机电液实验台液压系统自动化改造Word文档格式.docx
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4.1.2液压元件的选取17
4.2底板的设计及说明19
5控制部分21
5.1实验台的控制21
5.2系统设计21
5.3改造后的测试功能22
6总结和展望24
6.1总结24
6.1.1液压回路设计的关键24
6.1.2液压回路设计存在的问题24
6.1.3改造后的创新之处24
6.2展望25
参考文献26
机电液试验台液压系统自动化改造
学号:
090姓名:
辜毅专业:
机械设计制造及其自动化摘要液压技术已广泛的使用于国民生产的各个环节,液压元件、组件和系统性
能的高低直接影响机器的质量,对元件、组件和系统的性能参数进行测试分析,以满足各种用途的需要,就成为不可缺少的重要环节。
随着计算机软硬件技术和计算机辅助测试技术的发展,特别是虚拟仪器技术的出现,为开发通用的液压元件计算机辅助测试系统提供了便利条件。
因此,将测试领域中的最新技术一虚
拟仪器技术使用于液压元件及系统性能的自动测试中,以提高测试的效率和精度,对于液压元件和系统的研发以及液压产品的推广使用具有重要作用。
为适应电液比例控制技术教学和科研的需要,我们进行了实验室的机电液实验台自动化改造。
本文论述对机电液综合实验台液压测试回路的整合改造,提高了原实验台的技术性能,研制出一种多功能模块化的、先进的、可靠的液压泵、液压阀计算机辅助测试试验系统,能够自动按预先设定好的程序完成对各种泵、阀的性能测试。
关键词:
多功能液压试验台;
比例溢流阀;
计算机辅助测试
1刖言
1.1课题来源
21世纪液压控制技术既面临着来自电气控制技术的新竞争和绿色环保的新挑战,又面临着将有相当一部分传统结构的产品进入技术生命周期衰退期的新现实,因此必须从自身内部对其进行深刻反思和彻底改造。
本课题机电液实验台自
动化改造,正是适应时代发展的趋势,本着降低成本,提高自动化水平和实用性的原则来进行设计和研究的。
液压泵、液压阀(包括节流阀、调速阀、压力阀、换向阀)的性能测试是液压传动实践课程的基础部分。
电液伺服阀、比例阀的静、动态特性指标的测试在科学研究和工程实践中,有着极为重要的意义。
计算机辅
助测试(CAT)技术的兴起和使用,为电液伺服阀、比例阀性能测试开辟了广阔的发展前景。
虚拟仪器技术的出现,使(CAT)技术进入一个崭新的发展阶段。
本文实验台的自动化改造,使用测试技术、计算机技术、虚拟仪器技术,研制了一套电液伺服阀、比例阀的静、动态特性测试液压系统,并对电液伺服阀、比例阀的静、动态特性测试的有关方法及理论进行了研究和探索。
液压实验台CAT系统的设计和开发过程中,涉及到的相关理论和方法主要有:
数据采集和处理、数字信号处理、图形处理、信号和系统、自动控制、液压传动、液压伺服控制、虚拟仪器、逐点扫频法等等。
随着实践教学改革的不断深入,在现行的人才培养计划中“加强学生创新能力、实践能力和使用能力的培养,设置创新性、设计性、综合性相结合的独立实验项目,达到使用型人才培养目标的要求”。
这就要求我们不断地对传统的实验项目进行创新,本项目拟结合计算机辅助测试技术(CAT)技术,对液压传动实验课程的内容的进行扩充和更新,按照“设计一分析一制造一工程管理”的思路,打破原有实验教学附属于理论教学的模式,建立和理论教学并行、既相对独立又相互联系的实验教学体系。
本研究课题关键在于液压测试回路的设计和计算机辅助控制测试技术的研究,同时研制出一套多功能、模块化的液压泵、液压阀计算机辅助测试试验系统,来完成对各种泵、阀以及液压回路的性能测试,提高液压实验台的使用效率。
