基于LabVIEW的液壓換向閥全自動測控系統(tǒng)

□ 呂永福 □ 高施琛 □ 邢科禮

上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072

液壓換向閥是液壓系統(tǒng)中的關鍵元件，對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有著決定性的作用。液壓換向閥的出廠試驗主要用于檢測換向閥裝配的質量以及各項功能是否正常，以提高產品的出廠合格率。目前液壓換向閥測試系統(tǒng)自動化程度不高，測試精度較低。而隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，虛擬儀器技術在數(shù)據(jù)采集、自動測試和測量儀器領域得到廣泛應用，促進和推動了測試系統(tǒng)和測量儀器的設計方法與實現(xiàn)技術的發(fā)展，“軟件就是儀器”已經成為測試與測量技術發(fā)展的重要標志［1］。為了提高測試的自動化程度和測試精度，減少人為因素對試驗結果的影響，筆者以LabVIEW為開發(fā)平臺，研制了一套全自動液壓換向閥測控系統(tǒng)。

1 測試液壓系統(tǒng)及主要試驗內容

1.1 液壓系統(tǒng)

根據(jù)液壓換向閥的檢驗要求，設計了測試液壓系統(tǒng)，原理如圖1所示，液壓系統(tǒng)分為以下幾個回路。

（1）主回路。測試液壓系統(tǒng)主回路由手動球閥、斜軸柱塞泵、單向閥、過濾器、比例溢流閥、流量計、壓力表、壓力傳感器、二通電磁螺紋插裝閥等組成。為滿足不同通徑的被試液壓換向閥對不同測試流量的要求，主回路采用兩個40 L/min排量的斜軸柱塞泵供油，動力由變頻電機提供，其中在被試閥安裝閥板的P、A、B口處設置的二通電磁螺紋插裝閥可在需要的時候開啟，以給被試閥P、A、B口單獨加壓。

（2）橋式加載回路。測試液壓系統(tǒng)橋式加載回路由 4 個單向閥（12.4、12.5、12.6、12.7），高壓過濾器 7.4，比例溢流閥13.2等組成。橋式加載回路通過單向閥12.4和12.7的開啟實現(xiàn)油液從A到B的流動，通過單向閥12.5和12.6的開啟實現(xiàn)油液從B到A的流動，其中通過比例溢流閥建立A、B口之間的壓差，模擬被試閥在實際工作中的負載。

（3）自動夾緊回路。測試液壓系統(tǒng)自動夾緊回路由齒輪泵、過濾器、單向閥、調壓組合閥、壓力傳感器、蓄能器、三位四通電磁換向閥、液壓鎖、壓緊油缸等組成。通過調壓組合閥可滿足不同被試閥對不同夾緊壓力的要求；回路中蓄能器可實現(xiàn)保壓功能，蓄能器充能后可關閉供油電機；回路中的壓力傳感器可反饋壓力信號，實時監(jiān)測夾緊回路的壓力情況，確保測試的安全進行。

（4）泄漏測試回路。泄漏測試回路由 3個二通電磁螺紋插裝閥（17.7、17.8、17.9），三通電磁閥、流量計14.2 等組成。 二通閥（17.7、17.8、17.9）開啟后可分別測試B、A、T口的泄漏量，在泄漏測試前讓三通電磁閥保持失電狀態(tài)，待管路中的油液排出后讓三通電磁閥得電，此時被試閥的泄漏油液可流過流量計。

（5）吹氣排油回路。吹氣排油回路主要由4個二通電磁螺紋插裝閥（17.10、17.11、17.12、17.13 ）組成。電磁螺紋插裝閥得電后，氣源可分別將殘留在被試閥P、A、B、T口中的油液全部排出，測試完成后，避免被試閥帶走殘留在閥體內的油液，從而阻止液壓油的浪費。

1.2 主要試驗內容

根據(jù)液壓換向閥企業(yè)測試標準，B級測試項目主要包括：耐壓測試、滑閥機能測試、換向性能測試、壓力損失測試、內泄漏測試、密封性測試等，其中以機能測試、換向性能測試、內泄漏測試尤為關鍵。本文對一般性的測試項目不再贅述，以主要測試內容論述如下。

