径向柱塞泵液压试验台虚拟仪器测试系统的研制.pdf

2 0 1 0年 4月 第3 8卷 第8期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I C S Ap r ． 2 0 1 0 V0 l _ 3 8 No ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n 。 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 8 ． 0 2 8 径向柱塞泵液压试验台虚拟仪器测试系统的研制 刘畅 ，杨淑敏 ，陈永会’ 1 ．太原科技 大学机 电学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 ；2 ．北方 自动控制研究所 ，山西太原 0 3 0 0 0 6 摘要介绍径向柱塞泵试验台液压系统的工作原理及虚拟仪器系统的构建方式。利用工控机和数据采集卡实现测试数 据采集、测试系统控制的自动化，大大提高测试效率和测试精度；利用 V B搭建的仪器面板使得操作简洁、直观、易用。 实际应用表明，该系统具有良好的抗干扰性、可靠性和可扩展性。 关键词虚拟仪器 ；V B；径向柱塞泵；试验台 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 8- 0 7 5 3 The De v e l o p me n t o f t h e Ra di a l Ra m Pump Hy dr a u l i c Te s t be d Vi r ut a l I ns t r u nme t S y s t e m L I U Cha n g。 。 YANG S h u mi n 。 CHEN Yo n g h u i 1 ． 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 o f T a i y u a n，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4，C h i n a； 2 ． T h e No a h Au t o ma t i o n C o n t r o l l Re s e r c h I n s t i t u t e 。T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 6。C h i n a Ab s t r a c t T h e o p e r a t i n g t h e o r y o f t h e s y s t e m h y d r a u l i c o f r a d i a l r a i n p u mp t e s t - b e d a n d t h e c o n s t r u c t i o n me t h o d o f t h e v i r t u al i n - s t r u me n t s y s t e m w e r e i n t r od u c e d ． T h e e f fi c i e n c y a n d a c c u r a c y o f me a s u r e me n t w e r e i mp r o v e d g r e a t l y b y u s i n g i n d u s t r i a l P C a n d d a t a a c q u i s i t i o n c a r d t o a c h i e v e t h e a u t o ma t i o n o f t e s t d a t a s mn p l i n g an d t e s t s y s t e m c o n t r o l l i n g ． Th e i n s t r u me n t p a n e l c o n s t ruc t e d b y VB ma d e t h e o p e r a t i o n mo r e c o n c i s i o n ，i n t u i t i o n i s t i c an d e a s y t o u s e ． T h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o ws t h a t t h e s y s t e m p o s s e s s p e rf e c t i n - t e r f e r e n c e i mmu n i t y ，r e l i a b i l i t y a n d e x t e n d i b i l i t y ． Ke y wo r d s Vi r t u a l i n s t r u me n t ； VB； R a d i a l r a i n p u mp；T e s t be d 径 向柱 塞泵 具有 工作 压力 高 、轴 向尺寸 相对 较 小、工作可靠和寿命长的特点。