張立軍, 劉曉聰, 劉延鑫, 李樂樂， 趙升噸

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島　266580;2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安　710049)

?

機(jī)械壓力機(jī)的平衡制動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

張立軍1, 劉曉聰1, 劉延鑫1, 李樂樂1， 趙升噸2

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島266580;2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安710049)

為了加深學(xué)生對JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)及制動(dòng)過程的認(rèn)識與理解,在原有平衡制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,利用電氣比例壓力閥、位移傳感器、壓力變送器、光耦合測速傳感器、減壓閥、換向閥、PCL818數(shù)據(jù)采集卡和PCL726輸出板以及計(jì)算機(jī),開發(fā)了JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的平衡制動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。采用該平臺對JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的制動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)測與實(shí)時(shí)控制,使得制動(dòng)過程更加直觀,提高了學(xué)生對制動(dòng)系統(tǒng)理論的學(xué)習(xí)效率,達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

機(jī)械壓力機(jī)； 制動(dòng)系統(tǒng)； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺

1　平衡制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

機(jī)械壓力機(jī)是用曲柄連桿或肘桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的鍛壓機(jī)械,是用于對材料進(jìn)行壓力加工的機(jī)床。通過對坯件施加強(qiáng)大的壓力和準(zhǔn)確的位移使其發(fā)生變形和斷裂來加工成零件[1]。JH23-63型壓力機(jī)是機(jī)械壓力機(jī)中比較常見的一種,在“機(jī)械加工概論”、“液壓傳動(dòng)與氣動(dòng)”等課程中均有講述,其制動(dòng)性是該壓力機(jī)的重要特性,也是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

為了加深學(xué)生對JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)及制動(dòng)過程的深入理解,本文改進(jìn)現(xiàn)有壓力機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),開發(fā)了JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的平衡制動(dòng)性教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。圖1表示了該實(shí)驗(yàn)臺的基本構(gòu)成和工作原理。從圖1中可以看出,該平衡制動(dòng)系統(tǒng)主要有5條氣路組成:由1DT、壓力變送器I、減壓閥和單向閥組成的平衡氣路；由2DT、單向閥和減壓閥組成的制動(dòng)缸進(jìn)氣回路；由3DT和單向閥組成的制動(dòng)缸排氣罐回路；由4DT和3個(gè)單向閥組成的制動(dòng)缸排大氣回路；由電氣比例壓力閥和壓力變送器組成的離合器控制回路[2]。通過編制控制界面,學(xué)生能對JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際操作,使其認(rèn)識和熟悉常見機(jī)構(gòu)的運(yùn)作原理,掌握制動(dòng)系統(tǒng)中所涉及的電氣比例壓力閥、單向閥、減壓閥、換向閥等氣壓元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用方法,了解位移傳感器與光耦合測速傳感器等的工作原理以及傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理過程。

該平衡制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理:由氣泵來的高壓氣體經(jīng)過分水濾氣器、油霧器、減壓閥進(jìn)入到儲(chǔ)氣罐。為了保證制動(dòng)缸有足夠快的進(jìn)氣速度,選用了2個(gè)儲(chǔ)氣罐:一個(gè)是原壓力機(jī)自身帶的儲(chǔ)氣罐,主要保證向離合器氣缸提供高壓氣體；另一個(gè)儲(chǔ)氣罐保證向制動(dòng)缸和平衡缸供氣?？刂茪饴窔鈮旱拇笮∮墒謩?dòng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)。電氣比例壓力閥1DT和4DT保持常開狀態(tài),使平衡缸在不通電狀態(tài)下就能有一定的工作壓力,使制動(dòng)缸在不通電的狀態(tài)下保持與大氣相通,保證平衡缸的正常工作。

圖1　JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)平衡制動(dòng)系統(tǒng)基本構(gòu)成及工作原理圖

2　JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的平衡制動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的平衡制動(dòng)性教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測與控制元器件的布置、軟硬件設(shè)計(jì)以及界面設(shè)計(jì)。

2.1實(shí)驗(yàn)平臺監(jiān)測與控制元器件的布置

為了保證實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)對JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)平衡制動(dòng)系統(tǒng)的精確監(jiān)測與操控,必須能控制離合器摩擦副的接合和分離位置，以及離合器氣缸進(jìn)氣與排氣時(shí)間、平衡缸的進(jìn)排氣、制動(dòng)缸的進(jìn)排氣和氣壓的選擇等。

