液压缸试验台计算机控制系统的设计.pdf

第 4 期 总 第 1 6 1 期 2 0 1 0年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MATI oN NO．4 Aug． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 4 0 1 4 9 0 3 液压缸试验 台计算机控制 系统 的设计 张晓 东，苏 东海 沈 阳_T - 业大 学 机械 工程 学院，辽 宁 沈阳 1 1 0 0 2 3 摘要 为保证 液压缸 产品质量 ， 设计 了精度 高、功能全面、操作方便 的液压缸 试验 台。 介 绍 了液压缸试验 台计 算机控制 系统 的设计 、P L C在液压缸试验 台的应用 以及计 算机 对模拟信号的采集 与处理 关键词 液压缸 ；试验 台；P L C；控制 系统 中 图 分 类 号 TP2 7 3TH1 3 7 ． 5 1 文 献标 识 码 A 0 引言 液压 缸是 液压 系统 中的主要 执行 元 件 ，其 性 能 的 优 劣直接 决定 了整 个液 压 系统 的工作 性 能 。液压 缸 的 试 验与 检 测成 为保 证 液 压 系统 正 常 工作 的重 要 手 段 ， 而作 为液 压缸 的测 试装 置 ，液压 缸试 验 台对液 压缸 的 质量起关键作用 。由于传统液压缸试验台存在着精度 不足 、工 作效率 低 等缺 陷 ，因此 ，对 其性 能 的精确 检 测和控 制 系统 的智能 化设 计 已成 为 当今 液 压缸 试验 台 设计 的主要 目标 。 本 液压 缸试 验 台采用 P L C控 制液压 系统的动作过程 ，计算机通过数据采集卡对液压系统 的模拟量进行控制、 采集 ， 运用 Vc 编程实现人机操 作界面、计算机与 P I C的串口通信等。 该设计充分降 低 了系 统 的误 差 ，全 面提 高 了液 压 缸试 验 台的 自动化 程 度 。 1 液压 缸试 验 台的结构 和 功能 1 ． 1液 压缸试 验 台的 组成 本 液 压缸试 验 台主要 由液压试 验 系统 、电器控 制 系统 和测量 显示 系统 组成 。 液压试 验 系统包 括 主试验 液压 系统 和辅 助 试验液 压系统 。 主试验液压系统主要 由油泵电机组、 油箱、 支 架、电机泵组底座、集成阀块、管路等组成 。辅助试 验液压系统主要由独立的油液旁路过滤系统、回油精 细过 滤 系统 、 试验 油缸气 动集 油装 置 及控 制 阀等组 成 。 被试 油缸 完成 试验后 ，通过气 动 排油 将油 缸 内的液 压 油排到集油箱内，通过液位传感器控制 ，自动或手动 将 油 过滤后 排 回主油 箱 。 电器控制 系统 主要 由 电气 安装 柜 、控 制按 钮等 组 成 。 试验程序由 P I c控制 ， 实现试验所要求的各项动 收稿 13期 2 0 0 9 一 一 0 6 ；修回 日期 2 0 1 0 - 0 2 2 4 作者简介 张晓东 1 9 8 3 ～ ， 男 ， 辽 宁沈 阳人 ， 在读硕 士研究 生。 作和 安全 防护设 置 ，以及 自动 换 向 、 自动计 数 、保 压 延时等功能。操作方式有调整、手动、自动 3 种方式。 测量显示系统主要 由计算机、计算机接 口、传感 器 及数 据 指示仪 表 、打 印机 、 操 作 台等组 成 。 首 先 ， 测 量 液压 缸 两腔 的耐 压试 验 压力 、 前腔 的最 低启 动 压力 、 试验流量、油液温度等数据 ；然后完成对试验数据的 采集、处理及试验报告的打印和存储等 。可实现 自动 测量 ， 自动 显示 。 1 ． 2 液压缸 试 验 台的 功能 液 压缸试 验 台 的检测 项 目包 括 试运 转 、启动 压 力特 性试 验 、耐压性 试 验 、耐 久性 试验 、内泄 漏试 验 、 外泄漏试验、缓冲试验、负载效率试验、行程检测 。 液压 系统 采用 了电液 比例 控制 技 术 ，包 括 电液 比 例 流 量变 量泵 、 电液 比例 溢流 阀 ，可对 液压 缸 和液压 回路的流量、压力进行实时控制 ，极大地提高了系统 的控制 精度 。由于 在试 验 过程 中 ，油温 的波 动不 得大 于 2 C，故油 温控 制 在5 O C2 C，系统采 用 P I C通 过 2个开关量分别控制冷却器和加热器 ，用于液压缸 的保 温 作用 。当试 验压 力 大于 3 1 ． 