引言

　　在汽車、飛機(jī)和工程機(jī)械等設(shè)備上的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的管路受到不同工況的振動(dòng)沖擊。隨著人們對(duì)產(chǎn)品可靠性要求的提高猾瘸，以及各種行業(yè)發(fā)展的需要，管路的抗沖擊和抗撓曲性能將越來越受到重視丢习，因而管路的抗沖擊性能成為反映其質(zhì)量和可靠性的重要指標(biāo)牵触。

1簡介

　　隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，需要液壓脈沖設(shè)備來進(jìn)行檢測軟管在不同環(huán)境和工況下的性能咐低。液壓脈沖試驗(yàn)機(jī)用于汽車剎車管揽思、燃油管、轉(zhuǎn)向管见擦、冷卻水管钉汗、散熱軟管和暖風(fēng)軟管等軟管脈沖壓力的壽命試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)能方便鲤屡、穩(wěn)定的檢測出設(shè)備所用的軟管是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求损痰。

　　液壓脈沖試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)是基于plc的二級(jí)混合控制系統(tǒng)，下位機(jī)采用rockwell automation的slc500作為核心處理器的實(shí)時(shí)控制器酒来，上位機(jī)ipc利用labview軟件編寫的人機(jī)界面具有易于操作卢未，便于維護(hù)等特點(diǎn)。通過以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接详鲜，使該脈沖試驗(yàn)機(jī)具有很好的實(shí)時(shí)性躏宗，抗干擾性強(qiáng)，更加穩(wěn)定可靠丹蛀。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)要求

　　該試驗(yàn)系統(tǒng)要求試驗(yàn)樣管在-40～160℃根爆，壓力10～30mpa的不同環(huán)境條件下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，將新樣管通過壓力沖擊和撓曲試驗(yàn)直至爆破來測試產(chǎn)品是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求春陆。

　　液壓脈沖試驗(yàn)機(jī)是主要通過液壓伺服系統(tǒng)來控制壓力和脈沖波形瓦腋。波形誤差、壓力施加方式寝谚、響應(yīng)時(shí)間和精度直接影響試驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)要求波形的控制絕對(duì)誤差為2％军裂。由于采集和處理的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)蹋烂，這就要求控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度快战覆、抗干擾能力強(qiáng)，從而保證試驗(yàn)系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)波形曲線苹动。在試驗(yàn)過程中柬乓，試驗(yàn)樣管會(huì)因?yàn)樽冃巍⑴蛎浺鸸軓胶鸵簤核欧到y(tǒng)參數(shù)的變化蠢涝，控制系統(tǒng)如何根據(jù)這些變量來調(diào)節(jié)玄呛，其硬件和軟件設(shè)計(jì)具有較高的難度。

3 試驗(yàn)方法

　　脈沖試驗(yàn)機(jī)主要有壓力沖擊和撓曲試驗(yàn)兩種方法和二，兩種方法同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)徘铝，很好地模擬了不同環(huán)境和工況條件下，汽車行駛的實(shí)際路面狀況惯吕。

　　3.1 壓力沖擊

　　液壓脈沖試驗(yàn)機(jī)壓力通過控制脈沖波形來實(shí)現(xiàn)惕它。控制波形主要分梯形波废登、凸字波淹魄、正弦波和方波四種”ぞ啵控制系統(tǒng)可以根據(jù)試驗(yàn)工藝需要從上位機(jī)選擇預(yù)定的脈沖波形來達(dá)到試驗(yàn)的目的甲锡，用戶可以根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自由選擇間隔卸壓。對(duì)存在間隔卸壓的波形羽戒，如梯形波和凸字波缤沦，在脈沖的波谷的時(shí)候開啟卸壓閥使介質(zhì)可以在試驗(yàn)樣管中流動(dòng)。波形的具體要求如圖1所示综俄。

圖1 梯形波曲線要求

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(1) 梯形波(方波竿赂、三角波)。梯形波(方波制沦、三角波)參照德國標(biāo)準(zhǔn)tl82415要求為在t1段升壓速率要求在1mpa/s～300mpa/s之間可調(diào)宅谁；在t2段要求保壓時(shí)間在0～ns可設(shè)，n為大于0的任意值榛青；在t3段要求與t1段基本對(duì)稱记浸；在t4段要求保壓時(shí)間在0～ns可設(shè)，n為大于0的任意值曙惋；pmin控制在0～10%pmax裸悟；pmax根據(jù)不同的管有不同的要求，目前不會(huì)大于60mpa妙声。

圖2 凸字波形曲線要求

　　(2) 凸字波绕时。參見圖2，凸字波的要求是在t1段升壓速率要求在100mpa/s，t1=2s株捌；在t2段要求保壓時(shí)間在0～ns可設(shè)月腋，n為大于0的任意值，一般也設(shè)定為2s瓣赂；在t3段要求與t1段基本對(duì)稱榆骚；在t4段要求保壓時(shí)間在0～n s可設(shè)，n為大于0的任意值煌集，一般也設(shè)定為4s妓肢；pmin=0；第一個(gè)壓力臺(tái)階=0.35mpa苫纤；最高壓力=1.05mpa碉钠。

