综合液压实验台设计.pdf

1 引言 压实验台简介 液压实验台是液压实验室上世纪 80 年代初期生产的实验设备，类似早期的液压 设备试验系统大部分按照“传感器+模拟二次仪表”的模式组成。在试验过程中，一 般由模拟记录仪器在纸上记录试验曲线或由试验人员读取并记录试验数据，然后试验 人员根据试验曲线和数据手工处理，得到设备的性能。教学实验台利用压力表测量液 压系统中某一给定点的压力，表盘指针所指示的刻度对应某一压力值，由于小幅度波 动的压力振摆和随时间而漂移的压力偏移值很难通过压力表指针反映出来，有限的刻 度格数使读数依赖于实验操作者的目测习惯，从而使测量精度得不到保证：原实验使 用动态应变仪、光线示波器、感光纸记录阀从一种稳定工作状态到另一稳定工作状态 的过渡过程曲线，操作过程复杂繁琐，对液压系统加载一卸荷时的被控压力随时间变 化所反映的动态特性参数如动态超调，只能做出定性分析；实验台利用椭圆齿轮流量 计测量流量，由于指针指示的刻度值是通过流量计的流体体积总量，因此实验时需利 用秒表观测流量计指针每分钟走过的格数来计算此时的流量值，当流量较小时，如测 量溢流阀的溢流量时，齿轮的转速很低，泄漏量较大，致使误差很大；为测量液压缸 活塞杆在不同负载条件下的运动速度，实验时首先测出活塞杆的总行程，再利用秒表 测量活塞杆走完这段行程所用时间，两者相除得到活塞杆的运动速度，这种方法很难 客观准确地反映液压缸活塞杆带负载工作时的速度特性。对于像阀门快开、快关这样 的快速性试验，往往是通过人的经验来判断设备是否工作正常。显然用这种试验方法 得到的结果带有严重的人为误差，效率低、精度差，而且试验过程操作繁琐、分析不 方便。因此，对现有的教学实验台进行必须进行更新换代才能满足实际需求 1 。 压实验台的国内外研究现状 随着液压技术、控制理论、微型计算机、测量测试技术、数字信息处理、可靠性 技术的发展，新的液压实验台已朝着高速、高效、智能化、多功能化、多样化的液压 计算机辅助测试(向发展，早期按照“传感器+模拟二次仪表”的模式组成液压 设备试验系统己停产或停止使用，基于虚拟仪器技术的液压压实验台制造及应用。采用的计算方法有平均值滤波法、中值滤波算法、自适应滤 波算法、新型 法等。采用有 应用软件开发液压 验软件 2 。由于原 有设备的陈旧或故障面积太大，仅发现用 片机技术对旧式液压实验台重新开发与利用，因此，很少发现采用液压计算机辅助测试(旧式液压实验台重新 开发与利用，对旧式液压实验台重新开发与利用有一定的推广应用价值。 压实验台的特点 3 （1）采用透明有机玻璃外壳， 可以观察到液压传动装置的内部构造和工作流程。 （2） 防漏快插结构使得实验回路的组装简便、快捷，清洁、干净。红色的液压 油和银白色底版使得元件的内部结构鲜明直观。 （3） 通过透明的油管和红色液压油可以清晰的观察到液压油在液压元件中的整 个流动过程。 （4） 独立的元件模块，方便的安装方式，可以随意的组合各实验模块，搭建各 种不同的实验回路。 （5） 液压元件的最大承受压力为 1额定工作压力为 安全的低 压实验系统。 （6） 采用 程控制模块，实现可编程程序控制器（能控制。使得 机、电、液控制有机结合起来，优化控制方案。 （7） 配有虚拟仿真软件。 课题主要研究的内容 4 （1） 在了解液压实验台结构的基础上，根据液压实验台的功能要求，给出液压 实验台的整体设计方案，及各部分功能划分。 （2） 根据用户的主要功能需求，对各功能的实现方法作了详细的研究。 （3） 详细分析系统的输入输出，完成液压实验台的硬件的选取。此外，完成了 液压实验台的电气控制图及（4） 对液压实验台的液压控制回路进行设计，可以使用户更加方便的了解实验 台的运行状况，并且设计液压传动实验台控制面板及整体结构。 2 液压实验台系统原理与 压实验台系统原理 改进前的液压实验台系统(局部)原理如图2示。 