（机械电子工程专业论文）基于net技术的液压cat系统研发.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 醇o f t e c h n o l o g y f o rt he d e g r e eo fm a s t e r t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f h y d r a u l i cc o m p u t e r a i d e dt e s ts y s t e mb a s e do n n e t c a n d i d a t e ：z h e n gx i a n b i a o a d v i s o r ：p r o f j i a n gw e i c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y a p r i i2 0 1 0 0帅9m 26 7川7，iiiil哪y 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 磐忸】3 ：r 、 日期：凇d 年易月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 孙妊船、 薹卡 1 日期：驯d 年乡月二日 日期：冽9 年石月弓日 浙江工业大学硕士学位论文 基于n e t 技术的液压c a t 系统研发 摘要 液压技术已广泛应用于国防军事、工业生产制造、日常应用等各个方面，液压元件性 能的高低，对加工制造、使用质量等都有很大的影响，对液压元件的性能参数进行分析测 试，以满足各种用途的需要，就成为不可或缺的重要环节。 为满足液压元件测试自动、快速、准确及低成本的要求，本文提出了基于n e t 技术的 液压c a t 系统解决方案，对液压元件性能测试方法进行了分析和研究，设计了基于单片机 的数据采集系统，利用c 和s q ls e n ，e r2 0 0 5 开发了上位机测试软件。主要工作和成果如 下： 1 分析液压试验台的组成及技术要求，完成液压回路设计。 2 根据试验台技术要求，设计了液压c a t 系统解决方案，确定了变频器、传感器的 型号，以及上位机与下位机和变频器之间的通信协议。 3 针对数据采集板多功能、低成本的要求，设计了基于s t c 8 9 c 5 2 单片机的数据采 集系统，并实现了r s 2 3 2 向r s 4 8 5 通信的转换。 4 开发了上位机测试系统软件和数据库，实现了用户管理、系统设置、自动测试、 数据管理、实验管理、串口通信、曲线显示等功能模块。 最后，通过对整个系统的运行、调试及液压泵效率实验，结果证明本系统实现了预期 目标和设计要求，达到了本课题研究的目的及要求。 关键词：液压c a t ，n e t ，数据采集，u s s 通信协议，s q l t h er es e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f h y d r a u l i cc o m p u t e r a i d e dt es ts y s t e m b a s e do n n e t a b s t r a c t t h eh y d r a u l i ct e c l u l o l o g yh a sb e e nu s e di nv e 巧d i v e r s i 够a r e a s ，s u c ha sm i l i 奶，d e f e n s e ， i n d u s n ym a l l u f a c t u r ea n dc i 、，i 1c o n s t m c t i o na n ds oo n t h ep e 怕m a i l c eo fh v d r a u l i c c o m p o n e m sw i l li n l p a c to nt 1 1 em a n u f a c n l r ea n ds y s t e mq u a l i 够m a s s i v e l y n 1 i o u 曲t l l et e s ta i l d a i l a l y s i so fp e r f o m a n c ep 碰u 1 1 e t e r so f h y i i r a u l i cc o m p o n e n t s ，t b j sh a sb e c o m eav e r yi m p o m i n t s t e pf o ra c h i e v i n gt 1 1 eb e s ta p p l i c a t i o nu s a g e 。 