電液比例閥式微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)
吉林省金力試驗(yàn)技術(shù)有限公司 李長(zhǎng)森 董文潔
關(guān)鍵詞:電液比例閥 伺服閥 數(shù)字閉環(huán)控制 模擬控制
前 言
液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是行業(yè)量大面廣的產(chǎn)品之一,就產(chǎn)值說(shuō)占試驗(yàn)機(jī)行業(yè)首位,目前大量生產(chǎn)的液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及不帶伺服控制的試驗(yàn)機(jī),就其技術(shù)而言,已滿(mǎn)足不了目前材料性能檢測(cè)的要求,近10年來(lái)雖已成功開(kāi)發(fā)了電液伺服閥的閉環(huán)控制系統(tǒng),但工藝性復(fù)雜、價(jià)格高,使用維護(hù)要求也高,由于伺服閥抗污染能力極弱,尤其對(duì)靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)間隙密封的柱塞油缸,更易引起油質(zhì)污染,阻塞伺服閥使試驗(yàn)機(jī)無(wú)法長(zhǎng)期正常運(yùn)行,為滿(mǎn)足用戶(hù)質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良、技術(shù)先進(jìn)產(chǎn)品的需求,我公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出了一種新型的高科技產(chǎn)品,采用電液比例閥為控制元件的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。該項(xiàng)目2002年獲機(jī)械部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
由于采用抗污染能力極強(qiáng)的電液比例閥作控制元件,可使設(shè)備實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行,同時(shí)采用微機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制使設(shè)備穩(wěn)定性有更大提高,使該機(jī)可對(duì)各種材料進(jìn)行拉、壓、彎、剪、低頻循環(huán)及各種組合波形的電液伺服控制,其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)代國(guó)際-先進(jìn)水平,是工礦、企業(yè)、質(zhì)檢單位、學(xué)校及科研單位的理想檢測(cè)設(shè)備。
一. 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)概況
隨著試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外電液伺服液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),近年來(lái)發(fā)展了三種不同控制方式;一種是電液伺服閥控制,一種是采用具有速度控制器的壓力閥控制,第三種是寬流量范圍的比例閥控制,除了控制系統(tǒng)外,還采用高精度力與位移測(cè)量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)采集處理等技術(shù),在功能上達(dá)到甚至超過(guò)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),尤其在大負(fù)荷上液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及各種壓力試驗(yàn)機(jī)具有更大的優(yōu)勢(shì)。
日本島津UEH型及美國(guó)STEX公司的HVL型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)均采用電液伺服閥控制雙向油缸;負(fù)荷、變形、位移控制由電液伺服閉環(huán)控制,同時(shí)具有電子測(cè)量和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能,電液伺服閥的優(yōu)點(diǎn)是靜動(dòng)態(tài)性能良好,分辨率高、滯環(huán)小、線(xiàn)性度高、工作范圍廣更適合動(dòng)態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)。其缺點(diǎn)是用于靜態(tài)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上未能發(fā)揮其特點(diǎn),使其造價(jià)提高、抗污染能力變差、工作噪聲較大,油溫升高快,有些還需水冷卻。
目前多數(shù)廠(chǎng)家用的美國(guó)MOOG閥實(shí)際上就是通過(guò)改進(jìn)的比例閥。也叫電液比例伺服閥。
西德申克公司的UPM電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)其控制原理是由速度控制器控制力矩電機(jī)而帶動(dòng)壓力控制閥施加負(fù)荷,并具有速度電流反饋,是一種傳統(tǒng)的控制方式。
