基于LabVIEW的液壓缸檢測試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

張 建 李瑞川 楊俊茹 徐繼康

①山東科技大學(xué) ②齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）③日照海卓液壓有限公司

目前高校對于液壓缸的研究大部分處在理論研究，學(xué)生缺乏實(shí)踐操作，動手能力得不到提高，基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了一套用于檢驗(yàn)液壓油缸產(chǎn)品性能、驗(yàn)證液壓缸產(chǎn)品質(zhì)量的液壓缸檢測試驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)在工控機(jī)和云平臺的上傳、處理、顯示和儲存。通過運(yùn)行結(jié)果表明：試驗(yàn)臺檢測精度高、效率高，對于液壓缸的研究可以實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生的動手能力的同時，為高校的科研工作提供一定的基礎(chǔ)。

液壓缸作為一種使用場合普遍、高性能的液壓元件[1]，在煤炭開采機(jī)械設(shè)備中普遍使用，液壓缸的性能對液壓支架和掘進(jìn)機(jī)等液壓設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有很大的影響[2]，目前我國絕大部分的液壓缸生產(chǎn)廠家的液壓缸綜合性能試驗(yàn)臺是由常見的液壓元件簡單組合而成，自動化水平相對較低[3]，所以會使測得的液壓缸性能參數(shù)有一定的誤差?；诖死肔abVIEW軟件設(shè)計(jì)了一套用于檢驗(yàn)液壓缸產(chǎn)品性能、驗(yàn)證液壓缸產(chǎn)品質(zhì)量的測試平臺，采用西門子PLC和變送器相結(jié)合的方式，提高了液壓缸性能的檢測速度，設(shè)計(jì)了處理、存儲、上傳的程序框圖，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳和存儲，便于液壓缸性能的檢測和研究，多位置存儲，防止數(shù)據(jù)的丟失。

1 試驗(yàn)臺組成及原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

液壓缸測試平臺主要由加載液壓缸、被試液壓缸、推回液壓缸、柱塞泵、蓄能器和不同的方向閥、比例控制閥等液壓元件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)主要包括可編輯邏輯控制器和MCGS組態(tài)屏，計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)選擇工控機(jī)完成數(shù)據(jù)處理的主要工作，并采用數(shù)據(jù)采集卡采集測試過程中的數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)臺構(gòu)架

1.2 工作原理

液壓缸檢測試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集被試缸、加載缸、活塞桿的拉/壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)，控制模塊控制液壓元件，為被試缸增加負(fù)載，被試缸主動運(yùn)行，帶動加載缸被動跟隨運(yùn)動，原理圖如圖2所示。

圖2 工作原理圖

啟動控制系統(tǒng)的主程序，對檢測試驗(yàn)臺的硬件設(shè)備初始化，選擇需要進(jìn)行的試驗(yàn)類型，設(shè)置試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，根據(jù)不同的項(xiàng)目按下測試按鈕。PLC控制被試缸系統(tǒng)中的電液比例閥，使被試液壓油缸能夠產(chǎn)生一段位移，被試缸主動運(yùn)行，響應(yīng)的壓力、流量信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集后發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理可以直接存儲在選擇好的硬盤中。拉壓力變送器檢測加載力大小，與加載系統(tǒng)形成力閉環(huán)負(fù)反饋。加載進(jìn)行的同時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對被試缸、加載缸運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測，采集運(yùn)行過程中的腔內(nèi)壓力、油液溫度等數(shù)據(jù)，以波形圖的形式顯示出各參數(shù)。在傳統(tǒng)液壓試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上增加推回油缸模塊，通過比例閥控制，可以輔助加載油缸進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)更精確的控制。在液壓系統(tǒng)回油路設(shè)計(jì)了大量程和小量程的兩個流量計(jì)，對提高系統(tǒng)流量試驗(yàn)的檢測精度具有重要意義。