為此,在離合器氣缸上安裝氣體壓力變送器和電氣比例壓力閥,實(shí)現(xiàn)對離合器氣缸內(nèi)氣壓的控制；在制動(dòng)缸上安裝壓力變送器、兩位三通換向閥和減壓閥來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和控制制動(dòng)氣缸的缸內(nèi)壓縮氣體的壓力與其進(jìn)排氣時(shí)間；在平衡缸上安裝壓力變送器、換向閥和減壓閥,以實(shí)現(xiàn)對平衡缸內(nèi)的壓力全面的計(jì)算機(jī)監(jiān)測和控制；在滑塊上安裝位移傳感器,以便時(shí)刻監(jiān)測滑塊的精確位置。在制動(dòng)缸的氣路上專門設(shè)計(jì)排氣罐回路,將制動(dòng)缸內(nèi)的高壓氣體排入儲(chǔ)氣罐,制動(dòng)后產(chǎn)生的高壓氣體重新回收利用,以節(jié)約能源。

2.2實(shí)驗(yàn)平臺的硬件設(shè)計(jì)

JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)實(shí)施計(jì)算機(jī)控制時(shí),必須把現(xiàn)場的各種測試參數(shù),如位移和壓力等連續(xù)變化的物理量,轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)字量輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以實(shí)現(xiàn)對實(shí)際工作過程的控制。處理結(jié)果也應(yīng)轉(zhuǎn)換為電壓或電流,以推動(dòng)執(zhí)行元件的工作[3]。因此,這里采用數(shù)據(jù)采集和信號輸出的A/D和D/A轉(zhuǎn)換板。A/D板采用的是數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L,用來采集滑塊位移傳感器和各個(gè)壓力變送器的信號,以實(shí)現(xiàn)上死點(diǎn)停止位置的控制和監(jiān)測；D/A板采用的是D/A轉(zhuǎn)換卡PCL-726來輸出控制信號。

根據(jù)JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的控制要求,搭建的JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)平衡制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)測與控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。從圖2中可看出,該系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為平臺,以控制算法模塊為核心,以動(dòng)作實(shí)現(xiàn)模塊為框架,以執(zhí)行模塊為輸出,通過電氣比例壓力閥和電控截止閥對機(jī)械壓力進(jìn)行控制[4]。

在實(shí)際中,為了防止系統(tǒng)中電源電壓波動(dòng)所帶來的不良后果[5],分壓電路、傳感器和電氣比例閥均采用穩(wěn)壓電源,保證電壓信號的穩(wěn)定性。動(dòng)作實(shí)現(xiàn)部分采用計(jì)算機(jī)控制以后,大部分的控制都由程序代替,只有少量開關(guān)量輸入獨(dú)立于計(jì)算機(jī)控制軟件模塊以外。

圖2　JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)測與控制系統(tǒng)原理圖

2.3實(shí)驗(yàn)平臺的軟件設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺的軟件系統(tǒng)主要由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、機(jī)械壓力機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)模塊以及其他輔助模塊組成。軟件系統(tǒng)的主程序流程圖見圖3。圖4為總體流程中的制動(dòng)模塊程序流程圖。圖3中的初始化A/D、D/A是指將A/D板PCL-818L的各個(gè)I/O端口初始化為零,停止其他運(yùn)行的函數(shù),釋放所占用的資源[6-7]；同時(shí)使D/A板PCL-726輸出為零,相應(yīng)地電氣比例壓力閥和截止閥上的電壓為零。圖3和圖4中的判斷框是依據(jù)滑塊位移傳感器、相關(guān)氣缸中的壓力變送器測試值等來判定的。

需要說明的是,該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已在滑塊上安裝了位移傳感器,在執(zhí)行動(dòng)作控制時(shí),計(jì)算機(jī)通過A/D板采集滑塊上位移傳感器電壓值來判斷是否達(dá)到上死點(diǎn)某一區(qū)域,通過采集各個(gè)壓力變送器電壓值來決定截止閥控制信號發(fā)送時(shí)間[8]。

此外,利用滑塊上的位移傳感器是否正在輸出位移信號來判斷滑塊是否在運(yùn)動(dòng),進(jìn)而判斷某個(gè)動(dòng)作是否執(zhí)行結(jié)束及已停車。因此位移傳感器在這里起著關(guān)鍵作用。在實(shí)現(xiàn)基本動(dòng)作時(shí),計(jì)算機(jī)發(fā)出的電信號通過程序框圖中的D/A輸出到電氣比例閥和各個(gè)截止閥上,使各閥按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)排氣。

圖3　主程序流程圖

圖4　制動(dòng)模塊程序流程圖

2.4實(shí)驗(yàn)平臺的界面設(shè)計(jì)

