鐘日良，彭天好，張磊

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001)

液壓缸是液壓系統(tǒng)的重要組成元件之一［1］，在現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)，如工程機(jī)械中的裝載機(jī)、起重機(jī)，煤礦機(jī)械中的液壓支架、掘進(jìn)機(jī)等都有廣泛的應(yīng)用。因此，獲得準(zhǔn)確的液壓缸性能及工作指標(biāo)尤為重要［2］。為此，安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制了液壓缸模擬加載試驗(yàn)系統(tǒng)。利用該試驗(yàn)系統(tǒng)可完成對(duì)液壓缸的模擬加載、性能試驗(yàn)、位移或速度的開環(huán)或閉環(huán)控制等的試驗(yàn)研究。針對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)性能參數(shù)的測(cè)控系統(tǒng)軟硬件配置，利用LabVIEW編制了相應(yīng)的軟件，開發(fā)了液壓缸試驗(yàn)系統(tǒng)的虛擬儀器軟件監(jiān)控平臺(tái)。

1 液壓缸試驗(yàn)系統(tǒng)組成原理

液壓缸試驗(yàn)系統(tǒng)包括主回路部分、主回路先導(dǎo)控制部分和模擬加載部分。試驗(yàn)系統(tǒng)組成原理如圖1所示。系統(tǒng)主回路由變頻器1、電機(jī)2、液壓泵3、安全閥9、單向閥4、截止閥5、液動(dòng)換向閥12和測(cè)試缸15組成。液動(dòng)換向閥由先導(dǎo)部分操縱控制。先導(dǎo)部分由減壓閥8和比例先導(dǎo)減壓閥13或手動(dòng)先導(dǎo)減壓閥14構(gòu)成。比例先導(dǎo)減壓閥和手動(dòng)先導(dǎo)減壓閥構(gòu)成了自動(dòng)和手動(dòng)測(cè)試模式的切換。加載部分由減壓閥6、比例溢流閥11、單向閥組7和加載缸10組成。比例溢流閥用于調(diào)定模擬加載的大小。系統(tǒng)工作時(shí)，先調(diào)節(jié)安全閥，設(shè)定系統(tǒng)安全壓力，由測(cè)控部分控制變頻器啟動(dòng)，由先導(dǎo)部分操縱液動(dòng)換向閥進(jìn)而控制測(cè)試缸的運(yùn)動(dòng)方向，由測(cè)控部分設(shè)定比例溢流閥的加載壓力。當(dāng)測(cè)試缸向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，加載缸10左腔為高壓腔，該腔油液經(jīng)單向閥組7、比例溢流閥11回油箱，同時(shí)，系統(tǒng)壓力油經(jīng)減壓閥6、單向閥組7向加載缸低壓腔補(bǔ)油。系統(tǒng)實(shí)物照片如圖2所示。

圖1 液壓缸試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖2 液壓缸試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物照片

2 液壓缸試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟硬件配置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的模擬加載與性能試驗(yàn)等研究，需要對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)配置相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)硬件配置仍如圖1所示，包括各傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，具體配置如下。5個(gè)壓力傳感器分別為:系統(tǒng)壓力傳感器18、測(cè)試缸進(jìn)油腔和回油腔壓力傳感器19、20、加載缸進(jìn)油腔和回油腔壓力傳感器21、22，1個(gè)加載力傳感器16，1個(gè)液壓缸位移傳感器17。壓力傳感器選擇帶有標(biāo)準(zhǔn)MEMS敏感元件的CYG1103(MA)型壓力傳感器，量程0～40 MPa，輸出4～20 mA或0～5 V;力傳感器選擇CYB型拉壓力傳感器，量程0～300 kN，輸出4～20 mA或1～5 V;位移傳感器選擇磁致伸縮是位移傳感器，量程0～1 200 mm，輸出0～5 V。數(shù)據(jù)采集卡需要根據(jù)輸入與輸出通道進(jìn)行配置，因?yàn)橄到y(tǒng)中共有7個(gè)模擬量輸入傳感器，因此選用帶有16路模擬輸入通道的研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711L可滿足輸入信號(hào)采集要求。系統(tǒng)中的變頻器、比例溢流閥及先導(dǎo)減壓閥為被控元件，共有4路控制信號(hào)輸出，因此選用帶有8路模擬量輸出的研華板卡PCI-1723可滿足輸出控制信號(hào)要求。工控機(jī)采用研華系列工控機(jī)。編程軟件采用基于G語(yǔ)言的虛擬儀器編程軟件LabVIEW。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的要求，以及便于進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)試、修改和擴(kuò)展，該系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。將整個(gè)系統(tǒng)分為若干個(gè)功能模塊，執(zhí)行不同的任務(wù)。同時(shí)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行效率和人機(jī)界面友好性、程序在Windows環(huán)境下運(yùn)行，運(yùn)用LabVIEW軟件編程。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集主程序和參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)保存與回放、數(shù)據(jù)報(bào)警、剔除壞點(diǎn)和濾波等子程序組成。其主流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)LabVIEW中的DAQmx節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，將它放在一個(gè)While循環(huán)中，并對(duì)輸入接線、最小值、最大值、物理通道等進(jìn)行配置，并對(duì)采樣模式，采樣頻率進(jìn)行設(shè)置。由于在系統(tǒng)中需要采集1路位移信號(hào)、4路壓力信號(hào)、1路力信號(hào)，因此系統(tǒng)中采用的是多多通道采樣。建立一個(gè)While循環(huán) (條件為真時(shí)停止)調(diào)用DAQ寫入節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)。

