JGDB-4 電液伺服測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)
 

液壓伺服控制技術(shù)是隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用而發(fā)展起 來(lái)的的新型液壓控制技術(shù)。其控制精度和響應(yīng)的快速性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的液壓傳動(dòng)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用。在液壓技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，伺服閥的靜態(tài)、動(dòng)態(tài) 性能測(cè)試能夠讓學(xué)生直觀的了解伺服系統(tǒng)核心元件的性能和主要參數(shù)。我單位設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的電液伺服測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)可以滿足高等院校、職業(yè)院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研開(kāi)發(fā)要 求。并可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要經(jīng)升級(jí)后增加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具有良好的可擴(kuò)展性。
1 、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：
掌握實(shí)驗(yàn)的基本技能，進(jìn)一步了解機(jī)電一體 化技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試即 CAT 技術(shù)的應(yīng)用，提高學(xué)生測(cè)試技能和動(dòng)手能力。了解電液伺服閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，并掌握其性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)分析方法。了解電 液伺服閥控液壓缸系統(tǒng) ( 開(kāi)環(huán)、閉環(huán) ) 在正弦輸入和階躍輸入時(shí)的響應(yīng)特性 , 加深對(duì)反饋控制的理解。增加了比例溢流閥、比例電磁換向閥，通過(guò)專(zhuān)用的比例電路控 制比例閥，達(dá)到對(duì)比例閥的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用。
2 、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：
2.1 機(jī)械電子工業(yè)部 1989 年發(fā)布、實(shí)施的 JB/JQ20233-88 《電液伺服閥試驗(yàn)方法》；
2.2 航空工業(yè)部 1987 年發(fā)布的 HB5610 《電液流量伺服閥通用技術(shù)條件》；
2.3 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《電液伺服閥試驗(yàn)方法》。
3 、主要技術(shù)參數(shù)
系統(tǒng)額定工作壓力： 10Mpa ；單泵 6.67L/min— 單電機(jī) 1.5KW ( 進(jìn)口件 ) 共 2 套；泵源 AC 380V ；控制電壓： DC24V ；組合方式搭接。
3.1 能夠完成伺服閥的特性實(shí)驗(yàn)、伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)、伺服系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制實(shí)驗(yàn)（階躍信號(hào)響應(yīng)、正弦信號(hào)響應(yīng)）等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
3.2 采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生、等功能，要求軟硬件齊全、界面友好。數(shù)據(jù)采集板卡采用 32 通道模擬輸入、 16 通道數(shù)字輸入和 12 路模擬輸出。
3.3 靜態(tài)流量測(cè)量精度 <2% ，動(dòng)態(tài)流量測(cè)量頻帶寬度 >100Hz ，壓力測(cè)量精度 <2% ，壓力測(cè)量頻帶寬度 >100Hz 。
3.4 工控機(jī)配置：（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的核心。為適應(yīng)高速采集運(yùn)算、海量存儲(chǔ)的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，可配置一臺(tái)基于 PIV 架構(gòu)的計(jì)算 機(jī)： 945GZ 主板 /E2180 （酷睿 雙核 2.0G ） 1G DDRII533/ 集成顯卡、網(wǎng)卡、聲卡 /160G SATA/ 防水抗菌鍵盤(pán) / 光電鼠標(biāo) /17 寸液晶 / 三年有限保修三年上門(mén) / 硬盤(pán)保護(hù) /DOS 系統(tǒng) / 一鍵恢復(fù)；打印機(jī)（彩色噴墨，分辨 率： 5760×1400dpi ，打印內(nèi)存：標(biāo)配內(nèi)存： 48MB ；最大內(nèi)存： 256MB ，接口類(lèi)型： USB2.0 ）、顯示器和 PLC 控制器（ 8 位數(shù)字量輸 入， 6 位數(shù)字量輸出，工作電源： 24VDC/4.5A