1.2机电液综合实验台的发展和现状
随着液压技术的发展,对系统的测试要求也越来越高,传统测试液压系统方法的弊端日益暴露出来。
传统的方法主要侧重于手工,这样一来,一方面,由于人为因素对检测误差影响较大,必然导致检测的准确性较差;
另一方面,检测速
度也极为缓慢,极大地影响了效率。
这一切,成为了液压技术使用和发展的瓶颈。
随着计算机科学的飞速发展,尤其是微型计算机的发展,其功能不断增强,而价格却不断下降,从而使得计算机迅速渗透到了各个领域,相继出现了CAD,CAM,
CAT等新兴学科,这成为了推动液压技术使用和发展的巨大动力。
液压行业在产品设计、制造、生产管理、性能测试等领域广泛采用了计算机技术,极大地提高了产品更新换代的速度、生产的自动化水平和产品的质量。
本课题的多功能液压实验台,正是适应时代发展的趋势,本着降低成本,提高自动化水平和实用性的原则来进行设计和研究的。
在元件性能测试的过程中,采用了CAT技术,并使用当前最为流行的软件VisualC十+6.0,VisualBasic6.0来进行编程,使人机界面更为友好。
随着计算机技术的迅速发展,计算机辅助测试技术越来越多地使用在液压工程检测之中。
机电液综合实验台在改革进程中,已经提出了集成模块化、手动和自动并联控制化、及控制中的PID算法等,也综合运用了计算机、传感器、控制和数据采集等技术;
液压控制单元也向模块化、可组配、开放式和集成化发展。
1.3本课题的意义
1.3.1实验教学的意义本课题拟结合计算机辅助测试技术(CAT)技术,对液压传动实验课程的内容的进行扩充和更新,按照“设计一分析一制造一工程管理”的思路,打破原有实验教学附属于理论教学的模式,建立和理论教学并行、既相对独立又相互联系的实验教学体系。
完成系统及其配套测试软件的开发,同时完成系统配套实验教学内容的更新,以及多媒体课件的设计。
使本系统作为液压传动实验课程的主要实验平台,同时对于教师的科研能够起到一定的支撑。
本项目的实施,不仅能够解决目前由于机电液实验设备台套数不足而影响到实验教学的矛盾,同时能让学生得到“液压-控制-测试-数据分析”等多方面的训练,提高学生的综合动手能力。
同时还可向和传感器和测试有关的实验课程开放,对于工科的相近专业均可推广。
1.3.2现实意义和实际价值在现阶段,本课题的研究将具有很强的现实意义。
本课题立足国内,以实用为准则,在价格实惠的情况下,具有较高的性能,避免大而全所带来的高昂价格,因为,本课题只对常出问题的阀和缸进行性能检测,省
去了一些不常出问题类型产品的测试,从而简化了多功能液压实验台;
另一方
面,由于采用的是多功能液压实验台,这比单独购置各种液压实验台的造价要低的多。
由于采用CAT技术所需硬件的价格较为低廉,同其他方式相比,在现有实验台上采用CAT技术,必将是一种效益较高而又投资较少的方式之一,因此,目前
尚没有采用这种技术的实验台更应该采用;
即使采用了这种技术,由于计算机硬件和软件的迅速发展,如语音识别技术、电脑触摸屏技术和网络技术以及各种流行软件不断的更新换代,很多采用CAT技术的实验台也面临着硬件和软件更新的问题。
本课题采用的正是目前最为先进的软件和硬件来进行CAT系统的设计以及软件的编制。
同传统的多功能液压实验台相比,本实验台具有以下优点:
(1)提高了测试速度,减小了测量误差,由于计算机的采用,可对各参量
进行高速采样,减小了各参量间不同时性的误差。
计算机连续自动测试减小了瞬态信息丢失引起的误差和读数误差。
通过软件可对测试数据进行粗大误差、系统误差以及随机误差进行消除工作。