在國(guó)內(nèi)濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠(chǎng)與其他廠(chǎng)家合作研究了500kN微機(jī)控制液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)與日本島津產(chǎn)品相似,采用伺服閥控制,此外濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠(chǎng)已引進(jìn)日本500kN的UDH型電液伺服閥式液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),目前上述產(chǎn)品均在濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)。
二. 電液比例閥與伺服閥控制技術(shù)在靜態(tài)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用比較(見(jiàn)下表)
“比例控制閥發(fā)展的初期階段,僅僅是將比例電磁鐵代替普通液壓閥的開(kāi)關(guān)型電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄,這種比例閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則沒(méi)有變化。這種比例閥工作頻寬小,穩(wěn)定滯環(huán)大,只能用于開(kāi)環(huán)控制。七十年代中期至八十年代初,是比例閥發(fā)展的第二個(gè)階段,比例閥開(kāi)始采用各種內(nèi)反饋原理,耐高壓,比例電磁鐵出口比例放大技術(shù)日趨成熟。閥工作頻寬達(dá)到5~10Hz穩(wěn)定滯環(huán)降低到3%左右,八十年代以后,比例閥技術(shù)發(fā)展進(jìn)入第三階段,比例閥原理進(jìn)一步改善,采用了壓力流量位移反饋和動(dòng)壓反饋及電校正等手段,使閥穩(wěn)定精度動(dòng)態(tài)相應(yīng)和穩(wěn)定性都有進(jìn)一步提高。除中位仍有部分死區(qū)外其控制性能與伺服閥更為接近”。“此外比例放大技術(shù)也相應(yīng)迅速發(fā)展,不僅集成了各種反饋信號(hào)傳感接受和處理功能,而且尺寸大為減小,可安裝在閥體上使整個(gè)控制系統(tǒng)組成一體,使用更為方便,比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)力的提高,也為閥的動(dòng)態(tài)特性的改善提供了條件”,將其應(yīng)用于靜態(tài)電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中,配合微機(jī)精密調(diào)速控制系統(tǒng)已完全滿(mǎn)足其使用要求。
電液比例閥與伺服閥控制技術(shù)在靜態(tài)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用比較
電 液 比 例 閥 |
伺 服 閥 |
電液比例閥:抗污染能力極強(qiáng),對(duì)液壓油的過(guò)濾要求為20μm,可實(shí)現(xiàn)無(wú)故障運(yùn)行。 |
伺服閥:對(duì)液壓油的過(guò)濾要求需達(dá)到3μm以?xún)?nèi),抗污染能力極弱,尤其對(duì)靜態(tài)液壓式試驗(yàn)機(jī)間隙密封的柱塞油缸,更易引起油質(zhì)污染,阻塞伺服閥。 |
控制方式:電液比例閥是純數(shù)字電器伺服控制、電路簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性非常高。 |
控制方式:伺服閥多數(shù)采用模擬電器控制、電路復(fù)雜,穩(wěn)定性較弱。 |
工作狀態(tài):電液比例閥是在低壓起動(dòng),系統(tǒng)壓力隨試驗(yàn)力增加而比例增加,噪音低、油溫不易上升,不需冷卻裝置。
|
工作狀態(tài):伺服閥是在高壓狀態(tài)下起動(dòng),正常工作時(shí)始終處于最高壓力下,工作噪音大、油溫升高快,容易滲漏,需要進(jìn)行水循環(huán)冷卻。 |
電器測(cè)量控制系統(tǒng):我公司采用計(jì)算機(jī)總線(xiàn)插卡式設(shè)計(jì),所有功能通過(guò)軟件來(lái)完成,有利于功能擴(kuò)展、軟件升級(jí)及微機(jī)聯(lián)網(wǎng),并且具有故障自診斷功能,維修極為方便,只需更換微機(jī)內(nèi)相應(yīng)插卡即可。 |
電器測(cè)量控制系統(tǒng):伺服閥電器測(cè)量控制系統(tǒng)大多數(shù)采用德國(guó)都利公司電箱,需自配計(jì)算機(jī)及軟件去管理電箱,顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù),打印報(bào)告等工作,一旦電箱出現(xiàn)故障,試驗(yàn)機(jī)廠(chǎng)家無(wú)能力維修。 |
性能:電液比例閥反應(yīng)速度較低,適合于靜態(tài)液壓試驗(yàn)機(jī)(頻寬Hz/-3dB)~25 |
性能:而伺服閥反應(yīng)速度較高,頻寬(Hz/-3dB)20~200,適合于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)。 |
閉環(huán)控制 |