3.5 軟件開(kāi)放良好性好，提供進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的程序接口。
3.6 泵站額定流量： 6.67L ／ min ；
4 、實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)
電 液伺服閥的靜態(tài)特性包括壓力增益特性、空載流量特性、壓力流量特性、內(nèi)部泄漏特性等。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該測(cè)量的參數(shù)有：控制流量 Q 、供油壓力 ps 、回油壓力 pt 、控制口壓力 pa 、 pb 等。電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性通常用它的頻率特性或階躍響應(yīng)特性來(lái)表示。實(shí)驗(yàn)借助無(wú)載缸完成電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)應(yīng)該測(cè)量的參數(shù)有無(wú)載缸的位移 s 等。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)由液壓站、電控部分、立式儀表柜以及數(shù)據(jù)采集工控等四部分組成。電控部分主要是液壓站供電的控制柜，可集成在液壓站前面板上。儀表柜 是液壓站工作參數(shù)的顯示面板，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，儀表柜設(shè)計(jì)成立式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝高精度儀表及放大器組件，為保證儀表供電穩(wěn)定，儀表柜中安裝高質(zhì)量穩(wěn)壓 電源及安全保護(hù)電路。工控機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，內(nèi)部安裝高精度數(shù)據(jù)采集卡及標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸出單元，它可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) CAT ，并通過(guò) I/O 電路對(duì)液壓系 統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。工控機(jī)配備液晶顯示單元及激光打印輸出單元，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)處理和表格曲線打印輸出。
5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1 系統(tǒng)構(gòu)成：
動(dòng)靜態(tài)特性試驗(yàn)采用同一試驗(yàn)臺(tái)。在測(cè)試靜態(tài)特性時(shí)，通過(guò)安裝在液壓缸油路上的截止閥來(lái)阻斷通往液壓缸的油路。動(dòng)態(tài)特性測(cè)試時(shí)則只打開(kāi)到液壓油缸的通路。
硬 件配置方面：在電液伺服閥的進(jìn)油口、兩個(gè)負(fù)載口安裝三個(gè)壓力傳感器 , 獲得壓力參數(shù)并變送輸出。在兩負(fù)載口之間設(shè)計(jì)一整流回路，并安裝渦輪流量計(jì) , 得到控制 油路流量參數(shù)。比例節(jié)流閥同渦輪流量計(jì)串聯(lián)，通過(guò)改變節(jié)流閥節(jié)流口的大小，得到不同的負(fù)載壓力。回油路的流量傳感器可測(cè)系統(tǒng)的泄漏流量。測(cè)試動(dòng)態(tài)特性時(shí) , 由于液壓油缸的速度與閥輸出的空載流量成正比 , 在活塞桿上加裝速度傳感器，測(cè)量速度值乘以相關(guān)系數(shù)即可獲得伺服閥的輸出流量。
5.2 原理圖



5.3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)缸的定中
由 于被試伺服閥具有原始零偏、液壓油缸由于加工和裝配時(shí)的公差配合等原因造成油缸兩腔泄漏不一致 , 活塞與缸筒之間在左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力不對(duì)稱等因素 , 當(dāng)系 統(tǒng)在正弦信號(hào)激勵(lì)下 , 活塞在作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)逐漸偏離其原始中立位置。因此在活塞桿另一端帶一只位移傳感器 , 其輸出信號(hào)反饋到伺服放大器的輸入端來(lái)糾正活塞 的偏移。
6 、數(shù)據(jù)采集及工控部分設(shè)計(jì)
CAT 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)是全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集和處理的。試驗(yàn)時(shí)，信號(hào)由相應(yīng)的傳感器檢測(cè)， 先送至儀表柜上的二次儀表，二次儀表對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、濾波轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行數(shù)字顯示，并通過(guò)相應(yīng)的接口電路傳輸給工控機(jī)，由測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn) 存儲(chǔ)、顯示、報(bào)表、打印等功能。同時(shí)電磁閥特別是電液伺服閥的動(dòng)作控制通過(guò)計(jì)算機(jī)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。


