一种基于双泵液压系统的标准压力发生器的设计.pdf

2 0 1 1 年 1 0月 第 3 9卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS 0c t ． 2 01 1 V0 1 _ 3 9 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 0 ． 0 2 2 一 种基于双泵液压 系统的标准压 力发生器的设计 袁冬梅 ，蒲汪洋，范然智 重庆理工大学汽车学院 ，重庆 4 0 0 0 5 0 摘要设计一种用于压力仪表检定的标准压力自动实现系统。该系统中，利用伺服电机带动双泵液压系统形成标准压 力 ，通过调节电机的速度，并利用单片机控制器对标准压力进行闭环反馈控制。该系统可用于需要精度高、速度快、无超 调标准压力的场合。 关键词 标 准压力 ；双泵 ；液压系统 ；速度差 中图分类号 T H - 3 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 0 0 5 9 2 De s i g n o f a S t a nd a r d Pr e s s ur e Ge ne r a t o r Ba s e d o n Dua l Pu mp Hy dr a u l i c S y s t e m YUAN Do n g me i ， PU W a n g y a n g， F AN Ra nz hi A u t o mo b i l e C o l l e g e ，C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 5 0，C h i n a Ab s t r a c t A s t a n d a r d p r e s s u r e a u t o ma t i c r e a l i z a t i o n s y s t e m u s e d f o r v e r i fi c a t i o n o f p r e s s u r e g a u g e s w a s d e s i g n e d ．I n t h e s y s t e m ， t h e p r e s s u r e w a s p r o d u c e d b y a e l T o mo t o r l e a d i n g d u al p u m p s ．B y a d j u s t i n g t h e s p e e d o f s e r v o m o t o r a n d S C M c o n t r o l l e r ， t h e s t a n d - ard p r e s s u r e Wa S f e e d b a c k c o n t r o l l e d i n a c l o s e d l o o p ．T h e s y s t e m c a n b e u s e d o n o c c a s i o n s i n n e e d o f h i g h p r e c i s i o n，f a s t s p e e d a n d s t a n d a r d p r e s s u r e w i t h o u t o v e r s h o o t ． Ke y wo r d s S t a n d a r d p r e s s u r e ； Du al p u mp； Hy d r a u l i c s y s t e m ； Ve l o c i t y c o n t r a s t 压力测量仪表是工业生产过程中不可缺少的测量 设备之一，在宇航、航空、石油、化工等部门的生产 和科研中的应用极 为广泛 。在压力 自动检定系统 中，根据文献 [ 2 ]有关规定 检定装置在升压或降 压时，不应有冲击和回程现象 ，即压力产生系统在产 生某一定点压力时，压力值应单向递增或递减地靠近 该点，而不应有超调现象。在压力校准和标定中，通 常需要稳态精度高、动态范围宽、产生压力速度快且 没有超调的标准压力信号 。目前 ，国外的压力检定 设备价格比较昂贵，使国内用户可望而不可及 ，而国 内 自主研发的 自动标准压力实现系统结构复杂，精度 不高 。 ’ 作者开发了一种结构简单可靠、价格低廉的标准 压力实现系统 ，压力的产生 由两个液压泵来完成 ，在 控制过程 中调节泵 的伺服 电机速度差形成液压缸 的标 准压力，可对压力和力传感器和仪表进行校正和标 定。 1 系统组成及工作原理 图 1 是所设计 的标准压力 发生系统示 意 图。 系统由液压部分、高精度压力传感器、压力变送 器、单片机和计算机控制系统等组成。其中液压系统 由两个 伺服电机带动的液压泵 、液压缸 、液压 回路等 组成。压力传感器和压力变送器负责标准压力信号 的获取和调理 ，单片机和计算机控制系统负责压力 信号的测量 、分析和计算 ，并发出指令控制伺服电 机的转速 ，从而控制液压系统获得平稳 的标准压力 信号。 