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2 0 1 3年 1 0月 第 4 l 卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 3 Vo 1 ． 4 1 No ．1 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 2 8 基于 N I P C I 一 6 2 2 1 高精度液压调平试验系统的实现 鄢华林，李亚南，袁威 ，赵瑞 ，周超 江苏科技大学机械工程学院，江苏镇 江 2 1 2 0 0 3 摘要为了提高火炮发射平台、车载雷达以及激光武器等要求高精水平度平台的调平效率和精度，采用负载敏感及电 液位置伺服控制技术 ，并应用 P C 1 - 6 2 2 1 数据采集卡和伪微分控制算法设计了高精度液压调平试验系统。试验结果表明该 试验系统具有无超调、响应快的特点。 关键词电液伺服；液压调平 ；负载敏感 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 91 0 0 4 I mpl e me nt a t i o n o f Hi g h- p r e c i s i o n Hy dr a u l i c Le v e l i ng Te s t S y s t e m Ba s e d o n NI PCI _ 6 2 2 1 YAN Hua l i n。LI Ya na n，YUAN W e i ，ZHA0 Ru i ，ZH0U Ch a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 0 3， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e l e v e l i n g e ffic i e n c y a n d p r e c i s i o n o f t h e a r t i l l e r y l a u n c h p l a t f o r m，t h e c a r r a d a r a n d l a s e r w e a p o n s w h i c h n e e d e d a h i g h p r e c i s i o n l e v e l p l a t f o r m ，a h i g h p r e c i s i o n h y d r a u l i c l e v e l i n g t e s t s y s t e m wa s d e s i g n e d b a s e d o n l o a d s e n s i t i v e c o n t r o l ，e l e c t r o h y d r a u l i c p o s i t i o n s e r v o c o n t r o l ，P C I - 6 2 2 1 d a t a a c q u i s i t i o n c a r d a n d p s e u d o d e r i v a t i v e f e e d b a c k c o n t r o l a l g o r i t h m．T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s h o ws t h a t t h e t e s t s y s t e m h a s c h a r a c t e r i s t i c o f n o o v e r s h o o t a n d r a p i d r e s p o n s e ． Ke y wo r d s E l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l ；Hy d r a u l i c l e v e l i n g ；L o a d s e n s i t i v e c o n t r o l 由于现代武器比如火炮和导弹工作的时候需要自 己搭载的平台处于水平状态，这就要求车载平台具有 较高 的水平精度和较短 的调平时 间。武器车载平 台调 平 是整个 就位过程 中十分 重要而且 比较耗 时 的一环 ， 一 般来说 ，调平时间大约是整个 就位 时间的 1 ／ 3 。因 此 ，水平精度和就位时间是衡量车载平 台性能 的最重 要指标。传统的开关阀控液压缸的调平方法不仅调平 精度低而且耗费大量的时间和人力，不适应现代战争 对调平平 台的需求 。因此 ，作者设计 了一种只需设置 调平精 度 ，便 可以在较短 的时间内 自动完成 收放 支腿 和调平功能的液压调平试 验系统。 1 调平方案设计 1 ． 