郭媛，李青鋒，鄧江洪，李世超

( 1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)精密制造研究院，湖北武漢 430081;3.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081)

0 前言

在軋機(jī)板厚控制系統(tǒng)中，軋機(jī)AGC液壓缸是冶金軋機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能決定了產(chǎn)品質(zhì)量[1]，因此，冶金行業(yè)對軋機(jī)AGC液壓缸的性能指標(biāo)要求嚴(yán)格。目前，針對軋機(jī)AGC缸靜動(dòng)態(tài)特性性能指標(biāo)的測試，只能依靠AGC液壓缸生產(chǎn)廠家自行進(jìn)行專項(xiàng)測試[2]，但是缺少實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制與測試、模塊化操作平臺(tái)、更加準(zhǔn)確的測試方法及第三方測試數(shù)據(jù)的檢定、校準(zhǔn)工作進(jìn)行驗(yàn)證。基于此，本文作者開展了軋機(jī)AGC液壓缸的第三方檢測系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)。

1 軋機(jī)AGC液壓缸

連續(xù)鑄鋼機(jī)與連軋機(jī)組成連鑄連軋機(jī)，液態(tài)高溫鋼水進(jìn)入連鑄機(jī)的結(jié)晶器后，經(jīng)過連鑄連軋機(jī)，產(chǎn)出的成品就是熱軋鋼卷，該設(shè)備生產(chǎn)率高，收得率高[3]。連軋機(jī)液壓AGC系統(tǒng)對提高鋼帶產(chǎn)品質(zhì)量十分重要，根據(jù)彈跳方程軋制理論，結(jié)合實(shí)測輥縫、板厚、軋制力和期望板厚，軋機(jī)AGC液壓缸通過閉環(huán)軋制模型分析進(jìn)而控制伺服閥實(shí)現(xiàn)下壓位移，實(shí)現(xiàn)軋機(jī)輸出端板型及板厚精確輸出[4-6]。圖1所示為連鑄連軋工作過程簡圖。

圖1 連鑄連軋工作過程Fig.1 Work process of continuous casting and rolling

AGC缸作為液壓系統(tǒng)重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，通常裝配于軋機(jī)牌坊上部(或下部)，包含活塞、柱塞等結(jié)構(gòu)形式[7-8]。圖2所示為AGC缸結(jié)構(gòu)簡圖，包含缸體、活塞、缸蓋、密封件、防塵配件、導(dǎo)向套及內(nèi)置(或外置)傳感器等結(jié)構(gòu)部分[9]。

圖2 AGC缸結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural of AGC cylinder

為模擬實(shí)際工況測試，此試驗(yàn)利用機(jī)架彈性變形進(jìn)行比例/伺服控制液壓缸的試驗(yàn)項(xiàng)目測試[10]。根據(jù)國家在2015年發(fā)布《液壓傳動(dòng) 比例/伺服控制液壓缸的試驗(yàn)方法》，開發(fā)檢定的試驗(yàn)項(xiàng)目包括：頻率特性測試、階躍響應(yīng)測試、帶載動(dòng)摩擦力測試、啟動(dòng)壓力測試、偏擺測試等[11]。

2 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)

圖3所示為AGC缸性能檢定系統(tǒng)原理。該試驗(yàn)系統(tǒng)的控制原理是創(chuàng)建一套與液壓試驗(yàn)臺(tái)相互連接、具備數(shù)據(jù)采集功能、計(jì)算機(jī)控制功能的性能測試檢定系統(tǒng)，上位機(jī)主動(dòng)對伺服閥發(fā)送控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)AGC缸運(yùn)行。待測試缸的模擬加載通過機(jī)架的彈性變形實(shí)現(xiàn)，待測試缸的活塞位置變化由增減調(diào)節(jié)塊的方式來實(shí)現(xiàn)，待測試缸的位移變化由控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。此外，AGC缸性能檢定系統(tǒng)實(shí)時(shí)功能可在線分析試驗(yàn)過程參數(shù)變化并顯示在上位機(jī)上，最后將測試檢定結(jié)果以報(bào)告的形式打印輸出，供檢測人員分析使用[12]。

圖3 AGC缸性能測試檢定系統(tǒng)液壓原理Fig.3 Hydraulic schematic of AGC cylinder performance test and verification system

3 檢測系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

圖4所示為AGC缸檢測系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)。

圖4 AGC缸檢測系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)Fig.4 Platform architecture of AGC cylinder testing system