f o rt 1 1 ed e m a n d so fa u t o m a t i o n ， s p e e d i n e s s ，a c c u r a c y ， a n dl o w e rc o s to fh y d r a u l i c c o m p o n e n t s t e s t ，m i sp 印e rp r o v i d e sah y d r a u l i cc o m p u t e ra i d e dt e s ts y s t e m 山a s e do n n e t a r e rr e s e a r c ha n d a n a l y s i s o fh y d r a u l i c c o m p o n e n t s p e r f - 0 m a n c et e s tm e t h o d s ，a 出l t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nm c u a i l dt e s ts y s t e ms o f 呐a r eu s i n gc s h a 印a 1 1 ds q ls e e r2 0 0 5 w e r ed e s i 9 1 1 e di nt h ep 印e r t h em a i n w o r ka 1 1 dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 n l ec o n s t r u c t i o no f h y d r a u l i ct e s t b e da n di t st e c l l l l i c a l r e q u 硫m e m sa r ea i l a l y z e d ，a 1 1 d h y d r a u l i cc i r c u i t sa r ed e s i g i l e di nt l l ep 印e r 2 t h ec o m p m e ra i d e dt e s ts y s t e mi s d e s i g n e d a n dm o d e l so fi i e r t e ra 1 1 ds e n s o r s ，a n d c o m m u i l i c a t i o np r o t o c o l sb e 似e e np e r s o n a lc o m p u t e ra i l dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a 1 1 db e 僦e e n p e r s o n a lc o m p u t e ra i l di 1 1 v e n e ra r ed e t e m l i n e d 3 f o rt 1 1 ed e m a n d so fm u l t i 如n c t i o n 锄d1 0 w e rc o s t o f ( 1 a ：t aa c q u i s i t i o nb o a r d ，ad a _ t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db a s e do ns t c 8 9 c 5 2 ，a n dr e a l i z e dt h ec o n v e r s i o nb e t w e e n r s 2 3 2a n dr s 4 8 5 4 ad a t aa c q u i s i t i o na n ds u p e n ，i s o 巧c o n 讶。