（机械电子工程专业论文）基于组态的车轮径向疲劳试验机系统研究.pdf

摘要 随着我国汽车产业的发展，车轮试验机作为检验车轮性能的重要设备也在不断发 展。本文论述了基于组态技术，应用现代控制理论对车轮径向试验机的研究。首先对 加载系统进行了建模和仿真。然后根据工艺要求设计了控制系统的硬件组成，通过参 数计算选择多种电气元件，设计流程图，应用p l c 软件进行s t e p 7 2 0 0 程序的编制； 应用m c g s 组态软件进行人机界面的设计，最后进行设备的安装、调试。 经调试，设备运行稳定，各项工艺参数达到设计要求，主要技术指标超过同类设 备。 关键词：组态m c g s径向疲劳试验机 a bs t r a c t a l o n g 、析mt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o t i v ei n d u s t r y , w h e e le x p e r i m e n ta st h e i m p o r t a n te q u i p m e n tu s e di n s p e c t i n gw h e e lp e r f o r m a n c ei sd e v e l o p i n gt o o t h i sa r t i c l e b a s e do nc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , a p l i e dm o d e mc o n t r o lt h e o r y , i sa b o u ts t u d i e sf o rw h e e l s r a d i a lf a t i g u et e s t e r f i r s t l y , m o d l i n ga n ds i m u l a t i o n gi sd o n et ot h el o d as y s t e m a c c o r d i n g t ot h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sd e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eh a r d w a r e ，c a l c u l a t e p a r a m e t e r sa n dc h o o s eav a r i e t yo fe l e c t r i c a lc o m p o n e n t s t h e nd e s i g nf l o wc h a r t s p r o g r a m m ef o rs t e p 7 2 0 0a p p l i c a t i n gp l cs o f t w a r ea n dd e s i g nh u m a n - - m a c h i n ei n t e r f a c e a p p l i c a t i n gc o n f i g u r a t es o f t w a r en a m e dm c g s f i n a l yi n s t a l la n dd e b u gt h ee q u i p m e n t 、t h r o u g hd e b u g g i n g ，t h em a c h i n eo p e r a t e ss m o o t h l y v a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r st o m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i t sm a i nt e c h n i c a li n d i c e sa r es u p e r i o rt os i m i l a re q u i p m e n t k e yw o r d s ：c o n f i g u r a t em c g s r a d i a l f a t i g u e t e s t e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于组态的车轮径向疲劳试验机系统研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论 文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 导师签名： 第一章绪论弟一早瑁比 1 1 引言 汽车车轮是汽车的重要部件，汽车与地面之间的所有相互作用力和力矩( 例如驱动 力、制动力、侧向力、垂直力以及回力矩等) 都是通过车轮传递，因此车轮对汽车的多 种性能有重要的影响，尤其是安全性和可靠性。