教学液压试验台的设计

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1、教学液压试验台的设计摘要：当今世界高端的教学液压试验台生产技术，基本上已被美国、德国和日本所垄断。而国内目前不但教学液压试验台生产技术比较落后，同时教学液压试验台性能检测技术也非常落后，尚没有真正意义上的测试数据精确、实验功能全面的专业性综合性教学液压试验台。教学液压试验台发展的落后已经成为制约我国教学液压试验台生产技术发展的一个瓶颈。关键词：教学 液压 试验台 技术 随着改革开放的不断深入，我国的国民经济出现了前所未有的迅猛增长，我国的综合国力不断增强。与此同时，我国的液压技术也得到了前所未有的迅猛发展。液压技术俨然已经渗透到我国国民经济的诸多领域之中，并且不断应用在国民工业中。同时，液压技

2、术在机床、工程机械、农林机械、冶金机械、塑料机械、汽车船舶等行业领域中也得到了大幅度的应用和发展，已经逐步发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。液压气动传动与控制技术具有诸多独特的优点，如液压技术具有功率重量比大，压力、流量可控性好，体积小，频响高，易实现直线运动，可柔性传送动力等优点。而气动传动具有节能、无污染、安全可靠、结构简单、低成本等优点，并容易与微电子、电气技术相结合，实现系统自动控制。因此，液压气动技术广泛应用于国民经济各部门中。而现今采用液压传动的程度已经成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压传动作为一种传动方式，由于具备功率密度高，结构小巧，配置灵活，组

3、装方便，可靠耐用等独到的特点，已成功的应用于一切需要中等以上功率输出，并且需要对运动过程进行灵活控制和调节的地方，是现代化传动与控制的关键技术之一。然而，尽管液压技术在机械能与压力能的转换方面，已取得很大进展，但同时它在能量的损失和传动效率上仍然存在着诸多问题。因为，在液压系统中，随着油液不断的流动，有相当多的液体能量将会损失掉，这种能量损失不仅体现在油液的流动过程中的内摩擦损失上，还反映在系统的容积损失上，使系统能量利用率降低，传动效率无法提高。高能耗和低效率又使油液发热增加，从而使系统性能达不到理想的工作状况。这些问题给液压技术的进一步发展带来诸多障碍。因此，探索和研究高效的液压传动与控制

4、技术，提高其系统的综合性能就成为了液压技术领域研究的重点之一。资料表明，液压技术是作为能量传递或做功环节中必不可少的一部分。因而无论现在还是将来，液压技术在国民经济中都会占有非常重要的一席之地，发挥着无法替代的作用。与此同时，为应对日益加剧的国际竞争的新形势，我国液压行业中各企业都应该加快科技创新速度提升产品的市场竞争力，制造一批优质的产品来满足我国众多工程项目和科技发展的新需要。1液压及其试验台的发展现状 液压技术是实现现代化的传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给子很大重视。而当前世界液压元件的总销售额约为350亿美元。据不完全统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产

5、值的2%-3.5%, 我国只占到1%左右。这也充分的说明我国液压技术水平使用率比较低，而努力扩大液压技术的应用领域，对我国工业将有更加广阔的发展前景。液压气动技术具有相对独特的优点，比如液压技术具有功率重量比大，压力、流量可控性好，体积小，频响高，易实现直线运动，可柔性传送动力等优点。而气动传动具有节能、无污染、低成本、安全可靠、结构简单等优点，并容易与微电子和电气技术相结合，实现系统自动控制。因此，液压与气动技术广泛用于国民经济各部门。但是近年来，液压气动技术面临与机械传动和电气传动的激烈竞争，比如数控机床和一些中小型塑机已逐步采用电控伺服系统取代或部分取代了液压传动系统。其最主要原因就是液

6、压技术存在渗漏、维护性差等缺点。为此，必须努力发挥液压气动技术的优点，克服缺点，同时注意液压气动技术和电子技术相结合，并不断扩大应用领域，同时努力降低能耗，提高系统效率，适应新的环保需求，提高可靠性和安全性，这些都是液压气动技术继续努力的永恒目标，也是液压气动产品参与市场竞争，决定其能否取胜的关键因素。国外目前研究液压的最新方向是液压轴，所谓液压轴就是指在油缸上集成了伺服阀、传感器、伺服放大器、调解板、控制器等，然后用总线将众多的油缸连接起来，实现协调控制，这样就没有了液压阀站，只有能源站，从而可以大大减少设计工作量，并大大提高液压的自动化水平，这就是目前国际上研究发展的潮流。而目前中国已经研

7、究成功的数字教学液压试验台已经达到和超越了目前国外希一望实现的目标，并同时已经实现了液压轴的目的，而且是数字化的，在一系列领域应用中已经获得成功，表现出了极高的性价比。与此同时，国外的教学液压试验台发展也呈现出新的趋势，配有匀减速平稳制动的缓冲装置，如抛物线环隙节流、阶梯环隙节流、笛孔节流装置等，以及实现专业化生产，高压化和复合化。通常有以下一些复合的教学液压试验台出现:将泵、阀、缸、电机等元件组装成一体构成独立的液压装置;将气缸与教学液压试验台装在一起，利用气体推动教学液压试验台工作;将摆动教学液压试验台和推力教学液压试验台组装在一起，实现多自由度的动作要求;将不同行程的教学液压试验台串联起