2 試驗(yàn)臺整體方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)通過控制液壓元件的相關(guān)動作，使被試缸、加載缸進(jìn)行相應(yīng)的動作，對試驗(yàn)過程中的采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理和輸出；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加載缸加載力發(fā)送給PLC構(gòu)成軸向加載缸加載力閉環(huán)控制，同時對三種液壓缸測試過程中的位移、壓力、溫度等信息進(jìn)行采集、存儲、處理、顯示。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓缸測試平臺控制系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)觸摸屏實(shí)現(xiàn)對相關(guān)液壓元件的控制動作；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過采集變送器輸入來的模擬電流信號，經(jīng)過隔離器轉(zhuǎn)變，上傳到LabVIEW程序中，進(jìn)行處理、顯示。

被試缸與加載缸間安裝有拉壓力變送器，來檢測試驗(yàn)過程中液壓缸活塞桿的拉/壓力數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)控制液壓缸的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)被試缸運(yùn)行控制和加載缸控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過變送器對液壓缸的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，將被試缸信號與加載缸加載力信號采集處理后發(fā)送給工控機(jī)進(jìn)行處理、存儲，液壓缸的腔內(nèi)壓力、溫度及活塞桿運(yùn)動經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的采集處理后進(jìn)行存儲、顯示。

2.2 控制模塊

利用PLC和工控機(jī)聯(lián)合的方式對試驗(yàn)臺進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)采集，對提高系統(tǒng)的控制實(shí)時性和自動化水平具有重要意義[4]。在試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)中，選用MCGS組態(tài)屏作為運(yùn)動控制的人機(jī)界面，操作顯而易懂。

本控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是被試缸運(yùn)行與加載缸加載力的控制，PLC控制系統(tǒng)控制相關(guān)閥組，使被試缸、加載缸進(jìn)行相應(yīng)的動作，來實(shí)現(xiàn)不同的功能，采用開放性程序控制，可以根據(jù)實(shí)際研究需要添加有關(guān)程序。

2.3 采集模塊

試驗(yàn)臺需要采集的數(shù)據(jù)主要有壓力、流量、溫度、加載力，數(shù)據(jù)比較多，同時為了提高檢測的效率，需要時效性高的采集系統(tǒng)[5]。因此，使用直接安裝在工控機(jī)的PCI插槽上的PCI數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)對液壓缸測試臺高速、實(shí)時的數(shù)據(jù)采集。通過使用LabVIEW軟件中設(shè)計(jì)好的程序框圖來實(shí)現(xiàn)對整個采集系統(tǒng)的相應(yīng)功能控制，提高系統(tǒng)的使用效能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分主要由工控機(jī)、采集卡、線纜端子、隔離器等元件組成，利用LabVIEW軟件，完成對液壓缸試驗(yàn)檢測過程中試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的采集、上傳、處理和存儲。變送器檢測到的液壓缸不同腔的壓力、活塞桿的位移以及受到拉/壓力，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的上傳、處理后，發(fā)送至工控機(jī)硬盤，完成數(shù)據(jù)的存儲、管理、顯示、打印。

2.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）被試缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。液壓缸試驗(yàn)臺的被試缸主動運(yùn)行，運(yùn)行位置要求具有一定的定位精度與平穩(wěn)性。通過調(diào)節(jié)MCGS組態(tài)觸摸屏中的電液比例控制閥的開度來調(diào)節(jié)液壓缸兩個腔的壓力，PLC根據(jù)被試液壓缸壓力誤差的大小實(shí)現(xiàn)對電液比例方向閥的開度大小的調(diào)節(jié)，使被試缸的速度、位置發(fā)生變化，從而使被試缸實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)行控制。

（2）加載缸加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)。液壓缸測試平臺的加載缸運(yùn)行方式為被動式，工控機(jī)采集到的壓力信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換后發(fā)送一個加載力控制信號給PLC，拉壓力變送器檢測加載液壓缸加載力反饋給PLC，PLC控制液壓閥進(jìn)行相關(guān)動作，來實(shí)現(xiàn)加載功能。本系統(tǒng)根據(jù)研究的需要可以通過編程實(shí)現(xiàn)不同測試需要。