它可以在很低的转速 下稳定可靠 地工作 ，可 以和低速运转 的工作机构直接 相连 ，使整机简化 ，广泛地应用于轻工机械 、工程 机 械、矿山机械、起重运输机械以及农用机械的液压系 统 中。 径 向柱塞泵的型式试验和出厂试验对于新产品设 计以及保证产品质量起着重要作用。传统的试验台构 建方法是在液压回路中安置传感器 ，通过工作台上的 主令 电器控制电机 、加热器 和控制 阀，产生试验所需 的压力 、温度 、流量 ，并记录其相应值 ，再进行手工 计算绘图。这种方法工作量大，效率低，不便于试验 数 据的分析 、处理 。作者提出 了以工控机作为试验 系 统 主控单元 、利用 V B构建虚拟 仪器测试 系统 对径 向 柱塞泵进行性能测试 、并进行数据分析处理 的方法 。 1 虚拟仪器技术简介 虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，由 用户设计定义 ，具有虚拟面板 ，测试功能由测试软件 实现的一种计算机仪器系统。操作者用鼠标或键盘操 作虚拟面板 ，就如同使用一台专用测量仪器。它将计 算机 硬件资源 、仪器 与测控 系统硬件资源 和虚拟仪器 软件资源 3者有机地结合在一起，其结构如图 1所 示 。 I 墼 堡 墨 塞 兰 趁 掣 I I 数据采集卡 l 结 果表 达 打 印 文件 图 形显 示 网络输 出 工 计 算机 图 1 虚拟仪器结构图 虚拟仪器软件的编写可以归纳为两种方式 1 采用专业图形化编程软件进行开发 ，如 D a t a T r a n s l a ． t i o n公司的 H P V E E w i t h D T V P和 D T x E Z T M、N a t i o n a l I n s t r u m e n t 公 司的 L a b V I E W 和 L a b Wi n d o w s ／ C V I 以及 惠普公司的 H P V E E ，这类软件对于开发者的要求较 收稿 日期 2 0 0 9 0 41 3 基金项目太原科技大学青年基金项 目 2 0 0 8 3 0 0 9 作者简介刘畅 1 9 7 4 一 ，男，硕士，讲师，研究方向为虚拟仪器和液压系统自动检测技术。电话1 3 0 1 5 4 7 4 0 2 4 ，Em a i l l i u c h a n g t y 1 2 6 ． c o rn。 7 6 机床与液压 第 3 8卷 低 ，只要了解软件 的总体功能 以及所要设计 的虚拟仪 器的功能就 可以快捷方 便地进行 开发 ； 2 利用通 用编程 软件 V i s u a l B a s i c 进 行编 写 ，这类软 件功 能强 大，可以利用其提供的丰富的函数库、A c t i v e X控件 以及 A P I 函数搭 建成 功 能丰 富 、 使用 灵活 的测 控 平 台。作者选用方式二搭建测控平台。 2测试系统构建 2 ． 1 液 压 系统 l l l O l 一入 口温度传感器2 一入 口压力传感器3 一入口 流量传感器4、9 、2 0 一 压力 表5 一柱塞泵6 一扭 矩转速传感器7 一变频电机8 一插装式溢流阀 1 0 一出口温度传感器 1 1 一出口压力传感器 1 2 、 1 9 一 截止阀l 3 、1 5 一插装式 电磁换 向阀1 4 、l 6 一 插装式电液比例节流阀l 7 一插装式节流阀2 1 一滤 油器2 2 一冷却器2 3 一油箱2 4 一温度计 图 2 液压系统图 液压系统如图 2所示 。其工作原理为 ，通过变频 器调节变频电机 7的转 速 ，换 向阀 l 3电磁铁 得 电时 进行空载运转或磨合 ，电磁 铁断 电时进行加 载试验 ； 电液 比例节流阀 l 4是加 载阀 ，在系 统需要加 压时增 加输入比例电磁铁的电流就能够使系统压力提高，在 不需要测量流量 的试验 中，可把截止阀 1 9打开 ；1 2 、 1 5 、1 6 、1 7组成冲击试验 回路，在进行冲击试验时， 打开截止阀 l 2 ，通 过调 节 阀 1 6和 l 7来 调 节 冲击 压 力 ，阀 1 5电磁铁得 电时 由阀 l 6调节高压 ，电磁铁断 电时由阀 1 7调低压 ；在 调节 冲击 压力 和做 冲击试 验 时，向阀 1 4的比例电磁铁供最大电流直到冲击试验 结束。