l s y s t e mp r o g r 锄a 1 1 dd a t ab a s eh a sb e e n d e s i g l l e d ，w b j c hr e a l i z e da c c o u n t sm a n a g e m e n t ，s y s t e ms e t t i n g ，a u t o m a t i ct e s t ，d a t am a n a g e m e n t ， e x p e r i m e m sm a n a g e m e n t ? s e r i a lc o m m u i l i c a t i o na n dc u r v ed i s p l a ya n ds oo n a tl a s t ，t h e 、v h o l es y s t e mi so p e r a t e da n dd e b u g g e d ，a n dh a v eb e e nu s e di nh y d r a u l i c p u m p ? s i i 浙江工业大学硕士学位论文 一一 e 伍c i e n c yt e s te x p e d m e m t h er e s u l t sp r o v et h a tt l l es y s t e mh a sr e a l i z e d 也ep r o p o s e dt a 曙e t ，a n d 如l f i l lt 1 1 ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：h y d r a u l i cc o m p u t e ra j d e dt e 瓯n e t - d a t aa c q u i s i t i o mu s sc o m m u 面c a t i o n p r o t o c o l js q l 第2 章液压试验台方案设计 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第3 章 1 l 3 3 4 5 6 6 液压试验台的组成7 试验台的技术要求一7 液压实验的分类与实验标准8 2 3 1 液压实验的分类8 2 3 2 实验标准8 液压泵性能参数表达式9 液压泵试验台液压回路设计一】o 2 5 1 液压泵试验台功率回收方案设计1 0 2 5 2 液压泵试验台非功率回收方案设计1 0 本章小结一1 2 试验台测试系统方案设计” 3 1 试验台测试系统的组成一1 3 3 2 变频器的选择14 3 3 传感器的选型1 4 3 3 1 传感器选用原则1 5 3 3 2 本课题所选用的传感器16 3 4 测试系统通信方式18 3 4 1u s s 通信协议1 9 3 4 2 数据采集板与上位机通信协议2 1 3 5 上位机测试系统的需求分析一2 2 浙江工业大学硕士学位论文 3 5 1 对系统的需求的规定2 2 3 5 2 对功能的需求的规定2 3 3 6 本章小结一2 4 第4 章数据采集板的开发- 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 2 5 数据采集板的组成一2 5 数据采集板的硬件设计2 5 4 2 1 电源模块的设计2 6 4 2 2 信号处理模块的设计2 7 4 - 2 3a ，d 模块的设计2 8 4 2 4 串口通信模块的设计2 9 4 2 5 s t c 8 9 c 5 2 单片机及其外围电路3 0 数据采集板的软件设计一3 1 4 3 1 采集系统的软件结构3 2 4 3 2 数据采集与处理3 4 4 。3 3 串行口中断处理3 5 4 3 4 复位子程序3 7 系统抗干扰3 8 4 4 1 硬件抗干扰措施3 8 4 4 2 软件抗干扰措施3 9 数据采集板的调试一4 0 4 5 1 硬件电路调试4 0 4 5 2软件调试4 2 本章小结4 4 测试系统软件的开发4 5 运行环境与开发工具4 5 5 1 1 运行环境4 5 5 1 2 开发工具4 5 系统软件总体结构4 6 5 2 1系统软件的组成4 6 5 2 2 上位机软件工作流程4 7 上位机与下位机的通信。4 9 5 3 1硬件实现4 9 5 3 2 上位机通信软件的实现5 0 数据处理5 5 数据库设计5 5 5 5 1 数据库设计原则5 5 5 5 2 数据章表设计5 5 6 3 第7 章 7 1 7 2 本章小结7 0 总结与展望。7 1 论文总结7 1 研究展望7 2 参考文献 附录l ” 7 3 ”7 6 附录2 致谢 7 7 7 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 9 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 液压测试技术的发展及现状 液压传动以其功率密度高，易于实现直线运动、速度刚度大、便于冷却散热、动作实 现容易等突出优点，在实际工业过程中有着非常广泛的应用。而对液压元件测试和测量的 需求，自液压系统出现开始便一直存在。 液压测试系统从起步至今，经历了两个阶段：手工测试、记录阶段；计算机辅助测试 ( c a t ) 阶段【1 】。 