3 液壓缸試驗(yàn)臺硬件選型

3.1 變送器

根據(jù)測試平臺的檢測要求，選擇的變送器如表1所示。

表1 變送器選型

3.2 硬件

試驗(yàn)臺檢測時，需要采集的信號主要有壓力、流量、溫度等，共計(jì)10個變送器，考慮到后期可能會有其他的需求，選擇同時具有單端和差分輸入功能的PCI-1713采集卡，連接采集卡電纜的型號為PCL-10137，對應(yīng)接線端子板的型號為ADAM-3937。

電流信號容易受到液壓泵或其他電磁的干擾，需要借助隔離器將信號由電流轉(zhuǎn)化為電壓輸入，選擇抗干擾能力比較強(qiáng)，同時可以現(xiàn)場進(jìn)行配置的隔離器，綜合選擇研華ADAM-3014隔離器。

綜合以上考慮以及提高采集系統(tǒng)的抗干擾能力，選擇工控機(jī)的型號為。

4 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集、控制、通信、參數(shù)設(shè)置、處理、存儲等。測試平臺的LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)前面板選項(xiàng)卡主要包括起動壓力試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、泄漏測試試驗(yàn)、負(fù)載效率試驗(yàn)和緩沖試驗(yàn)，進(jìn)行其中某一種試驗(yàn)時，可直接在前面板的選項(xiàng)卡控件中進(jìn)行直接選擇，方便操作。前面板還包括數(shù)據(jù)顯示模塊，進(jìn)行試驗(yàn)時，相關(guān)數(shù)據(jù)可實(shí)時顯示在前面板，試驗(yàn)人員可直觀的看到相關(guān)數(shù)據(jù)的變化。

數(shù)據(jù)可在工控機(jī)硬盤和云平臺中分貝存儲，不會因?yàn)橐徊糠值墓δ苁?dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)丟失，無法找回。測試平臺LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)前面板如圖3所示，測試平臺系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖3 監(jiān)控前面板

圖4 程序框圖

測試平臺可通過SFTP協(xié)議將各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到云平臺，相關(guān)數(shù)據(jù)自動分類儲存到指定位置，以供研究和檢測使用。設(shè)計(jì)的程序可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多位置存儲（工控機(jī)和云平臺），防止數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)上傳時，在硬盤中可以實(shí)現(xiàn)自動創(chuàng)建文件夾功能，文件夾以具體的日期和時間命名，以便于數(shù)據(jù)的查找，為故障檢測和試驗(yàn)研究提供便利。程序如圖5所示。

圖5 上傳云平臺程序

5 試驗(yàn)研究

5.1 起動壓力測試

由圖6、圖7可以看出，隨著系統(tǒng)壓力的不斷增大，在1.4 s時，無桿腔的到達(dá)峰值壓力：0.51 MPa，此時測得的壓力則是液壓缸的最小起動壓力。查閱液壓缸的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可知最低起動壓力為0.75 MPa，該試驗(yàn)臺的試驗(yàn)最低起動壓力低于此值，同時從圖中可以看出設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺的響應(yīng)速度比某公司的傳統(tǒng)試驗(yàn)臺有了很大的提升，從而可以提高液壓缸批量測試的效率。

圖6 活塞桿位移

圖7 起動壓力

5.2 負(fù)載效率測試

調(diào)節(jié)被試缸兩腔的壓力數(shù)值，當(dāng)力均勻變化時，記錄試驗(yàn)中壓力和活塞桿的推力或拉力值，進(jìn)行計(jì)算，得出負(fù)載效率曲線圖如圖8所示。

圖8 負(fù)載效率曲線

6 結(jié)論

（1）利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了液壓缸檢測試驗(yàn)臺程序前面板、采集系統(tǒng)程序框圖和上傳云平臺的程序框圖，實(shí)現(xiàn)液壓缸功能檢測、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)檢測、故障自動預(yù)警、上傳云平臺等功能。

（2）通過運(yùn)行結(jié)果表明試驗(yàn)臺試驗(yàn)響應(yīng)速度快、檢測精度高，提高液壓缸故障檢測和出廠試驗(yàn)的檢測效率。

（3）設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺可以為高校的科研提供一定的基礎(chǔ)，同時還可以提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解和認(rèn)識。