这些处理大大减少了测试系统的综合误差。
由于计算机采集存储测试数据的速度很快,因此可以在很短时间内完成对被测工况的数据采集、运算和存储,比人工测试要少很多时间:
另一方面,也能减少实验设各的磨损,节省动力消耗,同时可减少实验时控制油温的时间消耗,从而大大加快了实验的速度。
(2)测试时无须同时观察和记录多个仪表的数据,减轻了测试的劳动强度,提高了测试效率;
(3)计算机自动控制实验状态,使测试过程准确,操作简单;
(4)测试数据存盘保留,方便进一步进行分析处理;
(5)测试数据结果输出迅速、直观、工整;
(6)可监测测试的瞬态过程,便于了解测试过程的详细信息;
(7)可扩展现有测试仪器的使用功能;
(8)便于建立测试数据的数据库,有利于液压元件质量的趋势分析。
由上面的叙述可以看出,在多功能液压实验台上采用CAT技术是提高水平和完善测试手段的有效措施,由于在现有实验台上进行改造,CAT硬件投资较少,
其软件主体进行一些修改即可适用于不同的实验台,若广泛推广于液压元件的生
产厂家,对于提高液压元件的生产和管理水平,提高经济和社会效益将会有很大的促进作用。
另外,目前,从全国范围内来看,有不少企业、学校和研究所都采用了CAT技术,当然也有不少企业还没有采用。
目前国内比较著名的CAT系统有:
北京理工大学的液压泵、液压马达一液压马达传动系统工作特性的计算机辅助实验系统,机械部北京自动化所和湘潭机电专科学校研制的液压泵出场实验台系统,广州机床研究所液压泵性能和噪声计算机实时测试系统,徐州液压件厂液压
缸CAT实验台系统和中国矿业大学北京校区机械电子工程系开发的液压元件实验台CAT系统。
这些系统研制运行时间从80年代中期至今,反映了我国液压CAT发展的水平。
然而这些系统由于开发较早,在进行软件的编制时一般都是在DOS
或UCDO环境下,采用TurboBasic或者是C语言,由于这两种语言本身能力的局限性和DOS字符环境对界面友好性的限制,使得它远没有利用目前最流行的软件VisualC++和VisualBasic语言,并在Windows平台上开发出的软件界面友好:
这样,这些软件就面临着由DOS平台向Windows平台移植的问题,这也是目前我国采用CAT技术的单位所普遍面临的问题,很多单位正在或正准备将原有的CAT软件从DOSf台移植到Windows平台,例如,北京自动化所的国家液压元件质量监督中心,就正准备将它们DOS平台下的CAT软件移植到Windows平台。
由上述的分析可以看出,本课题的研究将具有很强的现实意义和实际价值。
1.4本课题研究的内容
本课题为机、电、液一体化系统,涉及的内容极其繁多,由于时间以及客观条件的限制,本论文将主要进行如下内容的研究:
多功能液压实验台液压系统的设计;
多功能液压实验台液压系统图的绘制;
多功能液压实验台CAT系统的设计;
多功能液压实验台CAT测试系统和控制系统软件的编制:
多功能液压实验台CAT测试数据处理软件的编制。
我们课题由两个人一起完成,我主要负责液压部分的设计,关键在液压测试回路的设计。
本研究课题关键在于液压测试回路的设计和计算机辅助控制测试技
液压阀计算机辅助测试试
提高液压实验台的使用
术的研究,同时研制出一套多功能、模块化的液压泵、验系统,来完成对各种泵、阀以及液压回路的性能测试,效率。
2实验台液压系统的总体方案
2.1概述
该系统由两大部分组成:
液压子系统和测试子系统。
2.1.1液压子系统系统由4大部分组成:
液压泵控制阀测试部分、流量控制阀测试部分、压力控制阀测试部分、方向控制阀测试部分。