由于车轮是回旋体，所以要求尺寸精 度高，平衡度好，支撑轮胎的轮辋外形( 包括轮廓、尺寸、形状) 正确，而且具有一定的 刚度和弹性，耐疲劳，重量轻。车轮承担整机的重量与各种工作负荷，同时把路面的 工作反力传递给车架。车轮还是行走、支承、导向和缓冲的构件。车轮结构的优劣对 机车能否行驶及行驶性能的好坏有很大的影响。车辆的作业环境复杂，施工条件恶劣， 在行驶或作业过程中振动强烈，不仅降低了机器的使用寿命与工作性能，而且还通过 各种途径传递给驾驶人员，使驾驶人员产生疲劳，而地面不平度的随机激励是整机的 主要振动源，车轮便是这个振动的直接传递者，那么车轮性能的好坏就显得尤为重要 了。 车轮试验机是检验车轮性能的设备，它一般包括车轮径向疲劳试验机、车轮弯曲 疲劳试验机、车轮冲击试验机等。随着人们对汽车性能的要求不断提高，车轮试验机 的性能也在不断提高。2 1 1 2 发展现状及前景日 自1 8 8 6 年德国人卡尔奔驰发明了世界上第一台以汽油为动力的汽车以来，世界 汽车工业已经历了1 0 0 多年的发展历程。随着汽车技术的进步，汽车产品质量监督方 面的检测能力和水平也在不断的增强、提高。车轮径向疲劳试验机作为三种重要车轮 检测设备之一，也在不断的发展和完善。 车轮径向疲劳试验机在国外应用较早，然而随着我国汽车工业的快速发展，国产 车轮径向试验机在许多方面己达到了世界一流水平。 目前绝大多数车轮径向试验机都采用双工位工作( 一个转鼓带动两个车轮旋转) ， 只是在力加载方式及速度加载系统上有所区别。如长春金成公司的t c 系列车轮径向试 验机( 见图1 1 ) ，采用变频电机带动转鼓旋转，采用由伺服电机、减速器、滚珠丝杠、 测力计、力传咸器、调心轴承、调心轴承限位机构、位移测量装置、位移传感器等构 成的加载机构，对车轮进行直线加载。该机最大特点是设计一个动态前束角加载机构， 即可以使车轮以一定角度与转鼓接触。德国m a k r a 公司生产的车轮径向疲劳试验机 与国产试验机区别在于采用双轴滑轨设计，并增强了设备的软件功能，如只需对每个 车轮进行1 0 0 0 k m 的疲劳测试，即可获取通常行驶3 0 0 0 0 0 k m 后的结果。东风车轮公司 的r a d 3 0 2 型车轮径向疲劳试验机( 见图1 2 ) ，采用美国标准试验设备公司制造。 适用车轮：1 2 ” - - - - 2 8 ”；最大径向载荷：1 3 6 k n ；转鼓直径：6 7 2 2 7 英寸( 即1 7 0 7 6 c m ) ； 轮胎外径：可达1 3 9 0 r a m ：试验车轮轮辋宽度可达2 0 英寸( 即5 0 8 m m ) 。该机采用直 流电机及直流调速器进行速度加载，力加载方式为液压加载。 科技的进步带动车轮径向疲劳试验机发展，使之呈现出高精度、多样化、智能化 的发展趋势。随着我国汽车工业的快速发展，车轮径向试验机的市场将会越来越大。 图12 车轮径向疲劳试验机( 美国标准试验设备公司) 1 3 车轮径向疲劳试验机的目的及意义 系统模拟车轮行驶状态，由p l c 通过高精度传感器及旋转编码器采集车轮的运动 信息后，通过直流调速器( p i ) 调节转速，使其精度偏差小于设定值的o8 ；通过液 压系统调节加载力的大小使其精度偏差小于设定值1 。系统具有操作简单，测试准确， 可靠性高等特点。 车轮径向疲劳试验机是三种常用车轮试验机的重要一种。用于在一定条件、环境 下测定车轮径向机械性能、丁艺性能、内部缺陷等。在研宄探索新材料、新工艺、新 技术和新结构的过程中，车轮径向试验机是不可缺少的重要测试仪器之一。对有效使 用新材料、改进工艺、提高质量、降低成本、保证安全可靠等都具有重要意义。 1 4 车轮试验机的原理和相关技术 1 原理4 卜1 0 1 动态车轮径向试验机的基本原理较简单，模仿车轮在路面行进的环境，即：车轮 在加载力的作用下与转鼓接触，转鼓在电机的驱动下带动车轮旋转一定的转数，这样 就可以检验车轮径向疲劳特性。实验过程如下： ( 1 ) 试验设备 试验台应有一个转鼓，它具有比承载试验轮胎断面宽度要宽的光滑表面，最小转 鼓直径一般为17 0 0 m m 。试验车轮的加载方向应与转鼓表面垂直，并与试验车轮和转鼓 的中心在径向成一直线。转鼓的轴线与试验车轮的轴线平行。该设备应满足如下要求， 如图1 3 所示： 转蚊 图1 3 车轮径向疲劳实验设备示意图 ( 2 ) 试验程序 为试验车轮所选用的轮胎，应是与车轮厂或汽车制造厂规定的最大承载能力相 匹配的轮胎。对辐板式车轮来说，试验连接件应与装在车轮上的轮毂相当，并用规定 车轮使用的螺栓和螺母进行装配。车轮螺母拧紧到由车轮厂或汽车制造厂根据所使用 的螺栓、螺母大小和型式而规定的转矩极限值。在试验过程中要周期性的检查和调整 螺母转矩，以补偿螺母和螺栓孔配合面的磨损，螺栓、螺母不允许润滑。 