手工测试一般由泵源、油路控制部分( 包括安装有按钮、开关、指示灯等指令、显示 元件的电器操作台和安装有保险装置、继电器、控制器等控制元件的电控柜) 和测试显示、 记录部分( 包括记录仪、示波器等) 组成。测试参数主要是通过压力表、流量计、电子秒 表、量杯、转矩仪、转速表、光电测速仪等的读数获得。而对液压系统或液压元件在其负 载变化过程中表现出的流量、功率、转速、转矩、效率等相应性能参数的连续测试存在相 当大的难度，数据处理和曲线显示也相当费时。这种测试系统控制部分结构复杂、成本高、 故障率高且排除难度大；测试部分因涉及多种复杂仪器、仪表，对测试系统操作人员素质 要求高，测试过程由试验人员手动操作，测试数据采用模拟式记录仪进行连续记录或由试 验人员手工逐点读取。元件或系统特性指标等试验结果由试验人员根据试验数据或曲线人 工处理得到。用这种人工方法进行试验及数据处理，不光费时费力，而且会给试验带来较 多的人为因素，故测试精度低、速度慢、劳动强度大。 计算机技术的发展给传统的测试技术注入了强大的活力。液压计算机辅助测试，简称 液压c a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) ，是一门新兴的综合学科，所涉及范围包括液压、自动控 制、微型计算机、测试技术、数字信号处理、可靠性等。液压c a t 利用计算机建立一套 数据采集与控制系统，与试验台相连，由计算机对各试验参数，如压力、温度、流量、转 速、转矩等通过高精度的检测仪器和数字转换技术对其进行数据采集和量化，且充分利用 计算机采集速度快的特点，对同一参数进行多次采集计算其平均值的方法进行处理，并伴 随试验的进行随时输出测试结果。在试验过程中，计算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。与常规 液压测试系统相比，液压c a t 系统主要有以下优点【2 】： 一1 一 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 提高测试精度。计算机具有很强的运算处理能力，可以对测试数据进行各种复 杂的处理，使实验结果的评定更具有科学性。通过数据的高速采集处理，可以减少不同时 性误差；通过非线性校正可以减少非线性误差；通过多次采样平均、数字滤波、回归处理， 可以抑制随机误差；试验数据的自动采集可以避免人为误差。一般来说使用c a t 技术可 以使测试精度提高一个等级。 ( 2 ) 提高测试速度。计算机采集、存储数据的速度快、运算速度高。因此可以在较 短的时间内完成实验数据的采集、传输、存储和处理，大大缩短了测试时间，这对降低试 验成本有重要意义。 ( 3 ) 增强数据处理能力。这是c a t 最突出的特点，对需要进行复杂数据处理的试验 台具有特别的价值，能大大减少工作人员的工作量。 ( 4 ) 方便用户使用。c a t 具有简单易学、清晰明了的人机交互界面，具有完善的数 据管理、测试结果输出等功能，用户可以通过简单的界面操作来实现所要求的功能。 在国外由于微机和电子技术发展较早、较快，水平较高，极大的推动了液压c a t 技 术的应用和发展。早在1 9 6 4 年，美国s u n d s t r a n d 公司的液压传动试验室就利用计算机进 行试验数据处理，整个数据处理系统由以下三部分组成：a ) 数据采集b ) 数据变换；c ) 数 据处理。7 0 年代初期，国外许多液压元件制造公司把计算机辅助测试系统应用于产品的 出口检验上。m o o g 公司于1 9 7 6 年发布了伺服阀计算机控制测试( c o m p u t e rc o n t r o l l e d t e s t ) 成果，该系统能够在微机的控制下自动完成控制流量试验、压力增益试验、负载流 量试验和频率响应试验，还能够保存试验数据、打印试验曲线和数据。在这一阶段，计算 机辅助测试大都采用程控仪器、仪表通过g p i b ( g e n e r a l p u r p o s ei m e r f a c eb u s ) 与计算机 相连构成自动测试系统。进入8 0 年代后，计算机辅助测试开始采用计算机及计算机插件 ( 如a d ，d a 插件等) 来组成测试系统，如韩国冶金机械学院研制的液压泵性能测试与 数据处理系统就属于此类测试系统。 我国液压试验技术的研发及试验台的建设是从6 0 年代开始的，其中典型代表有6 0 9 所研制开发的s f 0 1 型伺服阀试验台及北京起重机器厂建造的油泵油马达试验台。