教學(xué)液壓試驗(yàn)臺的設(shè)計.doc

教學(xué)液壓試驗(yàn)臺的設(shè)計摘要：當(dāng)今世界高端的教學(xué)液壓試驗(yàn)臺生產(chǎn)技術(shù)，基本上已被美國、德國和日本所壟斷。而國內(nèi)目前不但教學(xué)液壓試驗(yàn)臺生產(chǎn)技術(shù)比較落后，同時教學(xué)液壓試驗(yàn)臺性能檢測技術(shù)也非常落后，尚沒有真正意義上的測試數(shù)據(jù)精確、實(shí)驗(yàn)功能全面的專業(yè)性綜合性教學(xué)液壓試驗(yàn)臺。教學(xué)液壓試驗(yàn)臺發(fā)展的落后已經(jīng)成為制約我國教學(xué)液壓試驗(yàn)臺生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸。關(guān)鍵詞：教學(xué)液壓試驗(yàn)臺技術(shù)隨著改革開放的不斷深入，我國的國民經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)了前所未有的迅猛增長，我國的綜合國力不斷增強(qiáng)。與此同時，我國的液壓技術(shù)也得到了前所未有的迅猛發(fā)展。液壓技術(shù)儼然已經(jīng)滲透到我國國民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域之中，并且不斷應(yīng)用在國民工業(yè)中。同時，液壓技術(shù)在機(jī)床、工程機(jī)械、農(nóng)林機(jī)械、冶金機(jī)械、塑料機(jī)械、汽車船舶等行業(yè)領(lǐng)域中也得到了大幅度的應(yīng)用和發(fā)展，已經(jīng)逐步發(fā)展成為包括傳動、控制和檢測在內(nèi)的一門完整的自動化技術(shù)。液壓氣動傳動與控制技術(shù)具有諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如液壓技術(shù)具有功率重量比大，壓力、流量可控性好，體積小，頻響高，易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，可柔性傳送動力等優(yōu)點(diǎn)。而氣動傳動具有節(jié)能、無污染、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、低成本等優(yōu)點(diǎn)，并容易與微電子、電氣技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。因此，液壓氣動技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門中。而現(xiàn)今采用液壓傳動的程度已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。液壓傳動作為一種傳動方式，由于具備功率密度高，結(jié)構(gòu)小巧，配置靈活，組裝方便，可靠耐用等獨(dú)到的特點(diǎn)，已成功的應(yīng)用于一切需要中等以上功率輸出，并且需要對運(yùn)動過程進(jìn)行靈活控制和調(diào)節(jié)的地方，是現(xiàn)代化傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，盡管液壓技術(shù)在機(jī)械能與壓力能的轉(zhuǎn)換方面，已取得很大進(jìn)展，但同時它在能量的損失和傳動效率上仍然存在著諸多問題。因?yàn)?，在液壓系統(tǒng)中，隨著油液不斷的流動，有相當(dāng)多的液體能量將會損失掉，這種能量損失不僅體現(xiàn)在油液的流動過程中的內(nèi)摩擦損失上，還反映在系統(tǒng)的容積損失上，使系統(tǒng)能量利用率降低，傳動效率無法提高。高能耗和低效率又使油液發(fā)熱增加，從而使系統(tǒng)性能達(dá)不到理想的工作狀況。這些問題給液壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來諸多障礙。因此，探索和研究高效的液壓傳動與控制技術(shù)，提高其系統(tǒng)的綜合性能就成為了液壓技術(shù)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。資料表明，液壓技術(shù)是作為能量傳遞或做功環(huán)節(jié)中必不可少的一部分。因而無論現(xiàn)在還是將來，液壓技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中都會占有非常重要的一席之地，發(fā)揮著無法替代的作用。與此同時，為應(yīng)對日益加劇的國際競爭的新形勢，我國液壓行業(yè)中各企業(yè)都應(yīng)該加快科技創(chuàng)新速度提升產(chǎn)品的市場競爭力，制造一批優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品來滿足我國眾多工程項目和科技發(fā)展的新需要。1液壓及其試驗(yàn)臺的發(fā)展現(xiàn)狀液壓技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，世界各國對液壓工業(yè)的發(fā)展都給子很大重視。而當(dāng)前世界液壓元件的總銷售額約為350億美元。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界各主要國家液壓工業(yè)銷售額占機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值的2%-3.5%,我國只占到1%左右。這也充分的說明我國液壓技術(shù)水平使用率比較低，而努力擴(kuò)大液壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，對我國工業(yè)將有更加廣闊的發(fā)展前景。液壓氣動技術(shù)具有相對獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如液壓技術(shù)具有功率重量比大，壓力、流量可控性好，體積小，頻響高，易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，可柔性傳送動力等優(yōu)點(diǎn)。