（1）電磁鐵測試。為了防止線圈電磁鐵裝配錯誤或電磁鐵鐵芯接觸不良［2］，需要對電磁鐵進行測試。采取的方法是先提供線圈87%的額定電壓，測量線圈的電流。電磁鐵測試必須在室溫下進行，以免線圈通電后因發(fā)熱而引起電流的變化。

（2）閥芯中位機能測試。為了防止閥芯裝錯或閥芯尺寸過長等情況的發(fā)生，需要對閥進行中位機能測試。采取的方法是依次給P、A、B 3個口單獨加壓，單獨給其中一個口加壓時，從其它3個口的壓力變化判斷出閥芯的機能。

（3）閥芯換向性能測試。為了檢測被試閥是否存在閥芯裝反或卡閥情況，需要進行換向性能測試。在換向性能測試時，在一定試驗壓力流量下，來回換向10次左右，通過在每一個位置上的壓力流量變化，判斷換向是否正常。

（4）泄漏測試。為了檢測閥體和閥芯的配合精度是否滿足要求，需要對其進行泄漏測試，泄漏測試前需要將閥內的油排出。

2 測控系統(tǒng)組成及功能

換向閥測試時，為了自動完成裝夾固定、自動完成各項測試內容、自動判斷保存測試結果等測試過程，以最大限度地減少測試過程的人為參與，確保測試過程的穩(wěn)定性和測試結果的可靠性，系統(tǒng)組成及功能如下。

（1）以工控機作為上位機、PLC作為下位機構成整個測控系統(tǒng)，通過自動程序準確地執(zhí)行試驗流程，可靠地實現(xiàn)測試的自動化。

（2）上位機測控軟件采用LabVIEW11.0編制，可設置試驗參數(shù)、實時顯示試驗數(shù)據(jù)、跟蹤試驗進度、保存并查詢試驗結果、生成試驗報表。

（3）通過采集現(xiàn)場的壓力反饋信號，系統(tǒng)可自動做出相應的處理，出現(xiàn)故障時，操作人員也可以清晰地看到報警信號。

2.1 硬件組成

▲圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

測控系統(tǒng)的硬件主要由工控機、模擬量輸入/輸出卡、二次儀表、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、變頻器、比例放大器、PLC等組成，系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。硬件的選用必須在滿足測試要求的前提下綜合考慮成本因素，因此從最優(yōu)性價比角度出發(fā)，工控機選用15"XGA TFT LCD工業(yè)等級擴展型平板電腦IPPC-6152A；模擬量輸入卡選用PCI-1710多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，模擬量輸出卡選用PCI-1720U。根據(jù)控制要求統(tǒng)計系統(tǒng)所需的輸入點數(shù)與輸出點數(shù)，并考慮要有10%的余量，在本系統(tǒng)中采用三菱FX3U-64MR型PLC。測試過程中為了準確地判斷被試閥是否存在卡閥現(xiàn)象，因此測控系統(tǒng)對壓力頻響要求較高，壓力傳感器采用德國HYDAC壓力變送器，壓力范圍在0～40 MPa，過載能力為1.5倍滿量程壓力，綜合精度為±0.15%FS，工作溫度為-40～85℃，響應時間為≤0.5 ms。高壓流量傳感器選用派克齒輪流量計SCVF150，量程范圍為 0～150 L/min，精度為±0.25%FS。用于泄漏試驗的流量計選用德國VS0.1，測量范圍為0.01～10 L/min，精度為±0.3%R（相對測量值）。 溫度傳感器選用派克SCT-150-14-00，測量范圍為-25～125℃，精度為±2%FS。二次儀表選用昌輝SWP系列，變頻器選用博世力士樂G5系列。

▲圖2 測控系統(tǒng)硬件結構組成框圖

▲圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

2.2 軟件設計

測控系統(tǒng)軟件采用美國NI公司的產品LabVIEW，按軟件規(guī)范編寫。LabVIEW的編程方式區(qū)別于傳統(tǒng)的編程語言，它是一種圖形語言，易學易用，使編程效率得到了明顯提高。作為一個業(yè)界領先的工業(yè)標準軟件工具，LabVIEW繼承和發(fā)展了結構化和模塊化程序設計的概念，其強大的硬件驅動和圖形顯示能力能夠實現(xiàn)系統(tǒng)測試、控制和仿真等各種應用［3］。