由不同的比例阀控制,比例阀是由计算机控制。
这样便使这4大部分可以分别独立工作也可以同时工作。
同时比例伺服阀的使用,使得系统的控制响应特性得到很大的改善,这种模块式的测试系统检修方便、占用空间少。
本系统的比例电磁阀都是由计算机控制,所有的数据采集都是通过相应的传感器直接从计算机中读出,并在计算机中进行处理显示、打印和存储。
所以系统具有操作方便、多功能、测试效率高、准确的性能。
2.1.2计算机辅助测试子系统为了更准确、迅速地测试被试液压元件的有关参数,设计了计算机辅助测试系统,包括:
硬件部分和软件部分两部分。
硬件部分包括多功能数据采集卡以及各种传感器和固态继电器。
其中的核心部分是多功能数据采集卡,插在计算机PCI插口上,输入信号范围:
0〜10V或-5+5V;
输出范围:
0〜5V,具有16路模拟信号输入和8路模拟信号输出,同时具有16路以上的数字I/O,可以控制16路电磁阀。
在本项目中采集卡的模数转换器采用程序启动方式。
其转换状态和结果可用程序查询或读出。
并具有“即插即用”的性质,要求在液压试验系统中使用非常方便。
本系统使用的计算机辅助测试软件是C语言和组态软件。
C语言在Windows系统下不但具有强大数据和图形处理功能,而且在对I/O接口的数据进行读写
方面有着很好的性能。
C语言程序可以直接控制计算机的接口,运行速度快,适于动态特性试验,而组态软件具有界面直观和操作方便的特点,适宜进行各种液压元件的稳态特性试验。
2.2液压控制元件的发展要求
传统的三大类液压控制阀,规模性替代和创新将只是时间问题。
从未来新型控制器件的发展要求的基本原则一一即模块化、可组配和开放式结构人手,尝试推行“结构性创新”和“集成创新”,以便从整体和根本上变革现有的成熟(陈旧)产品和技术,为我国液压控制技术发展提供新的视角,为我国液压界的挑战者和进攻者提供新的思路。
2.2.1模块化原则模块化是在系统综合考虑技术和产品的构成结构的基础上,通过层次化和有序分解,便于整体和部分之间的优化组合,充分体现整体的协调性和灵活性,同时尽量使各部分具有相对独立性,以期达到简化系统设计、
使构件得到重用以及便于集成组配和升级。
模块化着眼于相似性和组合原则,
合理平衡多样性和统一性的利弊,通过对复杂系统解耦简化并对组成部分合理封装,通过形成标准接口界面提高互换和升级便利性。
模块化是面向大规模定制的产品平台和产品族设计通行的重要原则。
液压控制元件在面向模块化设计时,应考虑以下若干基本准则:
(1)标准化、通用化、组合化准则;
(2)多样化准则;
(3)模块划分原则;
(4)模块化效果。
2.2.2可组配原则可配组的原则是未来液压控制技术和产品开发中的另一个重要原则。
未来新型液压控制元件中,可配组的原则将总体格局及各个分层次以及分层次中的子层次中普遍适用和存在。
例如先导控制级中电机转换组件、阀
芯组件、含先导液阻网络的先导阀芯和电一一机转换组件的阀体组伟主级中的
阀芯组件及它们的组合,安装连接和配合控制的块体;
以及由上述几种组件组成的功能模块等等,都会大量出现可配组的结构或集合,更重要的,不仅会大量出现实体的配置,甚至会进一步出现非实体性变化的配置形式。
而且这一特性将必然导致和用户进行“一对一”的、个性化和多样化配置的销售模式,并使之
得到真正的发展。
2.2.3开放式原则在液压控制元件产品族和产品平台中,开放式原则首先是针对
模块的连接和接口属性。
由于基于电液控制为主的新型液压控制器件既有机械产品的接口和功能,又有电子产品的接口和功能,因此应当充分重视接口的标准化。