经过 4 0 多年的发展，液压试验技术，特别是液压c a t 技术有了很大进步。从7 0 年代后期开 始，一些企业和高校就将单板机或p c 机应用于液压测试中。在我国，液压c a t 的应用 模式，主要经历了下面四个阶段【3 j ： ( 1 ) 常规二次仪表+ 单板机+ 汇编语言； ( 2 ) 常规二次仪表+ 专用接口+ 计算机+ 高级( 或汇编) 语言+ 输出设备； 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 通用接口+ 微型机系统； ( 4 ) 兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微机系统。 从测试系统的功能看，已开发的液压测试系统有两种模式：一是计算机对测试装置进 行控制并完成测试过程、数据采集、处理一体化的系统，如北京机械工业自动化研究所的 液压阀、液压泵、液压缸、液压马达试验台计算机辅助测试系统，上海交大和昆山液压件 厂为武钢研制的新国际b 级精度液压阀试验台的计算机辅助测试系统，华中理工大学液 压泵和马达特性智能测试系统、液压缸试验台c a t 系统及电液伺服阀c a t 系统，上海大 学基于v b 的液压马达测试台计算机测控系统等【4 l ；另一种是计算机不对测试装置进行控 制，只进行数据采集、信号处理和试验结果输出的系统，如北京理工大学的液压泵、液压 马达传动系统工作特性计算机辅助试验系统，广州机床研究所液压泵性能和噪声计算机实 时监测系统等1 5 】。浙江大学也在八十年代中后期开始了液压c a t 方面的研究工作，当时 使用a p p l e 型微机开发了一套液压元件的c a t 系统【6 】【7 1 。另外浙江工业大学刘斌、李存 兵在基于虚拟仪器的测试系统方面也做过相关研究【8 】【9 1 。 1 2n e t 简述 1 2 1n e t 技术的发展 n e t 架构是微软公司继d o s 和w i n d o w s 之后推出的又一个革命性的开发平台。n e t 框架( n e tf r a m e w o r k ) 是一种新的计算平台，通常被认为是有利于应用程序开发的一 组类库，但。n e t 不仅仅是一组类库，它是一个建立、配置和运行w e b 服务以及应用程序 的多语言环境，是m i c r o s o r 新一代的w e b 应用程序开发平台。n e t 框架以使用多种编 程语言的编译为目标，实现用这些语言创建各种应用程序。n e t 框架负责提供一个可为 这些应用程序所共享的基础平台，该基础平台包括一组用于监视应用程序执行过程的运行 库服务，运行库的一个重要任务就是管理执行过程，以确保使用不同编程语言写的应用软 件，都可以安全地使用类和其它服务。在n e t 框架中，所有编程语言，都可以实现“一 次编写，随处运行”，而且不同的语言之间可以进行交互，即一种语言可以使用另一种语 言编写的组件，并可以从另一种语言编写的类派生新类或创建实例【1 0 。1 2 】。 n e t f r a m e w o r k 旨在实现下列目标： ( 1 ) 提供一个一致的面向对象的编程环境，而无论对象代码是在本地存储和执行， 还是在本地执行但在i n t e m e t 上分布，或者是在远程执行的。 ( 2 ) 提供一个将软件部署和版本控制冲突最小化的代码执行环境。 一1 一 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 提供一个保证代码( 包括由未知的或不完全受信任的第三方创建的代码) 安全执 行的代码执行环境。 ( 4 ) 提供一个可消除脚本环境或解释环境性能问题的代码执行环境。 ( 5 ) 使开发人员的经验在面对类型大不相同的程序( 如基于w i n d o w s 的应用程序和 基于w 曲的应用程序) 时保持一致。按照工业标准生成所有通信，以确保基于n e t f r a n l e w o r k 的代码可与其它任何代码集成。 1 2 2n e tf r a m e 、v o r k 的结构 小范tf r 锄e w o r k 有两个主要组件：公共语言运行库和n e tf r a m e w o r k 类库。公共语 言运行库是n e tf r 锄e w o r k 的基础。可以将运行库看作一个执行管理代码的代理，它提 供核心服务( 如内存管理、线程管理和远程处理) ，而且还强制实施严格的类型安全以及 可确保安全性和可靠性的其它形式的代码准确性；n e tf r 锄e 、o r k 的另一个主要组件是 类库，它是一个综合性的面向对象的可重用类型集合，可以使用它开发多种应用程序。 