為便于計(jì)算機(jī)對上述動(dòng)作過程進(jìn)行精確控制,特用Delphi程序設(shè)計(jì)語言[9]設(shè)計(jì)編制了如圖5所示的監(jiān)控界面,只要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕,就可進(jìn)行動(dòng)作控制。該控制界面由左右兩部分構(gòu)成。左邊主要是A/D轉(zhuǎn)換PCL-818L數(shù)據(jù)采集卡的輸入測試界面,包括了7條電壓測試信號輸入通道,每個(gè)通道都可以選擇其讀取測試電壓的范圍。通過這些通道,可以測得滑塊位移傳感器和3個(gè)壓力變送器的電壓值，再經(jīng)過硬件濾波和程序處理[10],便可由此來監(jiān)控機(jī)械壓力機(jī)滑塊位移、離合器氣壓、制動(dòng)氣缸氣壓和平衡氣缸氣壓各值的大小,并及時(shí)對輸出信號進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。另外,還有幾個(gè)按鈕,可以通過手動(dòng)方式來單獨(dú)改變讀取信號的通道和是否保存采樣得到的輸出電壓、氣缸壓力及滑塊位移曲線,也可以決定機(jī)械壓力機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止?？刂平缑嬗疫呏饕荄/A轉(zhuǎn)換PCL-726信號輸出卡的控制輸出界面,包括了6條電壓控制信號輸出通道,各個(gè)通道的輸出電壓都可以程序預(yù)設(shè)和手動(dòng)調(diào)節(jié)。特別是對電氣比例壓力閥的控制部分,包括了電壓輸出和緊急制動(dòng)兩個(gè)按鈕,用以控制離合器摩擦副的接合與脫開,也可實(shí)現(xiàn)離合器和制動(dòng)器摩擦副的懸浮狀態(tài)。上下死點(diǎn)停止按鈕主要用來實(shí)現(xiàn)上下死點(diǎn)的停車,以達(dá)到某些實(shí)驗(yàn)的要求。其他各個(gè)按鈕主要用來控制各個(gè)電控截止閥電壓的通斷,以實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力機(jī)的基本操作規(guī)范[11]。

圖5　JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面

3　實(shí)驗(yàn)平臺的測試與結(jié)果分析

利用該實(shí)驗(yàn)平臺對制動(dòng)缸初始?xì)鈮簽?.2 MPa和0.3 MPa時(shí)機(jī)械壓力機(jī)在執(zhí)行單次操作規(guī)范的一個(gè)完整工作周期中離合器接合與制動(dòng)器制動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試情況。

圖6和圖7分別為制動(dòng)缸初始?xì)鈮簽?.2 MPa和0.3 MPa時(shí)機(jī)械壓力機(jī)在一個(gè)完整工作周期中離合器接合與制動(dòng)器制動(dòng)過程中電氣比例閥電壓信號、離合器氣缸氣壓、滑塊位移、飛輪轉(zhuǎn)速和離合器軸轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)的正確性與合理性,又對該實(shí)驗(yàn)平臺導(dǎo)出的各個(gè)元器件數(shù)據(jù)用圖形進(jìn)行比對分析,分析結(jié)果如下:從圖6和圖7中可以看出各參數(shù)信號的響應(yīng)速度和滯后時(shí)間。當(dāng)電氣比例閥電壓信號階躍到5 V后,經(jīng)過短暫的電制動(dòng)和一定的氣滯后時(shí)間,隨著氣缸內(nèi)氣壓的升高,活塞由靜止開始運(yùn)動(dòng),并且壓緊摩擦副產(chǎn)生摩擦分加速而主動(dòng)部分減速,PFC摩擦副相對滑動(dòng)終了后,二者共同達(dá)到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。此時(shí)氣缸內(nèi)的氣壓逐漸達(dá)到額定值。

在圖6和7中后半部分還可以看出,當(dāng)電氣比例閥電壓信號降低到大約1.5 V后,經(jīng)過短暫的電滯后和一定的氣滯后,離合器摩擦副脫開,同時(shí)制動(dòng)氣缸進(jìn)氣,從動(dòng)部分處于懸浮的自由狀態(tài),從動(dòng)部分在制動(dòng)氣缸壓力的作用下減速直到速度接近為零。在滯后階段,主動(dòng)、從動(dòng)部分以共同的角速度運(yùn)轉(zhuǎn)；在制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械式制動(dòng)后,從動(dòng)部分受制動(dòng)器制動(dòng)阻力作用,同時(shí)也受自身運(yùn)動(dòng)阻力矩的作用而迅速減速。在制動(dòng)最后階段,考慮到制動(dòng)的可靠性和安全性,電氣比例閥電壓信號降到零,離合器氣缸徹底排氣,原有制動(dòng)器摩擦副接合,使從動(dòng)系統(tǒng)可靠地停止在上死點(diǎn),最后完成整個(gè)工作周期。