8、来，经过不同的动作组合，进行各种不同长度的点位控制;将教学液压试验台分成二个油控，利用差动工作原理，实现六种不同速度的运动;将步进电机和带有反馈机构的滑阀与教学液压试验台装配成电液步进教学液压试验台;钢索教学液压试验台;缸筒能卷曲的教学液压试验台;带自锁装置的教学液压试验台。2液压教学实验的重要性2.1实验的重要性 在人类对自然界规律的探索和认识过程中，科学实验是必不可少的一个重要环节。可以说没有实验也就没有现代科学。当然，在科学实验中人是应一直居于主导地位的。人们在获得感性认识的基础上，必须通过头脑的综合和思维，上升成为理性认识，提出假设和广义的规律性结论。为了检验和验证理性结论的正确性，人

9、们还必须主动地、积极的投身到科学实验中去，用理论来指导实验的进行，并由实验结果的分析中来不断充实、验证和发展理论，增加理论的深度和广度。因此，对于每一个献身于科学的人，特别是工程技术人员，都应对所从事的学科中的实验技术予以充分的重视。 实验技术涉及的知识面比较广，如:机械学、电工学、计算技术、应用光学、液压流体力学、数理统计及现代控制理论等;且实验技术本身随着科学技术的发展，也在日新月异地更新和发展。 随着科学技术的发展，液压技术的发展也非常迅速，其应用范围也愈来愈广，因而对它的元件和系统的性能要求也就愈来愈高。因此，为了确定和考核液压系统及其组成元件完整的性能参数、品质指标等所进行的测试、实

10、验工作，也就需要满足更高的要求。液压教学要与液压技术发展同步，需要引进先进技术设备，让学生了解不断发展的液压技术状况，并通过教学实验掌握它们，以培养真正能够适应社会发展的液压技术人才。2.2液压实验设备的基本结构 液压实验设备是指在液压实验中，为完成一定的实验目的所使用的设备的总称。它主要包括三部分:实验对象、基本设备和辅助设备。具体如下: (1)实验对象它可以是实际应用的液压元件和系统、新研制的样机;也可以是为某实验目的而专门设计的实验装置，如喷嘴一挡板阀压力静特性实验装置等，这些俗称被试件。 (2)基本设备它们是进行液压实验时必备的主要设备。包括有液压源、实验台架和油箱等。 (3)辅助设备

11、它们是为完成一定的实验目的所需要的一些附加设备，如加载装置、冷却和加热装置、检测装置、过滤装置、环境模拟实验设备和安全保护装置等。3液压实验的自动化问题 对于实验工作者来说，其工作中心之一就是力求探讨简单易行的高效率实验方法、设计制造先进的测试仪器和实验设备。为此，必须经常了解和吸收先进的科学技术成果，并把它们及时引进到现实实验工作中来，以改进或代替原有的实验装置。其目的均在于“快”而“准”地获得所需要的实验数据。概括起来就是要实现实验过程全盘自动化。所谓全盘自动化，就是在没有人参与的情况下，从实验过程的程序控制、过程的监视、实验数据的采集、整理、分析，直到最后以数字显示、打印记录、绘出实验曲

12、线、以信息方式存贮等形式，快而准地提供所要求的实验报告。3. 1液压实验的自动化趋势 自六十年代以来的二十多年中，电子技术飞速发展，大规模集成电路的出现、数字化仪表的大量应用、数字计算机的推广和使用等，在此基础上，国外已有了以计算机为主题的自动测试系统，由此也出现了一门新的学科一计算机辅助测试。计算机辅助测试所设计的范围除了微型计算机和测试技术外，还有数字信号处理，可靠性及现代控制理论等。液压计算机辅助测试(CAT)是利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各种试验参数，如压力、温度、流量、转速、扭矩等参量进行数据采集、量化和处理并输出测试结果。在试验过程中，计算

13、机还可根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的目的，从而以高速、高精度完成对液压产品的性能测试。 在液压实验全盘自动化的过程中，液压实验领域己广泛引进了计算机，例如美国的MOOG公司制造了由计算机控制的电液伺服阀实验台、日本制钢所拥有的由计算机控制的液压泵性能实验台等。国内近年来有些单位也在着手进行这方面的工作，在计算机辅助实验(CAT)方面已取得了一些较好的成果。其实在液压实验室中，小规模的、局部的自动化仪器和装置己在普遍应用。例如实验参数的自动巡回检测、油温的自动控制装置、实验压力的超压报警和卸荷保护措施、驱动用直流电动机的调速和稳速装置、

14、可程序控制频率特性分析仪、快速富里哀变换分析仪以及各种带BCD输出的和GP-IB接口的数字式测试仪器等，都具有局部的自动功能和有较强的对自动化的适应能力。3.2计算机控制液压自动实验系统的组成 计算机控制的领域是非常广泛的，控制对象从小到大，从简单到复杂都可以用计算机控制。计算机既可以控制单个液压元件的运动方向，也可以调节液压系统的压力或流量。既可完成对单个回路参数的简单控制，也可进行复杂规律和多变量解藕控制、最优控制和自适应控制等。以计算机为主体的液压自动实验系统，能够以极高效率、快而准地得到完整的实验数据，保证了数据的精度和可靠性，大大地节约了人力和时间，改善了劳动条件。因此现在计算机控制

15、正逐步广泛应用在液压实验控制系统中。 一般以计算机为主体的自动实验系统是由硬件和软件两部分组成。软件是通过计算机能了解的一种高级语言而编辑的专门实验程序和数据处理程序，它可以以磁盘的形式提供。硬件一般包括计算机及其外围设备、实验台和控制装置。由于液压实验系统众多，控制方式不一，下面仅从两种典型的计算机控制液压系统来进行说明。 (1)开环控制系统一般的开环控制系统。控制器根据输入值去控制执行元件完成被控参数的要求。 在计算机控制中将控制器用计算机代替，计算机的输出信号是数字信号，如果执行机构是数字式元件，如:高速开关阀或数字式比例阀，就可以直接接到液压缸或液压马达上。如果是常规的比例阀或电液伺服