试验载荷和轮胎充气压力根据车轮而定。推荐试验时轮胎气压如表1 1 所示。 表1 1 试验轮胎气压( k p a ) 在使用载荷下的充气压力 轮胎充气压力 3 1 04 5 0 3 2 0 4 5 05 5 0 4 6 0 5 8 06 9 0 5 9 0 7 2 09 0 0 7 3 0 8 3 01 0 0 0 径向载荷的确定 径向载荷f r 用牛顿( n ) 计量，由下式确定： 一3 一 f r = f k 式中：f 卜径向载荷，n ； ( 1 1 ) f 一车轮厂或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或车轮的额定负 荷，n ； k 一强化试验系数 试验载荷系数和最低循环次数见表1 2 。 材料轮辋名义直径代号i n偏距m i l l强化系数k最低循环次数 1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ( d cw d c ) 1 6 5 ，1 7 5 ，( 1 5 0 d c ) 2 2 5 x 1 0 5 1 5 1 6 ( s d c ) 2 o 1 5 ，1 7 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 ( w f b ) 1 87 x 1 0 5 钢车轮全部 1 6 1 0 x 1 0 5 2 o 5 x 1 0 5 19 5 ，2 2 5 ，2 4 5 ( 15 0 d c )1 87 x 1 0 5 1 6 1 0 x 1 0 5 1 8 ( d t ) 2 o 5 1 0 5 表1 - 2 径向疲劳试验载荷系数和最低循环次数 失效指标 a 车轮不能继续承受载荷或保持气压； b 出现侵入车轮断面的可见疲劳裂纹。 2 相关技术 ( 1 ) p l c 技术川2 1 p l c 的组成与基本结构 p l c 主要由中央处理单元、输入接口、输出接口、通信接口等部分组成( 见图1 4 ) 。 一4 一 图1 4p l c 硬件结构图 p l c 的循环扫描工作过程( 见图1 5 ) p l c 的c p u 是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一 个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为c p u 对程序的扫描。p l c 的用 户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。c p u 从第一条指令开始， 顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫 描。 用 户 输 入 设 备 输 输输 输 入 入 写 出输 输 入 影 读 程序 影出 出 端 _ 锁 斗像 像锁 存 寄 执行 端 r寄 存 子 存 读 存 器 子 器 器器 ( 2 ) a o l , g g 面技g ：1 3 1 图1 5p l c 的扫描工作过程 一a 一 用 户 输 出 设 备 人机界面( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，简写h c i ，又称用户界面或使用者界面) ：是 人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分。 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域 都存在着人机界面。特定行业的人机界面可能有特定的定义和分类，比如工业人机界 面( i n d u s t r i a lh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e 或简称i n d u s t r i a lh m i ) 。 人机界面的设计过程可分为以下几个步骤： 创建系统功能的外部模型设计模型 确定为完成此系统功能人和计算机应分别完成的任务 考虑界面设计中的典型问题 ( 3 ) p i d 技术1 8 1 在模拟控制系统和直接数字控制d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 系统中，p i d 控制 一直是被广泛应用的一种基本控制算法。p i d 即为比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 、 微分( d i f f e r e m i a l ) 三作用调节器，具有结构典型、参数整定方便、结构改变灵活( 如p 、 p i 、p d 和p i d ) 结构、控制效果较佳、可靠性高等优点。 1 5 课题来源和研究内容 该课题是为广东省技术监督局解决“如何提高车轮径向疲劳试验机的精度及可靠 性”而展开的研究。 