系统的各种数据由各种传感器自动测量 ，由相 关仪表和计算机 自动显示。系统的油温控制是通过温 度传感器发出信号、通过冷却器和加热器来实现。被 试泵 的变量控制与调节方式 由泵本身的变量 机构和控 制 台的电位器发送 信号来控制调节 。 为实现压力 的 自动调节 ，选用 博世公 司 的 F E S E 型先导式电液 比例 节流阀对液路进行控制 ，该 阀内嵌 位置感应传感器，便于实现压力、流量的闭环控制。 2 ． 2硬件 系统 硬件系统组成如 图 3所示 。该硬件系统是径向柱 塞泵 液压试验 台虚 拟仪器测控 系统 的重要 组成部 分 ， 其功能主要包括 液路温度 、压力 、流量的采集 、处 理和控制 。为实 现这 一 目的，选 用研 华 P C I ． 1 7 1 0多 功能数据采集卡进 行模拟量 采集 ，该卡提 供 了 1 6个 单端模拟量输人 口，分辨 率为 l 2位 ，可以用 于采集 温度 、压力 、流量 、电机转矩 、电机转速信号。该 卡 还具有 1 6路输入和 l 6路数字输出 ，可以用 于确认各 个控 制按钮 的工作状态 ，并且可 以用于系统功能的扩 展 。为 了实现对温度 、压力 、流量 、转速的调节 ，选 用研华 P C I 一 1 7 2 0型 四通 道隔离 D ／ A输 出卡 ，该卡具 有 4个 1 2 位 D ／ A输 出通道 ，可 以在输 出和总线之 间 提供 2 5 0 0 V D C的隔离保护，并且可以在系统重启后 保持 I ／ O设置 ，防止误操作引起 的危险 。 泄漏 流 量传 感器 - 口 暑 口 数 据 采 集 卡 液 比例节 流 阀】 液 比例节流 阀2 加热 器 变频器 图 3 硬件系统组成 整个测试 系统 的测量控制精度 由传感器决定 ，为 保证测试的准确性要对传感器的量程、精度、信号类 型 、抗 干扰能力 、灵敏度 、线性 度等 参数 加 以选 择 ， 各被测量所选传感器及其参数见表 1 。 表 1 传感器型号及参数 被测量 传感器型号 传感器量程 传感器精度 泵进口温度 温度变送器E T S 4 1 4 4 2 5 ～ 1 2 0 o C 泵出I 1 温度 温度变送器E T S 4 1 4 4 2 5 ～ 1 2 0℃ 泵进口压力 压力变送器 H A D 4 l 4 4 0 ． 1 M P a 绝压式 泵出口压力 压力变送器 H A D 4 4 4 _4 4 0 M P a 差压式 泵进口流量 椭圆齿轮流量计 L C - 5 0 2 5 m ／ h 泵泄漏流量 椭圆齿轮流量计 L c ． 1 5 1 ． 6 m ／ h 转速 转速扭矩仪 Z J 2 0 0 0 一 Ⅱ 0～ 4 0 0 0 r ／ m i n 扭矩 转速扭矩仪 Z J 2 0 0 0 Ⅱ0 2 0 0 0 N m 噪声值 数字噪声计 T E S ． 1 3 5 1 3 0 ～ 1 3 0 d B 0 ． 8 ％ F S 0 ． 8 ％ F S O ． 5％ F S O ． 5％ F S 0 ． 2％ F S 0． 2％ F S 1 ％ F s 1 ％ F S 1 ． 5 d B 系统中变频器的整流桥对电网来说是非线性负 载，它会对传感器信号传输线路产生谐波干扰和耦合 一一一一一一一一一一一 第 8期 刘畅 等 径向柱塞泵液压试验台虚拟仪器测试系统的研制 7 7 性噪声 。为 了 防止 电磁 干扰 影 响试 验 台 测试 精 度 ， 温度、压力变送器均选择 4～ 2 0 m A电流信号输出方 式 。椭圆齿 轮流量计发 出的脉 冲信号经 过 E L - 2 0 0 0前 端显示仪表 内部电路的处 理 ，送 出 4～ 2 0 m A电流信 号 。扭矩 转 速 传 感 器 送 出 的 电压 信 号 经 过 A D A M一 3 0 1 4 信 号调 理器处 理后 送人 数据 采集 卡 。数 字 噪声 计可 以通 过 R S 2 3 2串行 口将 实 时 数据 送 入 工 控 机 。 所有信号线均采用屏蔽措施。测试结果证明，该系统 具有很 强的抗 干扰能力 。 2 ． 3软 件 系 统 软件系统分两部分，一部分用于实现常规的控制 面板 ，通过计算机编程在屏幕上建立图形化的仪器面 板 ，从而使用户可以通过屏幕操作实现现场数据采集 、 图形绘制 、分析存储 。