引言

　　在汽車官觅、飛機(jī)和工程機(jī)械等設(shè)備上的液壓傳動系統(tǒng)的管路受到不同工況的振動沖擊摇展。隨著人們對產(chǎn)品可靠性要求的提高刻肄，以及各種行業(yè)發(fā)展的需要瓤球，管路的抗沖擊和抗撓曲性能將越來越受到重視，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)敏弃。

　　1簡介

　　隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展卦羡，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。液壓脈沖試驗機(jī)用于汽車剎車管麦到、燃油管绿饵、轉(zhuǎn)向管、冷卻水管瓶颠、散熱軟管和暖風(fēng)軟管等軟管脈沖壓力的壽命試驗拟赊，該試驗機(jī)能方便、穩(wěn)定的檢測出設(shè)備所用的軟管是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求捅青。

　　液壓脈沖試驗機(jī)控制系統(tǒng)是基于plc的二級混合控制系統(tǒng)蹲瘩，下位機(jī)采用rockwell automation的slc500作為核心處理器的實時控制器，上位機(jī)ipc利用labview軟件編寫的人機(jī)界面具有易于操作豺孤，便于維護(hù)等特點架揉。通過以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接，使該脈沖試驗機(jī)具有很好的實時性凌秩，抗干擾性強(qiáng)浦砸，更加穩(wěn)定可靠。

　　2 試驗系統(tǒng)要求

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

　　液壓脈沖試驗機(jī)是主要通過液壓伺服系統(tǒng)來控制壓力和脈沖波形棺昵。波形誤差簇戳、壓力施加方式润申、響應(yīng)時間和精度直接影響試驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性销贝，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對要求波形的控制絕對誤差為2％樊展。由于采集和處理的數(shù)據(jù)需要實時上傳到上位機(jī)，這就要求控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度快堆生、抗干擾能力強(qiáng)专缠，從而保證試驗系統(tǒng)具有很好的實時波形曲線。在試驗過程中淑仆，試驗樣管會因為變形涝婉、膨脹引起管徑和液壓伺服系統(tǒng)參數(shù)的變化，控制系統(tǒng)如何根據(jù)這些變量來調(diào)節(jié)蔗怠，其硬件和軟件設(shè)計具有較高的難度墩弯。

　　3 試驗方法

　　脈沖試驗機(jī)主要有壓力沖擊和撓曲試驗兩種方法，兩種方法同時進(jìn)行試驗寞射，很好地模擬了不同環(huán)境和工況條件下渔工，汽車行駛的實際路面狀況。

　　3.1 壓力沖擊

　　液壓脈沖試驗機(jī)壓力通過控制脈沖波形來實現(xiàn)桥温∫兀控制波形主要分梯形波、凸字波侵浸、正弦波和方波四種旺韭。控制系統(tǒng)可以根據(jù)試驗工藝需要從上位機(jī)選擇預(yù)定的脈沖波形來達(dá)到試驗的目的林乍，用戶可以根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自由選擇間隔卸壓宙锡。對存在間隔卸壓的波形，如梯形波和凸字波戒腔，在脈沖的波谷的時候開啟卸壓閥使介質(zhì)可以在試驗樣管中流動狐昆。波形的具體要求如圖1所示。

　　圖1 梯形波曲線要求

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　　(1) 梯形波(方波臂沽、三角波)挺教。梯形波(方波、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)橡戈；在t2段要求保壓時間在0～ns可設(shè)阎肌，n為大于0的任意值；在t3段要求與t1段基本對稱掷雪；在t4段要求保壓時間在0～ns可設(shè)将遮，n為大于0的任意值；pmin控制在0～10%pmax肌坑；pmax根據(jù)不同的管有不同的要求近弟，目前不會大于60mpa缅糟。

　　圖2 凸字波形曲線要求

　　(2) 凸字波。參見圖2祷愉，凸字波的要求是在t1段升壓速率要求在100mpa/s窗宦，t1=2s；在t2段要求保壓時間在0～ns可設(shè)二鳄，n為大于0的任意值赴涵，一般也設(shè)定為2s；在t3段要求與t1段基本對稱订讼；在t4段要求保壓時間在0～n s可設(shè)髓窜，n為大于0的任意值，一般也設(shè)定為4s欺殿；pmin=0寄纵；第一個壓力臺階=0.35mpa；最高壓力=1.05mpa脖苏。