　　(3) 正弦波(半正弦或完整正弦)。正弦波比較難實(shí)現(xiàn)方面，在實(shí)際試驗(yàn)中主要是通過plc的專用凸輪指令產(chǎn)生凸輪波形來模擬間隔的正弦半波放钦。完整正弦波是指在封閉狀態(tài)下做的。頻率要求為1s畫出一個(gè)完整的正弦波恭金，波峰值最大60mpa操禀，波谷值為0。半正弦波按照0.5s畫完一個(gè)半正弦横腿，其他0.5s為卸壓時(shí)間來設(shè)計(jì)颓屑，卸壓時(shí)壓力為0。

　　3.2 撓曲試驗(yàn)

　　控制系統(tǒng)控制一個(gè)伺服油缸y方向的上下振動(dòng)灰深，利用變頻器控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)試驗(yàn)樣管旋轉(zhuǎn)饵卸，控制x方向撓曲速度和角度，形成振動(dòng)和撓曲的二維組合彰饭。撓曲試驗(yàn)的頻率最大為17hz驻奇，最大振幅為±35mm，在最大振動(dòng)頻率時(shí)的振幅為±4mm肤贮。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)由上位機(jī)(ipc)峰抽、下位機(jī)(plc)和外部電路控制組成，通過以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接搭艺，完成液壓伺服系統(tǒng)榛开。環(huán)境條件變化由儀表控制，通過rs485與上位機(jī)通信啤兆，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示姚锥。

圖3 液壓脈沖試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)框圖

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　　4.1 壓力變送器和ad模塊

　　壓力變送器位于增壓器出口，量程0～30mpa桶棍，輸出4-20ma凉逛，頻響200hz性宏。壓力變送器的精度為滿量程的0.75％，為了得到更高的滿量程精度状飞，液壓系統(tǒng)采用了切換兩個(gè)壓力變送器的組合方式衔沼。所有傳感器的采樣頻率為500hz，壓力采樣相對(duì)變送器每個(gè)周期有3-5個(gè)16位數(shù)據(jù)昔瞧，使于平滑處理，提高測量精度菩佑，以保證±2%的絕對(duì)誤差要求自晰。

　　系統(tǒng)采用4路差分輸入16位ad模塊，輸入電流4-20ma稍坯，全部轉(zhuǎn)換時(shí)間600μs酬荞，上傳時(shí)間1ms，采樣頻率相當(dāng)于500hz瞧哟；2路電壓/電流輸出混巧，輸出±10v，全部轉(zhuǎn)換時(shí)間600μs勤揩，下傳時(shí)間1ms猎蚀。伺服閥按100hz進(jìn)行調(diào)節(jié)即為10ms，pid調(diào)節(jié)算法時(shí)間約為0.6ms产掂，pid指令執(zhí)行時(shí)間少于400μs竖杂，即可實(shí)現(xiàn)5次pid調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性有保證辅及。

　　4.2 液壓伺服系統(tǒng)控制

　　液壓伺服系統(tǒng)的響應(yīng)頻率和調(diào)節(jié)精度完全取決于系統(tǒng)的固有頻率和諧振頻率雕乃，伺服系統(tǒng)仿真分析將成為伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。限于篇幅朴蛔，本文省略液壓伺服系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容侯旬。

　　控制系統(tǒng)通過ao模塊輸出0～10v的電壓信號(hào)，經(jīng)過伺服放大器放大來控制伺服閥的開度盼靠，伺服閥開度的大小決定了液體的流量擂冷，從而來控制試驗(yàn)樣管所受壓力大小。液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量如位移芦格、速度或力等终距，能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化俄删，與此同時(shí)宏怔，輸出功率被大幅度地放大。液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快畴椰、負(fù)載剛度大臊诊、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)鸽粉。

　　伺服控制采用ad-da方法，使用壓力變送器作反饋元件抓艳。伺服刷新周期1000μs触机。伺服系統(tǒng)兩個(gè)伺服閥控制方法相同，僅壓力不同玷或。

　　4.3 高速計(jì)數(shù)器和其它電路

　　hsc模塊提供4路50khz高速輸入脈沖計(jì)數(shù)儡首，該模塊與撓曲電動(dòng)機(jī)的編碼器相連。撓曲電動(dòng)機(jī)控制撓曲速度和角度偏友。系統(tǒng)的di和do模塊用于開關(guān)量控制蔬胯，如油泵、液位位他、液壓閥氛濒、變頻器、介質(zhì)的溫度與攪拌亡谭、液壓系統(tǒng)保護(hù)和報(bào)警等控制软动。

