基于LabVIEW的液壓缸檢測試驗臺設計

張 建 李瑞川 楊俊茹 徐繼康

①山東科技大學 ②齊魯工業大學（山東省科學院）③日照海卓液壓有限公司

目前高校對于液壓缸的研究大部分處在理論研究，學生缺乏實踐操作，動手能力得不到提高，基于LabVIEW軟件設計了一套用于檢驗液壓油缸產品性能、驗證液壓缸產品質量的液壓缸檢測試驗臺，實現檢測數據在工控機和云平臺的上傳、處理、顯示和儲存。通過運行結果表明：試驗臺檢測精度高、效率高，對于液壓缸的研究可以實現理論聯系實際，提高學生的動手能力的同時，為高校的科研工作提供一定的基礎。

液壓缸作為一種使用場合普遍、高性能的液壓元件[1]，在煤炭開采機械設備中普遍使用，液壓缸的性能對液壓支架和掘進機等液壓設備的正常運轉具有很大的影響[2]，目前我國絕大部分的液壓缸生產廠家的液壓缸綜合性能試驗臺是由常見的液壓元件簡單組合而成，自動化水平相對較低[3]，所以會使測得的液壓缸性能參數有一定的誤差。基于此利用LabVIEW軟件設計了一套用于檢驗液壓缸產品性能、驗證液壓缸產品質量的測試平臺，采用西門子PLC和變送器相結合的方式，提高了液壓缸性能的檢測速度，設計了處理、存儲、上傳的程序框圖，可實現數據的實時上傳和存儲，便于液壓缸性能的檢測和研究，多位置存儲，防止數據的丟失。

1 試驗臺組成及原理

1.1 結構組成

液壓缸測試平臺主要由加載液壓缸、被試液壓缸、推回液壓缸、柱塞泵、蓄能器和不同的方向閥、比例控制閥等液壓元件組成，結構如圖1所示。控制系統主要包括可編輯邏輯控制器和MCGS組態屏，計算機測試系統選擇工控機完成數據處理的主要工作，并采用數據采集卡采集測試過程中的數據。

圖1 試驗臺構架

1.2 工作原理

液壓缸檢測試驗臺數據采集系統采集被試缸、加載缸、活塞桿的拉/壓力等相關數據，控制模塊控制液壓元件，為被試缸增加負載，被試缸主動運行，帶動加載缸被動跟隨運動，原理圖如圖2所示。

圖2 工作原理圖

啟動控制系統的主程序，對檢測試驗臺的硬件設備初始化，選擇需要進行的試驗類型，設置試驗相關參數，根據不同的項目按下測試按鈕。PLC控制被試缸系統中的電液比例閥，使被試液壓油缸能夠產生一段位移，被試缸主動運行，響應的壓力、流量信號經過數據采集卡采集后發送給工控機，工控機將所得數據進行采集和處理可以直接存儲在選擇好的硬盤中。拉壓力變送器檢測加載力大小，與加載系統形成力閉環負反饋。加載進行的同時，數據采集系統對被試缸、加載缸運行狀態進行實時檢測，采集運行過程中的腔內壓力、油液溫度等數據，以波形圖的形式顯示出各參數。在傳統液壓試驗臺的基礎上增加推回油缸模塊，通過比例閥控制，可以輔助加載油缸進行試驗，實現更精確的控制。在液壓系統回油路設計了大量程和小量程的兩個流量計，對提高系統流量試驗的檢測精度具有重要意義。

2 試驗臺整體方案設計

試驗臺控制系統通過控制液壓元件的相關動作，使被試缸、加載缸進行相應的動作，對試驗過程中的采集的數據進行存儲、處理和輸出；數據采集系統采集加載缸加載力發送給PLC構成軸向加載缸加載力閉環控制，同時對三種液壓缸測試過程中的位移、壓力、溫度等信息進行采集、存儲、處理、顯示。

2.1 結構設計

液壓缸測試平臺控制系統采用MCGS組態觸摸屏實現對相關液壓元件的控制動作；數據采集系統通過采集變送器輸入來的模擬電流信號，經過隔離器轉變，上傳到LabVIEW程序中，進行處理、顯示。

被試缸與加載缸間安裝有拉壓力變送器，來檢測試驗過程中液壓缸活塞桿的拉/壓力數據。控制系統控制液壓缸的運行，實現被試缸運行控制和加載缸控制。數據采集系統主要通過變送器對液壓缸的相關參數進行采集，將被試缸信號與加載缸加載力信號采集處理后發送給工控機進行處理、存儲，液壓缸的腔內壓力、溫度及活塞桿運動經過數據采集卡的采集處理后進行存儲、顯示。

2.2 控制模塊

利用PLC和工控機聯合的方式對試驗臺進行控制、數據采集，對提高系統的控制實時性和自動化水平具有重要意義[4]。在試驗臺的設計中，選用MCGS組態屏作為運動控制的人機界面，操作顯而易懂。

本控制系統的關鍵是被試缸運行與加載缸加載力的控制，PLC控制系統控制相關閥組，使被試缸、加載缸進行相應的動作，來實現不同的功能，采用開放性程序控制，可以根據實際研究需要添加有關程序。