圖4中，采用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，將AGC伺服液壓缸測試裝備融入到廠級(jí)ERP企業(yè)管理系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與測試。上位機(jī)采用以太網(wǎng)與控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，減小因模擬信號(hào)在傳輸過程中的衰減及消除外界干擾產(chǎn)生的信號(hào)失真；根據(jù)廠方提供的ERP企業(yè)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)與ERP企業(yè)管理系統(tǒng)連通，實(shí)現(xiàn)AGC測試系統(tǒng)在廠級(jí)范圍內(nèi)，按授權(quán)級(jí)別進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、存儲(chǔ)。控制部分采用西門子PLC 1500作為主控制器，配套智能工藝模塊及進(jìn)口SONY信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，接入AGC缸高精度SONY和MTS位移傳感器，配套16位模擬量輸入模塊接入模擬量位移傳感器及壓力等傳感器，實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)，配套模擬量輸出模塊向伺服閥與比例閥施加指令信號(hào)；采用現(xiàn)有PLC 300作為控制器子站，對原有油源液壓元件、電機(jī)啟動(dòng)元件進(jìn)行控制；觸摸屏和計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，觸摸屏和計(jì)算機(jī)均可實(shí)現(xiàn)控制指令輸出與測試曲線繪制；測試部分采用USB 6003多功能數(shù)據(jù)采集卡作為計(jì)算機(jī)與信號(hào)監(jiān)測元件之間的硬件接口，通信及控制軟件采用基于Visual Basic開發(fā)設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用OPC Severs平臺(tái)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過NI采集卡驅(qū)動(dòng)軟件NI MAX對USB 6003數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行上位機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)境配置[13]。

為解決上位機(jī)與PLC之間數(shù)據(jù)傳輸速度問題，開發(fā)專用測試檢定模塊，在PLC中開辟高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測試指令信號(hào)及實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)在PLC內(nèi)部高速生成、采集、存儲(chǔ)，當(dāng)單個(gè)頻段測試完畢后，計(jì)算機(jī)主動(dòng)獲取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包進(jìn)行該頻段的幅頻值計(jì)算，然后發(fā)出下一頻段測試指令。對于測試數(shù)據(jù)傳輸速度要求低的靜態(tài)測試項(xiàng)目，傳感器信號(hào)直接在計(jì)算機(jī)測試界面進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制。

采用智能閉環(huán)控制算法替代原物理開閉環(huán)放大器，以軟件方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測試項(xiàng)目的位置閉環(huán)控制與靜態(tài)測試項(xiàng)目的開環(huán)控制，控制參數(shù)在測試界面進(jìn)行設(shè)置，消除物理開閉環(huán)放大器性能對測試精度的影響，提高測試系統(tǒng)閉環(huán)參數(shù)設(shè)置的靈活性和速度。

測試系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)根據(jù)測試檢定項(xiàng)目編制控制程序，將各項(xiàng)目測試檢定全流程的操作步驟進(jìn)行程序化，包括通過方向閥實(shí)現(xiàn)的油路切換、開閉環(huán)控制模式切換、電機(jī)啟停、伺服缸位置找0。

4 檢測系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)

檢測系統(tǒng)采用Windows平臺(tái)， 開發(fā)工具為基于Visual Basic[14-15]。

4.1 檢測系統(tǒng)平臺(tái)需求分析

根據(jù)軋機(jī)AGC液壓缸靜動(dòng)態(tài)特性性能指標(biāo)測試技術(shù)特點(diǎn)，檢測系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)采用模塊化編程。在Visual Basic平臺(tái)完成人機(jī)交互界面的開發(fā)，主要包括板卡、頻率特性、階躍響應(yīng)、動(dòng)摩擦力、啟動(dòng)壓力、偏擺等測試項(xiàng)目，參數(shù)設(shè)置、保存、讀取和打印等功能。檢測系統(tǒng)平臺(tái)操作流程如圖5所示。

圖5 檢測系統(tǒng)平臺(tái)操作流程Fig.5 Operation process of testing system platform

4.2 檢測系統(tǒng)平臺(tái)界面開發(fā)

根據(jù)軋機(jī)AGC液壓缸靜動(dòng)態(tài)特性檢測需求可知，檢測項(xiàng)目包括頻率特性、階躍響應(yīng)、動(dòng)摩擦力、啟動(dòng)壓力、偏擺等測試。

檢測系統(tǒng)平臺(tái)界面的設(shè)計(jì)基于這5個(gè)測試項(xiàng)目，每種項(xiàng)目對應(yīng)唯一界面，這種模塊化設(shè)計(jì)使使用者目標(biāo)明確、操作簡單方便。檢測系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖6 檢測系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of testing system