1调 平 方案 任何系统的调平都可以简化为对某一平台平面的 调平。根据理论分析 ，只有当调平平台上的两条被调 平的直线相互垂直时，它们在各 自的调平 中才没有耦 合 。为此 ，在平 台的 轴 和 y轴 两 个相 互垂 直 的方 向上各安装一个倾角传感器 实际上是一个两轴相 互垂直 的双轴倾 角传 感 器 来 测量 两个 方 向上 的水 平倾角。通过双轴倾角传感器采集水平倾角信号，利 用特定的调平方法计算控制量 ，再通过 4个液压缸 驱 动支腿的上升或下降来达到调平的目的。调平方案采 用位置控制调平 中的保持最高点不动的 “ 追逐式” 调平法⋯，这种方法具有调平速度快、调平精度高的 优点，能满足此平台的调平精度和调平时间要求。通 过在各个支腿上安装压力传感器来检测判断系统是否 有 “ 虚腿”情况的出现，进一步降低平台发生倾覆 的可能性 。 1 ． 2 自动调 平流 程分 析 此次设计 的液压调平 系统的 自动调平过程大致可 分 为两 大部分 水平 调节过程 ，防 “ 虚 腿” 调节 过 程。当进入 自动调平过程后 ，双轴倾角传感器开始不 断检测角 仅 、1 3 是否达到要求，若达到要求则直接进 入防 “ 虚腿”调节过程 ，即 P c机根据压力传感器反 馈信号判断是否达到设定值，若达到则调平结束。详 细 的 自动调平流程如 图 1 所示 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 3 0 作者简介鄢华林 1 9 5 7 一 ，男，高级工程师，硕士研究生导师，研究方向为电液伺服控制、海洋装备。Em a i l y h l i n 8 8 s i n a ． c o n。通信作者李亚南，Em a i l j k d l i y a n a n 1 6 3 ． e o m。 第 1 9期 鄢华林 等 基于 N I P C I - 6 2 2 1高精度液压调平试验系统的实现 1 0 1 自 动 调 平 开 始 ● 采 集 ， B水平 倾 角值 N 耋 Y ★ ＼／ 章 N - ◇N - N I 一 ’ Y ’ ’ l 2 、 3 、 4 号 支 腿 上 升 l I l 、 3 、 4 号 支 腿 上 升 I 1 、 2 、 4 号 支 腿 上 升 l I 1 、 2 、 3 号 支 腿 上 升 l Y N／ ／ Y l、、、、、、 兰 ／ ／ ≤ Y l I r 一 l r ． 1 l 号 支 腿 上 升 l l l 2 号 支 腿 上 升 1 l 3 号 支 腿 上 升 l l 4 号 支 腿 上 升 t N 、 r 自 动调平 结束 、 1 ＼ ／ 图 1 自动调平 流程 图 2调平系统设计 2 ． 1液 压 系统设 计 该系统 的工作分 为两大过程 ，一部分是快速 收腿 和放腿过程 ，一部分 是 自动调平过程 。这两个过程所 需要的流量相差很大，根据计算 ，这两个过程最大流 量相差 1 0倍左 右 ，而且所需油源压力相 差也 比较大 。 因此在设计系统时如果使用单个定量液压泵作为油源 不是太合适 ，而适 宜选用 流量大 、小两个液压泵 自动 两级并联供油 的油 源方案 。 由于该 系统工 作压力 比较大 ， 自动调平 时油 泵供 油压力为2 1 MP a ，而且 自动调平时所需流量非常小， 特别是调 平 的尾 声 ，供 给液压 缸 的油液 流 量几 乎 为 零。如果采用传统的定量泵和普通溢流阀调压回路的 话 ，系统溢流损失会很大 ，系统效率大大降低，同时 由于溢流损失过大而导致的油液温升会比较严重 ，因 此为了降低系统功率浪费同时降低油液温升 ，此次设 计采用了梭 阀和定差溢 流阀的组合 负 载敏感系 统 方法。梭阀负责寻找系统 4条支路的最高压 力 ，并 将最高压力送 给定差 溢流阀的控制 口，使得系 统的压力始终比4条支路的最高压力高一点并跟随支 路最高压力变化而变化 ，从 而减少 溢流损失实现节能 的效果 。 考虑到成本问题，在设计液压系统时，将系统中 原本需要使用的大流量电液伺服阀改换为价格相对便 宜的小流量电液伺服阀 ，同时将快速运动和 自动调 平两个 过程分 开 ，由两条不 同的支路完成 。这样既可 以节省成本又可以达到同样的调平 目的。为了缩短调 平行程和调平时间 ，在系统快速放腿 和收腿 时使用分 流集流阀实现油液的均匀分配，这样就使得在调平之 前车载平台处于相对水平状态，从而减少了调平时各 个支腿的调平位移。此次设计的调平机构液压系统原 理如图2所示。 1 0 2 机床与液压 第 4 1 卷 图 2 液压系统原理 图 调平 开始之前 系统首先进入快速放腿过程 ，这 时 单向阀4打开，双联叶片泵的低压大流量泵和高压小 流量泵同时给系统供油 ，油液经精过滤器和三位四通 电磁换向阀 l 4的左位到达分流集流阀，再经分流集 流阀 1 5和 1 6被大致均匀分成 4份后分别送给4个双 作用液压缸 ；当液压缸快速上升到位承受一定的载荷 后系统压力将慢慢升高，当压力达到一定值以后压力 继电器动作并发出信号给 P C I - 6 2 2 1 ，P C I - 6 2 2 1 通过上 位 机预设 程 序切 断快 速 运动 支路 ，快 速 放腿 过 程结 束。