行器和伺服控制器还注意到使用电动执行器和伺服控制器提供了不可能的特性，以提供伺服液压解决方案。亚博登录平台这并不意味着电源解决方案优于所有应用中的伺服液压。亚博登录平台与大多数工程决策一样，最好的解决方案取决于具体要求。

动态力学分析(DMA)	DMA以循环的方式对样品(如橡胶)进行小的线性运动。已知应力的强度，并测量了试样的应变。
动态机械热分析（DMTA）	DMTA与DMA相同，但它还模拟测试期间的环境条件（例如，UV固化，盐水，胃酸，高或低温等）。
热机械分析（TMA）	TMA包括以恒定的静力伸展样品，然后加热或冷却它以检查变形。
疲劳试验	疲劳测试模拟了部件的使用和磨损，以提供估计的寿命。它以循环方式施加线性运动。许多消费产品已经测试过疲劳（例如，阻尼器，键盘，智能手机，鞋等）。
拉伸试验	拉伸测试包括缓慢增加施加到样品的力（张力）直至样品发生故障。

要考虑的设计因素

为了正确地确定材料或零件的特性，重要的是要在一个完美的正弦模式中创建运动或施加力。正弦运动/力的“质量”取决于执行器、测量装置、机架机械结构和所使用的控制器。

根据具体的应用，电动，伺服液压或压电驱动可能是最好的。设计系统时需要考虑的因素包括：

• 施加力的幅度
• 所需的位移量
• 运动的频率
• 需要位移测量的分辨率
• 控制架构

许多制造和测试设施的当前趋势是“更环保”。这导致最终用户寻求传统伺服液压解决方案的替代品。更高的性能始终是竞争力的关键，因此需要更复杂的运动轮廓，并且需要更低的力分辨率和更好的力控制。

两种运动类型通常用于样品或UUT:

• 正弦运动
• UUT将在操作中体验运动的副本

正弦运动

需要正弦运动来理解UUT的频率响应。更高性能的系统要求更高的频率测试和更好的正弦信号来刺激UUT。通常，相位并不重要，但振幅和正弦波保真度至关重要。在这种情况下，总谐波失真(THD)可以用来测量正弦波保真度。实现这种运动不是通常的控制问题最小化跟踪误差，而是确保一个完美的正弦波适用于UUT在感兴趣的频率范围。所用的算法和调优技术将有所不同。当调整为低伺服误差更高的带宽通常是更好的;然而，为了实现低THD，环路整形可以更有效。所使用的控制器与驱动技术一样重要。例如，如果执行器是完美的(没有齿槽变形，没有摩擦，没有力的限制)，但命令的运动是不完美的，结果将同样不完美，测量将是不正确的。

复制操作

在复制MOTION UUT将在实际操作中经验时，必须在UUT操作期间收集数据，然后在机器上重播。这里轨迹生成和控制器采样时间适当地表示动作至关重要。在播放测试中，相位比在正弦波测试中更重要，并且通常机器设置优化了传统的伺服跟踪错误。在播放模式中，复制UUT在操作中经历的运动通常是重要的（有时在多个方向上 - 轴的多个运动轴）以完全表征UUT的耐用性和操作。在正弦波测试中，通常测量材料属性，并且正弦波（但不是相位）的保真对于该计算很重要。可以测试两者的机器需要一个灵活的控制器，可以快速更改不同操作模式的参数集。

适用的位移和力的准确和重合测量对于准确的模量来说很重要，以及了解UUT如何在实际使用中响应。因此，不仅需要具有正确的致动器，而且是可以同时，连续地和充分的分辨率进行采样的适当仪器（用于位移和力的反馈装置）（用于位移和力的反馈装置）。为了适应两种类型的测试，控制器应该足够灵活，可以快速切换机器设置以测试各种特性的各种样本。测试各种样本通常意味着更大的位移要求以适应一系列UUT。含义是，机器的动态响应必须在旅行中的任何点处等同于那个机器设置很快。