4.3 檢測系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)設(shè)置有板卡、頻率特性、階躍響應(yīng)、動(dòng)摩擦力、啟動(dòng)壓力、偏擺等測試界面。在項(xiàng)目界面(除板卡測試界面)均設(shè)置有“狀態(tài)顯示區(qū)”，來實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)；“標(biāo)尺控制區(qū)”，可控制繪圖區(qū)域顯示范圍；“進(jìn)度控制和數(shù)據(jù)處理區(qū)”，由“送檢輸入”、“開始測試”、“停止測試”、“保存數(shù)據(jù)”、“讀取數(shù)據(jù)”、“打印預(yù)覽”及“參數(shù)設(shè)置”等七大部分組成，可對進(jìn)行中的項(xiàng)目的進(jìn)度以及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制[16]。圖7所示為檢測系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)。

圖7 檢測系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)Fig.7 Functional module structure of testing system

具體描述如下：

(1)板卡測試

在進(jìn)行對應(yīng)項(xiàng)目前，應(yīng)檢查試驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)采集卡中各個(gè)通道的功能是不是滿足試驗(yàn)要求，因此打開軟件后默認(rèn)顯示“板卡測試”界面。板卡測試可輸出項(xiàng)目所需信號(hào)、記錄信號(hào)以及對其所有模/數(shù)(或數(shù)/模)通道的輸出波形進(jìn)行正確性檢測。

(2)頻率特性測試

軟件在正弦輸入信號(hào)下，輸出待測試缸的輸入和響應(yīng)信號(hào)振幅比(或相位差)隨信號(hào)頻率關(guān)系?！皹?biāo)尺控制區(qū)”用于設(shè)置掃描起點(diǎn)和掃描終點(diǎn)；“參數(shù)設(shè)置”用于設(shè)定輸出正弦波的頻率規(guī)模、掃描點(diǎn)數(shù)、給定幅值、偏置、壓力狀態(tài)；“送檢輸入”用于設(shè)置“幅頻寬標(biāo)定值”和“相頻寬標(biāo)定值”；“保存數(shù)據(jù)”用于當(dāng)前項(xiàng)目執(zhí)行結(jié)果的保存，保存地址為軟件在計(jì)算機(jī)中安裝目錄下的一個(gè)與當(dāng)前項(xiàng)目同名的文件夾(首次執(zhí)行時(shí)自動(dòng)生成該文件夾)；“讀取數(shù)據(jù)”用于選擇“保存數(shù)據(jù)”時(shí)的文件夾下需讀取測試結(jié)果文件(文件后綴為“.csv”)并讀取歷史測試數(shù)據(jù)；“打印預(yù)覽”用于查看項(xiàng)目數(shù)據(jù)曲線的輸出結(jié)果；“打印”用于設(shè)置保存文件格式、存儲(chǔ)位置以及輸出紙質(zhì)曲線報(bào)告。

(3)階躍響應(yīng)測試

在階躍輸入信號(hào)下，輸出待測試缸的位移隨時(shí)間關(guān)系。“標(biāo)尺控制區(qū)”用于設(shè)置測試時(shí)間和位移；“參數(shù)設(shè)置”可給定液壓缸階躍增量，給定伺服閥初始位移量以及當(dāng)前壓力狀態(tài)；“送檢輸入”用于設(shè)置階躍響應(yīng)時(shí)間標(biāo)定值。

(4)動(dòng)摩擦力測試

在給定輸入信號(hào)下，輸出待測試缸的帶載荷摩擦力與位移關(guān)系?！皹?biāo)尺控制區(qū)”用于設(shè)置推力和位移；“參數(shù)設(shè)置”可給定伺服閥的初始位移及其最大增幅、比例閥(背壓)的初始電壓量和最大電壓量以及油缸的活塞直徑和活塞桿直徑?！八蜋z輸入”用于設(shè)置動(dòng)摩擦力標(biāo)定值、活塞直徑以及活塞桿直徑。

(5)啟動(dòng)壓力測試

在給定輸入信號(hào)下，輸出待測試缸的空載啟動(dòng)壓力隨時(shí)間的關(guān)系，從而分析出啟動(dòng)摩擦力的精確值?！皹?biāo)尺控制區(qū)”用于設(shè)置壓力、位移和時(shí)間；“參數(shù)設(shè)置”用于設(shè)置伺服閥的步進(jìn)增幅和最大給定量、油缸的活塞直徑和活塞桿直徑、活塞的運(yùn)動(dòng)閾值和最大位移量以及當(dāng)前壓力狀態(tài)；“送檢輸入”用于設(shè)置壓力標(biāo)定值、摩擦力標(biāo)定值、活塞直徑以及活塞運(yùn)動(dòng)閾值。