主要研究内容如下： 车轮径向疲劳试验机的加载系统 车轮径向疲劳试验机的调速系统 车轮径向疲劳试验机的人机界面 一6 一 第二章系统设计 车轮径向疲劳试验机主要由两大系统组成，加载系统和调速系统，加载系统通过 油缸向车轮施加加载力，调速系统通过直流电机带动车轮旋转。两系统均由p l c 进行 控制。 2 1 总体设计 1 原理简介 车轮径向疲劳试验机主机部分简图如图2l 所示，主要由机架、油缸、电机、转鼓 组成，试验对象是车轮。车轮在油缸一定作用力下与转鼓接触：转鼓在电机的驱动下 以定速度带动车轮旋转。 翻21 车轮径向疲劳试验机机械主体简图 2 车轮径向疲劳试验机的要求“卜“ 奉试验装置主要用于汽车车轮的动态径向疲劳试验，检验车轮的动态径向疲劳性 能，并应该满足以下标准对于试验方法和设备的要求：g b t5 3 3 4 2 0 0 5 乘用车车轮 性能要求和试验方法、g b t5 9 0 9 1 9 9 5 载货汽车车轮性能要求和试验方法、i s 0 3 0 0 6 道路车辆一轿车车轮试验方法和i s 0 3 8 9 4 道路车辆一载货汽车一车轮轮辋一试 验方法，并应充分考虑试验装置对可能出现的新的国际标准、国家标准和行业标准的 适用程度。 r 1 1 配置要求： 根据国标及用户提出的工艺参数。我们设计的这台车轮径向疲劳试验机需满足下 列要求( 见表2 1 ) ： 表2 1 车轮径向试验机的配置要求 序 序号主要配置主要配置 号 1 高稳定性钢制机架； 7 2 套轮胎失压保护装置，避免撞车； 2 精密液压伺服闭环加载系统； 8 2 套自动刹车装置，制动时间可调； 3 驱动转鼓 9 2 套独立的转数记录装置； 2 套轮胎冷却通风装置，试验时降低胎 4 驱动系统 1 0 面温度，减少爆胎次数； 5 全数字直流调速装置； l l 计算机控制系统 6 2 套轮胎防爆装置，避免撞车及损坏机器； ( 2 ) i 作条件： 环境温度：o 。c 4 5 。 相对湿度：不大于9 5 。 ( 2 ) 技术规格： 双工位结构。 试验车轮直径范围：1 2 英寸 - 2 6 英寸、宽度：4 英寸1 2 英寸。 试验负荷：最大8 0 0 0k g f o “ 加载方式：液压伺服闭环加载，载荷精度士1 。 试验速度：最大15 0 k m h ，精度士1 。 转鼓直径：1 7 0 7 6 m m 。 宽度：不小于4 5 0 m m 。 显示计数容量：1 o 1 07 r 。 转鼓经过精密动平衡，不平衡量小于5 9 。 车轮脱离设计：当测试时间、圈数达到设定值时，负载机构上自动脱离。 具备车轮安装设备，利用升降及滚筒机构提供车轮的装卸功能。 具有安全防护功能和设施，安全防护门打开时不能试验，试验中具有安全报警 提示功能。 控制系统具有零电压保险功能，即在突然停电或由于其他原因使正在运行的 程序中断时，所有的数据将被存储起来，程序停止运行并卸载。设备重新启动后无 需重新输入，可继续进行试验。 车轮连接盘： 一8 一 表2 - 2 车轮连接盘参数 型式孔数 螺孔分度圆直径( p c d )数量 49 81 0 81 1 2 a1 个 61 1 2 41 0 01 1o1 1 4 3 b1 个 61 2 7 41 0 01 1 4 31 2 0 c l 个 61 3 9 7 d51 0 01 0 81 1 01 3 02 个 e51 1 21 2 01 3 01 3 9 71 个 f59 81 1 4 31 2 71 3 02 个 3 总体方案设计4 1 6 卜1 9 1 根据上述要求，确定本车轮径向疲劳试验机基本应由人机界面、p l c 、电气系统、 液压加载系统、直流调速系统以及检测反馈系统组成。如图2 2 。 图2 2 系统框图 人机界面，顾名思义是用于完成人和机器交互的工具。主要完成有关参数的设定 和机械工作状态的图形显示、状态参数的时时显示以及报警等功能。其设计包括触摸 屏的选择、图形的组态仿真、软件程序的设计以及与p l c 通讯方式的设计。 p l c ，可编程控制器的简称，通过输入、输出模块控制整个设备的运行过程。 电气系统，这里指配电电器和控制电器。包括开关、断路器、继电器、接触器等。 主要作用是将p l c 输出的软电信号转化成强电( 3 8 0 v 2 2 0 v ) ，用以控制电机的起动、 停止或电磁离合器的抱紧、松开等。 检测反馈系统，包括各种传感器、行程开关、编码器等装置，用于检测车轮的位 置、转速、载荷等数据，并将这些数据传递给p l c 。 液压加载系统，严格意义上说包括p l c 和检测系统，这里是指液压站、单向节流 阀、溢流阀、电磁换向阀、比例伺服阀、油缸等，其作用是将一定大小的力传递给车 一9 轮，并时时调节输出力的大小，将其控制在允许的精度范围内。 直流调速系统，严格意义上说包括p l c 和检测系统，这里是指直流电机、直流电 机风机、直流调速器等。