圖7　p0=0.3 MPa時(shí)離合器接合與制動(dòng)器制動(dòng)過程各個(gè)監(jiān)控量曲線

另外,由于圖6中制動(dòng)氣缸的初始?xì)鈮狠^圖7中的小,所以前者制動(dòng)到上死點(diǎn)時(shí)從動(dòng)系統(tǒng)沒有完全停止運(yùn)動(dòng)。由圖7可以看出,曲柄越過上死點(diǎn)一定角度后才在摩擦制動(dòng)器作用下停止運(yùn)動(dòng)。圖6和圖7中離合器氣缸氣壓曲線平臺處出現(xiàn)抖動(dòng),與該段時(shí)間內(nèi)離合器氣缸氣壓力與制動(dòng)彈簧力處于動(dòng)平衡狀態(tài)相吻合。

該實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,觀察直觀,而且監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與該類型制動(dòng)器的制動(dòng)運(yùn)作原理[12]相吻合。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)平臺性能可靠,能夠很好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械壓力機(jī)制動(dòng)工作狀態(tài)的檢測與控制。

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的平衡制動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺可通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的制動(dòng)過程,也可以監(jiān)測制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)作情況并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過傳感器采集顯示在計(jì)算機(jī)中,直觀地展示了JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的制動(dòng)情況。通過JH23-63型機(jī)械壓力機(jī)的平衡制動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,能較好地幫助學(xué)生認(rèn)識和熟悉制動(dòng)器中多種機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,掌握系統(tǒng)中元器件在氣壓系統(tǒng)中的工作原理與使用方法,了解位移傳感器、光耦合測速傳感器等的工作原理以及傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理過程,豐富了學(xué)生在學(xué)習(xí)階段對機(jī)電液一體化相關(guān)課程的整體認(rèn)識與理解,達(dá)到了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

References)

[1] 夏巨諶,王新云. 閉式模鍛[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[2] 何予鵬. 機(jī)械壓力機(jī)節(jié)能型氣壓式制動(dòng)理論及其智能控制的研究[D]. 西安:西安交通大學(xué),2006.

[3] 程佩青. 數(shù)字信號處理教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[4] 梯策U，勝克CH.高級電子電路[M]. 王祥貴,周旋，譯.北京:人民郵電出版社,1984..

[5] 武自芳,虞鶴松. 微機(jī)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社,1998.

[6] 楊素行. 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[7] 賴壽宏. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[8] Shim K G. Ramanatham P: Real Time Computer Science and Engineering[C]//Proc of the IEEE.1994, 82(1):6-25.

[9] 蔣方帥. Borland Delphi 程序設(shè)計(jì)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[10] 陳康寧. 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社,1997.

[11] 趙升噸,趙弘,周明勇,等. 機(jī)械壓力機(jī)操作規(guī)范的計(jì)算機(jī)控制[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2002(增刊2):848-849, 852.

[12] 王軍. 機(jī)械壓力機(jī)節(jié)能型氣壓制動(dòng)系統(tǒng)及其計(jì)算機(jī)控制的研究[D]. 西安:西安交通大學(xué),2004.

Development of teaching experimental platform for braking system of JH23-63 mechanical press

Zhang Lijun1, Liu Xiaocong1, Liu Yanxin1, Li Lele1, Zhao Shengdun2

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to deepen students’ understanding of the brake system and brake process of JH23-63 mechanical press, on the basis of the original balance principle of braking system, the teaching experimental platform for braking performance of JH23-63 mechanical press was developed by using electric proportional pressure valve, displacement transducer, pressure transmitter, optical coupling speed sensor, relief valve, reversing valve, PCL818 data acquisition card, PCL726 output card and computer, which can monitor and real-time control JH23-63 mechanical press brake process, and can also improve the efficiency of the students on the study of the theory of brake system, which achieves the good experimental teaching results.

mechanical press; braking system; teaching experimental platform

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.022

2015- 09- 29修改日期：2015- 11- 04

山東省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目“基于分類培養(yǎng)理念下的大機(jī)械類專業(yè)創(chuàng)新與工程教育綜合改革”(2012018)

張立軍(1977—)，男，山東平陰，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化技術(shù).

E-mail：zlj-2@163.com

TG315;G484

A

1002-4956(2016)4- 0077- 05