大型伺服缸測試系統及軟件開發

曾鵬，鄧江洪，沈雄偉

(1. 江漢大學數學與計算機科學學院，湖北武漢430056;2. 武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢430081)

液壓伺服油缸是電液伺服系統中的關鍵元件，也是軋機液壓AGC 系統的核心設備，軋機伺服油缸工作時具有軋制力大、行程短、頻率響應高等特點。深入掌握伺服缸的性能對停產檢修、提高產品質量和使用壽命都顯得十分必要。為了實現大型伺服缸測試系統的計算機全自動數字化測試，對整個測試過程進行有效的管理，完成試驗數據的采集和處理，此次介紹了一種原理簡明、測試功能齊全的系統，并采用目前主流編程軟件Visual C++6.0 進行了測試軟件開發。

1 測試系統

1.1 測試項目

此套測試系統的主要測試對象是大型的液壓伺服油缸，為了系統而全面地掌握各種伺服缸的性能，該系統中設計了如下的測試項目:

(1)空載往復及全行程試驗

進行行程檢測，初步檢查裝配是否良好;空載往復運動數次，運動應靈活自如。

(2)耐壓試驗

活塞腔加試驗壓力，活塞桿側加背壓，閉式機架加載，檢查液壓缸有無外泄漏、內泄漏，機械結構強度是否滿足要求。

(3)空載啟動壓力測試

在0 ～0.5 MPa 內測試，并打印測試報告和測試曲線。

(4)帶載動摩擦力測試

在加載條件下測試液壓缸動摩擦力，并打印測試報告和測試曲線。

(5)頻率特性測試

在0 ～50 Hz 范圍內進行幅頻和相頻特性測試，并打印測試報告和測試曲線。

(6)階躍響應測試

在0 ～1 000 ms 范圍內進行階躍響應測試，并打印測試報告和測試曲線。

1.2 測試原理

此套測試系統的液壓系統由三部分組成:耐壓實驗測試系統、主測試系統、循環冷卻過濾系統，可以對不同規格的普通伺服油缸與AGC 伺服油缸進行以上項目的測試。其主測試系統液壓原理圖如圖1所示。

測試系統的電氣控制系統則由電氣操作臺、電機啟動柜、直流電源、可編程控制器PLC 以及各種報警發訊裝置等檢測系統件構成。開關柜控制整個系統的電力配送;油泵電機組控制柜對液壓泵、加熱器等大功率器件進行啟動與停止控制;通過操作控制臺面板上的開關、按鈕輸入各種指令，由可編程控制器(PLC)對測試系統油源啟動、停止、污染、溫控、安全聯鎖、報警、測試選擇等功能進行自動控制。

圖1 液壓系統原理簡圖

計算機測控系統主要由儀器柜、傳感器系統、伺服系統、比例壓力控制系統和計算機數據采集分析系統構成。儀器柜內主要安裝伺服控制相關儀器和信號調理電路;工控計算機與儀器柜連接，實現數據交換和設備控制;測控軟件采集及處理實驗信號，輸出實驗數據。其框圖如圖2 所示。

圖2 測控系統框圖

2 軟件開發

2.1 系統要求

該軟件要求計算機的CPU 主頻2.0 Hz 以上，內存256 MB 以上，硬盤40 GB 以上，屏幕分辨率1 024像素×768 像素，采用Windows XP 等操作系統。

2.2 軟件開發要點

此套軟件由系統管理軟件、應用程序、設備驅動軟件構成，分為參數設置、測試、結果處理、幫助和退出系統五部分，是在Windows XP 操作系統下利用VC++6.0 的MFC 以面向對象方式進行的編程。此軟件采取了自頂向下的層次結構法和自底向上的程序編制法，其主控制程序可分為三大模塊，結構如圖3 所示。