16、阀就需要在计算机输出口接一个数一模转换器(D/A)。 (2)闭环控制系统闭环控制系统是将输出信号反馈后和输入信号比较再进行控制的系统，因此具有控制精度高的优点，适合于控制性能要求高的系统。由于计算机完成控制功能的不同，有以下几种方式: 计算机作为输入信号处理器的控制系统所示的一个闭环连续控制系统，系统的输入、输出均是模拟量，计算机接收从键盘、数据存储装置或是更高一级管理计算机中获得的原始数据，数据输入该系统前必须经过数一模转换(D/A)，转换成模拟量才行。 计算机闭环控制系统(数字控制系统)虽然控制对象可以不相同，控制参数也可以有千差万别的变化，但对于计算机数字控制系统来说都具有共同的工作原理

17、和结构。下面的是一个轧钢厚度控制系统为例进行说明。图中，计算机和数一模转换器及模一数转换器等作为一个数字控制器，代替连续式闭环系统中的求和点和校正电路组成的模拟式控制器，除了实现校正电路功能之外，通过软件还能实现比一般模拟式电路难以实现的功能，获得比较优良的控制功能。为了实现数字信号与模拟信号之间的转换，在计算机输出端采用数一模转换器(D/A)，在反馈回路的厚度传感器后面增加一个模一数转换器(A/D)，以便在计算机上方便地进行信号处理。3. 3液压实验自动化的实施方案 概括起来说，任何实验设备不外乎要求具有两种功能，一为控制功能;一为测量功能。所谓控制功能一般包括:实验的开始和停止、实验步骤(

18、或程序)的排列、动力源的启动、实验参数的调节等等。此外，更重要的是要求在实验过程中，自动实验系统要具有一定的判断能力，如根据实验所得的数据作出参数调整的判断;出现故障时能及时查出故障所在位置，并作出停止或继续进行的判断。当然，有些控制功能的完成是要人来参与的。至于测量功能是容易理解的，除了在实验过程中测量出各个所需要的参数值外，还要求达到能整理、分析数据，对数据进行运算、显示、记录等，这就是数据处理的能力。上述这两方面的基本功能是互相依赖的。如控制功能对实验参数的调节就需要根据实时测量的数值;而参数的测量又是在控制功能的指挥下进行的。既然这两种功能概括了整个实验过程中的工作，所以实验自动化的着

19、眼点也就围绕着它们来进行。 (1)作为控制功能上的输入指令型式一般有: 触点开闭:它代表着逻辑状态的变化，是最简单的作为控制功能的输入指令。如液压泵驱动电机的起动按钮;用电接点压力表的上限触点控制电磁卸荷阀的超压保护装置。当触点处于断开位置(逻辑0状态)，液压实验系统正常工作。一旦压力达到上限值时，触点闭合，处于闭合位置(逻辑1状态)，在此控制指令下，电磁卸荷阀线圈通电，系统处于卸荷状态，即处于故障待查状态。 信号特征量的变化:对于模拟量信号而言，其特征量有振幅、频率、相位等;而数字量信号有高、低电平(或正、负电平)状态之分。这种信号的指令是以其特征量的变化来表现的，实验系统必须对它作出相应的

20、响应。它可以直接控制，也可以与反馈信号比较后，以误差信号的形式来控制。 (2)测量功能一般来讲，实验中任何参数都是可以直接被测量的。测量功能的任务是必须在规定的时间内快而准地完成被测参数的度量工作，然后以要求的形式提供测量结果。 在液压实验中，测量的结果主要有下列三种基本形式: 逻辑状态变化。这种形式的测量结果均是由各种触点开闭装置提供的。如压力继电器、电接点压力表和温度计等，它们所提供的信号表示被测参数在规定值以上还是以下。由于它们工作简单、结构也不复杂，因而相对于别的测量方式而言，价格也便宜。 量值大小的变化。这种测量结果大都是各种传感器提供的模拟量信号，都是比例于被测参数大小的电量信号。

21、 频率或周期的变化。这种测量结果一般是由产生脉冲输出的参数传感器提供的。以脉冲信号的频率(或周期)的变化表征着被测参数的量值变化。 综上所述，控制功能的实现是通过开环或闭环系统来执行的。主控信号由人设定或编入计算机程序:反馈信号由测量功能的各种传感器提供。这样，将主控信号与反馈信号进行比较以后，以误差信号的形式经过放大后输给执行机构(如直流伺服电机、步进电机、电磁铁等)，完成所要求的控制作用。4液压教学基本回路概况 液压回路按在液压系统中的功用可以分为:压力控制回路一控制整个系统或局部油路的工作压力;速度控制回路一控制和调节执行元件的速度;方向控制回路一控制执行元件的运动方向的变换和锁停;多执

22、行元件控制回路一控制几个执行元件相互间的工作循环。4.1速度控制回路 速度控制回路包括调速回路、速度换接回路、增速与减速回路等。但在液压系统中，调速回路性能往往对系统的整个性能起着决定性的影响，特别是那些对执行元件的运动要求较高的液压系统(如机床液压系统等)尤其如此。因此，调速回路在液压系统中占有突出的地位，其它基本回路则常是围绕着调速回路来匹配的。下面根据其重要性不同分别加以具体说明。 (1)调速回路按速度的调节方法分，调速回路有如下三种型式: 节流调速。即采用定量泵供油，依靠流量控制阀调节流入或流出执行元件的流量实现变速。节流调速回路根据所用流量控制阀的不同，有普通节流阀的节流调速回路和调