图1描述了每种适用技术的典型范围。伺服液压设计是组合的(例如，单级和双级伺服执行器)。然而，显示了几个电动执行器。

最容易比较的参数是位移。超过600微米的位移消除了压电驱动器，超过10厘米的规则排除音线圈。滚珠丝杠驱动的驱动器限制在30厘米左右。直线电机和伺服液压都能够实现5.0米的位移，这足以满足99%的DMA应用。要求高于50kn的力的应用需要伺服液压解决方案。亚博登录平台铁芯电机适用于50 kN以下，无铁电机适用于10 kN以下。

最高频率(1300赫兹)可以通过压电驱动器获得，然后是无铁电机和1000赫兹的音圈。伺服液压系统通常限制在100赫兹。

最小的位移分辨率，0.3 nm，是可实现的压电驱动器，然后1 nm实现的任何伺服电机技术。

一般来说，非常高的力应用需要伺服液压解决方案，而非常高的频率，小位移应用需要压电驱动器。亚博登录平台10kn以下电机技术是最佳的。选择哪种电机技术-无铁，铁芯，或音圈-取决于所需的位移和运动质量。无铁电机将产生更好的质量运动比铁芯电机和任何旅行超过10厘米消除音线圈。

技术评论

机电解决方案亚博登录平台

采用旋转电机作为系统输入，在机电驱动中通过旋转运动到直线运动的机械转换来完成直线运动。将旋转转换成直线运动的最常用技术有:

• 曲轴和杆
• 铅螺杆或球螺杆系统
• 皮带和滑轮
• 齿条和齿轮
• 齿轮

这些系统的主要优点是他们的价格。没有用于这些应用的旋转电机都是与类似的直接驱动线性电机一样昂贵。这些机电致动器适用于较低的性能，较少的通用分析仪。

机电执行器的限制包括：

• 对可变测试的灵活性较少
• 反弹等机械误差
• 由于磨损，使用寿命有限
• 应用线性运动中的干扰
• 可怜的准确性
• 具有双编码器的复杂反馈系统
• 较大的结构，以隔离诱导振动
• 位移限制为30厘米

直接激励线性驱动

直接驱动系统不需要旋转到直线运动的机械转换，因此不会受到机电解决方案固有的问题。亚博登录平台没有必要将旋转转换为直线运动，因此没有必要齿条和小齿轮或齿轮或皮带和滑轮。直线运动是由磁场和永磁体的相互作用产生的。有几种类型的直接驱动线性驱动器可用:圆柱移动磁铁，扁铁芯和无铁，和u型通道无铁直线电机。

圆柱形移动磁铁线性电机

圆柱形移动磁铁线性电动机是第一电磁线性电机，以找到重要的商业应用，因为它们与液压缸具有相同的形状，使其易于更换。它们与磁性执行器（音圈）相同的方式，但具有复制数量的线圈以延长行程。

圆柱形移动磁体线性电动机的常用局限性是齿轮齿轮扭矩和焊剂泄漏。齿槽扭矩，也称为“无电流”扭矩，来自Forcer的磁通量和铁芯。它导致运动中的扰动，在某些情况下，产生大的摩擦力，防止小移动。当手动移动电机时，甚至可以观察到齿轮扭矩，因为在试图防止小力被应用于软测试材料时可能发生。齿槽扭矩可能会根据机械分析仪的频率范围和位移要求排除该电机的使用。

漏磁是指磁场的不封闭。这应该仔细考虑，特别是当其他组件或样品对磁场敏感时。

圆柱形移动磁体线性电动机的主要优点是它们是紧凑的。轴承通常与电动机成一体，并且它也可以实现比无铁线性电动机更高的力。

u型槽无铁直线电机

两个平行的磁铁轨道，在它们之间运行的无铁模板形成U沟道线性电机。器件设计必须具有轴承系统，以处理所需的负载并保持磁体轨道之间的蜗杆。可以将磁轨添加在一起，以便更长的行程。流离失所仅限于：