2.2.4集成化原则在现有的机械产品中,液压控制元件及其集成系统始终是属于较为活跃和十分有效的一类产品。
历史上基于板式连接的多种集成和叠加阀等始终引领着液压控制的集成化进步,因此目前集成化的主体方式仍然是基于安装
面的。
基于安装孔连接的液压插装阀集成方式一出现就不仅从不同的规格和使用上丰富了液压控制的集成,更重要的是强烈地表现出未来集成控制所应具有一系列重要特征和原则,从而使基于安装孔连接的块式集成正成为最具有发展前景的新的主流形式。
2.3本实验台液压系统的技术要求
2.3.1实验台的自动化改造原液压实验台主要实验项目如下:
节流回路性能实验通过定量泵,变量泵,节流阀,单向阀,溢流阀,电磁换向阀等进行实验。
容积节流调速回路性能实验通过变量泵,节流阀,单向阀,单向调速阀,电磁换向阀,液压缸等进行实验。
差动连接快速回路通过泵,节流阀,单向阀,溢流阀,电磁换向阀,液压缸等进行实验。
原液压实验台的台架和电机、油箱、压力表及部分液压元件可保留使用。
液压泵、液压阀(包括节流阀、调速阀、压力阀、换向阀)的性能测试是液
压传动实践课程的基础部分。
本项目对现有的机电液综合实验台的液压模块进行
升级改造,使用计算机辅助测试技术(CAT),研制出一种模块式、多功能、先进、可靠的液压泵、液压阀计算机辅助测试试验系统。
完成对各种泵、阀的性能测试。
(1)本系统运用模块化的设计方法,具有多功能、操作方便、测试准确迅速的特点。
(2)大量采用了目前技术较为先进的比例伺服阀,系统的控制响应特性、测量精度、可操控性多得到极大的改善。
(3)采用了计算机辅助测试技术,传感器和数据采集卡的结合使用,使得本系统的数字化水平达到较高的程度。
(4)本系统的设计依据是GB810《压力控制阀试验方法》、GB810487《流量控制阀试验方法》和GB810687《方向阀试验方法》
根据实验台的技术条件,改进后的实验台增加的功能为:
(1)液压泵性能实验;
(2)溢流阀性能实验;
(3)节流调速回路性能实验。
2.3.2实验台组合方式这种实验台可在不使用任何工具的情况下,学生自己动手快速灵活的组合装配成所需的实验系统,搭接成的实验系统和工程实际完全一致。
自学生自行构思设计方案、自行安装、调试及性能测试、故障分析、故障排除,可使学生得到真正动手环节的训练。
2.3.3实验台特点
(1)利用该实验台进行课堂教学,实验台可直接移入实验室,使学生身临其境,达到教师讲授和学生操作体验的高度结合。
这样教师可用简洁的语言叙述清楚较复杂的理论,使理论更形象而且有利于开发学生智力,调动学生潜在的学习能力,增强学生的学习兴趣。
(2)该实验台还可用作真实工程项目的设计安装和调试训练。
学生可利用实验台上配置的微机控制系统自行编程,实现微机控制数据采集处理。
课程结束时,学生可得到机电液一体化全方位的真实工程题目的立体训练。
(3)实验台功能齐全,投资少,而且结构紧凑,体积小,移动灵活,该实
验台可做多个实验一个实验台可替代十几台传统实验台,而投资仅是传统实验台的1/10。
(4)安全,可靠,故障率低,实验台的结构采用了高可靠性结构设计,学生
可随意拆装,不会轻易损坏,控制电路采用安全电压,油源压力为2.5Mpa的低
压油源,而且实验元件的插件部位均采用自封闭接头,无任何泄露污染,当连接
出现错误时,油路不通,所以不会出现任何危险。
(5)实验台使用寿命及技术寿命长,由于采用的是组合结构,随着技术的发展,可灵活的更换元件,根据需要不断增减。
2.4液压系统回路设计
液压系统图的设计是严格遵守以上的标准来进行设计的,包括有液压缸实验回路、节流调速实验回路、压力控制基本实验回路、方向控制基本实验回路、速度控制基本实验回路等。
