潘志彬+朱琳+戴鳳強(qiáng)+聶成

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的多維度力學(xué)性能測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種三軸加載機(jī)?；谠O(shè)計(jì)的力封閉體機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)，研究了“PLC+液壓系統(tǒng)+傳感器”的控制模式，給出了三軸多維度加載的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)探討液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了加載軸平穩(wěn)無(wú)沖擊的運(yùn)動(dòng)。以O(shè)PC作為上位機(jī)LabVIEW人機(jī)界面和下位機(jī)PLC控制程序的連接通道，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與分析的功能。測(cè)試結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的三軸加載機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行全方位力學(xué)性能測(cè)試的要求。

關(guān)鍵詞：多維度；三軸加載機(jī)；液壓；PLC控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.260

0 引言

在現(xiàn)代科研和生產(chǎn)中，力模擬加載試驗(yàn)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中非常重要的環(huán)節(jié)。產(chǎn)品力學(xué)性能如剛度、強(qiáng)度等的好壞直接決定產(chǎn)品研制成功與否，甚至影響到產(chǎn)品的使用期限和穩(wěn)定安全性能。加載試驗(yàn)機(jī)是一種常用的模擬加載試驗(yàn)臺(tái)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，有力學(xué)性能綜合測(cè)試平臺(tái)、負(fù)載模擬器、振動(dòng)臺(tái)、機(jī)構(gòu)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)等[1]。但是現(xiàn)有的加載試驗(yàn)機(jī)存在以下一些問(wèn)題：①設(shè)備體積小、重量輕、承載能力不高，通常只適用于小型構(gòu)件；②只有一個(gè)或兩個(gè)方向上的加載力，力學(xué)性能測(cè)試不全面，測(cè)試結(jié)果不可靠。對(duì)于一些工作載荷復(fù)雜的大型疲勞結(jié)構(gòu)件，普通試驗(yàn)臺(tái)因?yàn)樽陨沓休d力的限制難以對(duì)其進(jìn)行多維度、全方位的力學(xué)性能試驗(yàn)[2]。

先后有學(xué)者采用不同的技術(shù)方法對(duì)此進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]采用驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種多功能力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)機(jī)，由于需要在測(cè)試物料上安裝傳感檢測(cè)片，測(cè)試數(shù)據(jù)受環(huán)境因素的影響較大；文獻(xiàn)[4]給出了多維力加載試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)和力矩分析的功能。文獻(xiàn)[5]探討了基于PLC的比例控制液壓加載系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，將PLC與電液比例控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量等參數(shù)的控制。

本文根據(jù)模擬加載試驗(yàn)臺(tái)的功能特點(diǎn)和測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一種支持多維度力學(xué)性能測(cè)試的三軸加載機(jī)。建立機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)，分析液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出PLC程序的編寫方法，通過(guò)OPC通道實(shí)現(xiàn)LabVIEW與PLC的數(shù)據(jù)交互。開(kāi)發(fā)的三軸加載機(jī)為結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能測(cè)試提供了一種解決方案。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)空間三方向可控力加載，建立如圖1所示的三軸加載機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)。圖中1t加載軸為多維度加載裝置，安裝在移動(dòng)框架橫梁下方，其本體安裝在圓立柱上，相對(duì)移動(dòng)框架橫梁可作Y方向的移動(dòng)，亦可隨移動(dòng)框架橫梁作X方向的移動(dòng)，相對(duì)圓立柱可作上下移動(dòng)，加載軸的方向可以360度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)任意方向的加載。10t軸為垂直加載裝置，安裝在移動(dòng)框架橫梁下方，同樣可做X或Y方向的移動(dòng)，靈活改變工作平臺(tái)的測(cè)試范圍。30t軸為水平加載裝置，固定在反力墻上，反力墻上有預(yù)設(shè)的螺紋孔，通過(guò)調(diào)整水平加載裝置在反力墻上的位置，可以適應(yīng)不同形狀位置各異的試件。

平臺(tái)中移動(dòng)框架橫梁與固定橫梁通過(guò)移動(dòng)連接座固連在一起，使用特殊設(shè)計(jì)的碟形彈簧滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以方便快捷地調(diào)整移動(dòng)框架橫梁相對(duì)固定橫梁的位置，同時(shí)帶動(dòng)1t和10t加載軸移動(dòng)。而且基礎(chǔ)承臺(tái)、框架立柱、反力墻、移動(dòng)框架橫梁、固定橫梁等構(gòu)成了一個(gè)力封閉體，具有對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的承載能力，同時(shí)確保加載油缸施加較大壓力時(shí)試驗(yàn)臺(tái)自身保持足夠的剛度和強(qiáng)度，提高對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試時(shí)的準(zhǔn)確可靠性。