• 电缆管理
• 编码器长度
• 能够加工长，平，硬结构
• 机器尺寸
• 轴承长度

与圆柱动磁直线电机相比，u型通道直线电机的设计是为了减少漏磁。该力由线圈和环氧树脂制成，质量减小，允许非常高的加速度，这对疲劳测试是有用的。这项技术的关键优势是，由于无铁设计，没有齿槽力。这带来了以下优点:

• 没有动力时可以手动移动核心
• 在任何速度都没有经历过运动障碍
• 没有最小的力限制 - 可以应用非常小的力量
• 没有最小位移
• 自由设计用于指定使用的轴承系统
• 更高的准确性和重复性
• 没有吸引力的力量 - 需要比铁芯电机更低的成本轴承
• 由于没有吸引力而等于较低的轴承较少等于较低的所有权成本

该电机的缺点是：

• 更高的武力比率
• 垂直操作可能需要机械刹车

铁芯直线电机

这个系列的电机有一个轨道与一排磁铁，并与线圈安装在一个铁层压板集中磁通量对磁铁。电机中铁的存在放大了力的产生，但也引起了力和磁铁轨道之间的吸引力。这就引入了导致运动误差的齿槽力。这种电机的另一个变种是槽设计，线圈绕组被插入到一个钢结构，以创建线圈组装。这也显著地增加了力输出以及齿槽效应。

使用铁芯线性电机的缺点是：

• 齿槽扭矩，也称为“无电流”扭矩，来自Forcer的磁通量和铁芯。它导致运动中的扰动，在某些情况下，产生大的摩擦力，防止小移动。当手动移动电机时，甚至可以观察到齿轮扭矩，因为在试图防止小力被应用于软测试材料时可能发生。齿槽扭矩可能会根据机械分析仪的频率范围和位移要求排除该电机的使用。
• 漏磁是指磁场的不封闭。这应该仔细考虑，特别是当其他组件或样品对磁场敏感时。

根据最终应用，可以在需要高力时使用这些电机。尽管如此，齿槽将导致赋予UUT的运动的问题，因为它将增加或减去施加不正确的动作的力。然而，如果位移相对于电动机的杆间距非常小，则齿槽不会对行驶距离的运动产生显着影响 - 基本上齿槽力将是恒定值。但在这种情况下，控制器必须能够消除恒定的力干扰。此外，如果在机器中放入用于测试的不同尺寸UUT，则施加的常量齿槽力的量将是不同的，因为动态测试将在相对于电循环的不同位置发生。为了帮助减少这种现象，磁铁可能是倾斜的，但这不会完全防止齿槽。

声音线圈

音圈在与线性电动机上相同的原理工作，而是由一个线圈和两个磁铁（即一个电气循环）组成。音圈易于控制，但提供有限的行程，并且随着位移的增加而遭受功率的降低。语音线圈适用于不需要大幅度但高频，特别是对于DMA的应用。电动振动器通常是基于语音线圈的系统。

压电执行器

压电执行器利用压电晶体的物理特性。在这种情况下，对晶体施加电压使晶体膨胀，产生线性运动。这些驱动器是高度可靠的，适合亚微米精密应用在极高的频率。与电机技术相比，压电技术比较昂贵。

伺服液压系统

这项技术多年来一直是该行业的主营。伺服液压需要非常高的力测试，如硬质材料或大型工业部件（例如，完整的飞机着陆齿轮），频率小于100 Hz。缺点是：

• 在逆转运动期间，在低力水平测量下强制扰动尤其明显
• 由于间隙、滞后和油对老化的敏感性，精度和重复性较低
• 内部（软管，分销商，蓄电池等）和您的设备周围的极端空间预算（例如，库存，液压动力单元等流体桶）
• 高额拥有成本（例如，需要油替换和基础设施）
• 肮脏 - 每个液压系统都泄漏