它和p l c 、检测系统配合通过调节电机转速，进而控制转鼓 和车轮的转速。 2 2 液压加载系统的数学建模及仿真 非对称缸是指液压缸活塞两侧的有效作用面积不等的油缸，即单出杆液压缸。这 种液压缸具有占用工作空间小、制造简单、结构紧凑、承载能力大、成本低廉等优点， 因而得到了广泛的应用。特别是在强度试验中，采用的全是此类油缸。但是由于非对 称液压缸两腔的有效作用面积不相等，使流经液压缸两腔的流量不相等，而对称阀四 个控制边相同，使得伺服阀两对截流口的阀压降不同，造成活塞杆伸出、缩回两个方 向运动时流量增益不等，系统静、动态特性出现较大差异，产生严重的非线性。 1 电液伺服加载系统的工作原理 电液伺服加载系统主要由伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、控制器和力传感器 等组成。 电液伺服加载系统工作原理：当指令装置发出的指令电压信号作用于系统时，液 压缸便有输出力，该力由力传感器检测转换为反馈电压信号与指令电压信号相比较， 得到偏差电压信号。此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服阀，使伺服阀产生负 载压差作用于液压缸活塞上，使输出力向减小误差的方向变化，直至输出力等于指令 信号所规定的值为止。其原理如图2 3 所示。 电液饲缀规载系统 图2 3 电液伺服加载系统结构简图 2 数学模型的建立 ( 1 ) 电液伺服阀的数学模型 在电液伺服系统中，电液伺服阀用于连接系统的电气与液压部分，将输入的小功 率电信号转变为阀的运动，而阀的运动又去控制液压能源流向液压执行机构的流量与 压力，实现电、液信号的转换和放大，以及对液压执行机构的控制。电液伺服阀的控 制精度高、灵敏、动态性能好、响应快、频带宽，因此在液压控制系统中得到广泛应 一1 0 一 - -r；l；i。iii。 ， 用，是系统的核心部分。 原理上，实际使用的频率小于5 0 赫兹时，伺服阀的传递函数可简化为一个一阶 的形式。但是，为了更为精确的反映其动态特性，在此用一个二阶环节来描述： 姒垆譬。杰 g l ， 国 国” 其中，瓯一电液伺服阀的输出流量( m 3 s ) ； ，。一电液伺服阀的输入电流( a ) ； k 。一电液伺服阀的流量增益( m 2 s ) ； 一电液伺服阀的固有频率( r a d s ) ； 厶一电液伺服阀的阻尼比( 无量纲) 。 ( 2 ) 加载缸的数学模型 伺服阀的流量方程 假定：阀是零开口四通滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，供油压力p s 恒定， 回油压力p o 为0 。 伺服阀流量方程进行线性化： g l = k q ! x ，一k c l p l ( 2 2 ) 9 2 = k q 2 x ，一k c 2 p 2 ( 2 3 ) 液压缸流量连续性方程( 忽略外泄) ： 吼_ c 棚一最) “鲁+ 丢鲁 ( 2 4 ) g ：- c 郫一最) 鹄鲁+ 老鲁 ( 2 5 ) 等号右边第一项是经过活塞密封的内泄漏流量，第二项是推动活塞运动所需的流 量，第三项是油液压缩和缸体变形所需的流量。 液压缸和负载的力平衡方程 液压动力元件的动态特性受负载特性的影响。负载力一般包括活塞与负载的惯性 力，粘性阻尼力、弹性力，其动力平衡方程可写为： 一 一一 d x 。出。 f = 彳l 鼻一彳2 最= 聊孑+ b 云+ 后x 讳 ( 2 6 ) 其中，k 。、k q 2 一油缸的有杆腔、无杆腔节流口流量增益( m 2 s ) ； k 。、k c 2 一油缸的有杆腔、无杆腔节流口流量压力系数( m 3 ( s p a ) ) ； 孱。、屈：一油缸的有杆腔、无杆腔油液弹性模量( n m 2 ) ； k 、一油缸两腔容积( m 3 ) ； 彳，一液压缸活塞有效面积( n 1 2 ) ，a p = 彳。一a 2 ； 稳态时，油缸两腔压力之和等于油源压力。即尼。- - - k q 2 屯 k ：；v o ：冬 稳态时，压缩流量相等，即去警一去警。 啦，以幽- c 羽一只) + 钒抖丢只s 夸，“以- c 掷一罡) 州：v + 老最s 足= 只+ 譬 k q x v kc p l = c 驴半+ a 。x p s + v 置1 e p l s 。譬“ 卅 耻蓼- 一1 2 一 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 其中， x pk q p 一= 一 x ，彳( s ) + b ( s ) + c ( s ) + k ，2 孝 s 3 ( 2 1 4 ) 郎，2 秀+ 矿m k c e 2 c = 【嚣+ 了b k c e + 1 】s k ：墼 彳p 后甜一总流量一压力系数，后。= k c + 巳。 则 。争( 肌s 2 + b s + k 。) 