一種用于結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)的電液伺服控制加載系統(tǒng)

江禮鵬，王宏宇

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

0 前言

結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)是研究復(fù)雜工程構(gòu)件靜特性的重要手段，是校核產(chǎn)品設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，鑒定產(chǎn)品可靠性的有效途徑，并為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠的靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)和最準(zhǔn)確的資料。對(duì)于形狀和受力都較復(fù)雜的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研發(fā)必不可少的也是唯一簡(jiǎn)單而有效的途徑。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)模型的建立以及二次開(kāi)發(fā)起到重要的指導(dǎo)作用。因此，目前許多領(lǐng)域，包括土木、汽車(chē)、船舶、航空、航天領(lǐng)域的大型結(jié)構(gòu)件的研發(fā)過(guò)程中，都需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)，保證產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠性，避免產(chǎn)品的實(shí)際參數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

1 電液伺服系統(tǒng)

液壓加載根據(jù)液壓流體力學(xué)原理，利用液壓元件組成的壓力和方向控制回路，將一定壓力的油液輸入液壓缸，由液壓缸內(nèi)的活塞把分布的油壓轉(zhuǎn)變?yōu)榧辛Γ詈蠼?jīng)活塞桿輸出。

電—液伺服系統(tǒng)的分類方法很多，可以從不同角度分類，如位置控制、速度控制、力控制等;閥控系統(tǒng)、泵控系統(tǒng);大功率系統(tǒng)、小功率系統(tǒng);開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)等。根據(jù)輸入信號(hào)的形式不同，又可分為模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字伺服系統(tǒng)兩類。圖1為電液位置伺服系統(tǒng)：

圖1 電液位置伺服系統(tǒng)

電—液伺服系統(tǒng)綜合了電氣和液壓兩方面的優(yōu)點(diǎn)，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、信號(hào)處理靈活、易于實(shí)現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點(diǎn)。因此，在負(fù)載質(zhì)量大又要求響應(yīng)速度快的場(chǎng)合最為適合，其應(yīng)用已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，比如飛機(jī)與船舶舵機(jī)的控制、雷達(dá)與火炮的控制、機(jī)床工作臺(tái)的位置控制、板帶軋機(jī)的板厚控制、電爐冶煉的電極位置控制、各種飛機(jī)的模擬臺(tái)控制、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制、材料試驗(yàn)機(jī)及其他實(shí)驗(yàn)機(jī)的壓力控制等等。在油源設(shè)備提供一定壓力油液的情況下，計(jì)算機(jī)調(diào)整輸入到液壓缸內(nèi)的油液流量，由此控制試驗(yàn)載荷或位移。根據(jù)這一設(shè)計(jì)思想，依據(jù)被控參量開(kāi)發(fā)了兩個(gè)液壓加載分系統(tǒng)：力控制系統(tǒng)和位移控制系統(tǒng)，以滿足不同的試驗(yàn)需求。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)的系統(tǒng)，在試驗(yàn)力精度，位移傳感器分辨率，響應(yīng)速度和活塞行程上很難達(dá)到用戶需求，美國(guó)MTS公司的伺服加載系統(tǒng)能夠達(dá)到和超過(guò)用戶要求，但是其價(jià)格是國(guó)內(nèi)相同系統(tǒng)的幾倍甚至幾十倍，基于這種情況，采用美國(guó)NI公司的LabVIEW編程軟件即圖形化語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及儀器控制的虛擬儀器應(yīng)用程序，配以伺服放大器、MOOG的直動(dòng)式伺服控制閥、及作動(dòng)器，形成了一套性能優(yōu)良的位移、力閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以進(jìn)行負(fù)載0～500 kN的試件的靜態(tài)試驗(yàn)。其試驗(yàn)力精度≤±1%，位移傳感器分辨率可達(dá)到0.01 mm，活塞的最大行程可達(dá)500 mm，控制精確、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、控制穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2 虛擬儀器伺服系統(tǒng)

利用美國(guó)NI公司的LabVIEW編程軟件作為平臺(tái)開(kāi)發(fā)伺服控制系統(tǒng)軟件，該軟件主要功能為數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)的顯示波形型號(hào)，可實(shí)時(shí)顯示力－位移，力－時(shí)間，位移－時(shí)間曲線，并通過(guò)采集的數(shù)據(jù)及控制參數(shù)發(fā)出控制信號(hào)，數(shù)據(jù)的采集與控制信號(hào)的發(fā)出通過(guò)研華工控機(jī)A/D和D/A轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)運(yùn)行伺服系統(tǒng)控制軟件，通過(guò)伺服放大器控制伺服閥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作動(dòng)器活塞位置的位移閉環(huán)反饋控制。作動(dòng)器活塞位置使用深圳聯(lián)誠(chéng)世紀(jì)的RP/RH非接觸式位移傳感器，其分辨率可達(dá)16位D/A或滿量程的0.001 5%。

本系統(tǒng)如圖2所示，主要由以下部分構(gòu)成：

1)主機(jī)：對(duì)試樣進(jìn)行加載的工作裝置，本系統(tǒng)為作動(dòng)器。

2)控制柜：?jiǎn)?dòng)、停止油泵電機(jī)，對(duì)異常情況報(bào)警的操作裝置。

3)油源：對(duì)液壓系統(tǒng)提供油液和動(dòng)力，通過(guò)作動(dòng)器對(duì)試樣加載的動(dòng)力裝置。

4)控制系統(tǒng)：控制試驗(yàn)按照需求逐步進(jìn)行，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、放大、顯示、處理和打印的裝置。

圖2 伺服系統(tǒng)主機(jī)、控制柜及油源外觀圖

該軟件可以實(shí)現(xiàn)位移的手動(dòng)控制，閉環(huán)控制以及自動(dòng)程控，具有多種試驗(yàn)力、位移梯級(jí)加載、保載控制，數(shù)據(jù)的采集、記錄、顯示、實(shí)時(shí)保存以及采集頻率的設(shè)定等功能，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)時(shí)處理可以顯示其當(dāng)前值，歷史值及峰值，還能設(shè)定試驗(yàn)保護(hù)參數(shù)，軟件界面清晰美觀，操作簡(jiǎn)單，使用方便?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D3。

圖3 控制程序流程圖

該系統(tǒng)主要用于結(jié)構(gòu)教學(xué)試驗(yàn)，也可以在加載框架內(nèi)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的彎曲、壓縮、拉伸等性能試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象包括柱、梁、框架等。還可以將系統(tǒng)中的油缸在加載框架內(nèi)組合使用，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)調(diào)加載功能，測(cè)試結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力情況下的力學(xué)性能。圖4為伺服控制系統(tǒng)界面。

圖4 伺服控制系統(tǒng)界面

3 結(jié)論

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況選擇了液壓輔助控制系統(tǒng)的硬件配置，基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了伺服控制系統(tǒng)軟件，大大簡(jiǎn)化了源程序的開(kāi)發(fā)。由于LabVIEW所具備的強(qiáng)大功能使傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器及其他硬件設(shè)備可以省略，而且精度更好、成本更低、試驗(yàn)系統(tǒng)性能更穩(wěn)定。該系統(tǒng)充分考慮了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)的各種特征，功能齊全、界面美觀、操作簡(jiǎn)便、此軟件可以快捷、方便、直觀地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)要求的各種操作，人機(jī)對(duì)話靈活、友好。

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