本測控系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、電磁鐵測試模塊、閥芯中位機能測試模塊、閥芯換向性能測試模塊、泄漏測試模塊等，每個模塊具有相對獨立性，在軟件中完成各自的測試功能。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集任務利用PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡完成，其提供LabVIEW驅動程序，供LabVIEW語言對其板卡編程使用。采集卡提供了3種信號采集方式，即軟件觸發(fā)方式、中斷方式、DMA方式［4］，筆者選用軟件觸發(fā)方式即可滿足測試要求，部分程序框圖如圖3所示。

（2）電磁鐵測試模塊。選擇電磁鐵測試后，首先給被試閥每一個位置輪流通上87%的額定電壓，采集通過線圈的電流大小，然后與理論的電流值進行比較，若在要求的范圍內，則記錄測試結果后，結束測試；若不在要求的范圍內，則選擇是否重新測試一次，然后記錄實際測試結果，最后結束測試。程序流程如圖4所示。

（3）閥芯中位機能測試模塊。選擇閥芯中位機能測試后，首先依次給 P、A、B 口加壓，同時采集 P、A、B、T 4個口的壓力值，直到判斷出閥芯機能為止，若與實際閥芯機能一致，則記錄測試結果后結束測試；若與實際閥芯機能不符則選擇是否重新測試一次，然后記錄實際測試結果，最后結束測試。程序流程如圖5所示。

（4）閥芯換向性能測試模塊。選擇閥芯換向性能測試后，首先在被試閥工作口A、B之間建立起一定的額定壓差，然后使被試閥來回換向10次左右，根據(jù)壓力流量數(shù)據(jù)判斷換向是否正常，若換向正常，則記錄測試結果后，結束測試；若換向不正常，則選擇是否重新測試一次，然后記錄實際測試結果，最后結束測試。程序流程如圖6所示。

▲圖4 電磁鐵測試程序流程圖

▲圖5 閥芯中位機能測試程序流程圖

▲圖6 閥芯換向性能測試程序流程圖

▲圖7 泄漏測試程序流程圖

▲圖8 操作顯示界面

（5）泄漏測試模塊。選擇泄漏試驗后，首先在被試閥的P口加上一定的泄漏試驗壓力，然后根據(jù)測試位置選擇打開泄漏測試口記錄泄漏量，若泄漏量在允許范圍內，則記錄測試結果后結束測試；若泄漏量超出允許值，則選擇是否重新測試一次，然后記錄實際測試結果，最后結束測試，程序流程如圖7所示。

3 試驗過程舉例分析

如圖8操作顯示界面所示，系統(tǒng)正在執(zhí)行閥芯中位機能測試，從顯示界面上可以清楚地看到試驗過程中的壓力、流量數(shù)據(jù)以及自動判斷的試驗結果。由于此試驗過程被試閥A、B、T口關閉，系統(tǒng)油液溢流，故系統(tǒng)流量顯示為零。

4 總結

本文研究的液壓換向閥全自動測控系統(tǒng)采用了先進的傳感技術和測控技術，測控系統(tǒng)硬件的組成充分保證了系統(tǒng)的可靠性，軟件的設計運用LabVIEW強大的測試功能，完成了數(shù)據(jù)的采集與處理，提高了測試的精度和速度。通過硬件和軟件的相結合，實現(xiàn)了液壓換向閥出廠試驗的全自動測試，具有實際生產指導意義和實用價值。

［1］商偉娜，高寶成.基于LabVIEW的虛擬儀器自動測試系統(tǒng)的設計［J］.機床與液壓，2007，35（7）：160-164.

［2］王洪波.電磁換向閥的故障分析 ［J］.液壓氣動與密封，2012（9）：41-43.

［3］楊樂平.LabVIEW高級程序設計［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［4］俞平，杜群貴，黃曉東.氣動電磁換向閥可靠性試驗臺自動測控系統(tǒng)［J］.機床與液壓，2009，37（10）：155-158.