5 MP a 时 ，采用 独立 的高压油源 超高压泵 ，并通过快换接头使被试缸与 原系统脱离 ，由超高压泵单独供油 ，超高压泵的最高 压力 由溢流阀限定 ，对 于大功率的高压泵电动机 ，采 用 Y一△启 动 。 在耐 久性 试 验 、 耐压性 试 验 中 ， 对 于对 顶装置提出了非常严格 的要求 ，必须保证两液压缸在 运动中严格 同心 ，不能 出现偏载，若偏载则可能使两 液 压缸 报废 ，造 成不 必 要 的损失 ，为此 ，设 计 了一个 导轨液压缸安装架 ，由含有拉力传感器的导向块 、液 压 缸平 台等 构成 对顶 装 置 ，导 向块在 导轨 中滑动 。为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年第 4 期 了保 证 其 良好 的摩 擦性 ，导 向块 在导 轨 中的滑 动部分 采用 锡青 铜材 料 ，而 导轨则 采用 铸铁 材料 。 2 计算 机控 制 系统 的设计 2 ． 1 计 算机 控制 系统的通 信 在计算机与 P I c通信时 ， 为了避免通信 中的各方 争用通信线 ，一般采用主从方式 ，即计算机作为上位 机 ， 进行 集 中监 控 ， 完成 可视 化人 机操作 界 面 、 图形显 示、数据库、通信及联 网等等 ；P I C作为下位机，则 循环地读人设备信号 ，并进行逻辑判断操作 ，输出控 制信 号控 制设 备运 行 。 本 试验 台利 用 P I C厂 商 所 提供 的标 准 通信 端 口 和 由用户 自定义的 自由口通信方式来实现 P I c与计 算机的通信 。使用 Vi s u a l c 6 ． 0提供的 A c t i v e X 串 口通信控件 MS C o mm 开发 串口通信。整个通信由上 位机触发开始 ，计算机通过 C OM 口发送指令到 P I c 的 P O RT0 或 P ORT1 1 3， P I C通过 R C V 接收 指令 ， 然后 对指令 进行 译码 ， 译码后 调 用相应 的读 ／ 写子 程序 实现指令要求的操作 ，返回指令执行的状态信息 。 2 ． 2计 算机 对 试验 台的控 制 上位 机 选 用 台 湾 研 华 公 司生 产 的 工 控 机 I P C一 6 1 0 ；下位 机选用 西 门子 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6 ，它 提供 2 4 路开关量输入 、 1 6路开关量输 出。 本试验台有 1 4路 开关 量输 出和 5路模 拟 量输 出 ， 由 P L C对试 验 台的开 关 量进行 过 程控制 。 由于 P I C模 拟量 扩展模 块在模 拟 量 控制 与数 据采集 时存 在响应 速 度慢 、信号 不稳定 的 问题 ，本控 制系统 选用 台湾研 华 公司 生产 的数据采 集 卡 P C I 一 1 7 1 1对 试验 台模 拟 量 进行 控 制及 数据 采集 ， 从而提高了响应速度与信号的稳定性 。计算机控制系 统 框 图如 图 1所示 。 图 1计 算 机 控 制 系统 框 图 信号调理模 块对传 感器检测 的信号进行信号调 传 回至上位机。 理，以改进测试质量和稳定性。信号调理模块包括信 2 ． 3 主要试验项 目的控制 号放 大 、隔离 、滤 波 、激 励 、线性 化及 多路 转换 与扩 2 ． 3 ． 1 启 动压 力特性 试验 的控 制 展等 功能 。 计 算机 通过 数据 采集 卡控 制 电液 比例溢 流 阀，使 P I C 控 制 液 压 缸 试 验 台 上 5个 泵 的启 动 和 各 个 无 杆 腔压力 逐渐 升高 ， 至 液压缸 的活塞杆 刚 刚启 动 时 ， 换 向阀的换 向，并对冷却器和加热器进行控制。上位 由光感应开关检测发出开关量信号 ，压力传感器将测 机驱动板卡对电液 比例变量泵、电液比例溢流阀等模 量的压力信号传给信号调理模块进行信号调理 ，再 由 拟量元件进行控制 ，压力传感器、温度传感器等的模 数据采集卡采集 ，并传回计算机 ，计算机经过滑动平 拟量信号经信号调理模块调理后 ， 由数据采集卡采集， 均滤波处理 ，将数据输出，即为最低启动压力。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 4期 机 械 工 程 与自 动 化 1 5 1 2 ． 3 ． 