接下来系统进入关键的调平阶段 ，此时5个电磁 换 向阀的电磁铁均处于失电状态，单向阀4关闭，双 联叶片泵中的低压大流量泵 1 溢流，系统中的油液由 高压小流量泵2供给。此时上位机根据双轴倾角传感 器的检测结果 通过 设定 的算 法 控制 电液伺 服 阀的 动 作，这样就实现了调平动作。快速收腿过程与快速放 腿过程类似 ，此处就不再赘述。此调平系统的具体动 作循环如 表 1 所示 。 表 1 调 平系统 动作循环表 阀 2 ． 2调 平 系统硬件 设 计 为 了充分利用实验 室的硬 件设备 资源 ，方便进行 试验系统搭建 ，使用 P c机作为上位机，同时选用美 国国家仪器 N I 公司的数据采集卡 P C I 一 6 2 2 1作 为数据采集和控制信号输 出模块。根据上面的方案， 确定该系统主要由控制部分、通信部分、执行部分和 检测部分等四大部分组成，调平控制系统原理如图 3 所示 。 第 1 9期 鄢华林 等基于 N I P C I - 6 2 2 1 高精度液压调平试验系统的实现 1 0 3 伺 调 PCI ． 6 2 2 1 服 电 液伺 服阀2 卜 _ 液压缸2 I m 放 Ao通 道 电 液伺 服阀3 卜 _ 液压 缸3 l Ⅲ 大 上 器 台 电液伺服阀4 液压缸4 l NI 位 ● P C I - 6 2 2 1 ． _ 压 力传 感嚣1卜 一 机 信 P CI ． 6 2 2 1 号 ． _ 压力传感器2 一 ● 一 ● 调 _ - 压力 传感 器 3 一 AI 通 道 理 模 压 力传感 器4 l _ 块 一l “ ‘ - hⅡ I ． 图 3 液压调平 系统原理 图 检测部分 该部分主要是通过双轴式倾角传感器 应的支腿 已着地，各个油缸停止动作并处于 自锁状 来检测平台平面上 、l ， 轴与水平面的倾斜角度 ，并 态 ，如果系统出现一条支腿的压力过小或者为0 ，则 以模拟电压的形式输 出给 P C I - 6 2 2 1的 A I 通道。各支 P c机通过压力传感器的指示调节相应的支路伸长量， 撑 腿油路上各安装一个模拟信号输 出的压力传 感 使得压力超过给定值后停止运动。 器 ，实时提供各支腿 的支撑力大小 ，为系统判断各 2 ． 3 伪微分反馈算法单支腿位置控制 ] 支腿是否支撑到位和是否有 “ 虚腿”现象产生提供 控制从根本上来说是能量的控制 ，能量控制起码 依据。 由两部分组成能量控制单元和能量输出单元。能量 控制部分。该部分的主要工作利用 P c机和 P C I 一 控制单元往往是发出控制信息，对能量输出单元进行 6 2 2 1 共同实现 ，它是该系统的核心部分。控制部分 能量的支配，使其向受控系统提供或抽取能量。典型 用来处理操作信号和检测部分提供的信号 ，经预先设 的控制系统一般是闭环控制，那就需要 4个基本环 定 的程序处理后，转化为数字量输 出信号通过 D ／ A 节 控制器、末级控制单元、受控对象和测量单元。 转换和放大传送给执行部分 ，使执行部分按照程序要 控制器就是能量控制单元 ，F C E是能量输出单元 ，测 求调整平台倾斜状态 ，直到平台达到水平状态。 量单元是用来对反馈信息进行采样。为了进行程序设 通讯部分。该部分是利用通讯线负责 P C I - 6 2 2 1 计，设计出如图4所示的单缸位置伺服伪微分反馈控 与上位机 P C机之间的通讯工作，从而实现人机 制框图。 交互 。 执行部分。主要负责按照控制部分指令，执行部 分驱动液压系统完成各支腿油缸的各 自运动，最终达 到平台水平的任务。 系统进入 自动调平程序后 ，双轴倾角传感器开始 分别检测平台平面上两相交直线 轴、y轴与水 平面的夹角 O t 和 JB ，并通过信号调理模块将传感器输 出的信号转换为工业标准信号 0～ 5 V ，将调理后 的标准信号送给 P C I - 6 2 2 1的 A I 端 口转换成 P c机可 以识别的数字信号。当误差值超出给定值后 ，自动调 平程序将按照保持最高点不动 、升高低点的调平策 略 ，判断出最高点，通过程序计算出各低点应该伸长 的长度，P c机发 出驱动信号，并 通过 P C I - 6 2 2 1的 A O端 口送给伺服放大器，经过放大后传递给电液伺 服阀驱动各支腿油缸分别运动，从而带动平台水平倾 斜 角度 向相反方 向改变 ，达到调平的 目的。压力传感 器用来检测各个支腿是 否着 地 ，避免 “ 虚腿 ” 调平 。 当压力传感器所测得的压力到达一定值时，便认为对 图4 单支腿位置伺服伪微分反馈控制框图 3 试验结论 此次设计 的液压调平系统 ，对于单支腿来说实质 上是电液位置伺服控制。