n e tf r 锄e w o r k 可由非托管组件承载，这些组件将公共语言运行库加载到它们的进 程中并启动托管代码的执行，从而创建一个可以同时利用托管和非托管功能的软件关键环 境。图1 1 显示了公共语言运行库和类库与应用程序之间以及与整个系统之间的关系。该 图还显示托管代码如何在更大的结构内运行。 托管代码主要实现了公共语言运行库内存、线程执行、代码执行、代码安全验证、编 译以及其它系统服务。这些功能是在公共语言运行库上运行的托管代码所固有的。至于安 全性，取决于包括托管组件的来源( 如i m e m e t 、企业网络或本地计算机) 在内的一些因 素，托管组件被赋予不同程度的信任。这意味着即使用在同一活动应用程序中，托管组件 既可能能够执行文件访问操作、注册表访问操作或其它须小心使用的功能，也可能不能够 执行这些功能。 此外，运行库的托管环境还消除了许多常见的软件问题。例如，运行库自动处理对象 布局并管理对对象的引用，在不再使用它们时将它们释放。这种自动内存管理解决了两个 最常见的应用程序错误：内存泄漏和无效内存引用。运行库还提高了开发人员的工作效率。 例如，程序员可以用他们选择的开发语言编写应用程序，却仍能够充分利用其它开发人员 用其它语言编写的运行库、类库和组件。任何选择以运行库为目标的编译器供应商都可以 这样做。以n e tf r 锄e w o r k 为目标的语言编译器使得用该语言编写的现有代码可以使 用n e tf r 锄e w o r k 的功能，这大大减轻了现有应用程序的迁移过程所造成的工作负担。 浙江工业大学硕士学位论文 尽管运行库是为未来的软件设计的，但是它也支持现在和以前的软件，托管和非托管代码 之间的互操作性使开发人员能够继续使用所需的c o m 组件和d l l ，运行库旨在增强性 能。尽管公共语言运行库提供多标准运行库服务，但是它从不解释托管代码。一种被称为 实时编译的功能( j i t ) 使所有托管代码能够以它在其上执行的系统的本机语言运行。同 时，内存管理器排除了出现零碎内存的可能性，并增大了内存引用区域以进一步提高性能。 图1 1 n e tf r a m e w o r k 结构 w e b 程序 n e tf r 锄e 、o r k 类库是一个与公共语言运行库紧密集成的可重用的类型集合。该类 库是面向对象的，并提供自己的托管代码可从中导出功能的类型。这不但使n e t f r 锄e w o r k 类库易于使用，还减少了学习n e tf 舢e w o r k 新功能所需要的时间。此外， 第三方组件可与n e tf r 锄ew i 破中的类无缝集成【1 3 】【1 4 】。 1 3 本课题研究的目的及意义 液压技术己广泛地应用于国防军事、工业生产制造、日常应用等各个方面，液压元件、 组件和系统性能的高低，对加工制造、使用质量等都有很大的影响，对元件、组件和系统 的性能参数进行分析测试，以满足各种用途的需要，就成为不可缺少的重要环节。但液压 元件影响因素众多，而且液压元件特性的理论计算结果与实际应用之间往往存在很大的差 异，因此对液压元件进行实际分析测试，得出实测的测量结果比理论计算结果更能真实地 一一 浙江工业大学硕士学位论文 反映元件在实际应用中的运行情况，对它们分析研究得出的结论对于液压系统的设计、调 整、改造以及开展检测和诊断都有重要意义。在液压系统中，液压元件是系统的关键组成 部分，它们的性能好坏直接关系到系统的运行状态和性能，影响到整个系统工作的稳定性、 可靠性和寿命等。 本课题研究目的在于对液压试验台测试系统进行研究，设计可靠的数据采集电路和上 位机测试系统软件，建立完善的串口通信机制实现对变频器和数据采集系统的控制，从而 达到对液压元件测试数据的准确、快速采集和处理及显示控制。本液压c a t 系统由试验 台、变频器、数据采集系统和上位机组成，设计成本低、采集速度快、精度高、人机交互 界面好友，能直观的观察到压力、转矩、转速、流量等的变化，使得对变频器的控制更加 的方便，并可实现自动测试。 上位机系统软件利用基于n e t 技术的c 群开发，使得在程序的后续功能扩展、完善及 w e b 服务的开发上，支持多语言运行，不同的开发者都可以选择使用自己所熟悉的语言， 从而提高了软件的重用性。 1 4 本课题主要研究内容 本课题以液压试验台测试系统为研究对象，目标是设计一个能高效、准确的实现数据 采集与监视控制的液压c a t 系统，实现被试元件的静态性能、动态性能的测试和系统运 行状态的监测及控制。