23、速阀的回路两种回路;又根据流量控制阀在回路中的位置不同，有进口节流、出口节流和旁路节流。 容积调速。即依靠改变变量泵和(或)改变变量液压马达的排量来实现变速。它有变量泵与定量执行元件(液压缸或液压马达)、变量泵与变量液压马达以及定量泵与变量马达等几种组合形式。容积式调速多采用闭式回路。 容积节流调速(联合调速)。即依靠变量泵和流量控制阀的联合调速。其特点是由流量控制阀改变输入或流出执行元件的流量来调节速度，同时又通过变量泵自身调节过程使其输出的流量和流量阀所控制的流量相适应。它就是有前面两种调速回路进行组合而成，在此不做详细介绍。 按油液在油路中的循环形式分，调速回路有如下两种回路: 开式回路

24、。油液在油路中的循环路线为:泵的出口执行元件油箱一泵的入口。开式回路的特点是结构简单，能使油液较好地冷却和使杂质沉淀，但油箱尺寸大，空气和杂物易进入回路中。由于节流调速回路发热较多，故实际应用中节流调速回路都采用开式回路。 闭式回路。油液在油路中的循环路线为:泵的出口执行元件一泵的入口。即油液形成闭式循环。闭式回路的特点上油箱尺寸小，结构紧凑，减少了空气和杂物进入回路的机会，但结构较复杂，油液散热条件差，需要辅助泵向系统供油，以弥补泄露和冷却。容积式调速回路要求结构紧凑、污染少，因此采用闭式回路较多，但也有采用开式回路的。 (2)快速运动回路与速度换接回路为了提高生产率，一般都要求执行元件在空

25、载行程时做快速运动，而在一些设备中，又常要求液压执行元件在一个工作循环中从一种速度变换成另一种运动速度，这就需要用到快速运动回路和速度换接回路。快速运动回路形式常有差动连接、用辅助液压缸、双泵供油等几种，速度换接回路中常有快进速度与工作速度换接和两种工作速度间的换接两种。4. 2方向控制回路 方向控制回路的作用是利用各种方向阀来控制液压系统中液流的方向和通断，以使执行元件换向、启动和停止(包括锁紧)。常用的有两种:换向回路与锁紧回路。由于在速度控制回路、压力控制回路及多执行元件控制回路中经常要用到换向阀来进行方向控制，锁紧也用在某些特定场合，这里不再做进一步的介绍。4. 3压力控制回路 压力控

26、制回路是利用压力控制阀来控制系统整体压力或局部压力的回路，主要有调压回路、保压回路、减压回路、增压回路及平衡回路等多种形式。调压回路中又分为单级调压、二级调压和多级调压回路。卸荷回路又分为执行元件需要保压和不需要保压的卸荷回路两种。减压回路又分为单级减压和二级减压回路。4. 4多执行元件控制回路 如果由一个油源给多个执行元件供油，各执行元件会因回路中的压力、流量的相互影响而在动作上受到牵制。我们可以通过压力、流量、行程控制来实现多执行元件预定动作的要求。多执行元件控制回路又分为顺序动作回路、同步回路、互不干扰回路和多路换向阀控制回路四种。这里主要介绍前两种。顺序回路中又有用压力控制式、行程控制

27、式和时间控制式三种回路，压力控制式中又可以采用顺序阀或压力继电器来实现压力顺序控制。同步回路又有液压缸机械联结、串联液压缸、采用调速阀的并联液压缸、采用同步液压马达等多种同步形式。5液压实验台教学回路的设计 通过对液压教学回路进行分析，结合己有实验台的实际情况对实验台的回路进行重新设计，共分成三大模块:调速回路块、压力回路块和多执行元件回路块。借助三大模块能完成十多种液压基本回路实验，学生可以自行设计回路，选择回路模块以外的元件自己组装，并通过编制相应的PLC控制程序变换来实现。下面分别对各个回路块的功能进行具体说明。 调速回路块功能。它可以实现变量泵的无级调速、进油节流调速、回油节流调速、进

28、回油节流调速、旁路节流和多种速度换接回路功能，综合了液体回路基本实验中的差动增速、换向回路等。该模块中工作缸25用变量泵5供油，负载缸26用定量泵6供油，两个泵各配置一个溢流阀用于限定回路最大工作压力，通过万能转换开关选择进入该模块。以下对其各种功能回路进行具体说明。变量泵的无级调速主要通过改变变量泵5的有效工作容积来实现，实验中通过旋动变量泵5的调节旋钮来改变其容量实现调速。 进油节流调速电磁铁通断如表2-2所示。实验台通电后按“进油调速回路”按钮启动该回路，再按定量泵“启动”按钮启动定量泵，调定溢流阀8的压力为负载回路最大压力，几秒钟后启动变量泵S，调定溢流阀7的压力为工作回路最大压力，至

29、此该回路实验准备工作完成;接着按“自动操作启动”按钮，回路开始自动运行，其过程如下:负载缸26活塞杆先伸出，接着工作缸25活塞杆伸出，通过控制程序自动变更负载回路端的比例溢流阀10的控制电流和电液比例阀控制器开关换接改变比例调速阀11控制电流进而分别改变负载压力和工作缸速度，以便上位机输出调速时的速度一负载曲线 (工作缸25进油口接压力传感器犯测量负载压力，工作缸的活塞杆端接速度传感器33测量工作缸的工进速度);当工作缸活塞杆触动行程开关4XK后，工作缸25活塞杆先缩回，触动行程开关1XK后，负载缸26活塞杆缩回，一次实验完成。若实验结果不满足要求，只须先用“复位”按钮使回路复位，再按“自动操