而氣動傳動具有節(jié)能、無污染、低成本、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，并容易與微電子和電氣技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。因此，液壓與氣動技術(shù)廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各部門。但是近年來，液壓氣動技術(shù)面臨與機(jī)械傳動和電氣傳動的激烈競爭，比如數(shù)控機(jī)床和一些中小型塑機(jī)已逐步采用電控伺服系統(tǒng)取代或部分取代了液壓傳動系統(tǒng)。其最主要原因就是液壓技術(shù)存在滲漏、維護(hù)性差等缺點(diǎn)。為此，必須努力發(fā)揮液壓氣動技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，同時注意液壓氣動技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，并不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，同時努力降低能耗，提高系統(tǒng)效率，適應(yīng)新的環(huán)保需求，提高可靠性和安全性，這些都是液壓氣動技術(shù)繼續(xù)努力的永恒目標(biāo)，也是液壓氣動產(chǎn)品參與市場競爭，決定其能否取勝的關(guān)鍵因素。國外目前研究液壓的最新方向是液壓軸，所謂液壓軸就是指在油缸上集成了伺服閥、傳感器、伺服放大器、調(diào)解板、控制器等，然后用總線將眾多的油缸連接起來，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，這樣就沒有了液壓閥站，只有能源站，從而可以大大減少設(shè)計工作量，并大大提高液壓的自動化水平，這就是目前國際上研究發(fā)展的潮流。而目前中國已經(jīng)研究成功的數(shù)字教學(xué)液壓試驗(yàn)臺已經(jīng)達(dá)到和超越了目前國外希一望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，并同時已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了液壓軸的目的，而且是數(shù)字化的，在一系列領(lǐng)域應(yīng)用中已經(jīng)獲得成功，表現(xiàn)出了極高的性價比。與此同時，國外的教學(xué)液壓試驗(yàn)臺發(fā)展也呈現(xiàn)出新的趨勢，配有勻減速平穩(wěn)制動的緩沖裝置，如拋物線環(huán)隙節(jié)流、階梯環(huán)隙節(jié)流、笛孔節(jié)流裝置等，以及實(shí)現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)，高壓化和復(fù)合化。通常有以下一些復(fù)合的教學(xué)液壓試驗(yàn)臺出現(xiàn):將泵、閥、缸、電機(jī)等元件組裝成一體構(gòu)成獨(dú)立的液壓裝置；將氣缸與教學(xué)液壓試驗(yàn)臺裝在一起，利用氣體推動教學(xué)液壓試驗(yàn)臺工作；將擺動教學(xué)液壓試驗(yàn)臺和推力教學(xué)液壓試驗(yàn)臺組裝在一起，實(shí)現(xiàn)多自由度的動作要求；將不同行程的教學(xué)液壓試驗(yàn)臺串聯(lián)起來，經(jīng)過不同的動作組合，進(jìn)行各種不同長度的點(diǎn)位控制；將教學(xué)液壓試驗(yàn)臺分成二個油控，利用差動工作原理，實(shí)現(xiàn)六種不同速度的運(yùn)動；將步進(jìn)電機(jī)和帶有反饋機(jī)構(gòu)的滑閥與教學(xué)液壓試驗(yàn)臺裝配成電液步進(jìn)教學(xué)液壓試驗(yàn)臺；鋼索教學(xué)液壓試驗(yàn)臺；缸筒能卷曲的教學(xué)液壓試驗(yàn)臺；帶自鎖裝置的教學(xué)液壓試驗(yàn)臺。2液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性2.1實(shí)驗(yàn)的重要性在人類對自然界規(guī)律的探索和認(rèn)識過程中，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)?？梢哉f沒有實(shí)驗(yàn)也就沒有現(xiàn)代科學(xué)。當(dāng)然，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中人是應(yīng)一直居于主導(dǎo)地位的。人們在獲得感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，必須通過頭腦的綜合和思維，上升成為理性認(rèn)識，提出假設(shè)和廣義的規(guī)律性結(jié)論。為了檢驗(yàn)和驗(yàn)證理性結(jié)論的正確性，人們還必須主動地、積極的投身到科學(xué)實(shí)驗(yàn)中去，用理論來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，并由實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中來不斷充實(shí)、驗(yàn)證和發(fā)展理論，增加理論的深度和廣度。因此，對于每一個獻(xiàn)身于科學(xué)的人，特別是工程技術(shù)人員，都應(yīng)對所從事的學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)技術(shù)予以充分的重視。實(shí)驗(yàn)技術(shù)涉及的知識面比較廣，如:機(jī)械學(xué)、電工學(xué)、計算技術(shù)、應(yīng)用光學(xué)、液壓流體力學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計及現(xiàn)代控制理論等；且實(shí)驗(yàn)技術(shù)本身隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也在日新月異地更新和發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)的發(fā)展也非常迅速，其應(yīng)用范圍也愈來愈廣，因而對它的元件和系統(tǒng)的性能要求也就愈來愈高。