單自由度液壓搖擺實驗臺設計方案

劉曉東，黃悅欣，姜洪雷，謝蒙

（同濟大學，上海 201804）

搖擺實驗臺是一種常見的實驗用模擬設備。一臺精確控制、運行良好的搖擺實驗臺可針對不同的產品或樣品提供所需的實驗室環境下的功能和可靠性測試，從而確保生產出優質、安全、符合資質的產品。根據自由度不同，實驗臺可分為單自由度到六自由度的六個等級，復雜的多自由度實驗臺還會考慮不同自由度的聯動控制；根據動力來源不同，大部分實驗臺可分為電力驅動、液壓驅動和人力驅動。每種實驗臺的應用場合和特定皆各有不同。因此，針對不同要求設計實驗臺一直是各生產和研發機構的熱點項目之一。本文基于生產實踐所需，融合了PLC 控制、傳感器數據采集、液壓回路以及觸摸屏等多種先進的現代化技術，提出了一套新型的單自由度搖擺實驗臺的設計方案，具有精度高、響應速度快、控制簡單、數據實時呈現等特點，能有效完成生產任務中所需的搖擺實驗要求。

1 實驗臺的總體結構設計

實驗臺以鋼型材焊接而成的支撐框架為基礎，在支撐框架上焊接有2 個安裝塊，用來裝配2 個軸承座。在支撐框架底部裝有4 個調節地腳，用來支撐整個框架并實現調平。另外，在框架上裝有兩個限位擋塊，實現機械限位。

支撐框架與基礎平板之間的連接需要注意兩個軸的同軸度誤差，在此設計了一對由球型軸承座構成的回轉機構：在支撐框架的兩端各安裝一個球型軸承座，在每個球型軸承座內安裝軸，軸的另一端安裝在軸支座內，軸支座再固定在基礎平板上。這樣，由于軸承座所用的軸承的外圈是球形的，所以，在軸旋轉過程中也可以保證兩個軸的同軸度。另外，角度傳感器也與回轉軸同軸安裝在一起，可以測量回轉角度。

搖擺實驗臺的運動及動力來自于液壓缸，為實現搖擺運動，需要為液壓缸設計一套回轉軸。在此，選用2 套（共4 個）單耳環支撐件：首先，由銷軸將兩個單耳環支撐件連接在一起；然后，將一對單耳環支撐件與油缸之間通過安裝法蘭連接，再將另一對單耳環支撐件連接到支撐框架上。這樣就構成了油缸頂部與支撐框架之間的回轉軸。在油缸的底部，則安裝了一個Y 接頭，Y 接頭的孔內有一個銷軸，銷軸再穿過一個關節軸承，使得活塞桿可以繞銷軸回轉。再將關節軸承擰入到一個力傳感器中，力傳感器直接安裝在基礎平板上，在力傳感器兩側安裝有4 個外六角螺母，用來限制力傳感器的旋轉。力的測試方向垂直于基礎平板。

在支撐框架的合適位置安裝有上、中、下3 個光電傳感器，用做基礎平板的上限位、中位和下限位。最后，由于基礎平板相對于回轉軸不是靜平衡的，為了保證測量的準確性，需要為基礎平板配重。配重分2 部分：首先，用較大的配重塊初步配平，然后，用游碼精細配平。總體結構如圖1 所示。

圖1 總體結構設計

2 實驗臺的液壓回路設計

由于搖擺實驗臺負載較大，但又要求搖擺實驗臺在不同負載下仍然可以按照預定角速度進行搖擺，因此，搖擺實驗臺采用液壓伺服系統。液壓系統由液壓動力站、比例換向閥及液壓缸組成。液壓動力站集成了電動機、油泵、溢流閥和油箱。液壓油通過比例換向閥達到控制要求流量后輸出，進入液壓缸將動力作用在基礎平板上，液壓油再通過比例換向閥的回油油路回到油箱內。這樣液壓回路使得整個液壓系統可以在不同負載下，通過控制流量和流向達到控制搖擺實驗臺運動的目的。具體液壓系統回路圖如圖2 所示。

3 軟件設計的基本思路

圖2 液壓系統回路圖

搖擺實驗臺的電氣系統由PLC、控制按鈕開關、角度傳感器、力傳感器、原點傳感器及限位開關等組成。具體運行過程如下：首先，作為一個開環系統，必須在啟動前進行調平，同時，調平后的位置也能作為角度和力傳感器的零點，使得PLC 能夠根據增量式信號得出絕對測量值。然后，在觸摸屏輸入搖擺周期、搖擺次數、搖擺角度3 個參數，按下控制按鈕后啟動運行程序；PLC 將根據程序通過自帶的數模轉換模塊向比例換向閥發送控制電壓，控制液壓油的流速和方向，進而推動液壓缸按要求往復運動；同時，光電開關通過I/O 口向PLC 發送限位和復位信號，拉壓力傳感器向PLC 發送拉壓力模擬信號、角度傳感器向PLC 發送角度模擬信號，PLC 對信號進行處理后發送到觸摸屏實時顯示。電氣系統的流程圖如圖3 所示。

圖3 軟件設計流程圖

4 觸摸屏界面的設計

觸摸屏是系統的人機交互界面，整個界面分為三個區域，分別是控制輸入區、數值顯示區和趨勢圖顯示區。控制輸入區負責輸入搖擺周期、搖擺次數、搖擺角度3 個參數；數值顯示區用來顯示力矩和角度的實時值；趨勢圖顯示區負責顯示搖擺角度和力矩的波形。具體設計如圖4 所示。

圖4 觸摸屏界面的設計

5 結語

本文完成了一套單自由度搖擺實驗臺的設計，該實驗臺由比例換向閥調控的液壓回路提供動力；由可編程控制器進行控制；并由角度傳感器、拉壓力傳感器和光電位置傳感器測量角度、拉壓力和位置數據；最后，所有數據由觸摸屏進行輸入、輸出和圖表化呈現。最終，該實驗臺可以順利實現單自由度的搖擺測試任務。