                                          電氣控制方框圖
6.1  傳感器及二次儀表  
根據(jù)國(guó)   家標(biāo)準(zhǔn) GB/T15623 － 1995 《電液伺服閥試驗(yàn)方法》的要求，在電液伺服閥的具體測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目中，需要測(cè)量伺服閥的進(jìn)出口和兩個(gè)控制油口的油液壓   力，進(jìn)出油口的油液溫度以及流量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)液壓系統(tǒng)的油液壓力和流量條件選擇壓力、溫度、流量傳感器如下。并根據(jù)各種傳感器的便送輸出情況選擇二次   儀表。并對(duì)傳感器和二次儀表的安裝和顯示等條件提出具體要求。
6.2  采集板卡和控制板卡  
根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)功能和要求，整個(gè)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：
1 傳感器和二次儀表的測(cè)試數(shù)據(jù)的輸入
2 根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目的不同，控制相關(guān)電磁閥的開(kāi)閉
3 程序控制電液伺服閥的動(dòng)作和開(kāi)度
傳感器采集的壓力、溫度、流量等測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)二次儀表便送輸出后，通過(guò) A/D 板接口電路送至工控機(jī)，由軟件進(jìn)行處理。  
電磁閥的開(kāi)閉通過(guò)工控機(jī)輸出電平信號(hào)來(lái)控制，經(jīng)過(guò)放大后控制相關(guān)電磁閥的動(dòng)作。
電液伺服閥的動(dòng)作和開(kāi)度通過(guò)程序手動(dòng)或者自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，將程序輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量，輸出到電液伺服閥的放大線圈控制電液伺服閥的相關(guān)動(dòng)作。   
7 、測(cè)試軟件
為   了使軟件界面更加友好、操作更加簡(jiǎn)單，我們開(kāi)發(fā)了全中文的基于 Window2k 和 XP 操作系統(tǒng)的測(cè)試軟件 , 界面美觀大方，提示信息及其幫助全部為中文，易   于掌握，操作使用方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性和容錯(cuò)性好。為了便于維護(hù)和使用，軟件在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)采用了模塊化結(jié)構(gòu)以及分層菜單和容錯(cuò)技術(shù)。為提高數(shù)據(jù)采集的精度，程   序中使用了多媒體定時(shí)器，采樣精度達(dá)到 1ms 。同時(shí)在軟件的編制中采用了多線程技術(shù)，采集、顯示和存儲(chǔ)分線程操作，提高采集和顯示的實(shí)時(shí)性，同時(shí)加速代碼   執(zhí)行速度，節(jié)約系統(tǒng)資源。數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQLSERVER2000 便于數(shù)據(jù)的保存和查詢。
在主控模塊中，根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目及其擴(kuò)展功能來(lái)設(shè)計(jì)菜單，測(cè)試   軟件的主要菜單內(nèi)容包括：文件、系統(tǒng)測(cè)試、報(bào)表管理、技術(shù)參數(shù)入庫(kù)、設(shè)置、工具和幫助等。對(duì)于每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，通過(guò)點(diǎn)擊菜單或者界面上的相關(guān)按鍵，程序?qū)?  液壓系統(tǒng)的相關(guān)電磁閥和電控系統(tǒng)的加載裝置自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，只需要填寫(xiě)試驗(yàn)的編號(hào)，手動(dòng)填寫(xiě)其他相關(guān)參數(shù)，即可完成相關(guān)的試驗(yàn)，操作方便，易學(xué)易用。用   戶也可在界面上手動(dòng)設(shè)置液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，進(jìn)行其他一系列擴(kuò)展試驗(yàn)，靈活性高。報(bào)表管理給用戶和數(shù)據(jù)庫(kù)之間建立了一個(gè)交互的平臺(tái)，可以輕松實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)   和相關(guān)試驗(yàn)圖線的查詢和打印。設(shè)置菜單為用戶提供了更加人性化的功能，如前端顯示、開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行、顯示每日一貼、最小化至任務(wù)欄等。工具菜單則可以使用戶   在不退出檢測(cè)系統(tǒng)的情況下輕松調(diào)用計(jì)算器、記事本、畫(huà)圖板等常用工具。
8 、測(cè)試方法