因此，為了確定和考核液壓系統(tǒng)及其組成元件完整的性能參數(shù)、品質(zhì)指標(biāo)等所進(jìn)行的測試、實(shí)驗(yàn)工作，也就需要滿足更高的要求。液壓教學(xué)要與液壓技術(shù)發(fā)展同步，需要引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，讓學(xué)生了解不斷發(fā)展的液壓技術(shù)狀況，并通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)掌握它們，以培養(yǎng)真正能夠適應(yīng)社會發(fā)展的液壓技術(shù)人才。2.2液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備是指在液壓實(shí)驗(yàn)中，為完成一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃褂玫脑O(shè)備的總稱。它主要包括三部分:實(shí)驗(yàn)對象、基本設(shè)備和輔助設(shè)備。具體如下:(1)實(shí)驗(yàn)對象它可以是實(shí)際應(yīng)用的液壓元件和系統(tǒng)、新研制的樣機(jī)；也可以是為某實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩鴮ｉT設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置，如噴嘴一擋板閥壓力靜特性實(shí)驗(yàn)裝置等，這些俗稱被試件。(2)基本設(shè)備它們是進(jìn)行液壓實(shí)驗(yàn)時必備的主要設(shè)備。包括有液壓源、實(shí)驗(yàn)臺架和油箱等。(3)輔助設(shè)備它們是為完成一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃枰囊恍└郊釉O(shè)備，如加載裝置、冷卻和加熱裝置、檢測裝置、過濾裝置、環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和安全保護(hù)裝置等。3液壓實(shí)驗(yàn)的自動化問題對于實(shí)驗(yàn)工作者來說，其工作中心之一就是力求探討簡單易行的高效率實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)計制造先進(jìn)的測試儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。為此，必須經(jīng)常了解和吸收先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成果，并把它們及時引進(jìn)到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)工作中來，以改進(jìn)或代替原有的實(shí)驗(yàn)裝置。其目的均在于“快”而“準(zhǔn)”地獲得所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。概括起來就是要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程全盤自動化。所謂全盤自動化，就是在沒有人參與的情況下，從實(shí)驗(yàn)過程的程序控制、過程的監(jiān)視、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、整理、分析，直到最后以數(shù)字顯示、打印記錄、繪出實(shí)驗(yàn)曲線、以信息方式存貯等形式，快而準(zhǔn)地提供所要求的實(shí)驗(yàn)報告。3.1液壓實(shí)驗(yàn)的自動化趨勢自六十年代以來的二十多年中，電子技術(shù)飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)、數(shù)字化儀表的大量應(yīng)用、數(shù)字計算機(jī)的推廣和使用等，在此基礎(chǔ)上，國外已有了以計算機(jī)為主題的自動測試系統(tǒng)，由此也出現(xiàn)了一門新的學(xué)科一計算機(jī)輔助測試。計算機(jī)輔助測試所設(shè)計的范圍除了微型計算機(jī)和測試技術(shù)外，還有數(shù)字信號處理，可靠性及現(xiàn)代控制理論等。液壓計算機(jī)輔助測試(CAT)是利用計算機(jī)建立一套數(shù)據(jù)采集和數(shù)字控制系統(tǒng)，與試驗(yàn)臺連接起來，由計算機(jī)對各種試驗(yàn)參數(shù)，如壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩等參量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、量化和處理并輸出測試結(jié)果。在試驗(yàn)過程中，計算機(jī)還可根據(jù)數(shù)字反饋或人工輸入要求，對測試過程進(jìn)行控制，達(dá)到計算機(jī)密切跟蹤和控制試驗(yàn)臺及試件狀態(tài)的目的，從而以高速、高精度完成對液壓產(chǎn)品的性能測試。在液壓實(shí)驗(yàn)全盤自動化的過程中，液壓實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域己廣泛引進(jìn)了計算機(jī)，例如美國的MOOG公司制造了由計算機(jī)控制的電液伺服閥實(shí)驗(yàn)臺、日本制鋼所擁有的由計算機(jī)控制的液壓泵性能實(shí)驗(yàn)臺等。國內(nèi)近年來有些單位也在著手進(jìn)行這方面的工作，在計算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)(CAT)方面已取得了一些較好的成果。其實(shí)在液壓實(shí)驗(yàn)室中，小規(guī)模的、局部的自動化儀器和裝置己在普遍應(yīng)用。例如實(shí)驗(yàn)參數(shù)的自動巡回檢測、油溫的自動控制裝置、實(shí)驗(yàn)壓力的超壓報警和卸荷保護(hù)措施、驅(qū)動用直流電動機(jī)的調(diào)速和穩(wěn)速裝置、可程序控制頻率特性分析儀、快速富里哀變換分析儀以及各種帶BCD輸出的和GP-IB接口的數(shù)字式測試儀器等，都具有局部的自動功能和有較強(qiáng)的對自動化的適應(yīng)能力。