閉環(huán)控制 |
性能價(jià)格比:高 |
性能價(jià)格比:低 |
三. 國(guó)內(nèi)外液壓力萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)技術(shù)性能對(duì)照,見(jiàn)下表
序號(hào) |
生產(chǎn)廠(chǎng)家
技術(shù)指標(biāo) |
金力公司
比例閥新產(chǎn)品 |
濟(jì) 南
WAW—500 |
日本島津
UDH |
1 |
最大試驗(yàn)力 |
1000 kN |
500 kN |
1000 kN |
2 |
試驗(yàn)力范圍 |
0.4~100% FS |
分六檔衰減50倍 |
分六檔衰減50倍 |
試驗(yàn)力精度 |
±1% |
±1% |
±1% |
3 |
變形精度 |
±0.5%FS |
±0.5%FS |
±0.5% FS |
4 |
位移測(cè)量 |
光電編碼器 |
差動(dòng)變壓器 |
光電編碼器 |
位移測(cè)量分辨率 |
0.002 mm |
0.05 mm |
0.05 mm |
5 |
等速率位移控制范圍 |
0.2~50mm/min |
0.5~50mm/min |
0.5~50mm/min |
等速率位移控制精度 |
±2% |
±3% |
±5% |
6 |
等速率負(fù)荷控制范圍 |
0.001~2FS /min |
0.1~2FS /min |
0.1~2FS/min |
等速率負(fù)荷控制精度 |
±1% |
±2% |
±5% |
7 |
等速率應(yīng)變控制范圍 |
0.1~100%FS / min |
0.1~100%FS / min |
0.1~100%FS/ min |
等速率應(yīng)變控制精度 |
±1% |
±2% |
±5% |
8 |
恒速率控制 |
±1% |
±2% |
±5% |
9 |
控制方式 |
比例閥組件
數(shù)字式控制 |
電液伺服閥
模擬式控制 |
電液伺服閥
模擬式控制 |
10 |
油缸型式 |
柱塞油缸
或雙向缸 |
雙向缸 |
柱塞缸 |
四. 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)
我公司采用美國(guó)AD公司電子器件生產(chǎn)的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),充分利用了小流量,寬調(diào)速范圍的電液比例閥及模糊PID數(shù)字式脈沖調(diào)寬閉環(huán)控制系統(tǒng),對(duì)電液比例閥的流量和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié)合高精度高分辨率(1/200000)電子測(cè)量技術(shù),實(shí)現(xiàn)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的高精度,寬范圍多功能的電液伺服控制。
五. 主要技術(shù)指標(biāo)
1.最大試驗(yàn)力(kN): 100、200、500、1000、2000
2.試驗(yàn)力測(cè)量范圍: 0.4%~100% FS (連續(xù)全程測(cè)量)
3.試驗(yàn)力測(cè)量誤差: ≤±1%(精密型±0.5%)
4.引伸計(jì)標(biāo)矩: 25、50、100mm 量程: 0~5m或10~25mm
5.變形測(cè)量范圍: 2%~100% FS (連續(xù)全程測(cè)量)
6.變形測(cè)量精度: ≤±0.5% FS
7.位移等速率控制: 0.2~50mm/min
等速率控制精度: ±2% 設(shè)定值
8.試驗(yàn)力等速率控制: 0.001~2 FS /min
等速率控制精度: ±1% 設(shè)定值
9.變形等速率控制: 0.1%~100% FS /min
等速率控制精度: ±1% 設(shè)定值
10.恒試驗(yàn)力、恒變形、恒位移控制精度: ±1% 設(shè)定值
六. 功能及特點(diǎn)
主要功能
1.自動(dòng)測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)采集、處理、繪制曲線(xiàn)及打印曲線(xiàn)報(bào)告。打印主要內(nèi)容:試驗(yàn)條件、原始參數(shù)、試驗(yàn)曲線(xiàn)(或局部放大曲線(xiàn))、試驗(yàn)結(jié)果(E、σp、σs、Fp、Fb、σb 、d、ψ)等。
注:伸長(zhǎng)率δ及斷面收縮率ψ需測(cè)量斷后伸長(zhǎng)和直徑輸入計(jì)算機(jī)。
可繪制的曲線(xiàn)有:應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)、力—伸長(zhǎng)曲線(xiàn)、力—位移曲線(xiàn)力—應(yīng)變曲線(xiàn)、力—時(shí)間曲線(xiàn)、變形—時(shí)間曲線(xiàn)、位移—時(shí)間曲線(xiàn)
2.測(cè)量系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)標(biāo)定、連續(xù)全程測(cè)量不分檔。
3.可進(jìn)行試驗(yàn)力、變形、位移等速率控制并保持。
4.無(wú)級(jí)調(diào)速,各種控制方式可在試驗(yàn)過(guò)程中任意切換。
5.曲線(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及曲線(xiàn)放大,在試驗(yàn)過(guò)程中可切換顯示七種試驗(yàn)曲線(xiàn)。
