基于工控機與PLC控制的液壓動態加載平臺研究*

李鵬斌，張 鵬，程永奇，趙 斌，何嘉城

(廣東工業大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510000)

0 引 言

螺旋傳動可以直接將回轉運動轉換成直線運動，因其具有結構簡單、制造成本低、承載力大等優點，螺旋副在機械裝備方面得到了廣泛的應用[1-2]。作為某些機械裝備的關鍵零部件，滑動螺旋副的傳動效率、摩擦系數、使用壽命等性能指標決定了整個機械裝備平臺的綜合性能。因此，滑動螺旋副綜合性能檢測平臺越來越受到了研究者的關注。

目前，針對滑動螺旋副檢測手段的深入研究還比較少，同時又缺乏完善的滑動螺旋副性能檢測平臺，這些都是制約其發展的一個重要原因。國內廠家一般通過手動或者半自動完成檢測，且現有測試裝置的測試項目較為單一，同時檢測效率較低，檢測結果不太理想[3-4]；特別是在加載裝置方面，大多采用配重摩擦或者彈簧牽引等被動加載方式，且試驗時不能實時顯示和控制負載載荷，這樣的加載方式已不能滿足試驗臺對多變載荷模擬的需求[5]。

本文將對滑動螺旋副的檢測平臺、檢測系統、檢測方法等進行研究，提出一種基于工控機與PLC控制的液壓動態加載平臺。

1 加載系統簡介

液壓動態加載系統用于模擬裝有滑動螺旋副的伺服電動缸，其在運行過程中所受的動態載荷、加載方式，通過伺服電動缸和液壓缸對頂來實現。

加載平臺實物圖如圖1所示。

圖1 加載平臺實物圖

具體控制要求為：

(1)測試系統可實現運動控制、液壓I/O開關量輸入、液壓控制參數輸入；

(2)測試系統可實現數據實時采集、顯示及測試數據保存；

(3)可以變更測試的加載模式，包括恒載、變載等多種模式；

(4)可實現液壓加載系統獨立運行，即靠液壓力使液壓缸自主運動；

(5)可實現液壓缸與伺服電動缸進行雙缸聯動，即靠被伺服電動缸的機械力被動回程。

2 加載系統的硬件設計

2.1 系統硬件電路

加載系統主要由工控機、PLC、A/D模塊、D/A模塊、各類傳感器和各類液壓閥等組成。工控機可實現控制系統的操作、數據采集分析和存儲、決策等功能[6]，同時可實時監控設備的運行狀態。PLC負責實時從各傳感器采集模擬信號，并轉化為數字信號發送到工控機，同時接受工控機設定的參數和指令，控制壓力、流量、位移等模擬量和開關量。

該系統選用RS-232進行串口通信[7]。各類傳感器將檢測到的模擬量實時反饋給PLC，形成閉環控制。

PLC模塊包括主體模塊和擴展模塊。其中，主體模塊的輸入回路包括啟動開關、急停開關、手動/自動開關，以及行程開關和光電開關等；輸出回路控制各電磁閥開閉的中間繼電器、電機等。擴展模塊主要為FX-2N-4AD和FX-2N-4DA。

PLC接線原理圖如圖2所示。

圖2 PLC接線原理圖

其中，FX-2N-4AD模塊主要用于將位移傳感器、電流傳感器、壓力傳感器的電壓(電流)信號經過轉化輸入到PLC，PLC將輸入的數字量變換為相應的位移、電流、壓力的大小。FX-2N-4DA模塊用于輸出電壓(電流)信號，其電壓(電流)信號經過放大之后，用于控制比例壓力流量閥，實現系統的壓力、流量連續可調；同時，電壓(電流)信號經過放大之后，用于控制比例背壓閥，實現系統加載的連續可調[8]。

2.2 系統液壓回路

液壓回路通過電控系統，控制液壓缸回油路上的比例背壓閥、閥芯開度大小,實現模擬載荷大小的調節；液壓泵通過主閥組和PQ閥向液壓缸提供油液。主閥組由電磁換向閥和電磁插裝閥組成，控制液壓缸的運動方向和啟停；PQ閥由流量閥和比例溢流閥組成，通過電控系統調節液壓缸進油路上PQ閥、閥芯開度的大小,實現壓力和流量大小的調節，進而控制液壓缸的前進速度和壓力。

通過主壓力傳感器和背壓力傳感器可得出液壓缸內油壓；高壓濾油器設計在液壓泵的出油口，回油濾油器設計在系統回油處，泵的吸油口處設置吸油濾油器。拉壓力傳感器顯示數值，為最終作用于伺服電動缸上的力。

液壓加載系統原理圖如圖3所示。

圖3 液壓加載系統原理圖(3-1)—比例背壓閥；(3-2)—背壓壓力傳感器；(3-3)電磁換向閥；(3-4)—比例溢流閥；(3-5)—比例流量閥；(3-6)—主壓壓力傳感器；(3-7)—安全閥；(3-8)—電磁插裝閥；(3-9)—單向閥；(3-10)—液壓泵；(3-11)—電機；(3-12)—回油濾油器；(3-13)—油箱；(3-14)—高壓濾油器