8.1 靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)
8.1.1 無(wú)載流量特性實(shí)驗(yàn)：
將比例節(jié)流閥的開(kāi)口調(diào)節(jié)至最大 , 此時(shí)可以看作油液無(wú)損失通過(guò)。輸入整個(gè)額定電流范圍電流，顯示試驗(yàn)曲線，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，數(shù)字顯示出額定流量（正向與反向）、流量增益（正向與反向）、線性度（正向與反向）、不對(duì)稱度、滯環(huán)。
8.1.2 壓力增益實(shí)驗(yàn)：
將比例節(jié)流閥的開(kāi)口關(guān)死 , 實(shí)現(xiàn)負(fù)載的無(wú)窮大。控制電流在正負(fù)額定電流范圍變化，顯示兩控制油口的壓力變化情況。
8.1.3 負(fù)載流量特性實(shí)驗(yàn)：
首   先調(diào)節(jié)溢流閥使壓力達(dá)到電液伺服閥的額定壓力。信號(hào)源產(chǎn)生 0. 01Hz  的三角波 , 幅值由用戶輸入。此信號(hào)經(jīng)過(guò)伺服放大器驅(qū)動(dòng)放大后 , 送入電液伺服閥 , 計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào) , 通過(guò)比例放大器驅(qū)動(dòng)放大后 , 控制比例節(jié)流閥的開(kāi)口 , 以實(shí)現(xiàn)   測(cè)試系統(tǒng)的外負(fù)載�，F(xiàn)場(chǎng)的壓力或流量信號(hào)由相應(yīng)的壓力傳感器和流量傳感器獲得 , 通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后 , 進(jìn)行 A/ D  轉(zhuǎn)換 , 然后輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 ( 傳感器的非線性校正、數(shù)字濾波、曲線擬合 )  后 , 輸出實(shí)驗(yàn)曲線。
8.2 動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)
8.2.1  頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（亦即動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)）：調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力至閥的額定壓力。虛擬儀器的信號(hào)源產(chǎn)生 5 － 200Hz  的正弦掃頻信號(hào) , 此信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大后 , 送入電液伺服閥 , 與此同時(shí) , 伺服閥的輸出流量 , 通過(guò)安裝在液壓油缸上的速度傳感器獲得 , 經(jīng)信號(hào)調(diào)理和 A/ D  轉(zhuǎn)換后 , 輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對(duì)電液伺服閥的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換 , 得到其幅值比和相位差 , 輸出波德圖。
自動(dòng)掃頻測(cè)試后，顯示出被試伺服閥頻率響應(yīng)波德圖，然后數(shù)字顯示幅頻寬（ -3db ）、相頻寬 (-90o) 。
8.2.2 閥控液壓缸系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)。
只打開(kāi)接液壓缸的油路閥門(mén)，給伺服閥輸入系統(tǒng)在階躍輸入時(shí)的響應(yīng)特性等。
9 、測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)  系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試采用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái) , 通過(guò)相應(yīng)截止閥的開(kāi)閉 , 實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)性能試驗(yàn)的切換
(2) 全部實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試及遠(yuǎn)程控制，軟件接口開(kāi)放，可靈活擴(kuò)展與升級(jí)
(3)  系統(tǒng)加載采用比例節(jié)流閥 , 節(jié)省了人力和實(shí)驗(yàn)時(shí)間 , 且實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確。
(4)  所有實(shí)驗(yàn)所需的輸入信號(hào) , 均由計(jì)算機(jī)的虛擬信號(hào)源產(chǎn)生 , 簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)備 ( 如超低頻信號(hào)發(fā)生器、頻響分析儀等 )  。
(5)  實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力、流量、輸入電流等信號(hào) , 均通過(guò)虛擬儀器的軟面板顯示 , 簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)儀表 ( 如壓力表、流量表、電流表等 )  。


JGDB － 4 型 電液伺服測(cè)試試驗(yàn)臺(tái) 配置清單

一、部分