该 系统的仪器面板如 图 4所示 ； 另一部分用于实 现测试 功能。研华公 司提供的数据采 集卡附带了 D A Q控件 ，安装之后 ，通过所提供 的接 口 函数就可以对采集卡的 I ／ O端 口进行方便的操作。 囱 妻 鬟； 瓣 J l料 熬 O一孕 ；嚣 l- ＼ 鬟 O - 8 、 ＼ 、 ℃ ． ． ⋯一 I ⋯ -L 瞄 力 鬻 瓴 l ／ ■ ≤ 坤 ’ I 艟 柏 黛蒜 A 目 t ●艇 霉’ 。意妻 譬 二 i 墨 点 硝 辩 麓 舞 嘲 - _ 卅 ■ 自 ■ _■ ■ ■ ※ 黼 I 啊 ’ 瑟 瑟 ＼ 蕤 f 入 口 襁 度 幽 嗣 韫 度 一 。 骥 9 - 再 鬻 } 静 蓐 1 埔壤鲫帏堍刚伟矗瓣 黻 蕊 i b l 鍪 骥 鬟 塑 泄 藉 I t 簟 寝 拜 份 瓣 入 嗣 量 臻 ， 嚣 o 。 巷 错 ％ 4 ， 盏 开 誉 餐 o 薯 ， 薰 a ．1 蔼鞘 臻潮鞠瓣螺鼗蘸瓣嚣耩撼耩雕赌鼯 器 重 塞理 攫 誊 l 瑟 一 。1 3 0 ⋯ 0 ～ ■ 鬻 器 麓 O t 8 1 2 1 6 2 0 2 4 饕 ’ 一 鞠 嘲 嘲 黼 黼 麟 黼 麴 糍 辩 罐 鞭 】飘 霹 嫩 。 轲 ，，， 研 ’ 科 位 牛 米 ’ 襄 压 力 随 o ‘ 簟 壤 麓 努 铸 2 0 0 0 曼 蕺 -0囊 ；。 、 一 一 ⋯ 搿 鬻 ≥ 溺 零 i 尊 Y 图 4 仪 器面板 在软件系统 中充分发挥 了 V B在数据处理方 面 的 优势 ，如在采集压力信号和流量信号时存在数据不稳 定、数显仪表读数波动较大的问题，对其分别采用了 均值滤波 和五点三次平滑法之后读数稳定 。试验数据 表 明 ，测试准确度和重复性 良好 ，完全可以满足型式 试验和 出厂试验的精度要求。 开始 设 定各档 转速 值和压 力值 设定AO1 输 出电压初 值 ______________-●____●-。●_。。。。。。。。。。。-_--_一 纠设 定转 速 ＼／ 上 Y 设定 A O2 输 出 电压初值 降低AO2 输 出 电压 ，提 高压 力 采 集数据 并 处理 完所有』 ＼一 『完所有j I 结束 N 图5 效率试验控制流程 为了提高系统的测试效率 ，在需要对多转速、多 压力点 、多流量点进行实测时 ，由工控机利用传感器 的反馈信号 ，通过模拟量输出采集卡实现闭环控制， 以效 率试 验 为 例 ，该 试 验要 求 在 6 0 0 、8 2 5 、1 0 5 0 、 1 2 7 8 、1 5 0 0 、1 8 0 0 r ／ m i n这 6档 速度下 分别 将压 力 调节 至 7 、1 1 ． 2 、1 5 ． 4 、1 9 ． 6 、2 4 、2 8 M P a进 行 测 试 ，并 绘制流量／ 压力 曲线 和总效 率 、压力 曲线 。设 定模 拟量输出采集 卡的 A O 1口用 于控 制变频 器 进行 调速 ，A 0 2口用 于 控 制 电液 比例节 流 阀进 行 压 力 、 流量调 整。其控制流程如 图 5所示 。 3结论 利用 V B语 言 构建 径 向柱 塞 泵 虚拟 仪器 测 试平 台，具有平台搭建快捷 、系统可扩 展性强 的优点 。当 有新型号 的泵产 品推 出时 ，只需 要 重新 设定 程序 参 数 ，就可以投入使用 。相 比较一般 的测试 系统 ，该系 统除了可以实 现测试外 ，还 实现 了压力 、流量 、转速 的 自动给定 ，在 很 大程 度上 减轻 了操 作人 员 的工 作 量 ，提 高了测试效率 。实际使用情况表明 ，该测试系 下转第 7 4页 7 4 机床与液压 第 3 8 卷 根据前 面建 立的实验系统 的数学模 型，利用 MA T L A B ／ S i m u l i n k 建立 系统 动态仿真模 型 ，对 于复 杂的数学模型，可将其分为若干个子系统。试验系统 总仿真模 型如图 3所示 。 4 ． 2仿真结果及分析 在变 速 器 疲 劳 寿 命试验过 程 中，采 用 菖 。 ‘ 电动机单独驱动 和能 。 ‘ 量 回 收 装 置 液 压 马 达霎 ‘ 实现功率 完备，电动 ≥ 时 间， s a 电机输 出 功率 与马 达回 收 功率 曲线 图对 比 0． 0． 瓣 0 糍 0 ． O ． 图 5 仿真试验 5 总结 根据试验台的总体结构 ，建立 了系统的数学模 型，根据数学模型在 MA T L A B ／ S i m u l i n k中建立 了系 统的仿真模型。在建立的变速器功率完备试验系统仿 真模型的基础上，从转速转矩变化和系统实现等方面 进行了仿真研究和对比分析。