生：旦立：生 ： ( 2 1 5 ) x ， x 。 x ，a ( s ) + b ( s ) + c ( s ) + k 3 电液伺服加载系统方框图 一个系统可由若干环节按一定关系组成，将这些环节以方框图表示，其间用相应 的变量及信号流向联系起来，就构成了系统方框图。本文建立了电液伺服加载系统的 方框图具体而形象的表示了系统内部各环节的数学模型、各变量之间的相互关系以及 信号流向。传递函数方框图如图2 4 所示。 图2 4电液伺l l ：i i 载系统方框图 一1 3 4 电液伺服加载系统仿真 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司推出的，具有最卓越的数值计算能力的数值计算软件， 又叫矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 。s i m u l i n k 是其中一个最重要组件，提供了一个 动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。 目前，s i m u l i n k 本身没有专门针对液压仿真的工具箱，用户使用时要自己建立数 学模型，对于较复杂的液压系统，其数学模型非常繁琐。对于资历较浅的工程人员来 说将是一件非常困难的事，而且也费时费力。本课题中，借助a m e s i m 仿真软件建立 液压模型，通过a m e s i m 联合仿真的接口，使用s i m u l i n k 建立控制模型、改变仿真参 数，进行联合仿真，分析模型运行特性。图2 5 为5 0 0 0 0 n 的阶跃仿真曲线。 图2 5p i d 阶跃仿真曲线图 2 3 液压系统设计2 们 2 舳 液压系统是该设备两大主要主要系统之一，它主要由液压站、风冷式热交换器、 单向阀、比例伺服阀、电磁换向阀、单向节流阀、油缸组成，检测部分由旋转编码器、 电感式接近开关、力传感器及其放大器组成，辅助原件包括压力表，温度传感器及其 显示仪表等。 液压系统的原理如图2 6 所示，以下简述以左工位为例，液压油在油泵电机的驱动 下从液压站出来经单向阀到达比例伺服阀，比例伺服阀由p l c 控制，时时调节其输出 油压的大小，液压油从比例伺服阀出来到电磁换向阀，电磁换向阀用来控制油缸的进 退，即电磁换向阀左侧线圈得电时油缸进，右侧线圈得电时线圈退。液压油从电磁换 向阀出来经单向节流阀和溢流阀到液压缸左侧( 或右侧) ，油缸右侧( 或左侧) 的油经 溢流阀和单向节流阀返回电磁换向阀，最后流回液压站。 一1 4 卜 进油方向 卜 回油方向 控制逻辑方向 模拟量输出模块卜 p l c 卜一模拟量输入模块 旋转编码器il 压力传感器 液压站卜_ h 单向阀制比例伺服阀h h 电磁换向阀卜hl 单向节流阀l 卜_ h油缸 单向节流阀2 图2 6 液压加载系统框图 1 比例伺服阀的选取2 8 1 比例伺服阀及其放大器是液压加载系统的关键，液压力的调节精度主要由性能决 定。我们选择的是意大利a t o s 的阀，型号为r z g o t e r s p s 0 1 0 2 1 0 6 。 ( 1 ) 参数及性质 r z g o 为四通式比例伺服阀，阀的压力调整量与输入电信号成正比。此类阀与电 子放大器协同工作，放大器向伺服阀提供适当的驱动电流，以校准阀的调整量，使之 与供给发达其的输入信号相对应。参数见表2 3 。 一1 5 一 表2 3比例伺服阀参数 最大调节压力( q = 1 l m i n 时) 2 1 0 b a r 最小调节压力 0 8 b a r p 口最大压力 3 1 5 b a r 】 t 口最大压力 2 10 b a r 最大流量 12 l m i n 信号从0 1 0 0 变化时的响应时间 4 0 m s 线性度 0 3 最大被调压力的】 滞环 1 0 最大被调压力的 重复精度 0 2 最大被调压力的 2 0 0 c 时线圈电阻( 6 v d c 线圈) 2 2 2 q 】 电磁线圈最大电流( 6 v d c 线圈)3 2 5 a 】 最大功耗 4 0 w 该阀的闭环控制特性会受到液压回路的影响：回路刚性越好，阀动态性能越好。 根据液压回路的刚度特性，可以通过对参数的软件设定，来改善和优化阀的动态特性， 这种软件调整参数的方式对于具有储能器或大流量以及较长软管的液压回路尤其有帮 助。 ( 2 ) e m e a c 型欧板式电子放大器特性及用法眨明 e m e a c 型电子放大器用于驱动比例伺服阀，放大器对阀提供电流信号，以校准 阀芯调整量，使之与输入信号相对应；放大器为电磁铁提供切换电流，即可按与输入 信号( 电压或电流) 成比例地控制阀的调整量。为保证阀的调整精度，可用装在前面 板的电位器调整放大器的增益和偏流。放大器的输入信号由外接电位器或p l c 单元提 供，并且有上升或下降对称的斜坡发生器。 