30、作启动”按钮就可再循环实验一次;若是要结束回路，先用“复位”按钮使回路复位，再停止变量泵5和定量泵6，关闭电源。 回油节流调速回路电磁铁通断。实验台通电后按“回油调速回路”按钮启动该回路，再先后启动定量泵6和变量泵5，分别调节溢流阀8和溢流阀7限定负载回路和工作回路的最大压力;接着按“自动操作启动”按钮，回路便开始自动运行，其过程如下:负载缸26活塞杆先伸出，达到设定时间后工作缸25活塞杆快速伸出，当工作缸活塞杆触动行程开关2XK后，工作缸25活塞杆工进，此时通过手动调节回油路上的调速阀12开度及控制程序自动变更比例溢流阀10的控制电流分别改变工作缸速度和负载压力，当工作缸活塞杆触动行程开关4

31、XK后，工作缸25活塞杆缩回，触动行程开关1 XK后，负载缸26活塞杆缩回，一次实验完成。同进油调速回路一样，选择再做实验一次或结束实验。 进回油节流调速回路电磁铁通断。实验台通电后按“进回油调速回路”按钮启动该回路，同回油调速回路一样，启动定量泵6和变量泵5，调定负载回路和工作回路的最大压力，按“自动操作启动”按钮回路自动运行，其过程与回油节流调速回路类似，主要区别在工作缸25工进时由控制程序自动变更比例溢流阀10控制电流和手动调节调速阀12开度结合电液比例调速阀控制器程控开关换接分别改变负载压力和工作缸工进速度，实现进回油共同调速。一次实验完成后，也如前面回路一样，选择再做实验一次或结束实

32、验。 旁路节流调速回路电磁铁通断如表2-5所示。实验台通电后按“旁路调速回路”按钮启动该回路，如前面回路一样，启动两个泵并调定回路最大压力，回路自动运行后过程如前面回路一样，主要区别在工作缸25工进时手动调节旁油路上的节流阀15开度和控制程序自动变更比例溢流阀10控制电流分别来改变缸速度和负载压力，实现旁路节流。一次实验完成后，也同前面回路一样来选择再做实验一次或结束实验。 速度换接回路可以通过控制比例调速阀开口和工作缸回油路上的两个单向调速阀开度来实现多种速度换接功能，这里以表2-6所示电磁铁通断状况的回路为例进行说明。实验台通电后按“速度换接回路”按钮启动该回路，如前面回路一样，回路自动运

33、行后，工作缸25先快进，触动行程开关2XK后，在单向调速阀12作用下I工进，触动行程开关3XK后，工作缸25在单向调速阀12和13共同作用下II工进，速度由快逐渐变慢。一次实验完成后，也如前面回路来选择再做一次实验或结束实验。两种工进速度分别通过调节单向调速阀12和同时调节单向调速阀12, 13的开度来改变，且两个单向阀开度都调节在比较小的位置。 减压回路电磁铁通断如表2-7所示。实验台通电后按“减压回路”按钮启动该回路，再按定量泵“启动”按钮启动定量泵6，调定溢流阀7压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，其具体过程为:工作缸25活塞杆先伸出，同时调节减压阀15开度，通

34、过测压点2接压力表测量减压后的压力即为工作缸工作压力，触动行程开关3XK后，工作缸25活塞杆缩回，一次实验完成。如实验情况不理想，可先用“复位”按钮使回路复位，再按“自动操作启动”按钮回路再自动运行一次;如要结束实验，也先按“复位”按钮使回路复位，再停止定量泵6，关闭电源。实验中通过调节减压阀15开度来改变工作缸工作压力。 二级调压回路电磁铁通断如表2-8所示。实验台通电后按“二级调压回路”按钮启动该回路，再按定量泵“启动”按钮启动定量泵6，调节溢流阀7压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，具体过程为:工作缸25活塞杆伸出，此时溢流阀8调定第一级压力，工作缸活塞杆开始I

35、工进，触动行程开关2XK后，此时溢流阀9调定第二级压力，工作缸活塞杆开始II工进，触动程开关3XK后，工作缸活塞杆缩回，一次实验完成。若要再做一次实验或结束实验，同减压回路一样操作即可。实验中通过调节溢流阀8和9的开度改变各级压力，由测压点1和2接压力表显示各级压力，并且溢流阀9的调定压力比溢流阀8高。 平衡回路电磁铁通断如表2-9所示。实验台通电后按“平衡回路”按钮启动回路，再按定量泵“启动”按钮启动定量泵6，调定溢流阀7压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，具体过程为，工作缸25活塞杆伸出，调节回油路上的顺序阀14开度使工作缸活塞杆平缓伸出，触动行程开关 3XK后，

36、工作缸活塞杆缩回，一次实验完成。要重做一次实验或是结束实验，如前面回路一样操作即可。实验中通过在活塞杆端增加祛码改变负载，相应调节顺序阀14开度使缸平缓伸出，实现平衡功能，并在测压点2接压力表测量工作缸的工作压力。 保压卸荷回路电磁铁通断如表2-10所示。实验台通电后按“保压回路”按钮启动回路，如平衡回路一样，启动定量泵6和调定回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，具体过程为:工作缸25活塞杆伸出，当回路压力上升到压力继电器设定压力，泵开始卸荷，由单向阀锁住工作缸工作压力，卸荷达到设定时间后工作缸活塞杆缩回，一次实验完成。要要重做一次实验或结束实验，如前面回路一样操作即可。实

37、验中通过改变压力继电器设定值来改变工作回路的保持压力。 双缸顺序动作回路电磁铁通断如表2-11所示。实验台通电后按“顺序回路”按钮启动回路，再按变量泵“启动”按钮启动变量泵5，调定溢流阀7压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，具体过程为:缸25活塞杆先伸出，触动行程开关2XK后，缸26活塞杆伸出，触动行程开关4XK后，缸25活塞杆缩回，触动行程开关1 XK后，缸II活塞杆缩回，触动行程开关3XK后，变量泵5停止，一次实验结束。若实验结果不满足要求，可先按“复位”按钮使回路复位，再启动变量泵5，按“自动操作启动”按钮，回路再运行一次，若要结束实验，先按“复位”按钮使回路复