图 1 系统 原理框图 液压缸的压力信号由压力传感器采集 ，经压力变 送器进行放大显示 ，反馈到计算机 中 ，与设定压力值 进行 比较 ，根据相应控制算法进行分析 ，输 出控制命 令控制两个液压泵的伺服电机速度，根据速度差建立 液压缸的压力，根据反馈信号不断进行调节，直到输 出压力与设定压力相等。此时，两泵的伺服电机保持 各自的转速，维持液压缸当前压力。 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 6 作者简介袁冬 梅 1 9 7 3 一 ，女 ，硕士研究生 ，讲师，主要研究 方向为机 电一体化技 术。Em a i l y u a n d o n g m e i c qu t ．e d u． c n。 6 0 机床与液压 第 3 9卷 2控 制实 现 选 定液压系统各零 部件后 ，液压缸压力 和两伺 服 电机转速之 间具有 如下关系 V I 1 0 a p ／ A I A K A 2 1 2 V 2 0 x p d ／ p 2 △ pP 一 P d 3 式 中V 为进油 电机速度 ； 为回油 电机速度 ； 。为进 油 电机初始速度 ； ∞为 回油 电机初始速度 ； P 为当前压力； P 为设定压力 ； 卸 为当前压差 ； A K为步长 ； A l 、A 2 为经验参数 ，A 1 0～ 2 5 ，A 2 1 0 0 0～ 3 0 0 0。 进油 和出油 电机 速 度 与设定 压力之 间的关 系 如图 2所 示 。系统 运 行 时 ，设 定 目标 压 力 ， 按 目标压 力设定双 泵 电 机的初始速度 ，通过调 试 和控制双泵 的电机速 度 ，利用 速度差稳 定压 力。 图 2 双泵 电机速度 与 输出压力的关系 由公 式 1 一 3 可以看出进油电机速度由设定压力和当前压力的差 值确定，出油电机速度由设定压力和当前压力的比值 确定 。系统工作 时 ，回油 电机速度 由当前压力 反馈到 计算机，与设定 目标压力的比值通过单片机控制；而 进油速度则是由设定 目标压力与当前压力的压差值和 每秒步进量反馈到计算机通过单片机进行控制的。具 体实现过程如图3所示。 图 3 压力控制 过程实现框 图 3软 件设 计 1 上位机 上位机 软 件 主 要 完 成 参 数 设 定 、通 讯 串 口、 U S B 、数 据 采 集 、数 据 记 录 和 数 据 处 理。 采 用 V B 6 ． 0实现测控软件开发 ，压力控制部 分的软件流程 见图 4所示 ，人机界面如 图 5所示 。 图4 控制流程 图5 人机界面 2 下位 机 下位机主要是实现 “ U S B通信 ”和 “ P WM 输 出” 两个功能 。控 制 器通 过 U S B通 信接 收上 位机 发 出的指令并返回一个特征值，如果上位机收到此特征 值则表示指令已成功发送到控制器中。同时控制器根 据指令输出相应的 P WM脉冲。 软件控 制流程图如图 6所示。 匝 土 设置输入命令格式 二二][ 等待有效数据输入 Y 取 i , _ 叫垫 堑 I 匝圃 _ 』 r- 一 I I ． 二] _。 。。。。。 。 。。’ ’’。’ 。。。 ’ 。__ 。。。。。 。。。。’ ‘ 。‘一 定 时 计 数 器 复 位 二亡 根据 时钟频 率 给 定时 计数 器 赋值 _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ ● _ _ ● ● ● 。 ● 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ● 。 ● 。 。 。 ’ 鏊 凳 荤 图 6 软件控制 流程 图 Y 4实验 结果 1 动 态 响 应 特 。 r 性好 。 由 图 7可 以 看 s o __-⋯一 一 出，系统要求在初始 姜 0 『 ／ ／ ／ 段 压 力 变 化 较 快 ， 当酋 [ ／ 接近设定压力 值后， 1 0 } ／ 再 进 行 精 调 ，压 力 变 商 s 化过 程 不 能 出现 较 大 超调 。 图7 压力控制过程曲线 下转 第 6 4页 6 4 机床与液压 第 3 9卷 2 ． 4控 制 系统 如 图 3所 示 ，控 用 MI T S UB I S HI F X I N 。 一⋯一⋯一一I 篁 ． 6 0 M R可编程逻辑控制 皇 笪三 里 坠 器 P L C进行控制 。P L C 图 3 控制系统 可编 程 控 制 器 和 集 控 操作装置 、状态监测装置组成逻辑控 制及状 态监测 系 统，完成整个平台系统工况操作和供电控制及故障监 测、显示、报警。 。 。 当要 使平 台 行 走 转 向 、纵 向 移 动 、横 向 移 动 、 平台面旋转时，运动到指定位移 时，P L C首先给定 位移 给定值 ，并 由测量 系统 读取 当前 平 台位 移 实测 值 。