一1 6 一 用p 功能胜控科进项 用广羿嘶 图27 放大器结构示意圈 i n 潞2 4 v 壁叁鱼! 墨畦信j 输h 刊 电琏铁 笔艘 磊 圈2 8 放大器的接线圈 4 - 1 5 v , - s o h a 5 0 m a 乡 泉翰入芘蟹 - - 5 v 1 t2 饿辕入绥蟹腹襁 ( + 2 概) 电纯嚣貉蟹l 电纯嚣伫蟹2 筠黔 图2 9 放大器的引脚分配图 如图2 8 、2 9 所示，只需将a c 2 、4 接2 4 v d c 电源，将c 8 、1 4 接地，将c 1 8 接 2 4 v d c 电源正极，将a c l 2 接模拟量输出模块( o 5 v ) ，将a c 2 6 、2 8 、3 0 、3 2 接伺服 阀的线圈上即可。 2 力传感器的选取 力传感器是液压系统的检测元件，它的精度至关重要。国产力传感器普遍精度较 低，而且质量也不好。美国v i s h a y 公司的力传感器无论是质量、精度，还是口碑都很 好。所以我们选择该公司的传感器，型号2 0 k l b 。其主要性能参数：测力范围 2 0 0 0 0 k g f i 滞后误差o 0 2 ；非线性误差o 0 2 ；爬行误差0 0 1 3 力( f ) 电压( u ) 曲线的建立咙m 3 1 由于液压系统环节很多，比较复杂，用计算的方法直接求出油缸输出力f 是很困 难的。因此我们用试验的方法绘制力f 电压u 曲线，即让模拟量输出模块输出多个的 电压信号，然后由力传感器测得相应力的大小。根据这些数据绘制曲线。如图2 1 0 所 示。 一1 8 图2 1 0 力- 电压曲线 从图2 1 0 中可以看出，当电压u 约大于0 5 v 时才出现加载力f ，这是因为u 小 于o 5 v 时减压阀输出的力f 被液压系统的摩擦力f 抵消掉了。 上面的工作做完后，将这些数据输入p l c 。工作时如操作员设定加载力f = 3 0 0 0 k g f , 则模拟量模块输出基本参数为2 v 电压信号给放大器。 2 3 调速系统设计b 叫3 5 1 调速系统是车轮径向疲劳试验机的重要系统，它由p l c 、模拟量输出模块、直流 调速器、直流电机、转鼓、旋转编码器等组成( 见图2 1 1 ) 。其中直流调速器和编码器 是调速精度的关键。这里我们选用的是欧陆传动系统有限公司的5 9 0 + 系列直流调速器 和长春市第一光学仪器厂生产的增量式旋转编码器。 图2 1 1 液压调速系统框图 一1 9 1 光电编码器的原理及参数计算 ( 1 ) 基本原理： 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件 读取，获得四组正弦波信号组合成a 、b 、c 、d ，每个正弦波相差9 0 度相位差( 相对于 一个周波为3 6 0 度) ，将c 、d 信号反向，叠加在a 、b 两相上，可增强稳定信号；另 每转输出一个z 相脉冲以代表零位参考位。由于a 、b 两相相差9 0 度，可通过比较a 相在前还是b 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的 零位参考位。编码器一般可分为两种：增量脉冲编码器( s p c ) 和绝对脉冲编码器( a p c ) 。 ( 2 ) 参数计算( 以车轮所用编码器为例) ： 所用到的公式： d = 0 2 5 4 x b c = 3 1 4 d e = c x e v 0 8 式中：d 一车轮直径( m ) 卜车轮直径( 1 2 2 6 i n c h ) c - 车轮周长 卜脉冲当量 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) x 一每转产生的脉冲数( 根据编码器的不同型号，一般为1 2 8 、2 5 6 、5 1 2 、 1 0 2 4 等) v 一车轮转速( 2 0 1 5 0 k m h ) 由于所选p l c 为s 7 2 2 6 ，其高速计数器最高响应频率为2 0 k h z s ，根据此值及上述 公式( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 计算，可得到应选编码器的脉冲数为1 2 8 个转，型号 为z k t - d1o o b h 3 0 12 8 b m 一3 0 f 。 2 直流调速器的选取3 0 1 3 5 1 3 9 1 目前世界上最著名的直流调速器有德国西门子和英国欧陆两大厂家，西门子公司 的直流调速器质量好，但价格昂贵( 控制7 5 k w 直流电机的调速器大约需要1 0 万元左 右) ；欧陆公司的直流调速器质量也很好，价格较便宜( 控制7 5 k w 直流电机的调速器 大约需要4 5 万元左右) 。综合考虑性价比，选配的“欧陆”5 9 1 p 3 8 0 a 型直流调速器。 ( 1 ) 直流调速器原理 直流电机调速方案一般有三种：改变电枢电压、改变激磁绕组电压和改变电枢回 路电阻。