3.2計算機(jī)控制液壓自動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成計算機(jī)控制的領(lǐng)域是非常廣泛的，控制對象從小到大，從簡單到復(fù)雜都可以用計算機(jī)控制。計算機(jī)既可以控制單個液壓元件的運(yùn)動方向，也可以調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力或流量。既可完成對單個回路參數(shù)的簡單控制，也可進(jìn)行復(fù)雜規(guī)律和多變量解藕控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等。以計算機(jī)為主體的液壓自動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠以極高效率、快而準(zhǔn)地得到完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的精度和可靠性，大大地節(jié)約了人力和時間，改善了勞動條件。因此現(xiàn)在計算機(jī)控制正逐步廣泛應(yīng)用在液壓實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中。一般以計算機(jī)為主體的自動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。軟件是通過計算機(jī)能了解的一種高級語言而編輯的專門實(shí)驗(yàn)程序和數(shù)據(jù)處理程序，它可以以磁盤的形式提供。硬件一般包括計算機(jī)及其外圍設(shè)備、實(shí)驗(yàn)臺和控制裝置。由于液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)眾多，控制方式不一，下面僅從兩種典型的計算機(jī)控制液壓系統(tǒng)來進(jìn)行說明。(1)開環(huán)控制系統(tǒng)一般的開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞲鶕?jù)輸入值去控制執(zhí)行元件完成被控參數(shù)的要求。在計算機(jī)控制中將控制器用計算機(jī)代替，計算機(jī)的輸出信號是數(shù)字信號，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)是數(shù)字式元件，如:高速開關(guān)閥或數(shù)字式比例閥，就可以直接接到液壓缸或液壓馬達(dá)上。如果是常規(guī)的比例閥或電液伺服閥就需要在計算機(jī)輸出口接一個數(shù)一模轉(zhuǎn)換器(D/A)。(2)閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)是將輸出信號反饋后和輸入信號比較再進(jìn)行控制的系統(tǒng)，因此具有控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，適合于控制性能要求高的系統(tǒng)。由于計算機(jī)完成控制功能的不同，有以下幾種方式:計算機(jī)作為輸入信號處理器的控制系統(tǒng)所示的一個閉環(huán)連續(xù)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入、輸出均是模擬量，計算機(jī)接收從鍵盤、數(shù)據(jù)存儲裝置或是更高一級管理計算機(jī)中獲得的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入該系統(tǒng)前必須經(jīng)過數(shù)一模轉(zhuǎn)換(D/A)，轉(zhuǎn)換成模擬量才行。計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)(數(shù)字控制系統(tǒng))雖然控制對象可以不相同，控制參數(shù)也可以有千差萬別的變化，但對于計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)來說都具有共同的工作原理和結(jié)構(gòu)。下面的是一個軋鋼厚度控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。圖中，計算機(jī)和數(shù)一模轉(zhuǎn)換器及模一數(shù)轉(zhuǎn)換器等作為一個數(shù)字控制器，代替連續(xù)式閉環(huán)系統(tǒng)中的求和點(diǎn)和校正電路組成的模擬式控制器，除了實(shí)現(xiàn)校正電路功能之外，通過軟件還能實(shí)現(xiàn)比一般模擬式電路難以實(shí)現(xiàn)的功能，獲得比較優(yōu)良的控制功能。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，在計算機(jī)輸出端采用數(shù)一模轉(zhuǎn)換器(D/A)，在反饋回路的厚度傳感器后面增加一個模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，以便在計算機(jī)上方便地進(jìn)行信號處理。3.3液壓實(shí)驗(yàn)自動化的實(shí)施方案概括起來說，任何實(shí)驗(yàn)設(shè)備不外乎要求具有兩種功能，一為控制功能；一為測量功能。所謂控制功能一般包括:實(shí)驗(yàn)的開始和停止、實(shí)驗(yàn)步驟(或程序)的排列、動力源的啟動、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)等等。此外，更重要的是要求在實(shí)驗(yàn)過程中，自動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要具有一定的判斷能力，如根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)作出參數(shù)調(diào)整的判斷；出現(xiàn)故障時能及時查出故障所在位置，并作出停止或繼續(xù)進(jìn)行的判斷。當(dāng)然，有些控制功能的完成是要人來參與的。至于測量功能是容易理解的，除了在實(shí)驗(yàn)過程中測量出各個所需要的參數(shù)值外，還要求達(dá)到能整理、分析數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、顯示、記錄等，這就是數(shù)據(jù)處理的能力。上述這兩方面的基本功能