基于工控機(jī)與PLC控制的液壓動(dòng)態(tài)加載平臺(tái)研究*

李鵬斌，張 鵬，程永奇，趙 斌，何嘉城

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510000)

0 引 言

螺旋傳動(dòng)可以直接將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、承載力大等優(yōu)點(diǎn)，螺旋副在機(jī)械裝備方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。作為某些機(jī)械裝備的關(guān)鍵零部件，滑動(dòng)螺旋副的傳動(dòng)效率、摩擦系數(shù)、使用壽命等性能指標(biāo)決定了整個(gè)機(jī)械裝備平臺(tái)的綜合性能。因此，滑動(dòng)螺旋副綜合性能檢測(cè)平臺(tái)越來(lái)越受到了研究者的關(guān)注。

目前，針對(duì)滑動(dòng)螺旋副檢測(cè)手段的深入研究還比較少，同時(shí)又缺乏完善的滑動(dòng)螺旋副性能檢測(cè)平臺(tái)，這些都是制約其發(fā)展的一個(gè)重要原因。國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家一般通過(guò)手動(dòng)或者半自動(dòng)完成檢測(cè)，且現(xiàn)有測(cè)試裝置的測(cè)試項(xiàng)目較為單一，同時(shí)檢測(cè)效率較低，檢測(cè)結(jié)果不太理想[3-4]；特別是在加載裝置方面，大多采用配重摩擦或者彈簧牽引等被動(dòng)加載方式，且試驗(yàn)時(shí)不能實(shí)時(shí)顯示和控制負(fù)載載荷，這樣的加載方式已不能滿(mǎn)足試驗(yàn)臺(tái)對(duì)多變載荷模擬的需求[5]。

本文將對(duì)滑動(dòng)螺旋副的檢測(cè)平臺(tái)、檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)方法等進(jìn)行研究，提出一種基于工控機(jī)與PLC控制的液壓動(dòng)態(tài)加載平臺(tái)。

1 加載系統(tǒng)簡(jiǎn)介

液壓動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)用于模擬裝有滑動(dòng)螺旋副的伺服電動(dòng)缸，其在運(yùn)行過(guò)程中所受的動(dòng)態(tài)載荷、加載方式，通過(guò)伺服電動(dòng)缸和液壓缸對(duì)頂來(lái)實(shí)現(xiàn)。

加載平臺(tái)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 加載平臺(tái)實(shí)物圖

具體控制要求為：

(1)測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、液壓I/O開(kāi)關(guān)量輸入、液壓控制參數(shù)輸入；

(2)測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、顯示及測(cè)試數(shù)據(jù)保存；

(3)可以變更測(cè)試的加載模式，包括恒載、變載等多種模式；

(4)可實(shí)現(xiàn)液壓加載系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，即靠液壓力使液壓缸自主運(yùn)動(dòng)；

(5)可實(shí)現(xiàn)液壓缸與伺服電動(dòng)缸進(jìn)行雙缸聯(lián)動(dòng)，即靠被伺服電動(dòng)缸的機(jī)械力被動(dòng)回程。

2 加載系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路

加載系統(tǒng)主要由工控機(jī)、PLC、A/D模塊、D/A模塊、各類(lèi)傳感器和各類(lèi)液壓閥等組成。工控機(jī)可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的操作、數(shù)據(jù)采集分析和存儲(chǔ)、決策等功能[6]，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。PLC負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)從各傳感器采集模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)發(fā)送到工控機(jī)，同時(shí)接受工控機(jī)設(shè)定的參數(shù)和指令，控制壓力、流量、位移等模擬量和開(kāi)關(guān)量。

該系統(tǒng)選用RS-232進(jìn)行串口通信[7]。各類(lèi)傳感器將檢測(cè)到的模擬量實(shí)時(shí)反饋給PLC，形成閉環(huán)控制。

PLC模塊包括主體模塊和擴(kuò)展模塊。其中，主體模塊的輸入回路包括啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)、手動(dòng)/自動(dòng)開(kāi)關(guān)，以及行程開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)等；輸出回路控制各電磁閥開(kāi)閉的中間繼電器、電機(jī)等。擴(kuò)展模塊主要為FX-2N-4AD和FX-2N-4DA。