在每個(gè)加載油缸前端，串聯(lián)了一個(gè)拉壓力傳感器，測(cè)試加載力的值。在每個(gè)加載油缸的另一端活塞桿上，連接一個(gè)位移傳感器，加載測(cè)試時(shí)與力傳感器一起運(yùn)用，可以得到在不同加載力下測(cè)試件發(fā)生的形變位移量。通過(guò)操作臺(tái)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，依次完成使能、預(yù)緊、加載、后退等動(dòng)作。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)加載分析

三軸加載機(jī)的負(fù)載力通過(guò)液壓缸有桿腔與無(wú)桿腔間的壓力差來(lái)提供。由于加載試驗(yàn)要求給測(cè)試件提供軸向壓力，因此需無(wú)桿腔壓力高于有桿腔的壓力。當(dāng)加載力較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力偏大，為降低工作壓力，將液壓缸有桿腔的油直接回油箱，因而當(dāng)壓力差一定時(shí)，可以將無(wú)桿腔的壓力降到最小。在加載過(guò)程中，液壓缸會(huì)持續(xù)受到軸向位移擾動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)選用電磁比例減壓閥來(lái)提高控制加載力的精度。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的三軸加載機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)中3個(gè)方向的加載軸分別通過(guò)3個(gè)三位四通E型電磁閥實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退動(dòng)作。1t軸最大加載力10KN，10t軸最大加載力100KN，30t軸最大加載力300KN，并能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)加載，液壓系統(tǒng)的具體操作如下：

（1）供電前需調(diào)整好安全閥和溢流閥等的閥口開(kāi)度大小，加載時(shí)安全閥調(diào)定系統(tǒng)最大壓力。油箱中設(shè)有過(guò)濾器和冷卻裝置，能夠保證液壓油在正常工作溫度范圍內(nèi)以及液壓油的純凈度。

（2）變量葉片泵從油箱中汲取液壓油，經(jīng)過(guò)單向閥，如果此時(shí)的油壓超過(guò)安全油壓，溢流閥打開(kāi)，高于系統(tǒng)壓力的液壓油流回油箱，起到保護(hù)回路的作用。在安全油壓范圍內(nèi)的液壓油順利通過(guò)設(shè)定有一定開(kāi)度的電磁比例減壓閥。當(dāng)系統(tǒng)處于加載狀態(tài)時(shí)，三位四通換向閥T1得電，液壓油通過(guò)T1油路進(jìn)入無(wú)桿腔，驅(qū)動(dòng)30t軸活塞桿進(jìn)行加載，有桿腔中的液壓油被壓縮后，通過(guò)另外的油路回流到油箱。當(dāng)系統(tǒng)處于卸載狀態(tài)時(shí)，液壓油進(jìn)入有桿腔進(jìn)行卸載。當(dāng)系統(tǒng)處于松載狀態(tài)時(shí)，三位四通換向閥處于中位。1t和10t軸的加載與卸載過(guò)程與此相同。

（3）系統(tǒng)中的電磁比例減壓閥和其配套的放大器共同組成加載力的反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)定的電阻，電磁比例減壓閥內(nèi)部的電磁鐵移動(dòng)相應(yīng)的位移，進(jìn)而提供和需要的加載力對(duì)應(yīng)的閥口開(kāi)度大小，內(nèi)部具有反饋回路，能夠保證加載力的精度。

（4）系統(tǒng)設(shè)置了壓力檢測(cè)裝置，在泵口和液壓缸入口安裝耐震壓力表，操作人員可以通過(guò)壓力表觀察系統(tǒng)的壓力，保證系統(tǒng)正常的工作油壓。

3 測(cè)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)分析

三軸加載機(jī)的執(zhí)行元件為3個(gè)方向的液壓活塞桿；控制元件選用三菱FX3U-64MT型號(hào)PLC；下位機(jī)控制程序采用GX-developer軟件進(jìn)行編寫；上位機(jī)的人機(jī)交互界面測(cè)控程序采用LabVIEW編寫；使用具有標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的OPC作為上位機(jī)LabVIEW與下位機(jī)PLC的通訊連接通道[6]。

