電液比例綜合教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)*

趙秀華

(山東職業(yè)學(xué)院 城市軌道學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104)

0 引 言

《液壓與氣壓傳動(dòng)》是高職院校機(jī)械、機(jī)電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，液壓氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)室在該課程的教學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。在實(shí)訓(xùn)室內(nèi)可開(kāi)展課程的教、學(xué)、做一體化教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)等?，F(xiàn)階段，液壓傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用已朝著多樣化、高精化、智能化的方向發(fā)展，電液比例閥是電液控制系統(tǒng)的核心部件，在工業(yè)過(guò)程控制中獲得廣泛的應(yīng)用，代表流體控制技術(shù)的發(fā)展方向[1-2]。這就迫使我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中，在讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，還要讓學(xué)生了解更多的新技術(shù)、新知識(shí)。同時(shí)，為了縮短學(xué)生就業(yè)后的崗位適應(yīng)期，讓學(xué)生能接觸到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的元件及連接方式[3-4]，做到理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合是非常必要的。

目前，高職院校的液壓實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的設(shè)備在功能上基本都是以液壓回路設(shè)計(jì)和搭接訓(xùn)練為目的，設(shè)備中的元件與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的元件有差別，液壓元件間的連接采用快換式接頭，與企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的連接方式也有所不同。學(xué)生在校內(nèi)很難見(jiàn)到實(shí)際使用的液壓元件和連接方式，造成所學(xué)、所用與實(shí)際使用脫節(jié)。

針對(duì)以上情況，筆者與企業(yè)工程師合作共同開(kāi)發(fā)了“電液比例綜合教學(xué)設(shè)備”。教學(xué)設(shè)備中的所有液壓元件和連接方式都是企業(yè)中實(shí)際使用的，設(shè)備綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、電液比例控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、人機(jī)界面等[5]，將液壓泵站、比例閥、位移傳感器等應(yīng)用其中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)到液壓基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，了解液壓系統(tǒng)的高精度控制、智能控制，也能將所學(xué)的多門課程的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)。

1 綜合教學(xué)設(shè)備組成

綜合教學(xué)設(shè)備主要由液壓泵站(見(jiàn)圖1)、控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)、液壓缸(見(jiàn)圖3)和液壓油管四部分組成。各部分之間的關(guān)系如圖4所示。

圖1 液壓泵站 圖2 控制系統(tǒng) 圖3 液壓缸

圖4 電液比例綜合教學(xué)設(shè)備組成

液壓泵站主要為系統(tǒng)提供壓力油，對(duì)油液進(jìn)行過(guò)濾處理以及油溫調(diào)節(jié)，是驅(qū)動(dòng)液壓缸的動(dòng)力源。

教學(xué)設(shè)備中的液壓缸共有4個(gè)，其中1#液壓缸帶外置傳感器，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。液壓泵站和液壓缸之間用油管連接。

控制系統(tǒng)主要通過(guò)操控臺(tái)或上位機(jī)(PC)上的人機(jī)界面控制下位機(jī)(PLC)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的控制?？刂苾?nèi)容包括開(kāi)關(guān)量和模擬量?jī)刹糠帧?/p>

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合教學(xué)設(shè)備液壓系統(tǒng)工作原理圖如圖5所示[6-7]，液壓系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖1.液位液溫計(jì) 2.油箱 3.空氣濾清器 4.液位控制器 5.吸油濾油器 6.風(fēng)冷卻器 7.柱塞泵 8.電動(dòng)機(jī) 9.高壓過(guò)濾器 10.疊加式溢流閥 11.電磁換向閥 12，20.耐震壓力表 13.比例溢流閥 14.疊加式減壓閥 15.比例節(jié)流閥 16.電磁換向閥 17.疊加式液控單向閥 18.疊加式單向節(jié)流閥 19.位移傳感器 21,22.電磁換向閥 23.手動(dòng)換向閥 24,25,26,27.液壓缸 28.回油濾油器

(1) 液壓系統(tǒng)中的4個(gè)液壓缸，分別用于不同的工作狀況。

液壓缸24(1#液壓缸)帶外置位移傳感器，回路中的比例節(jié)流閥15與位移傳感器19構(gòu)成閉環(huán)控制回路，可實(shí)現(xiàn)液壓缸穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確運(yùn)行。電磁換向閥采用“Y”型中位機(jī)能，中位時(shí)實(shí)現(xiàn)液壓缸的可靠鎖緊[8]。

液壓缸25所在回路中使用了減壓閥，工作壓力低于系統(tǒng)工作壓力，可以獲得所需的低壓穩(wěn)定壓力，實(shí)現(xiàn)液壓缸的低壓自動(dòng)控制。

液壓缸26所在回路使用了鋼球定位式、帶過(guò)渡機(jī)能的電磁換向閥，可實(shí)現(xiàn)液壓缸的自動(dòng)控制。

液壓缸27所在回路中采用了手動(dòng)換向閥，實(shí)現(xiàn)液壓缸的手動(dòng)控制。

(2) 液壓系統(tǒng)的調(diào)壓回路中使用了比例溢流閥[9]，系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)壓力通過(guò)比例溢流閥實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

