基于模块化的液压缸试验台测控系统设计.pdf

3 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 第 7期 2 0 1 0年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 7 0 0 3 6 0 3 基于模块化的液压缸试验 台测控 系统设计 陈 军洪始 艮 华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广州 5 1 0 6 4 0 De s i g n o f t e s t a n d c o n t r o l s y s t e m f o r c y l i n d e r b e n c h b a s e d o n mO du l a r i z a t i O n C HEN J u n ， HONG S h i l i a n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a ； 【 摘 要l 为了 提高 液 压 缸}生 能 测 试系 统的自 动 化 程 度 和 通用 性， 在 详 细 分 析系 统 设计 要求 的 基 础 l 上， 设计了一种可扩展的液压系统， 然后， 建立了 其测控系统的三层体系结构， 并对其控制软件进行模块 l 化分析与设计。应用结果表明 试验台功能齐全、 自动化程度高、 通用性和扩展性好。 关键词 液压缸； 试验台； 自动测试系统； 模块化 ； 【 A b s t r a c t 】 ／ n o r d e r to i m p r o v e t h e a u to m a t i o n a n d u n iv e r s a l it y of t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r t e s t b e d ，l ；b a s e d o n t h e d e s ig n r e q u i r e m e n t ， a n e x te n d a b l e h y d r aul i c s y s t e m w a s d e s i gne d ， th e n。 t h r e e t i e r s y s t e m ； f r a m e w o r k f o r t h e c o n t r o l l i n g s y s t e m W as e s t abl i s h e d ， a n d t h e m o d u l a r i z ati o n of t h e s o f t w a r e w as a n a l y z e d a n d d e v e l o p e d ． A p p l i c at i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d s y s t e m h a s f u l l atu r e ， h i g h aut o m a t i o n ， g o o d y a n du n i v e r s a l i t y a n d e x pa n s i b i l i t y ． l K e y w o 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 ； A u t o t e s t s y s t e m； Mo d u la r i z a t i o n l 中图分类号 T H1 2 ， T H1 3 7 文献标识码 A 1 引言 液压缸作为液压系统的主要执行元件， 其综合l 生 能不仅决定 了系统的可靠性， 而且影响着设备的正常运转和维护， 因此， 通过 有效的检测手段对液压缸的综合性能进行评价具有非常重要的 意义f 。 目前国内外液压行业生产厂家， 均有相应的试验台， 其中大 部分是手I； b - 操作的。 这种平台结构简单、 成本低廉， 但是劳动 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 0 强度高、 读数误差大、 效率较低， 难以检测液压缸的动态性能n 】 。 