基于虛擬儀器的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

郭艷珠 任雪鴻

摘 要：液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是高職院校機(jī)電類(lèi)專業(yè)必備的專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，目前的主流液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要是通過(guò)操作相關(guān)的按鈕、通過(guò)PLC等控制、利用液壓或氣壓回路直觀的操作或監(jiān)測(cè)液壓缸活塞桿的單動(dòng)或者連動(dòng)。本文以THPHDW-1型液壓與氣壓傳動(dòng)綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為載體，利用虛擬儀器技術(shù)，搭建虛擬的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)的壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行在線顯示和監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能在利用虛擬的數(shù)據(jù)采集卡做相關(guān)的液壓試驗(yàn)，拓寬了液壓氣動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的使用范圍，對(duì)設(shè)備進(jìn)行高精度的監(jiān)測(cè)和顯示。有利于系統(tǒng)的更新。

關(guān)鍵詞：液壓；虛擬儀器；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；軟件設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.097

0 引言

虛擬儀器作為當(dāng)前機(jī)電行業(yè)的主流設(shè)備，因其搭建設(shè)備的便捷性、更新的簡(jiǎn)易性、成本的低價(jià)性而被廣泛應(yīng)用[1]，而液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)作為機(jī)電行業(yè)典型的設(shè)備，根據(jù)其功能需要具有很大的開(kāi)發(fā)價(jià)值，將虛擬儀器和液壓氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩者結(jié)合起來(lái)能夠拓寬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能，并且能夠融合傳感器、電氣控制等多學(xué)科知識(shí)，對(duì)掌握機(jī)電一體化的綜合知識(shí)具有重要意義，同時(shí)兩者的結(jié)合開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)具有用時(shí)短，經(jīng)濟(jì)、更新快速便捷的優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)的實(shí)際價(jià)值。本文就利用虛擬儀器對(duì)液壓氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從而開(kāi)發(fā)出液壓系統(tǒng)的壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等實(shí)驗(yàn)，對(duì)這些參數(shù)的檢測(cè)既能為整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行提供保障條件，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也能很大程度的提高操作人員的學(xué)科綜合水平和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1 整體方案

利用現(xiàn)有的液壓氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)所提供的信號(hào)源，外加傳感器等，精確檢測(cè)液壓氣動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，將多學(xué)科的知識(shí)融合到一起，實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)電一體化相結(jié)合，其整體方案如下所圖1所示。

通過(guò)虛擬儀器的設(shè)計(jì)，外加傳感器的信號(hào)采集，可以在虛擬儀器上顯示此實(shí)驗(yàn)臺(tái)的壓力、轉(zhuǎn)速、流量、溫度、位移等信號(hào)。其動(dòng)力元件中的液壓泵的旋轉(zhuǎn)信號(hào)的采集顯示；執(zhí)行元件中液壓缸活塞桿的位移信號(hào)采集顯示；液壓油中油溫信號(hào)的采集顯示；控制元件中壓力閥的壓力信號(hào)采集顯示；流量閥的流量信號(hào)采集顯示。

2 液壓回路

利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建基本的液壓回路，此液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可以監(jiān)測(cè)液壓泵的轉(zhuǎn)速、壓力及流量；液壓缸活塞桿的位移；液壓油的溫度高低；壓力閥的進(jìn)出油口壓力；溢流閥閥口的流量等。其液壓泵選用定量葉片泵，型號(hào)為YB1-10，壓力6.3Mpa，排量16毫升/轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)速960--1450 r/min；電機(jī)型號(hào)為Y100L1-4，絕緣等級(jí)為B級(jí)，額定電壓為380V，額定電流為5A，額定功率為2.2kW，額定傳速：1420r/min油缸為Φ50×Φ28；液壓缸活塞桿行程250mm[2]。電磁溢流閥用于卸荷；二位三通換向閥、三位四通換向閥用于換向和各類(lèi)實(shí)驗(yàn)的操作元件；可調(diào)單向節(jié)流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、壓力閥用于根據(jù)要求控制整個(gè)液壓系統(tǒng)回路；過(guò)濾器以及各類(lèi)測(cè)量?jī)x器儀表等用于檢測(cè)和保證整個(gè)液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。液壓回路如下圖2所示：