38、位，再关闭电源。该回路利用行程开关来实现双缸的顺序动作，也可利用可编程控制器的定时器设定时间来实现缸顺序伸出和缩回，也可将二者结合起来共同实现。 同步回路电磁铁通断。实验台通电后按“同步回路”按钮启动回路，调定溢流阀7压力为回路最大压力，接着按“自动操作启动”按钮，回路自动运行，具体过程为:通过调节单向调速阀12, 13的开度使缸25,缸26活塞杆同时伸出，触动行程终点行程开关后，两个缸活塞杆同时缩回，一次实验结束。同双缸顺序回路一样选择重做实验一次或结束实验。 上述实验回路可以通过增加元件和扩充液压油路板的空间，组成更多的实验回路，同时对其电气控制硬接线和软件程序进行修改完成各种更为复杂的实

39、验教学回路，更好的满足教学需要，使教学实践环节更好的与工业应用结合起来，培养适应时代发展的液压技术人员。5. 1数据采集技术概述5.1.1数据采集系统应用概况 数据采集技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等问题。是以传感器、信号的测量与处理、微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术，其应用性很强。随着科学技术的不断发展，如光纤、超导、人工智能等新技术都应用于数据采集领域，数据采集技术也将会有广阔的发展及应用情景。 在智能仪器、信号检测与处理及工业自动控制领域等，都存在着信号的测量与控制的问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移、液位等模拟量转换为数

40、字信号，再搜集传送到计算机作进一步处理的这一过程，即为“数据采集”，相应的系统即为数据采集系统。 数据采集系统己在工业、农业、气象、医学等科技部门中获得了广泛应用，尤其是在空间技术中应用更为普遍和重要。例如在飞机和导弹的研制过程中，需要对速度、加速度、压力、温度、振动等一系列物理参数进行数据采集。在航天飞行器的遥感、遥测与遥控中，在自动飞行控制系统中，在气动、强度、发动机试验中，数据采集系统具有非常重要的作用。人们可以通过对信号的测量(数据获取)、处理、控制及管理来实现测、控、管的自动化与一体化。 随着电子技术的飞速发展，在现代测量和控制中，微型计算机已广泛的应用于测量和控制，形成各种各样的通

41、用或专用的微机测控系统，在这些应用中，数据采集系统是必不可少的。5.1.2数据采集系统的结构 数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。数据采集系统的输入又称为数据的收集;数据采集系统的输出又称为数据的分配。 模拟信号以数字形式收集后，便于存储、传输、处理和显示。数据收集的基本手段是模数转换。模数转换收集数据是将来自各式各样传感器的模拟量实时地、准确地测量或汇集起来，送入计算机实时处理，并输出相应的控制信号以实现对物理系统的控制或记录，显示当前值。数据收集系统一般有三种模式可供选择。 (1)规模较大的大型控制系统模拟信号采集数量多，而且需要进行比较复杂的实时处理和分析

42、，为了减轻中央控制系统的压力，可以单独采用一个数据采集处理计算机系统。再通过串行或调制通信，完成采集系统和主控系统间的信息交换。但这种方法耗资巨大，只适用于综合性的大工程。 (2)模块子系统方式用户根据工艺要求选用包含数据采集全套功能，甚至还包括数据分配全套功能在内的模块板。这种方法可以节省大量设计和调试工作量，把精力集中到开发应用软件上，且模块板都经过周密的设计和广泛的考验，无论在设计质量、可靠性和抗干扰措施上都是比完善的。 (3)折衷方案先用模块板开发，成功后再根据要求购买集成芯片并用印刷板来构成灵巧实用的模拟子系统。 数据分配是数据收集的逆向转换。在微机化的反馈控制系统中，数据收集是作为

43、控制系统的输入，微机通过数据分配系统输出控制功能来闭合过程控制回路。数据分配系统的特征指标有: 输出信号是电流还是电压，是否兼而有之，是否有隔离要求; 输出容量，指输出通道数(输出的模拟信号点数); 输出精度; 输出稳定时间。5. 2实验回路块的数据采集的实现5. 2. 1实验台回路系统数据采集的方式 在液压实验台控制系统中，由于要对回路中的压力和缸的工作速度等数据进行测量以验证理论的正确性，因而不可避免要对数据进行采集。为了实现对回路系统的自动控制，我们在原有液压元件基础上引入电液比例压力阀、电液比例流量阀、压力传感器、速度传感器来构成液压回路的闭环控制系统。通过压力传感器、速度传感器将回路

44、中的压力、速度转换成电信号，由PLC的模拟量扩展模块对其进行模数转换，个人计算机通过串口通信获取PLC的数字信号，对回路的压力、速度等进行采集和控制，并输出实验所需的曲线。5. 2. 2实验台回路系统中电液比例阀的选择 (1)电液比例阀的定义及特点电液比例控制阀是一种可以根据输入电气信号，按比例对工作油液的压力、流量和方向进行控制的液压控制阀。它的液压阀部分无特殊要求，工作原理与普通开关型阀类似，但由于采用比例电磁铁取代普通开关型液压阀的手动调节装置或普通电磁铁，因而可对液压参量进行远距离、高精度的连续控制。与开关型阀相比它的显著优点是: 采用电信号为输入量来对液流的参数进行控制，便于构成自动