近 年来， 有许多文献对试验台自动检测系统进行了研究， 如文献等【 1 研制了基于 P I D控制策略的液压缸综合试验台测控系统， 并运用 MA T L A B对被测液压系统进行了动态仿真； 文献_3 J设计了基于通 用计算机平台与嵌入式技术融合的二级架构方案的液压缸自动 测试 系统 ； 文献p 噪用 了电液 比例技术的改造方案 ， 研制了液压缸 试验台的液压系统和控制系统。但是这些系统使用范围比较有 电机输出的辅助驱动转矩 变量 m e t r q o u t a ， 如图 6 所示 。 可以观察到在道路循环要求汽车加速时，电机均提供辅助驱动 减速、 停车时， 电机回收制动能量。 仿真结果， 如表2所示。依据“ 十五” 期间国家 8 6 3 计划电动 汽车重大专项制定的混合动力轿车最低技术指标[5 1 ， 所设计轿车 的动力性能指标 0 ～ l O 0 k m ／ h的加速时问t ≤1 5 ．5 s ； 车辆最高车 速 ≥1 6 0 k m ／ h ； 当车速v 8 8 ． 5 k m ／ h 时， 爬坡度 ≥1 2 ％。从设计 车辆的仿真结果看出 ， 该混合动力 电动汽车的动力性不仅满足混 合动力轿车的技术指标 ，而且性能高于一般的传统内燃机汽车 。 油耗也较同类型的内燃机汽车好， 排放更是优于传统车辆。 表 2仿真结果 l O O k m 8 8 ．5～m ， 1 4．4 s 0 - 1 3 7 HC 0 ． 3 4 93 6 6 ． 1 4 ．9 1 8 7 ．7 6 s 6 4 ． 4 9 6 ．6 1 4 ．6 ％ CO 1 ．7 3 7 1 2．6 s 0 1 0 0 NOx 0 ．21 3 5 结论 混合动力车辆在进行动力系统参数选型的时候结合所对应 的工况进行动力计算有助于得到性能更优的方案。 而对动力系统 参数进行合理的匹配是并联混合动力汽车仿真和优化得以深入 的保证 。 动力系统的参数选定后通过在 A D V I S O R中仿真为搭建 动力总成试验平台提供了参考依据。 混合动力车辆在保证动力性 能的前提下， 可以选取更小功率的发动机， 发动机的工作特性比 传统燃油车辆有明显改善，怠速以及高油耗工作区域明显减少， 燃油经济性可提高 2 0 ％以上。 设计车辆按照此方法既保证了整车 的动力性又实现 了低排放 ， 证 明此法有效 。 参考文献 1 余志生． 汽车理论[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 2王国海 ， 韩以伦． 并联混合动力汽车动力总成参数匹配与仿真． 机械设计与 制造， 2 0 0 8 7 3 李国良， 初亮， 鲁和安． 电动汽车续驶里程的影响因素． 吉林工业大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ， 3 0 3 2 0 - - 2 3 4 李静红． 混合动力汽车驱动系统设计与仿真分析 [ J ] ． 上海电机学院学报， 2 0 0 7 1 3 3 ～ 3 5 5 钟勇． 基于 C V T的类菱形混合动力电动汽车系统研究与仿真[ D] ． 长沙 湖 南大学出版社， 2 0 0 5 第 7期 陈 军等 基于模块化的液压缸试验 台测控 系统设计 3 7 限 、 测试项 目不够 齐全 ， 二 次开发和功能扩 展困难较大 、 耗时较 长， 难以适应小批量、 多品种的生产方式和市场的快速变化。 鉴于 这些原因， 采用计算机辅助测试技术与模块化思想， 根据设计要 求 ， 设计 了一种 可扩展的液压系统 ， 在此基础 上， 设计 了三层结构 的测控系统， 并对其软件系统进行模块化设计， 该系统功能齐全 、 自动化程度高 、 通用性 和扩展性好 。 2 设计要求 1 根据 G B ／ T 1 5 6 2 2 2 0 0 5 [4 计要求， 满足 B级测试精度 ； 能完成以下试验项 目 试运转、 耐压试验、 行程检验、 泄漏试验 、 缓冲试验、 起动压力特性试验、 负载效率试验、 高温试验和耐久 性试验 。 2 具有良好的人机交互功能 可设置各测试项 目的试验参 数； 可实时显示油缸位移曲线、 油缸速度曲线、 油缸压力曲线和保 压压力曲线； 可自动处理与分析各项测试数据和判定各测试项目 是否合格； 可进行相关数据的存储和查询； 测试完成后 ， 可自动生 成报表。 3 具有条形码扫描功能， 可通过条形码对每个被测缸进行 编号， 以便对试验数据进行匹配、 查询和跟踪检测。 