通过全面考察主要设备和辅助设备液压系统的工作参数和目前国产元件的可靠性两个方面的实际情况,取液压系统的压力为6.3Mpa。
这对于实验台液压
系统的各类液压阀(诸如方向阀、压力阀、流量阀、分流集流阀、二通插装阀、比例阀以及伺服阀)、液压缸、液压泵和马达实验台都是适宜的。
实验台上需要完成的包括有液压缸实验回路、节流调速实验回路、压力控制基本实验回路、方向控制基本实验回路、速度控制基本实验回路等,需要保证进给运动平稳性和速度稳定,实验台上所需动力源的流量较小,从简单经济观点,此处选用双作用叶片泵。
根据实验台完成的实验要求,并参考以前实验台的实验原理图,设计完毕的机电液实验台自动化改造后的液压系统原理图如图图1所示:
1,14-
压力泵3,10三位四通换向阀
4,5,18,6,11——两位三通
换向阀
2,13-
-—比例溢流阀
8,9――液压缸
7,
12—
-一比例调速阀
P4——
-压力传感器
P1,P2,P3,P5—
压力表
17流量传感器
3液压回路设计方案
3、1液压回路的整体设计
对不同的液压元件进行实验,所用液压回路是不同的,实验所需的压力和流量也各不相同实现,具体如何控制各个回路的压力和流量均可通过控制比例溢流阀犯将在本论文的后面详细阐述。
压力和流量确定了之后,就可以根据下述的各阀动作进行实验。
一般液压元件的实验方法标准中都包含有以下基本内容:
技术术和符号的说明和规定;
实验条件的规定,包括实验用油液的粘度、油温和清洁度等级等实验项目和实验方法,包括实验回路、将有关液压元件和系统需要核的性能定为实验项目,并规定实验内容和为获得这些性能指标的详细实验方法等;
还指明型式实验和出厂实验应作的实验项目;
参数测试点的配置和测量精确度等级的规定。
为了便于比较和正确的测试各有关参数,根据实验的不同要求,所示:
将测试的精确度分为不同的等级,AB、C三级,如表
测量参壘
F斑林确度等级!
A
L
1C「|
压力俄压为p>
r±
05
±
15
垃3
P±
0.5
1.5
2.5
转矩灼
1.0
+20—
转庖(%)
[±
+2.0
度/化)
2.0
稳态工况时参数的允许变动范围,数据处理和结果表达的要求。
包括提供该项实验要用的计算公式、供参考的特性曲线形状,对实验报表的格式和内容的要求,报告中应注明的事项以及由实验曲线上如何获取性能指标的方法等。
3.2液压实验原理说明
3.2.1液压泵的性能特性试验
如图为液压泵特性试验液压系统原理图
14—
压力泵10
-—三位四通换向阀
11——两位三通换向阀
13—
—比例溢流阀
9――液压缸12-
P4—
—压力传感器
P5压力表17
流量传感器
图2液压泵性能实验原理图
全部接通溢流阀13,接通阀12比例压力溢流阀,接通电源,让被试泵14空载运转几分钟,排除系统内空气。
2接着断开比例溢流阀12,接通溢流阀13,控制系统压力P值为70kgf/cm。
控制比例溢流阀12,逐渐增大通截面,使系统压力P降至泵的额定压力63
2
kgf/cm,观察被试泵的压力脉动值。
控制比例溢流阀12,使被试泵的压力为0或者接近于0,测出此时的流量。
再通过比例溢流阀12,给泵不同的负载,对应测出压力P值,流量Q,电动机的输入功率。
322节流调速性能实验
(1)
进油路节流调速性能实验
如图为进油路节流调速回路原理图:
右边加载回路的调整,断开比例溢流阀12,接通溢流阀13,启动
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- 机电 实验 液压 系统 自动化 改造