　　4.4 以太網(wǎng)

　　slc500/l533處理器自帶有以太網(wǎng)口，相對(duì)于rs232/rs485以太網(wǎng)具有較高的可靠性而且傳輸速率快奶堵，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10～100mbps衙地，因此本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接，減少數(shù)據(jù)傳輸遲滯對(duì)波形曲線的影響锦钓，使脈沖試驗(yàn)機(jī)具有很好的實(shí)時(shí)性庙炮，抗干擾性強(qiáng)，更加穩(wěn)定可靠求驳。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)就是實(shí)時(shí)脈沖波形曲線的控制种司，即始終要保證實(shí)際波形曲線要處在給定波形曲線的上下允許誤差范圍內(nèi)，如圖4所示粥谐。

圖4 實(shí)時(shí)波形曲線

　　5.1 上位機(jī)軟件

　　整個(gè)控制系統(tǒng)采用labview來編程實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面娶得，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，將試驗(yàn)指令下傳給下位機(jī)漾群，然后接受下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)懊湾。labview是一種圖形化的編程語言，它是一個(gè)開放性的環(huán)境禽篱，用于快速創(chuàng)建靈活的畜伐、可升級(jí)的測試、測量和控制應(yīng)用程序躺率。通過labview可以很方便地采集到實(shí)際信號(hào)玛界，并對(duì)其進(jìn)行分析得出有用信息，然后將測量結(jié)果通過直觀化的顯示悼吱、報(bào)告和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享慎框。

　　上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)控制軟件的界面設(shè)計(jì)良狈，包括動(dòng)態(tài)顯示溫度、壓力笨枯、振幅薪丁、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，以數(shù)值和曲線形式顯示馅精。試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中严嗜，包括設(shè)備硬件信息(液壓系統(tǒng)能力，增壓器比例洲敢，伺服閥型號(hào)等)阻问，當(dāng)前試驗(yàn)信息(試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試件規(guī)格纤厨、試驗(yàn)參數(shù))。用戶可以將保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提取出來景絮，將測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成報(bào)表輸出守镰。所有波形全部保存在相應(yīng)的波形圖文件，波形數(shù)據(jù)中包含介質(zhì)溫度说悄、環(huán)境溫度猖右、給定壓力波形和實(shí)際壓力波形數(shù)據(jù)。軟件可以實(shí)現(xiàn)歷史曲線的重放并可以改變重放的速度合圃，以便用戶迅速瀏覽脈沖的歷史曲線稽橱。控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了報(bào)警功能砂猿，若監(jiān)測油箱溫度谷庐、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度铲醉、液位浮球拘绳、破裂浮球、過濾器堵塞脆丁、缸到頭世舰，出現(xiàn)報(bào)警立即輸出報(bào)警信號(hào)。上位機(jī)負(fù)責(zé)采用rs485通信協(xié)議與環(huán)境儀表控制連接槽卫，環(huán)境溫度用獨(dú)立的環(huán)境箱控制跟压，上位機(jī)可以寫入溫度控制值或者溫度控制曲線，實(shí)時(shí)讀取環(huán)境箱溫度歼培。

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　　5.2 下位機(jī)軟件

　　下位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)控制軟件的實(shí)時(shí)伺服控制和邏輯控制設(shè)計(jì)震蒋，包括接收上位機(jī)的給定壓力波形曲線、撓曲試驗(yàn)的振動(dòng)頻率丐怯、振幅和撓曲的速度和角度喷好，完成兩個(gè)伺服油缸和撓曲電動(dòng)機(jī)三個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)翔横，以及開關(guān)量的邏輯控制。此處省略邏輯控制功能梗搅。

　　由于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間至少要4個(gè)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)禾唁，下位機(jī)根據(jù)給定壓力波形曲線通過控制伺服油缸和增壓器，保證壓力上升斜坡時(shí)間小于50ms无切，調(diào)節(jié)周期5-10ms穗狞，界面波形顯示滯后約1個(gè)實(shí)時(shí)波形。

　　脈沖給定壓力曲線與伺服信號(hào)調(diào)節(jié)受到試驗(yàn)壓力大小客净、試驗(yàn)樣管膨脹量大小凭衩、增壓器比例、伺服閥放大器增益大小等因素影響冀烘。下位機(jī)應(yīng)根據(jù)前述影響因素自動(dòng)改變給定壓力曲線和放大器增益慌位，通過控制伺服閥和增壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖壓力的控制。通過ad模塊采樣頻率和伺服閥響應(yīng)頻率的最佳匹配纬惶，以保證實(shí)際壓力曲線和設(shè)定壓力曲線絕對(duì)誤差不超過2%子宵。通過以太網(wǎng)將控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓力波形曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)控诽闲，保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性彪性、高可靠性。

6 結(jié)束語

　　由于此試驗(yàn)系統(tǒng)比較復(fù)雜科请，控制系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)物仿真稍记，然后在試驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)解決系統(tǒng)的機(jī)電耦合問題。目前控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)物仿真已取得初步成果峡竣，初步解決ad模塊采樣頻率和伺服閥響應(yīng)頻率的匹配靠抑、分級(jí)改變給定壓力曲線和放大器增益等問題，還有待于試驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)檢驗(yàn)實(shí)際壓力曲線和設(shè)定壓力曲線誤差是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求适掰。

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