2 耐压 性 试验 在 人 机 界 面 中设 定 压 力 值 液 压 缸 工 作 压 力 的 1 ． 5倍 ，并设定2 mi n 耐压时问。计算机将2 mi n 传给 P I C， 接通延时定时器， 通过数据采集卡控制电液比例 溢流阀，使液压缸活塞运行到缸的一端 ，并逐渐升高 腔内压力 ， 直到采集回来的压力值与设定压力值相等， 保持腔内压力 ， 同时 ， P I C接通延时定时器开始计时， 2 mi n 后接通延时定时器常开触点 ， 发出信号 ， 开始卸 载 ，试验完成。 2 ． 3 ． 3耐久性 试验 在人机界面中输人液压缸额定压力值 、液压缸设 计要求的最高速度， 设定耐久性试验的时间为8 h 。 通 过 电液 比例 溢流 阀控制 液压 缸 的压力 ，使其 稳定 在额 定压力 。 通过 电液 比例 变量泵 控 制液压 缸 的运行 速度 ， 使其达到最高速度 ，由流量传感器测量的信号经信号 调理、 采集 ， 传回计算机。 计算机将流量信号处理 ， 换 算成速度值 ，再与输入的最高速度值进行 比较 ，计算 机根据差值控制电液比例变量泵 。此闭环控制使速度 误 差控 制在最 高速 度 的1 O 。 P I C通 过光 感应 开关 对 液压 缸活塞 杆进 行检 测 ，实现 自动换 向 和计数 器计 数 ，并将数据传回计算机 。试验开始时，当液压缸达 到额定 压力 时 ，P I C定 时器开 始计 时 ，计数 器开始 计 数 ，8 h 后试 验结束 ，P I C发 出信 号 ，液 压 系统 卸 载 ， 计算机对数据进行处理 ， 计算出累计行程 ， 试验完成。 2 ． 3 ． 4内泄漏 试验 在 内泄 漏试 验 中 ， 由于液压 缸 内泄漏 量相对 较 小 ， 约为0 ． 1 I ／ mi n O ． 5 L ／ rai n ，不宜采用容积式流量传 感器，可通过测量液流充满精确标定容积的时间定 出 该时间内的平均泄漏量 。计时采用光点开关 ，可提高 测 量 的精 度 。通过 计算 机设 定好 标定 的容 积 ，试验 开 始 ， P I C定时器开始计时 ， 当液压油充满标定容积时， 光点开关发出信号 ，试验结束 ，计时器将数据传回计 算机 ， 计算机通过标定容积和计时时间算出内泄漏量。 3结论 本文主要介绍了液压缸试验 台的结构功能、计算 机控 制系 统 的设 计 、 计 算机 与 P I C 的通信 方法 以及 主 要试 验 的控制 方式 。 本 液 压缸试 验 台采用 P I C控制 试 验 台的动 作过 程 ，模拟 量 由数据 采集 卡采集 ，使 液 压 缸试验 台的 自动化程度得到较大提升 ，与传统液压缸 试验 台相 比 ，不 仅 提高 了工作 效 率 ，并 且提 高 了试验 台 的精 度 和稳定 性 。 参考 文献 [ 1 ] 雷天觉． 液压工程手册E M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 许 贤 良， 王传礼 ． 液 压传动 E M] ． 北京 国防工业 出版 社 ， 2 O 06． E 3 ] 周韧研 ， 商斌． Vi s u a l C 串 口通信开发入 门与编程实践 E M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 廖 常初． s 7 2 0 0 P L C编程 及应用 E M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． E s - I 罗 肖华． 计算 机数 据采集 系统 的信 号调理 实现 方法 E J ] ． 山西 电子技术 ， 2 0 0 2 2 2 2 2 3 ， 4 4 ． [ 6 ] 曾良才 ， 陈奎生 ， 湛从 昌． 高 精度液 压缸试 验台 [ J ] ． 工程 机械 ， 1 9 9 6 1 1 0 1 2 ． De s i g n o f Co m p u t e r Co nt r o l S y s t e m o f Hy d r a u l i c Cy l i nd e r Te s t be d ZHANG Xi a o d on g， S U Dong ha i S c h o o l of M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g， S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy，Sh e n y a ng l 1 0 0 23 ， Chi n a Abs t r a c tTo en s ur e t he q ua l i t y o f hy dr a ul i c c yl i nd e r s，a hi g h pr e c i s i o n，f ul l f u nc t i on hy dr a ul i c c yl i n de r t e s t be d i s de s i g ne d．