基于虛擬儀器的綜合性液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究

王 娟， 胡文軍， 祝守新

(湖州師范學(xué)院 a.工學(xué)院；b.信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程一個(gè)非常重要的組成部分，傳統(tǒng)的液壓實(shí)驗(yàn)大都采用繼電器控制或PLC控制，該方法只能對(duì)液壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行宏觀、定性的研究，不能采集數(shù)據(jù)，不能對(duì)液壓元件的各種靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究[1-3]。許多高校進(jìn)行液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面改革，大部分是從設(shè)備、內(nèi)容、方式、手段和考核等方面進(jìn)行[4-6]。有些引入了虛擬仿真技術(shù)，主要以Solidworks、UG等為軟件平臺(tái)，運(yùn)用eDrawing、Flash、Java、Easy5、Hopsan等仿真軟件對(duì)液壓閥的工作原理進(jìn)行動(dòng)畫模擬或者設(shè)計(jì)一些液壓回路的測(cè)試系統(tǒng)[7-10]。還有在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了具有工程應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)[11-12]。這些改革只是進(jìn)行籠統(tǒng)概述，并沒有給出具體的應(yīng)用實(shí)例，有些只是進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，缺少實(shí)際數(shù)據(jù)采集，不能利用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行有效分析。

設(shè)計(jì)一套集測(cè)試和控制于一體的模塊化液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過PC機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)相連，由傳感器負(fù)責(zé)多種物理量的檢測(cè)，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡上傳至PC機(jī)，再以檢測(cè)到的數(shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、分析，并做出相應(yīng)的控制。設(shè)計(jì)開發(fā)的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)集多學(xué)科于一體，具備多功能和綜合性，能夠?qū)?shí)驗(yàn)臺(tái)和液壓元件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度、高可靠性的測(cè)控。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

本文以液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)為研究對(duì)象，依托LabVIEW，搭建虛擬液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以完成各種液壓元件的性能測(cè)試以及液壓回路的速度、位置控制等實(shí)驗(yàn)。其構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 虛擬液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成框圖

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以接入壓力、流量和位移3種不同類型的傳感器，將壓力、流量和位移等物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以確保數(shù)據(jù)采集板卡的有效采集，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡獲得數(shù)字量，然后對(duì)相應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行分析、處理，并通過D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬控制信號(hào)用于控制放大或驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào),進(jìn)而控制比例閥或伺服閥的閥口開度，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

2.1 傳感器

實(shí)驗(yàn)采用FY212-600B51S32型壓力傳感器，共3個(gè)引腳，分別為VCC、GND、OUT，工作電壓為DC24V，量程范圍0～60 MPa(0～600 Bar)，輸出1～5 V，精度為0.5%FS[13]。實(shí)驗(yàn)前，需先對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，這里采用IPI JOFRA數(shù)字壓力校準(zhǔn)儀進(jìn)行標(biāo)定，該校準(zhǔn)儀準(zhǔn)確度為0.05%FS,標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，當(dāng)壓力≤7 MPa時(shí)，其絕對(duì)誤差≤10 mV。

表1 壓力傳感器壓力-電壓關(guān)系表

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所采用的流量傳感器為L(zhǎng)WGYA-6型，其工作電源為DC24V，檢定范圍為0.06～0.6 m3/h，信號(hào)輸出為4～20 mA，精度為1.0%。由于流量傳感器的輸出為4～20 mA，數(shù)據(jù)采集卡在單端模式下能接受的滿量程電壓信號(hào)為0～10 V，為了能與數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓相匹配，先將流量傳感器輸出與250 Ω電阻相串聯(lián)，得到1～5 V的電壓，再進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。

實(shí)驗(yàn)所用W-DCD160型位移傳感器，其工作電壓為DC12V，輸入為0～160 mm，輸出為DC0～5 V，精度為0.5%[14]。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

由于傳感器的輸出電壓與數(shù)據(jù)采集卡不匹配，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等信號(hào)調(diào)理。調(diào)理電路分別如圖2～4所示，分別對(duì)壓力、流量、位移的傳感信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。