P L C把实 测 值 与 给 定 值 进 行 比 较 ，得 出 差 值 ， 并进行 运算 后送到 D ／ A电路形成 控制信 号 ，此 信号 输入到比例放大器并变换为脉宽调制信号 ，直接对 电磁换 向阀和流量控制 阀进行控制 ，从而控制液压 缸伸缩，推动平台移动和旋转相应位移。当位移达 到给定值时，差值信号为零 ，系统完成给定值的跟 踪控 制过 程 。 3结论 作者 以剪叉式 液压 升降平 台为基础 ，对 上工作 台 进行 了创 新 ，以液压 泵站 为 动力 源 ，基 于 P L C可 编 程控制器采用电液比例闭环控制系统对旋转平台的顺 时针和逆 时针 的往复旋转运动进行控制 ，分别设置横 移油缸 、纵移油缸 、旋转油缸及横 向导轨 、纵 向导轨 和旋转齿轮 、齿条运动机构 ，3只油缸分 别驱动平 台 台面 、横移 、纵移 、旋转运动 ，整个 运动 机构分别 由 液压泵站 、连接油管 、油缸 、滚柱轨道 、齿 条 、齿轮 等组成 ，从而实现浮动平 台台面横 向 、纵 向 5 0 m m 移动 ，微调 整 1 m m ／ 次 ，并 实 现 1 0 。 旋 转 ，动作 平 稳可靠 。实现横 向、纵 向移动是 由油缸直接推动 ，实 现旋转是利用油缸带动齿条 ，因齿条与齿轮盘 的啮合 从而使齿轮盘产生旋转 ，通过齿轮盘 的旋转带动浮动 平 台面 的旋转 。新功能 的实现首先解决 了轨道客车生 产 厂家对机 车车底装 配机件 、电气设备等零部件 的工 艺要求 ，同时该机构也适用于其他同类场合领域的使 用要求 工作效率高 ，劳动强度低 、适用性强 、安全 可靠 。 参考文献 【 1 】孙东明， 董为民， 李珊． 对称驱动的重载剪式升降平台的 设计[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 6 6 2 3 2 4 ． 【 2 】 唐朝明． 剪叉式液压升降平台的设计[ J ] ． 机车车辆工 艺 ， 1 9 9 5 3 2 9 3 1 ． 【 3 】 雷天觉． 液压工程手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 99 0． 【 4 】 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业出版社， 1 99 3． 【 5 】 徐小东． 液压与气动应用技术[ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 1 0 ． 【 6 】 齐蓉 ， 肖维荣． 可编程控制器技术 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 上接第 6 0页 2 精度好。基于微机原理和双泵液压系统产 生 的标 准 压 力 ，设 定 压 力 分 别 为 1 0 、2 0 、3 O 、4 0 、 5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 k N ，测 量结 果 利用 A c c e s s 进行 自动记 录 ，产生 压力值 如表 1 所示 。 表 1 设定压 力点测 量结果 k N 设定值 测量值 设定值 测量值 1 0 1 0． 01 70 69 ． 99 2 0 2 0． 01 8 0 79 ． 98 3 0 2 9． 9 8 90 90 ． 01 4 0 4 0． 01 1 o 0 99． 98 5 0 5 9． 98 1 2 O 1 1 9． 9 9 6 0 6 0． 0 2 l 4 0 1 3 9 ．9 7 表 1数据 表 明 各设 定 压 力点 的 相对 误差 均 在 3 - 0 ． 2 ％之 内，达到 了压力校 准的精 度要 求。 5 结论 作者设计 了一种基于双泵液压系统 的标准压力发 生器 。利 用伺服 电机带 动双 泵产 生 压力 ，通 过 调 节 双泵 的速度 ，并 利用单 片 机控 制器 对标 准 压力 进 行 闭环反 馈 控 制 ，最 终 实 现 标 准 压 力 输 出。结 果 表 明 相对 误 差 均 在 3-0 ． 2 ％ 之 内 ，达 到 了压 力 校 准 的精度要 求 。 参考文献 【 1 】 孙延祚． 测量仪器仪表的重要性及我国的现状和发展对 策[ J ] ． 中国计量 ， 2 0 0 9 1 1 5 85 9 ． 【 2 】国家技术监督局计量司量值传递处． 中华人民共和国国 家计量检定规程汇编 压力 和真空 [ M] ． 北京 中国计量 出版社 ， 1 9 9 2 ． 【 3 】伍萍辉， 王迎旭， 周向红． 参数在线 自 校正模糊控制的标 准压力发生系统[ J ] ． 计量技术 ， 2 0 0 2 8 1 8 2 0 ． 【 4 】张虹， 刘燕 ， 陈宏磐， 等． 压力表检定的发展概况[ J ] ． 计 量技术 ， 1 9 9 9 8 2 6 2 8 ． 【 5 】何存兴． 液压传动与气压传动[ M] ． 武汉 华中科技大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】L T A R M 2 1 0 X用户手册[ M] ． 2 0 0 9 ．