3 加載系統的軟件設計

系統軟件主要分為：上位工控機軟件和PLC程序軟件。上位工控機軟件主要實現用戶定義、參數設置、實時狀態監視及運行控制等；PLC程序軟件主要完成對各類開關、繼電器、傳感器、液壓閥及電機的控制。

3.1 上位工控機軟件

3.1.1 軟件模塊化設計

根據控制系統的設計要求和功能需要，控制系統軟件主要分為：用戶權限管理模塊和系統主控模塊[9-12]。其中，系統主控模塊包括液壓控制參數、液壓I/O開關量輸入、功能控制按鈕、狀態監控顯示等。

軟件主界面圖如圖4所示。

圖4 軟件主界面圖

3.1.2 主程序工作流程

根據液壓動態加載控制系統的功能要求，本文設定主程序的工作流程，如圖5所示。

圖5 系統的主程序工作流程圖

3.2 PLC程序設計

PLC程序用GX-Developer軟件中的梯形圖、指令表、SFC進行編程，方便直觀[13]。PLC系統程序包括初始化控制程序、模擬量AD/DA模塊程序、自動控制程序3部分。

系統運行時，首先接通PLC進入自檢狀態，如果PLC沒有自檢錯誤，系統即進入初始化程序，包括系統啟動、電機啟動和急停。系統上電后，首先通過初始化控制，對液壓缸運行狀態進行安全檢查，使液壓缸處于兩個限位開關之間。

初始化控制程序如圖6所示。

圖6 初始化控制程序

系統加載過程中，PLC通過模擬量AD/DA模塊程序，對輸入的模擬量數據進行采集，對輸出的模擬量參數進行設定。

模擬量AD/DA模塊程序如圖7所示。

圖7 模擬量AD/DA模塊程序

AD模塊控制程序自動采集加載力、主壓力、背壓力、位移、電流等靈氣，并發送到工控機，在上位機數據曲線顯示模塊和數據表格顯示模塊上實時顯示。

在上位工控機程序的液壓控制參數區域，輸入實驗相關參數，通過三菱PLC的DA模塊控制程序，將實驗參數轉化成相應的電流值或電壓值，并輸入到PQ閥和比例背壓閥中。

在輸入參數后，系統先進行自動回原點動作，使液壓缸回到下極限的位置，然后切換到自動控制程序下，確定單動/聯動模式和加載模式，進行相應的動態加載。

自動控制程序如圖8所示。

圖8 自動控制程序

4 實驗及結果分析

為了研究負載對滑動螺旋副機械效率的影響，本文設置相關了實驗。實驗過程中，通過液壓動態加載平臺對伺服電動缸進行加載。

4.1 測試方法

根據測試需求，筆者對液壓缸和被測電動缸進行雙軸聯動運動。在雙軸聯動模式下，先設定液壓缸的加載方式、速度、背壓力，然后啟動液壓缸，使其運動接近被測電動缸；雙缸接觸后，被測電動缸啟動，以對頂方式向液壓缸加載移動，當拉壓力傳感器上的力達到設定的背壓力值后，保持加載移動狀態，維持加載力不變。

4.2 測試數據

筆者通過設定液壓加載系統，使液壓缸產生的背壓力分別保持在5 000 N、10 000 N、15 000 N、20 000 N、25 000 N。實際加載力大小通過安裝在被測電動缸與液壓缸之間的拉壓力傳感器讀出，實際轉矩值大小通過被測電動缸的伺服驅動器讀出；通過“壓力-轉矩”法，實時地對被測滑動螺旋副的機械效率進行測定和采集；過程重復10次，最后分別取各實驗數據的平均值。

液壓恒定載荷加載實驗結果如表1所示。

根據分別設定在5 000 N、10 000 N、15 000 N、20 000 N、 25 000 N下，背壓力相應的動態監控數據圖可知：加載力精度達到98.85%，機械效率波動范圍小于5%，且實驗結果較為穩定。

表1 液壓恒定載荷加載實驗

本文以10 000 N背壓力為例，來采集實驗過程的動態監控數據，如圖9所示。

圖9 10 000 N的動態監控數據圖

圖9結果表明：在恒定載荷的模擬加載下，系統可以實時采集到滑動螺旋副所受的加載力和轉矩。

5 結束語

本研究主要介紹了一種基于工控機與PLC控制的液壓動態加載平臺，包括硬件系統和軟件系統，并對滑動螺旋副進行了模擬加載實驗。

實驗結果表明：在恒定載荷的模擬加載下，系統可以實時采集到滑動螺旋副所受的加載力和轉矩；加載力精度達到98.85%，機械效率波動范圍小于5%，且實驗結果穩定

該測試平臺具有操作簡單、自動化程度高、檢測效率高等優點，解決了以往平臺存在的加載精度低、實時性差、機械效率波動范圍大的問題。