6.可自行設(shè)置控制參數(shù), 實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)運(yùn)行,可進(jìn)行三角波、正弦波、方波等低周循環(huán)及各種組合波形試驗(yàn)。
7.可進(jìn)行試驗(yàn)室間微機(jī)聯(lián)網(wǎng)。
8.可通過(guò)聯(lián)機(jī)幫助查看或打印軟件說(shuō)明、操作規(guī)程、注意事項(xiàng)等內(nèi)容。
主要特點(diǎn)
1.用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制完成全部試驗(yàn)過(guò)程,操作均由鍵盤(pán)及鼠標(biāo)來(lái)完成,并保留手閥加荷。
2.測(cè)量、控制系統(tǒng)采用,計(jì)算機(jī)插卡式設(shè)計(jì)(即計(jì)算機(jī)總線(xiàn)設(shè)計(jì))。試驗(yàn)力、變形測(cè)量分辨率可達(dá)1/200000。位移測(cè)量分辨率可達(dá)0.002mm。
3.試驗(yàn)軟件采用VC++語(yǔ)言編程,可在Windows98、2000、NT操作系統(tǒng)下工作。
4.采用先進(jìn)的數(shù)字式電液比例閥作控制元件,抗污染能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)故障運(yùn)行。
5.采用數(shù)字式脈沖調(diào)寬技術(shù),實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字式閉環(huán)伺服控制。
6.完整的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件接口供用戶(hù)使用,軟件升級(jí)只須通過(guò)郵寄光盤(pán)或E-mail傳送即可。
7.完善的軟件自檢功能,提示發(fā)生故障之處,無(wú)須廠(chǎng)家現(xiàn)場(chǎng)維修,只須更換計(jì)算機(jī)內(nèi)相應(yīng)的功能卡即可,維護(hù)簡(jiǎn)單方便。
8.測(cè)量準(zhǔn)確、功能齊全、可靠性高、操作簡(jiǎn)單、使用方便。是進(jìn)行仲裁檢驗(yàn)理想的先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備。已達(dá)到現(xiàn)代國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平。
9.液壓夾具夾持可靠,試樣受力均勻,試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
七. 結(jié)束語(yǔ)
電液伺服試驗(yàn)機(jī)分為動(dòng)態(tài)電液伺服和靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)兩種,伺服閥更適合于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī),而電液比例閥在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。電液比例閥式電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及老產(chǎn)品技術(shù)改造自開(kāi)始生產(chǎn)至今已有400多臺(tái),所有產(chǎn)品都正常工作,小至100kN大至15000kN微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)壓力試驗(yàn)機(jī)。20000kN、40000kN微機(jī)控制電液伺服臥式拉力試驗(yàn)機(jī)等。電液比例閥控制技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外最新控制技術(shù)填補(bǔ)了試驗(yàn)機(jī)行業(yè)空白,將電液比例閥成功運(yùn)用于靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī),打破伺服閥在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上的壟斷局面,使其具有更高可靠性、穩(wěn)定性及技術(shù)先進(jìn)性,為我國(guó)液壓試驗(yàn)機(jī)發(fā)展開(kāi)辟更為廣闊的前景。將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于普通液壓式試驗(yàn)機(jī)技術(shù)改造,使老產(chǎn)品更新?lián)Q代成為可能,使之達(dá)到與新的電液伺服試驗(yàn)機(jī)具有相同的技術(shù)水平,使用更為方便可靠。歡迎訂購(gòu)我公司產(chǎn)品,我們將以先進(jìn)的高技術(shù)產(chǎn)品、優(yōu)越的性能價(jià)格比回報(bào)廣大用戶(hù)。讓用戶(hù)買(mǎi)了放心,使用放心,使用上質(zhì)量可靠、穩(wěn)定性高、功能齊全、性能優(yōu)良、操作簡(jiǎn)單、使用方便的一代高科技產(chǎn)品。
文獻(xiàn): 新編液壓工程手冊(cè) 北京理工大學(xué)出版社 一九九八年十二月出版 |