图 2学实验台(局部)液压系统原理图 实验时需要根据实验步骤分别测量不同压力接点处的压力，通过流量计的流量以 及负载变化时液压缸活塞杆的运动速度。如测定定量叶片泵工作特性时，通过调节节 流阀(3)的开口度，控制系统压力达到某一设定值，然后分别测量某一开口稳定后的 流量，作为泵的不同负载时对应的输出流量；又如在测试先导式溢流阀(5)的启闭特 性时，需按给定的压力值调节溢流阀(2)的调压手轮使系统逐渐升压，然后分别测出 不同压力下被试溢流阀的溢流量。由于实验过程中几个压力接点处的压力、流量需要 分别通过观察压力表和流量计所指格数读出，液压缸活塞杆的速度通过人工测量位移 和时间后间接测取，获取实验数据的方法不够便捷直接，实验数据的随机误差较大， 测量精度受限，特别是动态数据，如压力振摆和压力偏移、过渡过程中的动态超调、 上升时间的测量存在一定困难 5 。 压实验台 统总体设计方案 在实现液压实验台用一台个人计算机作为主体构成整个数据采集测量系统：分别用压力传感器、流量传感器取代原来的压力表和流量计：同时为实现 液压缸活塞杆速度的测取， 在活塞杆上加装位移传感器； 选择合适的数据采集接口卡， 用在数据采集接口卡上集装的模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/器件采集数据；用数据采集接口卡与计算机接口来共同完成压力、流量、速度的数 据处理和显示。其系统构成如图2图 2压实验台 统示意图（a） 图 2压实验台 统示意图（b） 压实验台 统总体设计的性能指标要求 6 7 液压实验台 统的总体精度确定为 6，压力、流量、位移(速度)的单项测量精度为精度为5，由单人操作在15内完成单项数据的动态显示，能够在2分钟内 完成单项实验，在6分钟内完成原有实验台的实验项目要求。 （1） 传感器 传感器把动态运行的液压系统中的各种待转换的物理量，如压力、流量、位移等 非电量信号转换成电量信号。 原液压实验台系统最大工作压力63f/ (原来3个模拟式压力表的 精度为50，系统设计中，选择3个压力传感器替代3个模拟式压力表，因此，确定 选择的压力传感器量程为1度为5。 原液压实验台系统采用最大流量 9L/l.5 x 10 -4 m 3 /s)，通径为 6 的椭圆齿 轮流量计，精度为30，系统设计中，选择 1 个流量传感器替代原来的椭圆齿轮流量 计，因此，确定选择的流量传感器为9L/l.5 x 10 -4 m 3 /s)，精度为1。 原液压实验台系统测量活塞杆速度的秒表等工具的精度均为50，因此，确定选 择加装在活塞杆的位移传感器替代原来的工具，精度为l。 （2） 模拟多路开关 由于液压实验中分时测量压力、流量、速度，为简化电路、降低成本，采用了一 个公共的A/时对各路模拟量进行刀拟多路开关可以轮流切换 各路模拟量与A/得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号 输入到 A/D 转换器，实现分时转换。模拟多路开关至少可提供 10 个单端或 5 个双端 单、双极性模拟信号输入通道，必须满足液压 统设计的数据采集提供最大为 2=500（3） 程控放大器 程控放大器的作用是将微弱的输入信号进行放大，以便充分利用程分辨率。在液压实验台多路模拟通道数据采集测试系统中，各通道的模拟电压信 号有较大差异，因此要求对各通道采用不同的放大倍数进行放大，即放大器的放大倍 数可以实时控制改变。程控放大器的放大倍数随时可以由一组数码控制，这样，在多 路开关改变其通道序号时，程控放大器也由相应的一组数码控制改变放大倍数，即为 每个模拟通道提供最合适的放大倍数。 在构成液压实验台于各检测点所采用的传感器类型不同，输出的 信号电平也有较大的差异。