具體做法如下：先將壓力傳感器1～5 V的輸出電壓與1 V的電壓源反向疊加，得到0～4 V的電壓，再將其放大2.5倍，得到與數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓相匹配。由于沒有25 kΩ的標(biāo)稱電阻，故使用22 kΩ和3 kΩ相串聯(lián)。同時(shí)，由于壓力傳感器輸出電壓信號(hào)含有干擾、噪聲，因此增加低通濾波電路進(jìn)行濾波，濾波之后的電壓值送入數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入端。流量傳感器信號(hào)調(diào)理電路與壓力傳感器相同。位移傳感器輸出為0～5 V電壓，再將其放大2倍，即可得到0～10 V電壓值。

圖2 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路

圖3 流量傳感器信號(hào)調(diào)理電路

圖4 位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用USB6211數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡有16個(gè)模擬量輸入口，分別為AI0～AI15，每通道有4個(gè)可編程輸入范圍：±0.2 V、±1 V、±5 V、±10 V。輸入模式有3種終端模式：差分、參考單端(Reference single end,RES)、非參考單端(Non-reference single end,NRSE)，若采用差分方式配置，共有8個(gè)輸入通道，負(fù)極接AI〈0…7〉,正極接AI〈8…15〉；若采用RES方式配置，負(fù)極接AI GND，正極接AI〈0…15〉；若采用NRSE方式配置，負(fù)極接AI SENSOR，正極接AI〈0…15〉。2個(gè)模擬量輸出口，AO0和AO1，輸出電壓范圍：±10 V。4個(gè)數(shù)字量輸入口，PFI0-PFI3，4個(gè)數(shù)字量輸出口，PFI4-PFI7，采樣率可達(dá)250 kHz[15]。

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的前面板如圖5所示。

圖5 基于虛擬儀器的綜合性液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究前面板

為了提高人機(jī)交互的友好性，前面板設(shè)計(jì)了3個(gè)顯示版塊。參數(shù)配置：包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇、數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸入、數(shù)字量輸入的物理通道配置;圖形顯示版塊：顯示泵的空載流量特性、電液比例流量閥的恒負(fù)載特性、進(jìn)油節(jié)流調(diào)速的速度負(fù)載特性等曲線；數(shù)值顯示版塊：顯示壓力、流量、電壓、速度值等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件程序在LabVIEW 2013環(huán)境下編制。液壓實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目包括性能測(cè)試類和位置控制類等。性能測(cè)試類實(shí)驗(yàn)通過繪制特性曲線的可以對(duì)整個(gè)的控制過程進(jìn)行監(jiān)控，更加直觀地看到壓力、流量等的變化趨勢(shì)。另外，還可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)行分析和進(jìn)一步的處理。系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

4 典型實(shí)驗(yàn)

典型的液壓實(shí)驗(yàn)主要包括液壓元件性能測(cè)試、液壓回路、電液伺服、比例閥性能測(cè)試與控制實(shí)驗(yàn)。液壓元件性能測(cè)試可以幫助學(xué)生更好地掌握液壓元件的性能，為液壓元件的選擇、液壓回路的學(xué)習(xí)以及液壓元件的故障維修打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。任何一個(gè)復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，都是由一個(gè)或幾個(gè)液壓基本回路組成，通過完成液壓基本回路實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生分析、設(shè)計(jì)和使用各種液壓系統(tǒng)。電液比例技術(shù)和伺服技術(shù)都是液壓技術(shù)的重要分支，本科階段，讓學(xué)生接觸到這些先進(jìn)的液壓技術(shù)，開闊學(xué)生視野，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。下面以3個(gè)典型液壓實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。

4.1 液壓泵性能測(cè)試

液壓泵性能測(cè)試主要是對(duì)液壓泵的空載特性、流量特性進(jìn)行測(cè)試。其原理圖如圖7所示。由圖7可知，壓力傳感器、流量傳感器分別測(cè)量泵的出口壓力和流量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將節(jié)流閥閥口調(diào)至最大，記錄此時(shí)的壓力、流量數(shù)值。用節(jié)流閥給泵由低到高逐點(diǎn)加載。記錄各點(diǎn)的壓力、流量數(shù)值，并繪制流量特性曲線。液壓泵流量特性曲線如圖8所示。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—壓力傳感器；4—節(jié)流閥；5—流量傳感器