　　(3) 正弦波(半正弦或完整正弦)程拭。正弦波比較難實現(xiàn)，在實際試驗中主要是通過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萤翔。完整正弦波是指在封閉狀態(tài)下做的俺乓。頻率要求為1s畫出一個完整的正弦波，波峰值最大60mpa讼谅，波谷值為0檀丝。半正弦波按照0.5s畫完一個半正弦，其他0.5s為卸壓時間來設(shè)計挟晒，卸壓時壓力為0残神。
　　
　　3.2 撓曲試驗

　　控制系統(tǒng)控制一個伺服油缸y方向的上下振動，利用變頻器控制電動機(jī)帶動試驗樣管旋轉(zhuǎn)寸快，控制x方向撓曲速度和角度新浦，形成振動和撓曲的二維組合。撓曲試驗的頻率最大為17hz汞阔，最大振幅為±35mm笋条，在最大振動頻率時的振幅為±4mm。

　　4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)由上位機(jī)(ipc)企舌、下位機(jī)(plc)和外部電路控制組成执执，通過以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接，完成液壓伺服系統(tǒng)晌姚。環(huán)境條件變化由儀表控制粤剧，通過rs485與上位機(jī)通信，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示挥唠。

　　圖3 液壓脈沖試驗機(jī)控制系統(tǒng)框圖

　　4.1 壓力變送器和ad模塊

　　壓力變送器位于增壓器出口抵恋，量程0～30mpa焕议，輸出4-20ma，頻響200hz弧关。壓力變送器的精度為滿量程的0.75％盅安，為了得到更高的滿量程精度，液壓系統(tǒng)采用了切換兩個壓力變送器的組合方式梯醒。所有傳感器的采樣頻率為500hz宽堆，壓力采樣相對變送器每個周期有3-5個16位數(shù)據(jù)腌紧，使于平滑處理茸习，提高測量精度，以保證±2%的絕對誤差要求壁肋。

　　系統(tǒng)采用4路差分輸入16位ad模塊号胚，輸入電流4-20ma，全部轉(zhuǎn)換時間600μs逊汤，上傳時間1ms崎亚，采樣頻率相當(dāng)于500hz；2路電壓/電流輸出啥榜，輸出±10v涉炒，全部轉(zhuǎn)換時間600μs，下傳時間1ms掏博。伺服閥按100hz進(jìn)行調(diào)節(jié)即為10ms殃玻，pid調(diào)節(jié)算法時間約為0.6ms，pid指令執(zhí)行時間少于400μs伊肿，即可實現(xiàn)5次pid調(diào)節(jié)肆鸿，實時性和穩(wěn)定性有保證。

　　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炒耀，伺服系統(tǒng)仿真分析將成為伺服系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵瞳聊。限于篇幅，本文省略液壓伺服系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容名密。

　　控制系統(tǒng)通過ao模塊輸出0～10v的電壓信號藏估，經(jīng)過伺服放大器放大來控制伺服閥的開度，伺服閥開度的大小決定了液體的流量失驶，從而來控制試驗樣管所受壓力大小土居。液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量如位移、速度或力等突勇，能自動地装盯、快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時甲馋，輸出功率被大幅度地放大埂奈。液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快迄损、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨特的優(yōu)點账磺。
　　
　　伺服控制采用ad-da方法芹敌，使用壓力變送器作反饋元件。伺服刷新周期1000μs垮抗。伺服系統(tǒng)兩個伺服閥控制方法相同氏捞，僅壓力不同。

　　4.3 高速計數(shù)器和其它電路

　　hsc模塊提供4路50khz高速輸入脈沖計數(shù)冒版，該模塊與撓曲電動機(jī)的編碼器相連翅剔。撓曲電動機(jī)控制撓曲速度和角度。系統(tǒng)的di和do模塊用于開關(guān)量控制侈敏，如油泵迟凫、液位、液壓閥嫩视、變頻器夏岩、介質(zhì)的溫度與攪拌、液壓系統(tǒng)保護(hù)和報警等控制豪荧。

　　4.4 以太網(wǎng)

　　slc500/l533處理器自帶有以太網(wǎng)口矩粒，相對于rs232/rs485以太網(wǎng)具有較高的可靠性而且傳輸速率快，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10～100mbps筑陡，因此本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將上位機(jī)和下位機(jī)連接歧蛾，減少數(shù)據(jù)傳輸遲滯對波形曲線的影響，使脈沖試驗機(jī)具有很好的實時性趾双，抗干擾性強(qiáng)俗退，更加穩(wěn)定可靠。