如压力传感器输出的信号为毫伏级，位移传感器输出的信 号为伏级，电压变化范围很宽。由于刀此，必须根据输入信号电平的大小，改变测量放大器的增益，使各输入通道均用最佳增益进 行放大。要求输入量程可扩充为双极性时的士15V，士1V，0V，01V，0别具有l， 10，100，1000的放大倍数。 （4） 采样/保持器 A/样/保持器可以使在这段时间内A/D 转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。设计中的程控放 大器转换时间为 8s，因此要保证采样/保持器的孔径时间小于 保证转换精 度。 （5） A/算机只能处理数字信号，A/。 因整个系统的总体精度为5，设计中的A/D 转换器分辨率选定不少于为12位， 量程为1换时间为8s，最高采样频率可达1换精度定为4就 可以满足要求。 （6） 微机及外部设备 微机是液压实验台机辅助测试与其它常规测试仪表的一个重 要区别是它对软件的依赖。微机在液压进行管理和控制，完成压力、流量、速度信号从测取、处理到分析、显示的一系列 工作。根据系统设计总体，采用的微机的主板要具有 线接口， 750M 以上， 硬盘为60G，内存为128M，采用普通彩色显示器，彩色打印机就可以满足设计要求。 3 压实验台的基本组成 液压实验台是由实验台架、液压泵站、常用液压元件、电气控制单元等几部分组 成 8 。 （1） 实验台架 实验台架由实验安装面板（铝合金型材） 、实验操作台等构成。安装面板为带“T” 沟槽形式的铝合金型材结构，可以方便、随意地安装液压元件，搭接实验回路。 （2） 液压泵站 系统额定工作压力：（a） 电机泵装置（台） 电机：交流电机，速01420r/泵：定流量：10L/b） 油箱：公称容积 30L；附有液位、油温指示计，吸油、回油滤油器、安全 阀等。 （3） 常用液压元件（见相关硬件选取的表格） 每个液压元件均配有安装底板，可方便、随意地将液压元件安放在实验面板（铝 合金型材）上。油路搭接采用开闭式快换接头，拆接方便，不漏油。 （4） 电气控制单元 可编程序控制器(用日本三菱，继电器输出形式， 电源电漏电脱扣器，接触器，直流24磁阀输出控制口，连接线缆，插座， 按钮，指示灯等。 压控制系统的硬件选择与基本回路的实现 液压控制系统的硬件参见附录A 该系统可以对十几种基本回路进行综合性能的实验。 利用所提供的系统配置可 以分别组合成：调压卸荷蓄能分压自控背压节流调速差动同步顺序 加载等典型回路的拆分与组合。元件间采用国际通行的高压树脂软管与卡套式快换 接头连接，连接快速，密封效果好，拆分方便，组合灵活，非常适用实际动手能力的 训练和培养 9 10 。 几种实验回路的演示实验如下： （1） 压力控制回路中单作用增压缸的增压回路图 3作用增压缸的增压回路 图示位置工作时，系统供油压力入增压缸大活塞左腔，此时在小活塞右腔即 可得到所需要的较高的压力当两位四通电磁换向阀右位接入系统时， 增压缸返回， 辅助油箱中的油液经单向阀补入小活塞右腔。因此该回路只能间断增压。 （2） 速度控制回路中进油节流调速回路 图 3油节流调速回路 如图所示，节流阀串联在液压泵和液压缸之间。液压泵输出的油液一部分经过节 流阀进入液压缸工作腔，推动活塞运动，多余的油液经溢流阀流回油箱。有溢流是这 种调速回路能够正常工作的必要条件。由于溢流阀有溢流，泵的出口压力是溢流 阀的调整压力并基本保持恒定。调节节流阀的通流面积，即可调节节流阀的流量，从 而调节液压缸的运动速度。 （3） 方向控制回路中溢流缓冲回路图 3流缓冲回路 图所示的为溢流缓冲回路中的液压缸双向缓冲回路，缓冲用溢流阀1调节压力应 该比主溢流阀2的调节压力高5%10%，当出现液压冲击时产生的冲击压力使溢流 阀1打开，实现缓冲，缸的另一腔（低压腔）通过单向阀从油箱补油，以防止产生气 穴现象。 