PLC接線(xiàn)原理圖如圖2所示。

圖2 PLC接線(xiàn)原理圖

其中，F(xiàn)X-2N-4AD模塊主要用于將位移傳感器、電流傳感器、壓力傳感器的電壓(電流)信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化輸入到PLC，PLC將輸入的數(shù)字量變換為相應(yīng)的位移、電流、壓力的大小。FX-2N-4DA模塊用于輸出電壓(電流)信號(hào)，其電壓(電流)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后，用于控制比例壓力流量閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力、流量連續(xù)可調(diào)；同時(shí)，電壓(電流)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后，用于控制比例背壓閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加載的連續(xù)可調(diào)[8]。

2.2 系統(tǒng)液壓回路

液壓回路通過(guò)電控系統(tǒng)，控制液壓缸回油路上的比例背壓閥、閥芯開(kāi)度大小,實(shí)現(xiàn)模擬載荷大小的調(diào)節(jié)；液壓泵通過(guò)主閥組和PQ閥向液壓缸提供油液。主閥組由電磁換向閥和電磁插裝閥組成，控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和啟停；PQ閥由流量閥和比例溢流閥組成，通過(guò)電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓缸進(jìn)油路上PQ閥、閥芯開(kāi)度的大小,實(shí)現(xiàn)壓力和流量大小的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制液壓缸的前進(jìn)速度和壓力。

通過(guò)主壓力傳感器和背壓力傳感器可得出液壓缸內(nèi)油壓；高壓濾油器設(shè)計(jì)在液壓泵的出油口，回油濾油器設(shè)計(jì)在系統(tǒng)回油處，泵的吸油口處設(shè)置吸油濾油器。拉壓力傳感器顯示數(shù)值，為最終作用于伺服電動(dòng)缸上的力。

液壓加載系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 液壓加載系統(tǒng)原理圖(3-1)—比例背壓閥；(3-2)—背壓壓力傳感器；(3-3)電磁換向閥；(3-4)—比例溢流閥；(3-5)—比例流量閥；(3-6)—主壓壓力傳感器；(3-7)—安全閥；(3-8)—電磁插裝閥；(3-9)—單向閥；(3-10)—液壓泵；(3-11)—電機(jī)；(3-12)—回油濾油器；(3-13)—油箱；(3-14)—高壓濾油器

3 加載系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為：上位工控機(jī)軟件和PLC程序軟件。上位工控機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)定義、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視及運(yùn)行控制等；PLC程序軟件主要完成對(duì)各類(lèi)開(kāi)關(guān)、繼電器、傳感器、液壓閥及電機(jī)的控制。

3.1 上位工控機(jī)軟件

3.1.1 軟件模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和功能需要，控制系統(tǒng)軟件主要分為：用戶(hù)權(quán)限管理模塊和系統(tǒng)主控模塊[9-12]。其中，系統(tǒng)主控模塊包括液壓控制參數(shù)、液壓I/O開(kāi)關(guān)量輸入、功能控制按鈕、狀態(tài)監(jiān)控顯示等。

軟件主界面圖如圖4所示。

圖4 軟件主界面圖

3.1.2 主程序工作流程

根據(jù)液壓動(dòng)態(tài)加載控制系統(tǒng)的功能要求，本文設(shè)定主程序的工作流程，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的主程序工作流程圖

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序用GX-Developer軟件中的梯形圖、指令表、SFC進(jìn)行編程，方便直觀(guān)[13]。PLC系統(tǒng)程序包括初始化控制程序、模擬量AD/DA模塊程序、自動(dòng)控制程序3部分。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先接通PLC進(jìn)入自檢狀態(tài)，如果PLC沒(méi)有自檢錯(cuò)誤，系統(tǒng)即進(jìn)入初始化程序，包括系統(tǒng)啟動(dòng)、電機(jī)啟動(dòng)和急停。系統(tǒng)上電后，首先通過(guò)初始化控制，對(duì)液壓缸運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全檢查，使液壓缸處于兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)之間。