无铁线性电动机的能力

这是DMA中使用的最新技术，本文给出了一些数据，以突出这些电机的性能。图7到10显示了频率、速度、加速度和力输出的帕累托曲线。使用BLMX-502-B电机(参见附录a中的数据表)，在低频位移超过1.0米和位移0.2毫米在300hz可以实现。其最小和最大速度和加速度范围从0m /s到50m /s，低频3.6g到高频39g，位移较小。一个电机的连续输出力是1600n。直线电机的一个优点是，它们可以组合在一起来产生更多的力。例如，将四个电机组合在一台机器上产生的持续力为6400 N，峰值力为25600 N。

图10比较了伺服液压和线性电机解决方案的位移VS频率。亚博登录平台在中间频率（40 Hz至90 Hz）和位移（0.8mm至3mm）中，两种技术都产生了相同的运动。然而，在较高的频率下，线性电机技术在可以达到的频率下（低于1mm位移）。

伺服控制器的功能

直线电机需要一个伺服控制器。DMA机的质量和性能同样受到控制器和放大器的选择的影响。当选择一个控制器时，应该考虑控制律-结构是否通过包含前馈控制和干扰抑制来最小化跟踪误差?采样时间必须足够快，不仅用于伺服回路计算，而且用于放大器开关频率和直线电机的换相。为了产生300hz的高保真振荡，轨迹必须有足够的点，并且驱动命令必须足够快地计算出来。

超越基础知识，控制器的算法有用于优化输出正弦曲线？例如，高级时变滤波器可用于消除运动中的不需要的谐波。使用谐波消除滤波器可以提供正弦波保真度的急剧改善，如图11和12所示。图12示出了使用谐波消除滤波器时的位置误差较小。这导致在所需频率下更高的保真正弦波。

在考虑频率范围的频率范围内，控制器的调谐能力也很重要。例如，测量机器的频率响应（BODE图）并能够循环凸形图以满足频率范围内的特定增益和相位标准，可以降低总谐波失真（THD），从而导致更高的保真正弦波在兴趣的频率。

另一个控制器考虑因素是可以使用的反馈设备的分辨率。两个常见的编码器是TTL和放大的正弦（AS）编码器。TTL在乘法后的分辨率较小而不是编码器。具有乘以作为非常精细分辨率（例如2nm）乘以信号的控制器将改善系统的控制并允许达到更高的频率。亚博登录平台

图13使用带有TTL编码器的线性电机，图14使用与作为编码器的相同的系统（线性电机，轴承和控制器）。使用TTL编码器的系统可以产生高达152 Hz的运动，而使用AS编码器的系统可以产生高达318Hz的高保真运动，而TTL频率范围的双倍多。

对控制器的最后一次考虑是其实时从多个传感器收集数据。在力和位移（以及有时速度，加速度，温度）的相同采样时间处捕获的精确测量是对这些计算来表征UUT的关键输入。考虑的其他因素是解决测量，样本期，以及可以收集许多样本。

结论

新的DMA和测试机器正在快速采用线性电机技术，用于要求施加的力量10 kN和下方的新设计，同时不会将任何力波纹引入到从DC到1000Hz的频率的运动中。这些提供比伺服液压系统的“更环保”的设计，同时在竞争价格点提高机器性能和能力。在低力应用（≤10kN）中，可以达到比传统伺服液压机更好的THD频率。当高保真力轨迹和/或低分辨率力量应用是目标，无氧线性伺服电机是最佳选择。但是，这种性能不是使用线性伺服电机的结果。该技术必须与正确的反馈，控制（环路结构，算法和轨迹生成）和仪器相结合，以实现卓越的结果。了解更多有关这些技术及其在DMA和测试访问的申请或与我们联系+ 1-412-963-7470。

参考

^{1.图1中的数据基于Aerotech对闭环解决方案的市场研究。亚博登录平台}