4 液压实验台电气控制与 器原理图的绘制原则 为了便于阅读和分析控制线路，根据简单清晰的原则，采用电器元件展开的形式 绘制而成。它包括所有电器元件的导电部件和接线端点，但并不按照电器元件的实际 布置位置来绘制，也不反应电器元件的大小。由于原理图结构简单，层次分明，适合 研究、分析电路的工作原理等优点 1 。所以为了满足控制系统的要求，所以必须符合 以下要求： （1） 原理图分主电路和辅助电路两部分。 （2） 原理图中，各电器元件不画实际的外形图，而采用国家统一规定的各器元 件的标准图形符号，标注也要用国家统一规定的文字符号。 （3） 在原理图中，各个电器元件和部件控制线路中的位置，可根据便于读图的 原则安排，不必按实际位置画，同一电器元件的各个部件可以不画在一处。 （4） 原理图中，所有电器触点，都按没有通电和没有外力作用时的状态画出。 （5） 原理图中，各电器元件一般按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可 水平布置或垂直布置。 （6） 原理图中，有直接电联系的交叉导线连接点，要用黑色圆点表示。 气设计中应该注意的问题 （1） 尽量减少控制电源种类及控制电源的用量。 （2） 尽量减少元件的品种、规格与数量，同一用途的器件尽可能选用相同品牌、 型号的产品。 （3） 在控制线路正常工作时，除必须通电的电器外，尽量减少通电电器的数量， 以利于节能，延长电器元件寿命和减少故障。 （4） 合理使用电器触点。 器元件的选择与电气控制图的设计 器元件的选择 表 气元件的选择 序 号 元件名 称 元件型号 数 量 序 号 元件名 称 元件型号 数 量 1 交流接 触器 0A 220V 2 21 多股铜 芯线 00 m 2 塑料外壳 式断路器 0A 1 22 多股铜 芯线 00 料外 壳式断路 器 A 1 23 冷压端 头 00 粒 4 单极断 路器 5 1 24 可编程 按制器 5 单极断 路器 3 2 25 电压表 85 6 单极断 路器 1 7 26 三档旋 钮 7 二极管 00V 6 27 两档旋 钮 8 行程开 关 28 温控仪 9 快速插 头插座 芯 26 套 29 四芯屏 蔽线 2464 00m 10 快速插 头插座 芯 14 套 11 信号灯 10 24V 21 30 导轨 10005 12 自锁带 灯按钮 4 绿 10 红 1 11 31 开关电 源 13 挡板 4 块 32 缠绕管 8 20m 14 普通按 钮 6 绿 6 12 33 缠绕管 16 40m 15 自锁带 灯按钮 4 3 绿 3 34 黑色记 号笔 1 16 中间继 电器 35 卡轨 1m/根 1 17 电流表 850 36 接线端 子板 5A 8 18 紧急停 止按钮 37 接线端 子板 0A 10 19 多股铜 芯线 00m 38 行线槽 300 20 绝缘胶 木板 76520*8 39 铜箔连 接板 1000 气控制图的设计 由于液压实验台采用三相异步电动机，因此液压实验台需要一个变压器把电压从 220次由于要实现对液压实验台电力拖动系统的启动、调速、反转和制 动等运行性能的控制，同样也要实现对系统的保护作用，因此电气控制图如下：图 气控制回路 图 气控制回路 编程控制器控制系统的设计步骤 12(1) 根据被控对象的控制要求， 确定整个系统的输入/输出设备的数量， 从而 确定点数， 包括开关量I/O、 模拟量I/(2) 充分估计被控制对象和以后发展的需要， 所选 I/O 点数应留有一定 的余量；(3) 确定选用的(4) 建立I/绘制出硬件接线图；(5) 根据控制要求绘制用户程序流程图；(6) 编制用户程序， 并将用户程序装入用户程序存储器；(7) 离线调试用户程序；(8) 进行现场联机调试用户程序；(9) 编制技术文件。 