圖7 液壓泵性能測(cè)試原理圖

圖8 液壓泵流量特性曲線

由圖8可知，隨著出口工作壓力p的增加，泵的實(shí)際流量q逐漸減小。除了泵的流量特性外，還可以對(duì)泵的功率特性、機(jī)械效率、容積效率、總效率進(jìn)行測(cè)試。

4.2 電液比例流量閥恒負(fù)載特性曲線

電液比例流量閥恒負(fù)載特性原理圖如圖9所示。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—換向閥；4—單向閥；5—電液比例流量閥；6—液壓缸；7—接近開關(guān)

圖9 電液比例流量閥恒負(fù)載特性原理圖

由圖9可見：當(dāng)3位4通電磁換向閥左位工作時(shí)，油缸活塞桿伸出，使油液通過比例閥進(jìn)入油缸，其速度由比例閥開口控制；當(dāng)右位工作時(shí)，油缸活塞桿縮回，通過單向閥使油缸活塞快退。

接近開關(guān)的控制電壓為24 V，但數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入的高電平為3.5～5 V，因此要通過電阻進(jìn)行降壓，圖10所示電路送入數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸入端電壓高電平為4.2 V，符合要求。

圖10 接近開關(guān)電氣控制圖

當(dāng)接近開關(guān)沒有檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，接近開關(guān)斷開，數(shù)字量輸入為低電平；當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，接近開關(guān)接通，數(shù)字量輸入為高電平。通過程序采集從S1斷開到S2接通所需時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算液壓缸的速度。通過采集控制閥芯開度的電壓值與速度，即可得到電液比例流量閥的恒負(fù)載特性曲線如圖11所示。

圖11 電液比例流量閥恒負(fù)載特性曲線

由圖11可見，隨著閥芯開度的增加，液壓缸伸出速度增大，當(dāng)控制電壓小于3 V時(shí)，閥口開度與液壓缸運(yùn)行速度成線性關(guān)系，當(dāng)控制電壓大于7 V時(shí)，閥口幾乎全開，速度保持穩(wěn)定，電液比例流量閥做不到全程線性。

4.3 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路控制實(shí)驗(yàn)

節(jié)流調(diào)速回路是液壓系統(tǒng)中常用的典型回路,其原理如圖12所示。測(cè)試裝置液壓原理圖中，工作缸和節(jié)流閥構(gòu)成進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路，負(fù)載缸用于給工作缸施加負(fù)載，它們分別由兩個(gè)泵驅(qū)動(dòng)。對(duì)工作缸進(jìn)行變負(fù)載速度—負(fù)載特性的測(cè)試。

1—液壓泵；2—溢流閥；3—換向閥；4—節(jié)流閥； 5—液壓缸(工作缸)；6—液壓泵；7—溢流閥；8—壓力傳感器；9—換向閥；10—液壓缸(負(fù)載缸)；11—位移傳感器

圖12 節(jié)流調(diào)速回路原理圖

變負(fù)載速度—負(fù)載特性是指當(dāng)工作缸的負(fù)載變化時(shí)，工作缸的速度v隨負(fù)載F變化的特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將工作缸的壓力設(shè)定為4 MPa，負(fù)載缸的壓力從小逐漸加大，直至工作缸速度為0。工作缸速度的測(cè)定是通過位移傳感器采集工作缸位移，除以活塞桿伸出所用時(shí)間得出。調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥口開度，得到不同的速度-負(fù)載特性曲線如圖13所示。

圖13 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路速度負(fù)載特性

由圖13可知，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和節(jié)流閥通流面積成正比。當(dāng)節(jié)流閥通流面積一定時(shí)，速度隨負(fù)載的增大而減小。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制方式不能很好地評(píng)價(jià)液壓泵、閥以及系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能。設(shè)計(jì)開發(fā)基于虛擬儀器的綜合性液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)集液壓、測(cè)試、電子、虛擬儀器、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)于一體，所有控制和測(cè)量分析任務(wù)均通過LabVIEW軟件來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生只需搭建油路部分即可。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)缺少數(shù)據(jù)采集與分析、故障率較高、實(shí)驗(yàn)誤差較大等缺點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生數(shù)據(jù)處理與分析能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。