4 既可以进行一般的出厂试验 ， 也可以进行型式试验 ， 还可 以根据需要对试验项 目进行选择和组合 ； 能采用 自动 、 手 动两种 控制方式 ； 具有 自动报警功能。 3液压 系统 液压测试技术是一门多学科相结合的技术， 将计算机辅助测 试技术与液压测试技术紧密结合， 并融入模块化设计思想， 是液 压测试技术的发展趋势 。 从模块化设计 的角度 出发 ，将液压系统划分为四个模块 动 力源模块、 控制阀模块、 油路循环模块和油液存储过滤模块。 液压 系统原理图 ， 如图 1 所示。 图 1试验 台液压系统原理图 1 ， 2 ， 3 ， 4 ． 液压泵 5 ．单 向阀 6 ．压力表 7 ． 高压球 阀 8 ． 电磁阀 9 ． 溢流阀 l 0 ． 液控单向阀 1 1 ．截止阀 l 2 ．压力传感器 1 3 ． 被测试液压缸 l 4 ． 位移传感器 I 5 ． 增压缸 1 6 ．行程开关 I 7 ． 过滤器 1 8 ．散热器 l 9 _ ’『 由 温计 该液压系统的主要特点 采用模块化设计思想 ， 便于实现试 验台功能的扩展， 以适应新的测试要求； 控制阀模块将各种阀集 成布置， 使系统结构紧凑 、 安装集中、 使用可靠、 油路通道短和沿 程压力损失小； 动力源模块采用双联泵增加流量， 提高回程效率； 通过采用增压缸，能提供较高压力 ，可满足最大工作压力为 3 2 MP a的大功率工程机械液压缸的测试要求；将比例溢流阀、 安 全阀与伺服控制器巧妙配合 ， 实现了低压启动、 快速卸荷及过载 保护等功能。 4测控系统设计 4 ． 1测控系统 总体结构 该测控系统采用了三层体系结构， 如图2所示。 第一层 最底 层 为数据层 实现数据采集和数据交换等功能。 第二层 中间层 是控制层 实现串口通信、 指令传送和运动控制等功能。第三层 最上层 是用户交互层 实现数据处理、 显示和人机对话等功能。 图 2系统体系结构示意图 在系统体系结构中， 计算机作为上位机， P L C作为下位机 ， 上 位机与下位机之问通过 R S 2 3 2串口进行通信。上位机通过串口 将信号指令传达给 P L C后， 通过 P L C向驱动器发送脉冲， 实现对 试验台的控制。 4 ． 2软件设计 目前， 由于市场的快速变化， 液压产品由大批量、 单一化向小 批量、 多样化发展。 因此， 液压测控系统应当有较高的开放性和适 应性。 由于模块化软件设计方法具有结构明晰、 易于扩充和维护、 可移植性强和通用性好等优点日 ， 所以试验台采用了模块化的软 件设计。 4 ． 2 ． 1 模块化的建立 软件的模块化技术就是对软件进行人工分析和提炼 ， 形成若 干独立性较强的模块， 在统一的构架下进行组装以完成软件的应 用功能目 。 功能分析 实现 国标规定的各种 功能测试 ， 实现实 时数据采 集 、 传送 和处理 ， 并 以曲线 、 文本的形 式显示数据 ， 实现良好 的人 机交互功能 ， 使得用户可以根据实际需要选择试验项 目和设 置试 验参数 。 结构分析 通过以上分析， 可以确定软件系统主要构成要素 有 数据采集、 数据传输、 数据处理、 曲线的实时绘制和报表生成、 数据的存储和查询和运动控制等。 在进行测控系统模块划分和设 计时， 应遵循以下准则 模块功能应相对集中、 独立； 模块组合应 有明确的目的性、 较大的灵潘『生和良好的经济胜。经过功能分解 和模块整合， 初步确定软件系统由以下模块组成 数据采集模块、 3 8 机 械 设 计 与 制 造 No ． 7 J u 1 ． 2 0 1 0 通信模块、 数据处理模块和运动控制模块。 详细设计 进行模块划分之后， 则以每个模块为基本单位进 行详细设计。为了提高系统的可靠性， 应保证模块问连接方式及 信息交换简单、 可靠； 此外， 为了维护数据采集模块和数据处理模 块之间数据的一致性， 应尽量降低模块之问的耦合程度。各模块 设计好后， 模块的调用与卸载由软件总线进行统一管理， 模块与 模块之间采用消息方式进行数据通信。 4 , 2 ． 2 软 件模块化 结构 根据模块化设计思想分析， 经过功能分解和模块整合， 综合 考虑实际过程的各个因素， 系统的软件结构， 如图 3 所示。 图 3软件系统模块结构图 1 数据采集模块 该模块包括数据采集和数据传送。 利用数据采集 所提供的 编程接口， 通过编写相应的程序即_口 『 从数据采集卡上 渎取相应 的 数据， 如位移、 压力和温度等。 