45、控制系统; 被控制的压力、流量与输入电信号成正比，可以用改变输入信号的方法来实现对液流参数的连续控制; 具有优良的静动态特性; 抗污染性较好，工作可靠，使用维护要求较低; 制造方便，价格较伺服阀便宜。 (2)电液比例阀的选用选用电液比例阀时应考虑和注意以下问题: 选用前应详细了解元件的工作原理、主要功能、性能、综合考虑使用要求与价格因素，正确合理的选择阀的类型。 比例阀的功能参数选择应留有一定的裕量，一般额定压力、流量应高于系统实际使用值的10%-20%，性能参数应满足控制系统的要求。 许多型号的比例阀有板式连接和插装式结构，应根据实际系统的需要正确选择安装方式。 一般的比例阀有25%左右的零

46、位死区，在1 OHZ以下，只宜用于开环控制系统中，闭环控制系统应慎重选用高性能比例阀。 比例压力阀分为不同压力等级，应根据系统的实际工作压力范围正确选用之，才能达到预期的调节精度，提高阀的工作可靠性。 流量控制阀不仅有不同流量调节范围，还有不同流量变化型式，如是否线性变化，或加速、减速、各段加、减速度不同等。选用时可根据实际使用系统对流量变化要求考虑型号、规格。流量阀还应保证一个使阀能正常工作的压差。 方向阀要合理选择中位机能和过滤机能。为了使方向流量阀不受负载影响，可选用压力补偿器，稳定阀上的压降，提高流量稳定性。 工作介质不同对阀密封有不同要求，用于海水中的阀，需要特殊密封，选用时应注意产

47、品样本中的说明。 根据液压实验台控制系统的要求，参考以上原则，我们选用广州机械研究所生产的BQ-FBB- II型电液比例调速阀和BY-lOB型的电液比例压力阀，由于PLC能够接收的电压信号为0-5 V，电流信号为0-20mA，因此要选用与比例阀相配套的比例阀控制器来对比例阀的信号进行放大，并用PLC的程序来控制其动作，以实现调速回路的自动化，配套的比例控制器型号为BD-SPE-1000。5.2.3实验回路块中传感器的选用 (1)传感器的性能指标及其主要作用传感器的定义为:能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中

48、能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。由于电子技术的进步，使电学量具有便于传输、转换、处理、显示等特点，因此通常传感器用在将非电量转换成电量输出。作为一个非电量检测系统，为了能驱动显示、记录仪表，控制器或输入微机，即相对输出有一个具有一定精确度的输出，还需借助信号预处理电路，对电量信号进行必要的放大、运算、分析及特殊处理等。通常将这部分电路及基本转换电路统称为传感器的测量电路。目前传感器正向着集成化、功能化、智能化以及新材料、新工艺和新领域的方向发展。 传感器的优劣，一般通过若干主要指标来表示。主要指标如下: 闽值。指能使传感器输出端产生

49、可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。 漂移。指一定时间间隔内传感器输出量存在有与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。 过载能力。指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。 稳定性。传感器在具体时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期表示，可用相对误差，也可用绝对误差。 可靠性。它可包括以下指标:工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等。 传感器工作要求。各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，

50、但对它们的主要性能要求都是一致的。这些要求是:高精度、低成本;高灵敏度;稳定性好;工作可靠;抗干扰能力强;动态特性良好:结构简单、使用维护方便、功能低等。 传感器的作用主要在于: 信息的收集。科学研究中的计量测试，产品制造与销售中所需的计量等都要由测量而获得准确的定量数据。对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息转换为数据。对系统或装置的运行状态进行监测，也由传感器来实现，发现异常情况时，发出警告信号并启动保护电路工作，这样也可以对系统或装置进行正常运行与安全管理。判断产品是否合格，或人体各部位的异常诊断等都需要由传感器的测量完成。 信息数据的交换。把以文字、符号、代码、图形等多种

51、形式记录在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据。或者读出记录在各种媒介体上的信息进行交换。 控制信息的采集。检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。 (2)传感器的选用考虑与使用传感器有关的事项，购买传感器时要注意的事项如下: 与测量有关的事项 .测量的目的; .被测量的选择; .测量范围; .超标准过大的输入信号的产生次数; .精度要求; .测量所需的时间。 与传感器性能有关的事项 .精度; .稳定性; .响应速度; .模拟量与数字量; .输出量及其数量级; .对被测物体产生的负载效应; .校正周期; .超标准过大的输入信号保护。

52、 与使用条件有关的事项 .设置场所; .环境条件(温度、湿度、振动等); .测量时间; .与显示器之间的距离; .与其它设备的连接; .所需功率容量。 除以上几点外，还应估计被测量有很大变动时的情况，希望平常使用时的显示应在满刻度的50%以上来选择测定范围或刻度范围，以提高精度。 参考以上原则，实验台液压回路控制系统中最大压力为6MPa，由于实验室现有一个最大压力为20MPa的压力传感器和配套放大装置，从节省经费来考虑，直接利用它来对调速回路的系统压力进行测量。实验台液压回路系统中液压工作缸的工进速度最大不会超过1 Om/s，据此选择安徽传感器厂生产的SD-300速度传感器并配一个变送器对其信

53、号进行放大。6实验台回路控制系统的总体设计和开发思想6. 1实验台回路系统总体控制思想 在对实验台回路进行重构和所需测量元件进行选型后，我们选用PLC结合个人计算机监控程序实现对回路的控制。PLC程序主要控制电气线路中电源的输出和回路中各个按钮的通断电，实现各个执行液压缸动作的先后过程，并对实验所需的压力和速度的电信号进行模数转换和存储。上位机通过与PLC的串口通讯读取数据并对回路动作进行监控，以输出实验所需的曲线。个人计算机还配接打印机，以打印实验曲线，便于实验者对实验结果进行分析。6. 2可编程控制器系统的设计6. 2. 1可编程控制器的概况及发展趋势 (1)可编程控制器的特点和功能可编程