结果表明，单纯地采用 电动机作为动力源，随着负载的变化，电动机长期处 于变工况环境下，电动机耗能大并且对电动机的使用 寿命有很大影响。为了定量分析采用功率完备系统的 节能效果 ，根据变速器疲 劳试 验规 范选取一组 数据 ， 将 在 M A T L A B ／ S i m u l i n k 中 建 立 的 仿 真 模 型 导 入 A M E S i m里进行系统仿真。仿真结果表明，采用功率 完备系统与电动机单独驱动系统相比节能4 5 ％左右。 参考文献 【 1 】李翔晟 ， 李小青， 邓海英， 等． 汽车变速器能量回馈试验 系统动态特性仿真[ J ] ． 中南林业科技大学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 7 ， 2 7 4 1 1 61 l 8 ， 1 3 3 ． 【 2 】 李翔晟． 用于传动系试验的一种新型节能系统[ J ] ． 南 京林业 大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 7 5 6 6 6 8 ． 【 3 】 谭尹耕． 液压实验设备与测试技术[ M] ． 修订版． 北京 北 京理工大学 出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 4 】陈伯时． 电力拖动自动控制系统[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 1 9 9 9 ． 【 5 】 三菱电机株式会社． 变频器原理与应用教程[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 6 】 路涌祥． 电液 比例控制技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 8 ． 【 7 】 张志涌． 精通 M A T L A B 6 ． 5版[ M] ． 北京 北京航空航天 大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 8 】 李吉， 李华聪． 仿真软件 A M E S i m应用研究[ J ] ． 航空计 算技术， 2 0 0 6 ， 3 6 1 5 6 5 8 ． 上接第7 7页 统实时性强 、可靠性 良好 ，可 以满足各种 型号径 向柱 塞泵的试验要求 。 参考文献 【 1 】 张重雄． 虚拟仪器技术分析与设计 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】 杨乐平， 李海涛， 肖凯， 等． 虚拟仪器技术概论[ M] ． 北 京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】 李如平， 聂松林， 易盂林． 水压伺服阀静态特性试验台的 研制[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 6 3 5 3 7 ． 【 4 】 贾跃虎， 宋福荣， 赵红英， 等． 液压泵型式试验台设计分 析[ J ] ． 太原重型机械学院学报， 2 0 0 0 ， 2 1 2 1 3 5 1 3 8． 【 5 】李庆刚， 吉雷． 泵阀试验台测控系统的研究[ J ] ． 西华大 学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 1 4 7 4 9 ． 【 6 】赵静一， 马玉良， 姚成玉． 基于虚拟仪器的交流液压综合 实验台设计[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 6 7 3 2 3 4 ． 【 7 】黄建龙， 刘明哲， 王华． 液压综合试验台及其监控系统的 研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 1 0 1 01 2 ． 【 8 】王静， 谭建平． 基于虚拟仪器的液压 C A T系统软件设计 与应用[ J ] ． 机电一体化， 2 0 0 4 3 5 96 2 ． 【 9 】赵胜刚， 曾庆良， 李庆国． 液压泵 C A T试验台的自动测 试系统设计 [ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 6 ， 1 9 8 2 5 2 6．