初始化控制程序如圖6所示。

圖6 初始化控制程序

系統(tǒng)加載過(guò)程中，PLC通過(guò)模擬量AD/DA模塊程序，對(duì)輸入的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)輸出的模擬量參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

模擬量AD/DA模塊程序如圖7所示。

圖7 模擬量AD/DA模塊程序

AD模塊控制程序自動(dòng)采集加載力、主壓力、背壓力、位移、電流等靈氣，并發(fā)送到工控機(jī)，在上位機(jī)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)顯示模塊和數(shù)據(jù)表格顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示。

在上位工控機(jī)程序的液壓控制參數(shù)區(qū)域，輸入實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，通過(guò)三菱PLC的DA模塊控制程序，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電流值或電壓值，并輸入到PQ閥和比例背壓閥中。

在輸入?yún)?shù)后，系統(tǒng)先進(jìn)行自動(dòng)回原點(diǎn)動(dòng)作，使液壓缸回到下極限的位置，然后切換到自動(dòng)控制程序下，確定單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)模式和加載模式，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)加載。

自動(dòng)控制程序如圖8所示。

圖8 自動(dòng)控制程序

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了研究負(fù)載對(duì)滑動(dòng)螺旋副機(jī)械效率的影響，本文設(shè)置相關(guān)了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)液壓動(dòng)態(tài)加載平臺(tái)對(duì)伺服電動(dòng)缸進(jìn)行加載。

4.1 測(cè)試方法

根據(jù)測(cè)試需求，筆者對(duì)液壓缸和被測(cè)電動(dòng)缸進(jìn)行雙軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在雙軸聯(lián)動(dòng)模式下，先設(shè)定液壓缸的加載方式、速度、背壓力，然后啟動(dòng)液壓缸，使其運(yùn)動(dòng)接近被測(cè)電動(dòng)缸；雙缸接觸后，被測(cè)電動(dòng)缸啟動(dòng)，以對(duì)頂方式向液壓缸加載移動(dòng)，當(dāng)拉壓力傳感器上的力達(dá)到設(shè)定的背壓力值后，保持加載移動(dòng)狀態(tài)，維持加載力不變。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

筆者通過(guò)設(shè)定液壓加載系統(tǒng)，使液壓缸產(chǎn)生的背壓力分別保持在5 000 N、10 000 N、15 000 N、20 000 N、25 000 N。實(shí)際加載力大小通過(guò)安裝在被測(cè)電動(dòng)缸與液壓缸之間的拉壓力傳感器讀出，實(shí)際轉(zhuǎn)矩值大小通過(guò)被測(cè)電動(dòng)缸的伺服驅(qū)動(dòng)器讀出；通過(guò)“壓力-轉(zhuǎn)矩”法，實(shí)時(shí)地對(duì)被測(cè)滑動(dòng)螺旋副的機(jī)械效率進(jìn)行測(cè)定和采集；過(guò)程重復(fù)10次，最后分別取各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

液壓恒定載荷加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)分別設(shè)定在5 000 N、10 000 N、15 000 N、20 000 N、 25 000 N下，背壓力相應(yīng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)圖可知：加載力精度達(dá)到98.85%，機(jī)械效率波動(dòng)范圍小于5%，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定。

表1 液壓恒定載荷加載實(shí)驗(yàn)

本文以10 000 N背壓力為例，來(lái)采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 10 000 N的動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)圖

圖9結(jié)果表明：在恒定載荷的模擬加載下，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集到滑動(dòng)螺旋副所受的加載力和轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究主要介紹了一種基于工控機(jī)與PLC控制的液壓動(dòng)態(tài)加載平臺(tái)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并對(duì)滑動(dòng)螺旋副進(jìn)行了模擬加載實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在恒定載荷的模擬加載下，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集到滑動(dòng)螺旋副所受的加載力和轉(zhuǎn)矩；加載力精度達(dá)到98.85%，機(jī)械效率波動(dòng)范圍小于5%，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定

該測(cè)試平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，解決了以往平臺(tái)存在的加載精度低、實(shí)時(shí)性差、機(jī)械效率波動(dòng)范圍大的問(wèn)題。