单支腿位置伺服伪微分反馈 控制试验 系统主要 由 液 压 动力源 、双作用液压缸 、双 轴倾角传感器、电液伺服阀、P X I - 6 2 2 1 数据采集卡 、 上位机 P c机 、伺服放大器以及负载等组成。电 液伺 服 阀采用美 国 M O O G公 司生产 的 D 6 3 3系列 产品 。 当液压缸的输人位移为 1 c m时，单支腿试验系 统响应曲线如图5所示。由系统响应图可以看出，该 试 验系统具有无 超调 、响应快 的特点 。 下转第 l 1 0页 1 1 O 机床与液压 第 4 1卷 百 l 兰 誊 _--_-● 鱼 图 8 型芯部件外圆磨削 第 8 步 ，数控加工 中心加工 。将上步加工 的半成 品件固定在专用治具上，用压边件 3压紧工件，以防 止加工时工件受力偏 移 。采 用 4轴数控加工 中心对工 件圆周上局部形状进行精密加工 ，由于工件 已经过热 处理，硬度 H R C 6 0～ 6 3 ，所以数控加工采用钨钢刀 高速切削，切削深每步0 ． 0 2 m m，见图 9 。 1 一 圆盘 底 座 2 一 垫座 块 3 一 压边 件 4 一 型 芯座 5 一 型 芯滑 块 6 一 数 控铣 刀 图9 型芯数控加工 第 9步 ，电火花成型加工。将上步加工好的工件 安装到新治具中，用精密平 口钳夹紧治具 ，放置在精 密电火花机床上 ，采用 6 个电极 ，从不同方向侧向电 蚀工件，其缩放量为0 ． 0 0 5 m m。完成型芯最终尺寸， 见 图 l 0。 1 一 圆盘 治具 2 一 拧紧 螺钉 卜平 口钳 4 _ 型芯 部件 _ - 电极 图 1 0型芯 电火花加 工 第 1 0步 ，线切 割及 电火花 加工顶 段 。采用 线切 割割除顶部工艺段，线切割加工后顶部为平面，而工 件顶部结构形状有高低 ，因此将上步加工好的工件及 治具一起竖立放置在精密电火花机床上，对工件顶部 进行电蚀 ，其缩放量为0 ． 0 0 5 m m，完成型芯最终尺 寸 。 第 1 1 步，产品检测。小型精密复杂零件 的生产 周期长，工艺复杂，因此 ，要加强工序检验控制，防 止废品产生。对于精密复杂零件，采用专用测量技术， 目前企业一般采用显微镜光学投影仪 、三坐标测量仪 等对零件尺寸精度、位置度、圆柱度等进行测量。 3结束语 在精密模具零件加工过程 中，除了需要采用先进 的加工检测设备数控车床、四轴加工中心 、慢走丝切 割机 、精密 电火花成 型机 、精 密工具磨床 、精 密测量 设备等外，重要的是需要考虑产品技术要求及企业技 术能力即加工设备 、技术人员素质等 因素 ，制定精密 的零件加 工工 艺 ，包 括 正确 选择 切 削用 量及 加 工余 量、合理控制各工序尺寸及公差 ，并且科学设计零件 加 工时所需要 的治具 ，确保零 件的加工质量 。 参考文献 【 1 】 任家隆． 机械制造技术[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 01 0． 【 2 】 邓学忠， 冉启奎． 精密复杂零件的工艺设计过程分析 [ J ] ． 航天制造技术 ， 2 0 1 1 6 2 4 2 8 ． 【 3 】谷育红． 数控铣削加工技术[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】周琴． 加工误差产生的原因及分析[ J ] ． 现代机械 ， 2 0 1 1 2 81 0 ． 【 5 】李海东． 慢走丝线切割加工参数对表面粗糙度 的影响 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 7 1 1 3 5 3 6 ． 上接第 1 0 3页 1 ． 1 ． 目 0 ． 碧 o ． O ． o ． 图5 单支腿试验系统响应曲线 参考文献 【 1 】褚新峰， 杨曙东． 车载雷达电液 自动调平系统[ J ] ． 液压 与气动， 2 0 0 7 5 5 6 5 7 ． 【 2 】张芳． 高精度平台调平控制系统研究[ D] ． 太原 中北大 学 ， 2 0 0 8 1 0 1 1 ． 【 3 】 吴根茂， 邱敏秀， 王庆丰， 等． 新编实用 电液 比例技术 [ M] ． 杭州 浙江大学出版社， 2 0 1 0 2 4 4 2 4 8 ． 【 4 】 李洪仁． 液压控制系统 [ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 1 99 0 1 1 3． 【 5 】 朱鹏程， 曾文火． 电液位置伺服单片机控制系统[ J ] ． 液 压与气动， 2 0 0 5 1 2 5 7 ． 【 6 】张利平． 液压控制系统及设计[ M] 。 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 2 4 0 2 9 0 ．
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