剔除壞點(diǎn)模塊原理是:將一個(gè)數(shù)組中的數(shù)據(jù)求平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，然后將數(shù)組中的每個(gè)數(shù)據(jù)與平均值做差，若差值大于偏差的3倍，就替換成平均值。

濾波思想是:將連續(xù)取來(lái)的4個(gè)采樣值當(dāng)做一個(gè)隊(duì)列，采用先進(jìn)先出原則，即先采集到的數(shù)據(jù)先丟出去，后采集到的數(shù)據(jù)放到隊(duì)列尾，然后把隊(duì)列的每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均運(yùn)算，獲得新的結(jié)果，起到濾波的作用。另外通過(guò)LabVIEW中的文件I/O類函數(shù)生成報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)保存查看并打印等。

報(bào)警模塊功能是將相應(yīng)參數(shù)測(cè)量值和設(shè)置值比較，超過(guò)則報(bào)警。首先要對(duì)采集卡的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置［3］(即參數(shù)設(shè)置模塊)，如泵的最大壓力為31.5 MPa，液壓缸的最大壓力為31.5 MPa，液壓缸的位移為1 m;然后通過(guò)比較模塊對(duì)真實(shí)值和設(shè)置值進(jìn)行比較，超出則報(bào)警。

監(jiān)控系統(tǒng)前面板和系統(tǒng)框圖如圖4、5所示。系統(tǒng)前面板人機(jī)界面反應(yīng)了一個(gè)系統(tǒng)的整體印象，主要考慮相似控件歸類，數(shù)據(jù)顯示清晰、直觀操作簡(jiǎn)便來(lái)設(shè)計(jì)。本界面主要包括控制區(qū) (包括參數(shù)設(shè)計(jì)、通道選擇、工作狀態(tài)選擇)、數(shù)據(jù)顯示區(qū) (包括位移、泵的出口壓力、缸的進(jìn)出、口壓力)和報(bào)警區(qū)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)LabVIEW程序前面板

圖5 測(cè)試系統(tǒng)LabVIEW程序框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的液壓缸試驗(yàn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在分析了液壓試驗(yàn)系統(tǒng)原理、組成的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件配置。利用LabVIEW中的DAQmx節(jié)點(diǎn)和While結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用剔除壞點(diǎn)模塊和濾波模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)報(bào)警及參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，報(bào)警。搭建了一個(gè)對(duì)液壓缸試驗(yàn)系統(tǒng)的直觀、人機(jī)界面友好的測(cè)控平臺(tái)，對(duì)其他的測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒意義。

【1】宋學(xué)賢，談宏華，王科敏，等.基于LabVIEW的液壓缸綜合性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(9):116－118.

【2】彭天好，胡佑蘭，朱劉英，等.基于LabVIEW的變轉(zhuǎn)速液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(7):82－84.

【3】張培紅.基于LabVIEW在液壓馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(3):179 －180.

【4】Jefferey Travis，Jim Kring.LabVIEW 大學(xué)實(shí)用教程［M］.喬瑞萍，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2010.