最常用的是改变电枢电压调速，我们选用的直流调速器也是改变电枢电压调 速的。该调速器接受p l c 通过模拟量输出模块传来的电压信号( o - 1 0 v ，此信号对应 一定大小的速度) ，通过带有积分分离功能的可调速p i 调节器来控制电枢电压 ( 0 2 2 0 v ) 。其反馈信号由电机后面的旋转编码器提供。 ( 2 ) 直流调速器的组成( 如图2 1 2 ) 一2 0 臣 主体门装置2 端子盖3 端子盖紧固螺丝4 空盖56 9 0 l 操作站6 通讯技术盒7 深度反馈技术卡 8 控制端子9 操作站端口】o r s 2 3 2 编程端口 图2 1 2 直流调速器屈其组件 ( 3 ) 调速器速度控制的特点 速度回路从p l c 接收给定信号，井形成一个表示给定和反馈之差的误差信号。误 差信号被反馈到“比例+ 积分”补偿器中，产生速度回路的输出，即电流给定信号。速度 控制具有吼下特点： c l 控制电路与电源电路完全隔离； 电 通过旋转编码器反馈，稳定状态精度高为o0 1 ； ( 3 ，全数字式，具有全适应性电流回路的高级p i ，以达到最优动态性能： 带有积分分离功能的可调速p i 调节器。 藤爱 一爵急 h 霹 第三章电气设计弟二早电、议丌 液压加载系统、直流调速系统设计完后，为了使它们运转起来，我们必须要围绕 这两大系统进行电气设计。电气设计包括控制系统的设计、电气柜方案的设计以及相 关电气元器件的计算选型。 3 1 控制系统的设计4 川5 1 舳 工业企业中使用的各种电气设备和生产机械，都广泛使用电动机拖动，电动机的 控制是通过不同的控制方式来完成的。生产机械的工艺要求不同，控制电路也就不同。 电气控制系统是由电气元件按照一定要求连接而成的。电气控制系统图是用图形 的方式来表示电气控制系统中的电气元件及其连接关系。图中采用不同图形符号表示 各种电器元件；采用不同的文字符号表示各电器元件的名称、序号或线路的功能、状 况和特征；采用不同的线号或接点编号来表示导线与连接等。电气控制系统图表达了 生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，是电气系统安装、调整、使用和维 修的重要资料。 1 主电路的设计 主电路中我们控制的对象见表3 1 表3 1 控制对象 油泵电机 a c 3 8 0 v 7 5 k w 风冷式热交换器 a c 3 8 0 v 0 5 k w 直流电机 d c 2 2 0 v 7 5 k w 轴流风机左 a c 2 2 0 v 0 7 5 k w 轴流风机右 a c 2 2 0 v 0 7 5 k w 直流电机风机 a c 3 8 0 v 0 7 5 k w 直流调速器辅助电源 a c 2 2 0 v 0 6 6 k w 主电路使用的是3 a c 3 8 0 v 5 0 h z 工业用电。如图3 1 所示，主电路将油泵电机、风 冷式热交换器、直流电机、轴流风机左、轴流风机右、直流电机风机连接于电网上， 并用断路器、接触器控制各个电机通断。 一2 2 鬲t 1 - s一s 至i ，一，inl ，ir 7 乏二i 型 l u 适一7 “：l 二二j 圭一l i星 2 。 三：栅量枭一三善i 烈 一辜4 叫i 一一；“一e 喜刈 圭一l i 童 芷 g 广：= _ 一| 1 n至誓可0二上 一，rt i i 一 一r 譬= 【三习 三等蓦一：“三一 - 乏 一 、 霉岂广 一 亍i 了。1 二j 王二一葺舌 ，。：氛 一一i j - - ll = 7 ：二 ( 薹习 下u 毒一一一二一 圭一l 羞 套 b 网兰；兰一兰鍪器基 划二卜卅兰兰p ：圭一l i 蜀薹 一 ；鲴誊：彗多 圭一l i 萄呈 ；搁；墓e 耄g 是n毛南一l i 蜀。 ( 1 ，1 驴 图3 1 主电路原理图 2 3 参 黛 譬 d 业 警 6 壶 磁 n 参z 暑o 每)i卜0 参) l n 卜 ；i 一一一 事) l ”o ( 1 ) 断路器的选择 q f 2 、q f 3 、q f 8 连接3 a c 3 8 0 v 电机，属一个类型。我们选择的是s i e m e n s 公司的 3 v u l 6 断路器。3 v u l 6 断路器是额定电流最大至6 3 a 的紧凑型断路器。根据限流原理进 行工作。可用于电机或其它负荷的起动、断开及过载和短路保护；3 v u l 6 还可以用作 电动机断相保护。用于电机或设备保护时，配备过电流瞬时脱扣器和反时限延时过载 脱扣器。反时限过负荷脱扣器可根据被保护电机的额定电流进行设定，而瞬时过流脱 扣装置是按照额定电流1 2 倍预设好的以保证躲过电动机起动电流。3 v u l 6 断路器适用 于任何一种气候。按封闭房间内良好操作环境下进行设计( 例如：无尘埃、腐蚀性气 体) 。在有尘埃和潮湿房间里安装使用前，它们必须合理地进行密封处理。下面以油泵 电机为例进行断路器q f 2 参数计算及选型。 一台三相