编程控制器的确定 可编程控制器的分类: （1）按I/13 （a）小型 ，用户程序存储器容量在 2K 步以下的可 编程控制器称为小型（b）中型 I/O 点数在 256 到 2048 之间，用户程序存储器容量在 2K 到 8K 步之间的可编程控制器称为中型（c）大型 I/O 点数在 2048 点以上，用户程序存储器容量在 8K 步以上的 可编程控制器称为大型（2） 按结构型式分类 （a）整体式 目前使用最普遍的一种型式。它是将电源、，通常称之为基本单元。它具有结构紧凑、 体积小、价格低的特点。 （b）模块式是将电源 模块、，然后安装在同一块基板或框架上。这种结构配置灵活， 装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型（c）叠装式种结构将整体式结构紧凑和模块式结构配置灵活的特点结合 起来，其中 源等单位也为各自独立模块，但安装不用基板，而用电缆进行连 接，且各模块可以一层一层地叠加。（3）按功能分类 14 （a）低档机，具有逻辑运算、计时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能， 主要用于顺序控制、逻辑控制或少量模拟量的单位的单机控制系统。 （b）中档机，除有低档机的功能外，还具有较强的模拟量处理、数值运算、数 值的比较与传送、远程I/（c）高档机，除有中档机的功能外，增设有带符号算术运算、矩阵运算、位逻 辑运算及其他特殊功能运算。 通过上面的可编程控制器的分类，我们可以确定液压实验台的选择如下： 表 编程控制器的确定 型号 输入点数 输出点数 源 源 继电器输出 晶体管输出 继电器输出 晶体管输出 4 24 序设计的原则 在控制系统中软件的设计非常重要，为了满足控制系统的要求编制的软件必须符 合以下要求 15 。 （1） 易维护：由于自动化程度的不断提高，控制系统结构日益复杂，设计人员 很难在一段时间内就对整个系统理解无误，软件的设计和调试不可能一次就完成，很 多的问题是在运行过程中出现的，这就要求编制的软件易于理解和修改。 （2） 实时性：由于工业过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行 速度都有一定的要求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制计算和处 理。实时性是控制系统的普遍要求，要求系统能够及时响应外部事件的发生并及时给 出处理结果。近年来随着硬件的集成度与速度的提高配合相应的软件实时性很容易满 足要求。 （3） 可靠性：在控制系统中系统的可靠性是至关重要的，它是系统正常运行的 基本保障。可靠性一方面取决于硬件组成，另一方面又取决于软件结构，它包括两方 面的含义；第一是运行参数环境发生变化时软件能够可靠的运行并给出正确结果；第 二是软件能够在工业环境极其恶劣环境下运行。 控制电气图 在整个液压台设计中，需要检测的输入量有24个，输出量有16个。系统中可编程控制器的输入/输出端子分配如图所示： 图 压实验台的安装 液压实验台的安装是根据系统液压控制原理图和电气原理图，安装液压元件和各模块并且将模块和各种传感器等执行元件相连。其安装步骤 如下：（1） 实验台架和控制面板的安装； （2） 电源的安装； （3） 液压泵站； （4）I/O模板的安装； （5） 电源及机架的接地； （6）I/O扩展电缆连接； （7）I/O模块接线； （8） 现场布线。 压实验台的调试 液压实验台调试分为线路检查和软件调试两部分。 路检查 线路检查包括两个方面：一是连接的正确性，另一个是线路连接的可靠性，即接 线是否有效。检查线路是为了保证液压实验台的正确安全工作。只要耐心认真地按照 设计图纸一一对应就行，重点检查的是接线的质量，因为任何一个线头都可能松动导 致运行出错。