本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 分析液压试验台的组成及技术要求，完成液压回路设计； ( 2 ) 上位机测试系统软件、下位机数据采集板及m i c r om a s t e r4 4 0 ( m m 4 4 0 ) 变频器三 者之间通信机制的研究； ( 3 ) 下位机数据采集板的研发； ( 4 ) 基于n e t 技术的上位机测试系统软件的研发； ( 5 ) 典型试验研究。 1 5 本章小结 本章主要阐述了液压测试技术的发展与现状以及n e t 技术的发展及结构，并对本课 题的研究目的和意义进行说明。最后确定本课题的研究内容。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章液压试验台方案设计 2 1 液压试验台的组成 本液压试验台由液压元件试验台、数据采集系统、变频器和上位机四部分组成，如图 2 1 所示。 实验人 上位机 图2 1液压试验台的组成 数据采集系统采集各路传感器信号，并进行快速处理及存储待发送；变频器用于控制 电动机转速；上位机与数据采集板间的通信采用r s 2 3 2 通信方式，而变频器只支持r s 4 8 5 通信方式，所以上位机与变频器间需要一个r s 2 3 2 转r s 4 8 5 通信接口转换电路，其由 数据采集板提供。因此，由上所述本课题需完成：试验台的液压回路设计；上位机、数据 采集系统和变频器三者间的通信协议设计；数据采集系统的开发；上位机测试系统软件的 设计。 2 2 试验台的技术要求 随着液压技术应用范围日益广泛，对液压元件及系统的质量和性能要求越来越高。通 一7 一 浙江工业大学硕士学位论文 过液压测试实验对它们作出全面的考核，得到各种详细的性能参数，使应用者和设计者都 充分了解它们的性能，从而使前者能更好的设计液压系统，让后者能对液压元件作出更进 一步的改进。 试验台根据液压元件测试基本内容和要求进行设计，并确定液压实验台测试系统设计 参数。本液压试验台要求系统的最高压力为4 0 a ，额定压力为3 5 a ；流量范围为o 2 5 l m i n ；液压油温度o 5 0 ；液压油过滤精度2 5 岫；测量精度等级b 级。 2 3 液压实验的分类与实验标准 2 3 1 液压实验的分类 液压实验一般有两种分类方法【1 5 - 17 】： 1 按实验内容分 性能实验：旨在获得被试对象的静态和动态性能参数( 或指标) 。如液压泵的排量、 容积效率、溢流阀的启闭特性、电液伺服阀或电液伺服系统的频率特性等。 耐压实验：为了保证产品的安全、可靠，并考核某些零件在高压下的强度和密封件的 密封性需要进行此项实验。 寿命实验：目的在于考核被试对象在额定工作状况下，连续工作某一规定的时间之后 的性能。它表示保证产品性能的极限工作寿命。这项实验只对批量产品进行抽样测试。 环境实验：目的在于考核被试对象对环境变化的适应能力。这主要是根据产品的具体 使用场合提出的，如高低温、盐雾、真空、振动、大加速度和耐污染等。 2 按实验性质分： 科研性实验：为某些科研目的而进行的一些实验项目。要求仔细、精确，并改变一些 实验条件和在不同的参数下进行。 出厂实验：主要是针对已定型并且有一定批量的产品，为了保证其使用性能，选出几 项有代表性的性能指标作为合格的标准，在出厂之前必须进行的实验。 型式实验：主要是对某些产品进行全面性能的测试和考核。目的在于产品的鉴定和新 产品的定型。我国制定有液压元件型式实验的实验标准。 2 3 2实验标准 为了统一液压元件的质量标淮和适应国内、外技术交流及贸易的需要而制定各种实验 标准。对液压元件实验来说有：i s o 国际标准，国家标准局颁布的国家标准和各部自行制 浙江工业大学硕士学位论文 定的部颁标准等。标准的名称有：液压泵和液压马达实验方法、液压阀实验方法、电液伺 服阀实验方法、液压元件通用技术条件、液压元件型式实验标准和出厂实验标准等。 本文以液压泵为试验对象设计液压回路。对于液压泵的试验项目和方法，我国有一系 统的国家标准和部门标准，这些标准有g b 7 9 3 6 8 7 、腰t 7 0 3 9 9 3 、j b t 7 0 4 0 9 3 、 旧t 7 0 4 1 - 9 3 、甩t 7 0 4 2 9 3 、m _ ，t 7 0 4 3 9 3 、毋厂r 7 0 4 4 9 3 、m t 厂r 4 8 9 。1 9 9 5 等。在综合参考 上述标准后，根据测试需要和实验室现有条件，本文以双向变量泵为被测对象，设计了变 理泵的效率试验液压回路，并以此来阐述本论文所开发的液压c a t 系统的正确性。 