2.3 采集模塊

試驗臺需要采集的數據主要有壓力、流量、溫度、加載力，數據比較多，同時為了提高檢測的效率，需要時效性高的采集系統[5]。因此，使用直接安裝在工控機的PCI插槽上的PCI數據采集卡，實現對液壓缸測試臺高速、實時的數據采集。通過使用LabVIEW軟件中設計好的程序框圖來實現對整個采集系統的相應功能控制，提高系統的使用效能。

數據采集系統硬件部分主要由工控機、采集卡、線纜端子、隔離器等元件組成，利用LabVIEW軟件，完成對液壓缸試驗檢測過程中試驗相關參數的采集、上傳、處理和存儲。變送器檢測到的液壓缸不同腔的壓力、活塞桿的位移以及受到拉/壓力，經過數據采集卡的上傳、處理后，發送至工控機硬盤，完成數據的存儲、管理、顯示、打印。

2.4 液壓系統設計

（1）被試缸系統設計。液壓缸試驗臺的被試缸主動運行，運行位置要求具有一定的定位精度與平穩性。通過調節MCGS組態觸摸屏中的電液比例控制閥的開度來調節液壓缸兩個腔的壓力，PLC根據被試液壓缸壓力誤差的大小實現對電液比例方向閥的開度大小的調節，使被試缸的速度、位置發生變化，從而使被試缸實現精確運行控制。

（2）加載缸加載系統設計。液壓缸測試平臺的加載缸運行方式為被動式，工控機采集到的壓力信號經過處理轉換后發送一個加載力控制信號給PLC，拉壓力變送器檢測加載液壓缸加載力反饋給PLC，PLC控制液壓閥進行相關動作，來實現加載功能。本系統根據研究的需要可以通過編程實現不同測試需要。

3 液壓缸試驗臺硬件選型

3.1 變送器

根據測試平臺的檢測要求，選擇的變送器如表1所示。

表1 變送器選型

3.2 硬件

試驗臺檢測時，需要采集的信號主要有壓力、流量、溫度等，共計10個變送器，考慮到后期可能會有其他的需求，選擇同時具有單端和差分輸入功能的PCI-1713采集卡，連接采集卡電纜的型號為PCL-10137，對應接線端子板的型號為ADAM-3937。

電流信號容易受到液壓泵或其他電磁的干擾，需要借助隔離器將信號由電流轉化為電壓輸入，選擇抗干擾能力比較強，同時可以現場進行配置的隔離器，綜合選擇研華ADAM-3014隔離器。

綜合以上考慮以及提高采集系統的抗干擾能力，選擇工控機的型號為。

4 采集系統設計

測控系統的功能主要包括數據采集、控制、通信、參數設置、處理、存儲等。測試平臺的LabVIEW監控系統前面板選項卡主要包括起動壓力試驗、耐壓試驗、泄漏測試試驗、負載效率試驗和緩沖試驗，進行其中某一種試驗時，可直接在前面板的選項卡控件中進行直接選擇，方便操作。前面板還包括數據顯示模塊，進行試驗時，相關數據可實時顯示在前面板，試驗人員可直觀的看到相關數據的變化。

數據可在工控機硬盤和云平臺中分貝存儲，不會因為一部分的功能失效導致相關數據丟失，無法找回。測試平臺LabVIEW監控系統前面板如圖3所示，測試平臺系統框圖如圖4所示。

圖3 監控前面板

圖4 程序框圖

測試平臺可通過SFTP協議將各項數據實時上傳到云平臺，相關數據自動分類儲存到指定位置，以供研究和檢測使用。設計的程序可以實現數據的多位置存儲（工控機和云平臺），防止數據丟失。數據上傳時，在硬盤中可以實現自動創建文件夾功能，文件夾以具體的日期和時間命名，以便于數據的查找，為故障檢測和試驗研究提供便利。程序如圖5所示。

圖5 上傳云平臺程序

5 試驗研究

5.1 起動壓力測試

由圖6、圖7可以看出，隨著系統壓力的不斷增大，在1.4 s時，無桿腔的到達峰值壓力：0.51 MPa，此時測得的壓力則是液壓缸的最小起動壓力。查閱液壓缸的試驗標準可知最低起動壓力為0.75 MPa，該試驗臺的試驗最低起動壓力低于此值，同時從圖中可以看出設計的試驗臺的響應速度比某公司的傳統試驗臺有了很大的提升，從而可以提高液壓缸批量測試的效率。

圖6 活塞桿位移

圖7 起動壓力

5.2 負載效率測試

調節被試缸兩腔的壓力數值，當力均勻變化時，記錄試驗中壓力和活塞桿的推力或拉力值，進行計算，得出負載效率曲線圖如圖8所示。

圖8 負載效率曲線

6 結論

（1）利用LabVIEW軟件設計了液壓缸檢測試驗臺程序前面板、采集系統程序框圖和上傳云平臺的程序框圖，實現液壓缸功能檢測、數據分析、狀態檢測、故障自動預警、上傳云平臺等功能。

（2）通過運行結果表明試驗臺試驗響應速度快、檢測精度高，提高液壓缸故障檢測和出廠試驗的檢測效率。

（3）設計的試驗臺可以為高校的科研提供一定的基礎，同時還可以提高學生的動手實踐能力，增強學生對理論知識的理解和認識。