54、控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，面向控制过程，适应工业环境，简单易懂、操作方便，是可靠性较高的新一代通用控制装置。其特点为: 可靠性高，抗干扰能力强。 适应性强，应用灵活。 编程方便，易于接受。 控制系统设计、安装、调试方便。 维修方便、维修工作量小 功能完善 主要功能为: 开关量控制功能。现代PLC可以取代传统的继电器，完成开关量的控制。PLC中所有软继电器及其触点数量很多，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。 模拟量控制。PLC中的微处理器CPU只处理数字量，PLC中配置了A/D和D/A转换模块，把现场输入的模拟量经AlD转换后送微处理器处理。而微处理器处

55、理结果的数字量，经D/A转换后，变换成模拟量控制被控设备，以完成对连续量(温度、压力、流量、液位和速度等)的控制。 定时控制。PLC可以提供相当数量的定时器，定时时间可在较大范围内任意设定，使用非常灵活、方便。 计数控制。PLC具有众多计数器，完全能满足生产过程的计数要求。 步进控制。PLC中设置了一定数量长度可变的移位寄存器，很容易满足各种步进控制要求。 数据处理。一般PLC都设置有四则混合运算指令，可以很方便地对生产过程中的数据进行处理。 自诊断功能。PLC对电源、程序语法、运行状态等作自诊断，并用代码显示诊断结果，在发生异常时能自动终止运行。 定位控制。PLC中的轴定位模块可以组成开环或

56、闭环定位控制系统，以控制加工时的定位运动、可变速定位运动、强制定位运动和自动找原点等。 通讯联网功能。某些控制系统需要多台PLC连接起来使用或由一台计算机与多台PLC组成分布式控制系统，PLC配置的通讯模块可以满足这些通讯联网要求。 显示打印功能。PLC可以连接显示终端和打印机等外部设备，从而实现显示和打印功能。 (2)可编程控制器技术的发展趋势可编程控制器最新发展动态主要在以下两个方面: PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势，一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计

57、算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质(比如双绞线，同轴电缆，光缆)连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。 PLC向高性能小型化发展。PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-ON系列PLC，最小的机种，体积仅为60 x90 x70mm2相当于一个继电器，但却具有高速计数

58、、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了。用PLC同样可以构成一个过程控制系统。6.2.2采用可编程控制器的优势 要考虑确定一台设备或一个系统究竟采用哪类控制装置，在相当程度上取决于所需要的输入输出模块数量。各类控制装置的成本比较，从图中可以看出可编程控制器本身的成本虽然比较高，但随着输入输出

59、点数的增加，成本的上升却是缓慢的。反之，采用继电器控制装置，虽然价格比较便宜，但当输入输出点数增加时，要增加相当部分的内部转换接线，导致成本显著上升。对可编程控制器来说，其基本费用除了存取器容量随用户程序扩大需增加费用外，其它费用基本上保持不变。因此，对一个容量较大的程序，采用可编程控制器是适宜的。 从影响成本的各种因素来考虑控制装置的经济性，可编程控制器也有很明显的优势。可编程控制器的的硬件生产成本虽然占了较大的比重，但其系统安装、设计等费用大为降低，因此，它与继电器控制装置或二极管矩阵式控制装置相比，总的生产成本仍然很低。 由于可编程控制器允许采用平行的工作方式，因此一旦确定需要的输入输出

60、点数，就可立即着手硬件的配置与布线工作。采用的传统的控制装置，则必须在全部设计工作完成，确定了具体的布线方案后才能着手装置的机械安装与布线工作。如果调试出错，还得重新返工。这样从系统设计和制造周期来看，可编程控制器有很高的经济效益。因此采用可编程控制器对提高设计、制造工效，加快产品的更新速度，都是比较有利的。6.2.3可编程控制器的系统设计 (1)可编程控制器的系统设计特点可编程控制器的结构和工作方式与通用微型计算机不完全一样。因此，用可编程控制器设计自动控制系统与微机控制系统开发过程也不完全相同，需要根据可编程控制器的特点进行系统设计。可编程控制器与继电器控制系统也有本质区别，硬件和软件可分

61、开进行设计是可编程控制器的一大特点。因此采用可编程控制器进行控制系统设计时，可以一边做硬件电路，一边编制控制程序，在都作好后与设备联机调试，可以缩短工期，可靠性更高。 (2)可编程控制器控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则: PLC的选择除了应满足技术指标的要求之外，特别应指出的是还应重点考虑该公司产品的技术支持与售后服务的情况，一般应选择在国内特别是在所设计的系统本地有着较为方便的技术服务机构后较有实力的代理机构的公司产品，同时应尽量选择主流机型。 最大限度地满足被

62、控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的实际人员和实际操作人员密切配合，共同拟订电气控制方案，协同解决实际中出现的各种问题。 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 保证控制系统的安全、可靠。 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。 当然对于不同要求的侧重点也不一样，设计的原则应有所区别，如果以提高产品产量和安全为目标，在应将系统可靠性放在设计的重点，甚至考虑采用冗余控制系统;如果要求系统改善信息管理，则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化。 (3) PLC控制系统设计的主要内容PLC控制系统是由PLC

63、与用户输入、输出设备连接而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。因此，PLC控制系统设计的主要内容应包括: 根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算，首先进行系统的总体设计。 根据控制要求基本确定数字I/O点和模拟量通道数，进行I/O点初步分配，绘制I/O使用资源图。 进行PLC系统配置设计，主要为PLC的选择，PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择PLC，应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。 选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以