3 硬件選擇

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，依托液壓實(shí)訓(xùn)臺(tái)中系統(tǒng)的信號(hào)源，選取合適的傳感器及數(shù)據(jù)采集卡，將信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)中的虛擬儀器面板上，通過(guò)軟硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的采集處理。本文選取將液壓泵旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)作為研究對(duì)象，通過(guò)HCNJ-101型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將其轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給虛擬儀器轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)?zāi)K；以液壓缸活塞桿的位移為測(cè)量對(duì)象，選用德敏哲18系列非接觸式磁懸浮滑塊磁致伸縮位移傳感器，將其輸出的位移信號(hào)傳送到虛擬儀器的位移實(shí)驗(yàn)?zāi)K；以液壓泵出油口的流量作為測(cè)量對(duì)象，選用雷諾CT流量傳感器，將其輸出的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳送到虛擬儀器流實(shí)驗(yàn)?zāi)K；以減壓閥出油口壓力為研究對(duì)象，選用WPT壓力傳感器，將其信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳送到虛擬儀器壓力試驗(yàn)?zāi)K；以液壓缸液壓油油溫為測(cè)量對(duì)象，選用TTP 溫度傳感器，將溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳送到虛擬儀器溫度試驗(yàn)?zāi)K。數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的DAQ的USB接口6009數(shù)據(jù)采集卡。其整體設(shè)計(jì)流程如下圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

本文結(jié)合液壓與氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)將此試驗(yàn)臺(tái)中的五個(gè)基本量的信號(hào)源通過(guò)虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡，利用單通道采集的方式，依托轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、位移傳感器，經(jīng)過(guò)相關(guān)應(yīng)變電路，依次在轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)、壓力實(shí)驗(yàn)、流量實(shí)驗(yàn)、溫度實(shí)驗(yàn)、位移實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的顯示。

4.2 登陸界面

考慮到整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)是需要測(cè)量系統(tǒng)的多個(gè)量，為了便于實(shí)驗(yàn)人員條理性的掌握各個(gè)流程，采用單通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)；同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)人員的重復(fù)性和評(píng)定的差異性，登陸系統(tǒng)采用姓名、班級(jí)、學(xué)號(hào)相結(jié)合的方式登陸，登錄界面如下圖4所示：

4.3 功能界面

檔登陸成功后，安裝好硬件，調(diào)試好液壓系統(tǒng)及相關(guān)元器件，就可以做相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)了，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)后，點(diǎn)擊確定按鈕，就能進(jìn)到對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊。當(dāng)完成實(shí)驗(yàn)后需要點(diǎn)擊停止才能進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。其功能界面如圖所5所示：

4.4 實(shí)驗(yàn)主界面

實(shí)驗(yàn)主界面有三個(gè)部分，即理論復(fù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、數(shù)據(jù)回放。基于實(shí)驗(yàn)的效率性和可行性，加設(shè)理論復(fù)習(xí)模塊，簡(jiǎn)述與此實(shí)驗(yàn)有關(guān)的背景、流程及參考數(shù)據(jù)等；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊有參數(shù)設(shè)置，可以選擇設(shè)備通道、設(shè)置采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)等；實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)值，同時(shí)通過(guò)波形圖連續(xù)顯示波形；操作面板有停止按鈕用來(lái)控制實(shí)驗(yàn)的停止。數(shù)據(jù)回放模塊可以回看1000S內(nèi)的數(shù)據(jù)值及波形。其面板如下圖6所示：

5 結(jié)語(yǔ)

液壓氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)中，如果將液壓系統(tǒng)改為氣動(dòng)系統(tǒng)，同樣可以獲取部分信號(hào)源，像轉(zhuǎn)速可以更換為空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速；壓力可測(cè)量氣壓；位移可測(cè)量氣缸活塞桿的位移等；系統(tǒng)部分是通用的。本文能較好的將系統(tǒng)中重要參數(shù)進(jìn)行采集、顯示。具有較大的參考借鑒意義。利用虛擬儀器的易擴(kuò)建性可同時(shí)采集這些信號(hào)進(jìn)行顯示，可結(jié)合液壓系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和故障情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗鳳娟.傳感器技術(shù)與虛擬儀器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015

（08）.

[2]湛從昌.液壓元件性能測(cè)試技術(shù)與試驗(yàn)方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2014（10）.

西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題 （編號(hào)：XTZY17G04）

作者簡(jiǎn)介：郭艷珠（1982-），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：機(jī)電液一體化。