　　5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計的主要難點就是實時脈沖波形曲線的控制甜殖，即始終要保證實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)满葛，如圖4所示。

　　圖4 實時波形曲線

　　5.1 上位機(jī)軟件

　　整個控制系統(tǒng)采用labview來編程實現(xiàn)人機(jī)界面罢屈，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信嘀韧，將試驗指令下傳給下位機(jī)，然后接受下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)缠捌。labview是一種圖形化的編程語言锄贷，它是一個開放性的環(huán)境，用于快速創(chuàng)建靈活的曼月、可升級的測試谊却、測量和控制應(yīng)用程序。通過labview可以很方便地采集到實際信號，并對其進(jìn)行分析得出有用信息炎辨，然后將測量結(jié)果通過直觀化的顯示捕透、報告和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共享。

　　上位機(jī)負(fù)責(zé)整個控制軟件的界面設(shè)計碴萧，包括動態(tài)顯示溫度乙嘀、壓力、振幅勤消、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)美丝，以數(shù)值和曲線形式顯示。試驗數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中源糖，包括設(shè)備硬件信息(液壓系統(tǒng)能力替塑，增壓器比例，伺服閥型號等)椒蜜，當(dāng)前試驗信息(試驗標(biāo)準(zhǔn)梦啊，試件規(guī)格、試驗參數(shù))厌留。用戶可以將保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提取出來，將測量的試驗數(shù)據(jù)生成報表輸出耙钉。所有波形全部保存在相應(yīng)的波形圖文件囊像，波形數(shù)據(jù)中包含介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度卡竣、給定壓力波形和實際壓力波形數(shù)據(jù)禾门。軟件可以實現(xiàn)歷史曲線的重放并可以改變重放的速度，以便用戶迅速瀏覽脈沖的歷史曲線蝴韭」坏撸控制系統(tǒng)還實現(xiàn)了報警功能，若監(jiān)測油箱溫度榄鉴、介質(zhì)溫度履磨、環(huán)境溫度、液位浮球庆尘、破裂浮球剃诅、過濾器堵塞、缸到頭驶忌，出現(xiàn)報警立即輸出報警信號矛辕。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，環(huán)境溫度用獨立的環(huán)境箱控制付魔，上位機(jī)可以寫入溫度控制值或者溫度控制曲線聊品，實時讀取環(huán)境箱溫度。
　　
　　5.2 下位機(jī)軟件

　　下位機(jī)負(fù)責(zé)整個控制軟件的實時伺服控制和邏輯控制設(shè)計，包括接收上位機(jī)的給定壓力波形曲線翻屈、撓曲試驗的振動頻率晤柄、振幅和撓曲的速度和角度，完成兩個伺服油缸和撓曲電動機(jī)三個閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)吊冬，以及開關(guān)量的邏輯控制擒摸。此處省略邏輯控制功能。

　　由于系統(tǒng)響應(yīng)時間至少要4個系統(tǒng)時間常數(shù)量伏，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兴氧，保證壓力上升斜坡時間小于50ms，調(diào)節(jié)周期5-10ms畴贵，界面波形顯示滯后約1個實時波形厦冤。

　　脈沖給定壓力曲線與伺服信號調(diào)節(jié)受到試驗壓力大小、試驗樣管膨脹量大小幅秉、增壓器比例奔豫、伺服閥放大器增益大小等因素影響。下位機(jī)應(yīng)根據(jù)前述影響因素自動改變給定壓力曲線和放大器增益渠跷，通過控制伺服閥和增壓器實現(xiàn)對脈沖壓力的控制袄洁。通過ad模塊采樣頻率和伺服閥響應(yīng)頻率的最佳匹配，以保證實際壓力曲線和設(shè)定壓力曲線絕對誤差不超過2%收罢。通過以太網(wǎng)將控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)晤泌，實現(xiàn)壓力波形曲線的實時監(jiān)控，保證了控制系統(tǒng)的實時性耕姊、高可靠性桶唐。

　　6 結(jié)束語

　　由于此試驗系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)和液壓伺服系統(tǒng)先在實驗室進(jìn)行實物仿真茉兰，然后在試驗系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時解決系統(tǒng)的機(jī)電耦合問題尤泽。目前控制系統(tǒng)實驗室實物仿真已取得初步成果，初步解決ad模塊采樣頻率和伺服閥響應(yīng)頻率的匹配规脸、分級改變給定壓力曲線和放大器增益等問題坯约，還有待于試驗系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時檢驗實際壓力曲線和設(shè)定壓力曲線誤差是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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