(6)偏擺測試

在給定負(fù)載輸入下，輸出待測試缸活塞桿偏擺量的檢測?！皹?biāo)尺控制區(qū)”用于設(shè)置位移和時(shí)間；“參數(shù)設(shè)置”可給定輸出最大位移值以及當(dāng)前壓力狀態(tài)；“送檢輸入”用于設(shè)置偏擺標(biāo)定值和測試最大行程。

5 測試數(shù)據(jù)分析

使用該檢測系統(tǒng)，針對企業(yè)關(guān)于Ф 700/600-205型AGC缸的送檢數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，圖8—圖12所示為檢測運(yùn)行結(jié)果曲線。

圖8所示為頻率響應(yīng)特性檢測，此標(biāo)定系統(tǒng)測試幅頻寬為3.57 Hz，相頻寬為7.32 Hz；送檢系統(tǒng)測試幅頻寬為3.57 Hz，相頻寬為7.32 Hz，幅頻寬誤差率為0.0 %，相頻寬誤差率為0.0 %。

圖8 頻率響應(yīng)特性檢測Fig.8 Frequency response characteristic testing

圖9所示為階躍響應(yīng)特性檢測，此標(biāo)定系統(tǒng)測試階躍響應(yīng)時(shí)間為34 ms，送檢系統(tǒng)測試階躍響應(yīng)時(shí)間為34 ms，階躍響應(yīng)時(shí)間誤差率為0.0 %。

圖9 階躍響應(yīng)特性檢測Fig.9 Step response characteristic testing

圖10所示為動(dòng)摩擦力特性檢測，此標(biāo)定系統(tǒng)測試動(dòng)摩擦力為130 kN，送檢系統(tǒng)測試動(dòng)摩擦力為130.988 kN，動(dòng)摩擦力誤差率為0.8 %。

圖10 動(dòng)摩擦力特性檢測Fig.10 Dynamic friction characteristic testing

圖11所示為起動(dòng)壓力特性檢測，此標(biāo)定系統(tǒng)壓力值為0.387 MPa，啟動(dòng)摩擦力為326.5 kN；送檢系統(tǒng)壓力值為0.344 MPa，啟動(dòng)摩擦力為326.525 kN，壓力誤差率為-11.1 %，啟動(dòng)摩擦力誤差率為0.0%。

圖11 起動(dòng)壓力特性檢測Fig.11 Starting pressure characteristic testing

圖12所示為偏擺特性檢測，此標(biāo)定系統(tǒng)偏擺值為0.109 mm，送檢系統(tǒng)偏擺值為0.107 mm，偏擺誤差率為-1.6 %。

圖12 偏擺特性檢測Fig.12 Yaw characteristics testing

6 結(jié)論

通過對軋機(jī)AGC液壓缸智能檢測系統(tǒng)平臺(tái)的研究，得到了如下結(jié)論：

(1)為模擬現(xiàn)場實(shí)際工況測試，此試驗(yàn)利用機(jī)架彈性變形進(jìn)行測試，得到了更加準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)。

(2)設(shè)計(jì)開發(fā)伺服液壓缸測試裝置(AGC缸試驗(yàn)臺(tái))檢測系統(tǒng)，有效提高軋機(jī)AGC液壓缸性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)的采集、處理、調(diào)用和自動(dòng)控制，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)檢校記錄和檢校證書電子化、信息化管理，便于計(jì)量數(shù)據(jù)的追溯，提升檢定數(shù)據(jù)精確性，以滿足AGC缸生產(chǎn)企業(yè)和使用單位等第三方測試數(shù)據(jù)的檢定、校準(zhǔn)工作需求，現(xiàn)已投入使用。

(3)此研究所開發(fā)檢測系統(tǒng)具有拓展性，為推動(dòng)檢定、校準(zhǔn)工作向自動(dòng)化、智能化發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。第三方的檢定機(jī)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際情況對系統(tǒng)實(shí)行通道擴(kuò)充，有效地提升檢定效率。

(4)伺服液壓缸生產(chǎn)企業(yè)在建設(shè)AGC缸試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，可以直接采購該裝置作為測試部分，只需另外搭建液壓和機(jī)械部分即可，減少資本，縮短試驗(yàn)設(shè)備前期準(zhǔn)備周期，提升設(shè)備可靠性。

(5)將AGC伺服液壓缸檢測系統(tǒng)融入到廠級(jí)ERP企業(yè)管理系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制與測試。