2 4 液压泵性能参数表达式 试验油路是为特定的试验目的设计的，具体试验目的就是要求测试液压泵的各种性能 指标，而这些指标又与各种参数有关。液压泵的主要性能表达式有： 排量：k = q ，? ) 1 0 3 ( l r ) ( 2 - 1 ) 式中口为泵输出的实际流量( l m i l l ) ；刀为泵轴转速( r m i n ) ；泵的空载排量为空载时 测出的排量最大值。 泵轴输入的理论转矩乙： r 砌：划( ；聊) ：业 ( 2 2 ) 1 肼2 f v 扎聊，。百 旺心夕 其中仇为泵的出口压力( a ) ；只为泵的进口压力( a ) 。 容积效率7 7 用：7 7 p ，= 眈) 1 0 0 ( 2 3 ) 机械效率，7 胛：7 7 朋= 乙) 1 0 0 ( 2 4 ) 泵轴输入功率p ：p = 1 5 x l o - 4 乃胛 ) ( 2 - 5 ) 其中耳为泵轴输入转矩( n m ) ：，z 为泵的转速( r m i n ) 泵的输出功率r ：只= 等 形) ( 2 6 ) 其中卸为泵的进、出口压力差( 御a ) ；g 为泵实际输出流量( l m i n ) 总效率叩尸：刁尸：蛾尸) ：1 5 9 拿翌1 0 0 ( 2 7 ) 浙江工业大学硕士学位论文 实际输出流量9 ：g = k 刀1 0 - 3 ( l m i n ) 漏损流量q 工：鸟= ，7 1 0 一一g ( l m i n ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 5 液压泵试验台液压回路设计 在液压泵试验过程中，为实现规定项目的试验，必须对被试泵按工作条件进行模拟加 载，一般采用节流阀或溢流阀。这样由动力源提供的能量将被加载器或其它不同的方式吸 收消耗掉。对于一般的参数测量和短时试验，如跑合试验、效率试验、冲击试验等，采用 非功率回收方式和功率回收方式均可。非功率回收方式的试验台搭建比较简单，易维护且 费用较低，但系统发热量较大，对系统的冷却回路要求较高。对于大功率液压元件及系统 试验，长时间的液压泵寿命试验、超载试验等，势必造成能量的大量浪费，显然是极不合 理的。为了节约能源和降低成本，必须采取相应措施将这部分能量充分得用起来，即必须 考虑功率回收问题【1 8 j 。 2 5 1 液压泵试验台功率回收方案设计 因为实验对象是双向变量液压泵，试验过程中输出流量的大小和方向都会发生变化， 实现功率回收相对困难。本文采用四个单项阀液压桥路解决此问题f 1 9 - 2 4 1 。双向变量泵功率 回收试验台液压系统如图2 2 所示。变频调速电机3 与功率回收马达4 同轴带动被试泵l 运转，2 为转矩转速传感器。变频调速电机3 驱动被试泵1 ，被试泵输出压力油经过单向 阀1 8 或1 9 、截止阀1 5 、电磁换向阀1 4 后，再通过高压流量计或直接进入功率回收马达 4 ，驱动马达旋转，马达再通过电机轴带动被试泵，功率在电机、被试泵、马达、被试泵 之间往复循环达到功率回收的目的。实现双向变量泵试验的功率回收，关键有两个方面， 是实现双向变量泵的双向自动供油与加载；二是实现功率回收。 2 5 2 液压泵试验台非功率回收方案设计 为测量短时液压泵性能，本文又设计了非功率回收液压试验回路，用磁粉制动器模拟 现场负载。从图2 3 中可以看出，实验装置主要由电机、变频器、变量泵、马达、磁粉制 动器、油箱、溢流阀等组成。电动机通过联轴器驱动变量泵的转动，电动机的转速通过变 频器来调节。变量泵输出的高压油通过耐压油管输送给马达，驱动马达的转动。为了能够 准确的控制加载，采用磁粉制动器来模拟实际应用过程中的阻力矩，以测试由变量泵和马 浙江工业大学硕士学位论文 达所组成的液压系统的工作性能情况。在变量泵吸油口和排油口各装一只溅射薄膜压力变 送器，测量不同工作负载下被试泵的出入口油液压力。在磁粉制动器的激励电流输入线上 安装一个电流传感器，用以准确测量出磁粉制动器激磁电流的大小。 图2 ，2 变量泵功率回收试验台液压系统图 1 被试泵2 转矩转速传感器3 变频电机4 力口载马达5 2 3 交流电机 6 恒压变量泵7 调压阀8 。2 2 ，2 7 。3 0 过滤器9 3 4 压力传感器10 3 3 节流阀 1 2 。3 1 一温度传感器1 3 - 高压流量计1 4 一二位三通换向阀1 5 截止阀1 6 2 5 溢流阀 1 7 二位二通换向阀1 8 阀桥2 4 供油泵2 6 一热交换器2 8 温度计2 9 冷却器 图2 3 液压泵性能试验台原理图 1 变频电机2 3 转矩转速传感器4 转矩转速显示仪5 被试泵 6 一吸油压力传感器7 吸油温度传感器8 排油压