圖3 測試軟件模塊結構圖

在編制伺服缸動態測試模塊時，需考慮由于正弦激勵信號的頻率是不斷變化的，根據采樣定理，A/D采樣的采樣率也是相應變化的，故而需要進行動態掃頻，其過程如圖4 所示。

圖4 動態掃頻

然而，在實際測量時，測量的點是特定的、有限的，故而必須考慮采樣失真問題。根據香農采樣定理，保證不失真的條件是采樣頻率至少是輸出信號最高頻率的兩倍(K≥2)。但同時考慮到D/A 輸出波形的失真問題，K 值一般取6 ～60。除此之外，掃描點數的選擇也是關鍵所在，太少易失真，太多加大了計算時間。只有充分考慮到這兩點，測試軟件才能具有信號濾波功能。

2.3 軟件的基本功能簡介

在安裝數據采集卡驅動程序及此測試系統軟件等程序后，用戶通過操作此測試軟件，可以進行測試項目選擇、參數設置、測試過程控制。同時軟件具有信號數字濾波、數據采集、數據存盤、處理分析、曲線顯示、曲線繪圖輸出、試驗報告生成等功能。從功能上看，軟件共具有六大功能單元，分別為頻率響應測試、階躍響應測試、動摩擦力測試、啟動摩擦力測試、板卡測試以及退出測試程序，如圖5 所示。

軟件的主要功能與設計原則:

(1)每一個功能單元都是相對獨立的，方便進行各項測試或退出，并且可以通過測試界面左側的按鈕進行單元選擇。

圖5 測試界面

(2)因各單元測試項目不同，因此在各單元測試界面都設計了相應的參數輸入區，以便輸入參數;同時也設計了實時曲線和實時數據及計算結果輸出區域，真正做到了實時監控;最后為了方便管理，也相應地設計了讀取數據、保存數據、打印預覽功能，并且能夠記錄測試項目及時間。

2.4 測控一體化程序介紹

為了保證測試與控制的緊密結合，采用了Visual C++開發設計軟件，計算機系統通過PCI 總線與數據采集卡相連，通過Profibus 現場總線與PLC 相連;數據采集卡通過數字或模擬通道連接傳感器、二次儀表，以及其他相關元件;PLC 通過其觸點與閥控信號、開關元件相連。PLC 為SIEMENS 公司的S7-300，數據采集卡為凌華公司的PCI-9118。連接測試部分和控制部分的橋梁是Prodave 接口。

向PLC 中寫入數據的程序如下:

switch (m_ nSel)// m_ nSel 為要寫入的數據類型

{

case 0://DB 型

d_ field_ write (m_ iWDBNO，m_ iWSNO，m_ iWAmount，buffer);

break;

case 1://OutPut 型

a_ field_ write (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

break;

case 3:

m_ field_ write (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

break;

case 5://Counter 型

z_ field_ write (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

break;

}

從PLC 讀取數據程序如下:

switch (m_ nSel)// m_ nSel 為要讀取的數據類型

{

case 0://DB 型

d_ field_ read (m_ iRDBNO，m_ iRSNO，m_iRAmount，buffer);

break;

case 1://OutPut 型

a_ field_ read (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

break;

case 2://InPut 型

e_ field_ read (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

break;

case 3://Flag 型

m_ field_ read (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

break;

case 4://Timer 型

t_ field_ read (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

swab (buffer，buffer，m_ iRAmount* 2);//

相鄰字節交換

break;

case 5://Counter 型

z_ field_ read (m_ iRSNO，m_ iRAmount，buffer);

swab (buffer，buffer，m_ iRAmount* 2);

break;

}

3 結束語

伺服缸已廣泛應用于液壓行業，因工況、結構復雜等原因，其特性很難被掌握。而此伺服缸測試系統簡明實用，能夠滿足各類大型伺服缸的測試要求，且基于VC++6.0 開發的測試軟件功能齊全、界面友好、計算機配置要求低、移植性好、易于實現全自動化管理。廣東某公司的實際應用也表明:該測試系統性能可靠，測量精度高，能夠為大型伺服缸的生產和檢修提供有力的支撐，帶來良好的經濟效益。

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