Thi s pa p e r i n t r od uc e s t he d e s i gn o f c omp ut e r c o nt r o l s y s t e m of t he hy dr au l i c c y l i nde r t e s t - be d。 a nd t he a pp l i c a t i on o f PLC i n t he hy dr a ul i c c yl i n de r t e s t be d，a nd t he a c qui s i t i o n a n d pr oc e s s i n g o f a na l og s i gna 1 ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ；t e s t b e d；P LC ；c o n t r o l s y s t e m ， ， ， ， ， ， ， ， I ， l l ’ ， ， l l ， l ， l ， ， ， ’ ’ ， ● ， ， ， ， ， l ， l ， ’ ’ ’ l l ， ， l l l l ， ， ， ’ ， ’ l l ’ ● m’ ’ l ， ， ’ ’ ， ’ ／- 接第 1 4 8页 Re f o r m De s i g n o f Co nt r o l Ci r c u i t o f M ud S c r a p e r i n W a t e r Pu r i f i c a t i o n W o r k s ho p QI AO Do n g k a i ，ZHAO Ke ，L I Du o mi n Co l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，M a o mi n g Uni v e r s i t y， M a o m i n g 5 2 5 0 0 0 ， Chi n a Abs t r a c tDue t o s ys t em d e f i c i e n c i e s，t he t r a ns mi s s i o n c ha i n o f mud s c r a p e r i n wa t e r p ur i f i c a t i o n wo r ks hop i n M ao mi ng Et hy l e n e Fa c t o r y i s o f t e n p u l l e d o f f ． Th i s p a p e r p r e s e n t e d a n e w c o n t r o l c i r c u i t wh i c h i mp r o v e d t h e s t a r t me t h o d b y a i n v e r t e r a n d mo p i t o r e d t h e of f c h ai n au t oma t i c a l l y， t he r e l i a bi l i t y a n d s t a bi l i t y o f t he s y s t e m wa s gr e a t l y i mpr o ve d． Pr a c t i c e ha s pr o ve d t ha t t he de s i g n f u l l y mee t t he p r e d i ct ed r e q ui r e me n t s ． Ke y wor dsmud s c r a pe r； c o nt r o l c i r c ui t ； d e s i gn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m