3.2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需控制的運(yùn)動(dòng)量包括油泵電機(jī)的啟停、電磁換向閥的啟停、電磁比例減壓閥的啟停、放大器的電阻大小、繼電器的通斷。需要檢測(cè)的量包括3個(gè)加載軸上的位移傳感器和壓力傳感器數(shù)據(jù)，圖3為控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

上位機(jī)使用通信線纜與PLC建立連接，采集傳感器的數(shù)據(jù)信息，并且下發(fā)控制命令，使得3個(gè)加載軸按照設(shè)定的程序運(yùn)動(dòng)。用戶通過(guò)操作臺(tái)上的按鈕控制三軸加載機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)。因此，PLC的輸入信號(hào)源有兩個(gè)，一個(gè)是上位機(jī)的控制軟件，通過(guò)編程線傳輸指令控制PLC的輸出；另一個(gè)是電氣操作臺(tái)控制面板，通過(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)和按鈕提供開(kāi)關(guān)信號(hào)。

3.3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

模擬量讀取程序。在GX-developer軟件平臺(tái)上編寫PLC控制程序，下文主要分析模擬量讀取程序。三軸加載機(jī)主要測(cè)量3個(gè)方向上的加載力和變形量，需要測(cè)量3個(gè)壓力值、3個(gè)位移值，共6個(gè)變量。由于傳感器采集的信號(hào)是電壓或電流等模擬量，因此系統(tǒng)中采用特殊擴(kuò)展模塊FX2N-2AD/4AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中FX2N-2AD的CH1、CH2接口分別連接10t軸、30t軸的壓力信號(hào)，F(xiàn)X2N-4AD的CH1、CH2、CH3、CH4接口分別連接30t軸、10t軸、1t軸的位移信號(hào)以及1t軸的壓力信號(hào)。FX2N-2AD模擬量讀取程序設(shè)計(jì)如圖4所示，F(xiàn)X2N-4AD讀取程序的設(shè)計(jì)思想大致相同，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的說(shuō)明書進(jìn)行編程。

經(jīng)過(guò)FX2N-2AD/4AD模塊A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至PLC。由于采用OPC通道實(shí)現(xiàn)LabVIEW與PLC的數(shù)據(jù)交互，而OPC中軟元件屬性里面有自帶的數(shù)據(jù)比例轉(zhuǎn)換功能，因此在位移和壓力測(cè)量程序設(shè)計(jì)時(shí)，在OPC中進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的比例轉(zhuǎn)換，以縮短PLC程序的掃描周期。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用LabVIEW軟件平臺(tái)和OPC通道設(shè)計(jì)了如圖5所示的人機(jī)交互界面，主要包括三部分：加載功能設(shè)定區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示區(qū)。利用界面間的連接技術(shù)，設(shè)計(jì)主界面連接各功能模塊的子界面，點(diǎn)擊功能按鈕，即可彈出需要的功能設(shè)置界面，用戶可以在子界面中進(jìn)行需要的操作，并通過(guò)返回按鈕返回主界面。

先打開(kāi)人機(jī)交互界面的主界面，確保通訊正常，通過(guò)子界面分別設(shè)置零漂值、加載保護(hù)以及參數(shù)補(bǔ)償?shù)葏?shù)。然后，使用操作臺(tái)控制三個(gè)加載軸的預(yù)緊、前進(jìn)、后退等工序。從人機(jī)交互界面顯示的實(shí)時(shí)變化曲線，可以得知當(dāng)前的壓力值與試件的形變值，數(shù)值可以實(shí)時(shí)記錄與保存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試表明，加載力精度為0.2～0.5%F.S，PLC程序掃描周期為11ms，上位機(jī)人機(jī)交互程序的數(shù)據(jù)采集周期為95ms，設(shè)計(jì)的支持多維度力學(xué)性能測(cè)試的三軸加載機(jī)是穩(wěn)定可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先搭建了多維度三軸加載機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)平臺(tái)，其次給出了使用三位四通電磁換向閥驅(qū)動(dòng)加載軸運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然后根據(jù)三軸加載機(jī)的測(cè)控需求，編寫了下位機(jī)PLC控制程序，同時(shí)使用LabVIEW編寫上位機(jī)測(cè)控程序。通過(guò)OPC通道建立PLC和LabVIEW的通訊連接，利用界面間的連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三軸加載機(jī)的邏輯控制和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及分析。本文工作為促進(jìn)多維度三軸加載機(jī)在結(jié)構(gòu)件尤其是大型結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能測(cè)試中的廣泛應(yīng)用提供了參考。

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