特别是当几个线头接到一个端子上而这些线既有散线又有实心线并且线 的粗细不相同时对接线质量的检查就更为重要。检查出来没有接好的就地重接 16 。 件调试 软件调试包括现场调试和（1） 现场调试 在接线工作完成之后，可以进行液压实验台的上电调试。首先对每个端口进行测 试，避免因为单个端口的问题导致调试失败。现场设备情况如图：图 5. 1 主工作台 （2） 序调试，主要按照面板的设计进行逐个调试，如果出现故障，就按照信息 传输的过程进行检查，先检查硬件接线，再检查软件。为了验证液压实验台软件是否 能工作，于是通过下面两个实验来进行验证。实验一：液压缸左右移动实验 （1） 实验回路 右行 左行 停10 图 压缸左右移动工作示意图 （2） 硬件接线图 图 压缸左右移动硬件接线图 （3） 梯形图图 压缸左右移动梯形图 指令表如下： D D 21 100 验二：液压试验台行程开关自动控制实验 此回路由行程开关控制顺序回路。 当电磁阀1 通电缸到行程开关， 磁阀 2通电，缸到行程开关，使电磁阀1断电，缸到行程开关，给出信号，电磁阀2断电，缸行至终点。 （1） 实验油路 图 压试验台行程开关自动控制示意图 （2） 硬件示意图图 压试验台行程开关自动控制硬件示意图 （3） 梯形图 图 压试验台行程开关自动控制梯形图 指令表如下：0112R 11123R 613过实验一可知以避免同时按下致 1 一个周期内同时为 按钮上进行互锁。而实验二中，首先统计输 入、输出信号，分配端口，可以选择 32到了如图所示的硬件接线图。 由于实验一与实验二都可以正常的进行工作，因此这个液压实验台能满足实验的需 求。结 束 语 本文根据对液压实验台工作原理的分析，从液压控制系统方案设计，硬件元件的 选择，电气控制设计，制电气设计与实现，液压实验台的安装与调试等方面阐 述了液压实验台的开发的过程。该液压实验台工作过程稳定可靠，可以满足学生做实 验的要求。 通过这几个月的设计，使我对自己所学的知识有了更深入了解；在指导老师帮助 下，通过收集各种有关资料所解决的毕业设计问题，为我即将走上工作岗位，独自去 面对各种挑战，出色地完成工作任务打下了一定的基础。 由于本人水平有限，经验少。文中定有许多不妥甚至错误之处，请各位老师给予 指正和教导，本人表示深深的谢意。致 谢 在毕业设计即将完成之际，在这里由衷的向关心过和帮助过我的人表示真诚的感 谢！ 首先，特别感谢陆宝春教授和王荣林老师，在做毕业设计过程中，陆宝春教授和 王荣林老师活跃的学术思维、渊博的学识、严谨的治学态度、谦逊正直的为人给我留 下了深刻的印象，将使我终生受益。在此对陆宝春教授和王荣林老师致以崇高的敬礼 并表示深深的感谢。 此外，还要衷心感谢机械工程系的其他曾经给予我指导、问题解答的老师，以及 与我朝夕相处、共同研讨解决设计中碰到疑难的同窗学友。 最后，感谢毕业设计论文的评阅老师，希望他们能在评阅我的论文之后，指出不 足，给出建议。参 考 文 献 1 黄人豪，徐国俊液压阀北京：中国铁道出版社，1982. 2 谭尹耕液压试验设备与测试技术北京：北京理工大学出版社，1997. 3 陈立定,吴玉香电气控制与可编程控制器广州：华南理工大学出版社，2003. 4 章宏甲，黄谊液压传动北京：机械工业出版社，2002. 5 薛祖德液压传动北京：中央广播电视大学出版社，1986. 6 何存兴液压元件北京：机械工业出版社，1982. 7 姚海彬. 电工技术. 北京：高等教育出版社，1991. 8 邓星钟. 机电传动控制. 武汉：华中科技大学出版社，2001. 9 徐宝发. 电工学. 上海：华东理工大学出版社，1995. 10 李寿刚液压传动北京：北京理工大学出版社， 11 范永胜，京：中国电力出版社，2004. 12 陆宝春， 张卫， 南京理工大学出版， 2000. 13 姜继海，级教育出版社，2000