(3) 液壓系統(tǒng)中國(guó)采用電磁溢流閥(10、11)，系統(tǒng)不工作時(shí)可使液壓泵處于低壓卸荷狀態(tài)，節(jié)約能源。

(4) 系統(tǒng)中的液壓控制閥均采用疊加閥，閥之間采用工業(yè)中常采用的疊加式連接方法，以閥體本身作為連接體，用疊加方式疊裝在液壓集成塊上。該連接方式結(jié)構(gòu)緊湊，也方便元件修理和更換。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合教學(xué)設(shè)備的控制系統(tǒng)包含上位機(jī)(PC)、下位機(jī)(PLC)、操控臺(tái)等[10-12]。上位機(jī)主要用于HMI控制與顯示以及程序編制；下位機(jī)和操控臺(tái)用于控制液壓系統(tǒng)。如圖6所示，為電液比例綜合教學(xué)設(shè)備控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖6 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)備選用S7-200西門子PLC作為控制器(內(nèi)部集成了RS232通訊接口)，信號(hào)模塊選用EM231、EM232模擬量輸入輸出模塊[13]。

操控臺(tái)上布置了按鈕、比例閥控制面板、指示燈等，PLC與這些輸入、輸出設(shè)備連接，負(fù)責(zé)對(duì)輸入、輸出狀態(tài)以及液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)控。在操控臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的加壓、泄壓、對(duì)比例壓力閥壓力的無(wú)極調(diào)節(jié)和對(duì)比例流量閥流量的無(wú)極調(diào)節(jié)。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作異常(濾油器堵塞、油箱液位過(guò)低等)時(shí)，操控臺(tái)上以紅色指示燈的報(bào)警形式顯示。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

設(shè)備在上位機(jī)(PC)上設(shè)計(jì)了人機(jī)界面，人機(jī)界面包括歡迎界面和系統(tǒng)控制界面兩部分。系統(tǒng)控制界面如圖7所示，在人機(jī)界面上也可以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)加壓和泄壓、液壓缸的運(yùn)動(dòng)控制以及比例閥的參數(shù)設(shè)置，當(dāng)設(shè)備工作過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，可實(shí)時(shí)顯示報(bào)警提示[14-15]。

圖7 控制系統(tǒng)人機(jī)界面

3.3 操作過(guò)程

設(shè)備的控制過(guò)程為：

(1) 啟動(dòng)液壓泵站驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，完成液壓泵站的啟動(dòng)。

(2) 對(duì)液壓系統(tǒng)加壓，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

(3) 完成對(duì)各液壓缸的自動(dòng)和手動(dòng)控制?？刂瓶梢栽谝簤合到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)操控臺(tái)上操作，也可以在人機(jī)界面操縱和控制。

(4) 液壓泵站的故障報(bào)警，包括油溫高、液位低、回油堵塞、高壓堵塞等，當(dāng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，嚴(yán)禁啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，首先應(yīng)排除故障。

(5) 完成操作后先進(jìn)行泄壓，等幾秒后停止電動(dòng)機(jī)。

4 教學(xué)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用效果

“電液比例綜合教學(xué)設(shè)備”具有先進(jìn)性、綜合性、貼近企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，使用該設(shè)備可使學(xué)生在液壓傳動(dòng)、PLC控制、電氣控制等各方面的知識(shí)得到綜合應(yīng)用，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、分析能力以及利用機(jī)電液一體化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新的能力。使用該設(shè)備已在2018級(jí)、2019級(jí)機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)學(xué)生中開(kāi)展一體化教學(xué)，并完成了兩次“山東省液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)安裝與調(diào)試項(xiàng)目師資培訓(xùn)”工作，取得了良好的效果。在學(xué)習(xí)此設(shè)備的基礎(chǔ)上，學(xué)生開(kāi)發(fā)的“一種基于PLC的液壓自平衡系統(tǒng)”在第十三屆高等職業(yè)院?！鞍l(fā)明杯”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲一等獎(jiǎng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

在電液比例綜合教學(xué)設(shè)備上可開(kāi)展液壓控制閥的疊加式連接、液壓油管類型及連接方法、過(guò)濾器的類型及安裝、油箱的結(jié)構(gòu)及容量、電液比例控制、液壓回路調(diào)試、液壓泵站調(diào)試、液壓系統(tǒng)故障診斷與排除、機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)等十余種不同的教學(xué)內(nèi)容，能讓學(xué)生接觸企業(yè)真實(shí)使用的元件和連接方法，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

“電液比例綜合教學(xué)設(shè)備”的開(kāi)發(fā)不僅適應(yīng)了液壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的要求，也符合高職院?！兑簤号c氣壓傳動(dòng)》課程對(duì)液壓教學(xué)設(shè)備的各項(xiàng)綜合性要求。開(kāi)發(fā)的教學(xué)設(shè)備采用企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的液壓元件連接方式，把電液比例控制、PLC控制、人機(jī)界面等進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了液壓缸的穩(wěn)定、快速智能控制，符合新時(shí)代創(chuàng)新理念的要求，為開(kāi)展教學(xué)和進(jìn)行應(yīng)用研究提供了便利。