2 通信模块 由于串行通信具有线路简单、 应用灵活、 可靠性高等特点， 所 以该系统采用串行通信方式。 该模块主要负责上位机与下位机之 间的数据传输， 主要包括通信设置、 串口打开与天闭、 指令的传送 和响应的读取等子模块。 3 数据处理模块 为了从测量数据中得到用户关注的信息， 需要对采集的数据 作相应的处理。 该功能通过数据处理模块实现。该模块主要包括 数据处理、 数据显示、 数据存储与查询、 报表生成及打印输出等子 模块。 4 运动控制模块 该模块通过驱动相应执行机构的动作米实现试验台的运动 功能， 其包括初始化、 按钮操作的响应 、 试验项 目的选择和参数设 置的实现等部分 。 5 错误处理模块 该模块可分为错误侦听、错误显示和错误处理三个子模块。 通过在各模块函数中应用 V B ． N E T平台中的T v v ⋯C a t c h ⋯F i n a l l y ⋯ E n d T r y 结构来实现错误侦听， 当侦听到错误时， 分类调用错 误显示子模块中的错误信息和处理信息显示窗口， 并叮由错误处 理子模块做出相应处理， 使得系统调试维护更加容易， 运行更加 稳健。 4 ． 2 - 3系统的应用 该测控系统采用 V B ． N E T作为开发平台，软件系统的主界 面， 如图 4所示 。 图 4系统主操作界面 实时曲线显尔区能实时 显示油缸位移曲线 、油缸速度曲线、 油缸压力曲线和保压压力曲线。 当前参数显示区能显示位移传感 器、 压力传感器和温度传感器的数据。试验参数设置区能设置各 试验项目的试验标准。 操作按扭区包括启动、 通信、 绘图、 存储、 查 询、 打印、 停J I 、 退出等按丰 H 。 其它辅助功能包括条形码扫描、 工作 模式选择、 手动自动切换等。 在此界面架构上， 通过人机交互 ， 系统能完成 出厂试验 、 型式 试验、 系统维护、 查看历史记录和报表生成等功能， 并可根据用户 选择试验项 目和设置试验标准。实验结束后， 自动将采集到的数 据进行存贮， 自动生成报表， 还能按要求打印成出厂试验表或型 式试验表 ， 并可查询历史记录。 在试验操作中， 首先足进行前期处理， 包括初始化和按照试 验要求设置各实验项目的试验参数。然后是选择工作模式， 工作 模式分为 自动模式和手动模式。对于自动模式 ， 各试验项 目的流 程已分别按型式试验和f J j 厂试验衔接好了， 用户亦可按实际需要 选择或合去某些试验项 目。对于手动模式 ， 用户可逐个选择需要 的试验项 目进行测试。 试验过程中可显示实时曲线和各传感器当 前数据， 试验结束后自动生成报表， 并可打印输出报表。 试验中的数据处理过程主要是将数据采集模块所采集得到的 数据， 经数据处理模块中的算法运算后， 与参数设置区设置的试验 标准进行比较， 从而判定该试验项目是否合格。并按要求打印试验 生成报表， 从而可得到该试验的误差、 精度等级和试验结论等。 5结 论 目前， 该系统已成功应用丁湖南长沙某重型工程机械公司的 液压缸出厂试验和犁式试验， 运行结果表明 系统功能齐全、 自动 化程度高和通用性好。方案对同类设计有一定的参考价值 。 参考文献 l 傅海轮， 李建华 ， I1 P 树明． 液压缸综合试验台测控系统的研制[ J _ ． 机床与液 压 ． 2 0 0 6 2 1 l 8 M2 0 2李厦 ， 乌建中． 液压缸试验台 自动i蜒 4 试系统设计与实现 J l机械设计与制 造， 2 0 0 7 1 O 1 6 7 ～ 1 6 9 3马俊功 ， 王世富 ， 王 占林． 液压油缸试验台研制 _ J _ ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 3 9 ～ 1 4 1 4 国家技术监督局． G W I“ 1 5 6 2 2 2 0 0 5 液压缸试验方法[ s ] ． 北京 中国标准出 版社， 2 0 0 5 5 潘晓彬， 李国平， 郑堤． 机电测控系统的模块化设 计与实现[ J J ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 2 3 9 - 1 1 6田加谋． 基于模块化和可复用技术的应用软件框架设计[ J ] ． 科技 晴报开发 与经济， 2 0 0 5 ， 1 5 5 ， 3 2 7 6 - - 2 7 7