基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和科研水平的不斷提高，對(duì)機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)手段不斷提出了更高的要求。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的研制基本上還停留在傳統(tǒng)的人工方式水平上，主要類(lèi)型為以機(jī)械力或液壓力的機(jī)械功率流封閉式試驗(yàn)臺(tái)和用發(fā)電機(jī)作負(fù)載的電功率封閉試驗(yàn)臺(tái)。這些試驗(yàn)臺(tái)或由于節(jié)能或由于加載方面而各具特色，都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，但自動(dòng)化程度低，很難按事先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)法模擬實(shí)際工況對(duì)各種機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的影響，因此試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況總難免有相當(dāng)距離，這在很大程度上影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的直接指導(dǎo)作用。傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)大多采用人工操縱方式，試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理都較麻煩且準(zhǔn)確性低，不易實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動(dòng)控制和失效判定。

為了彌補(bǔ)以上不足，我們提出了一種新的方案—以一機(jī)械封閉式機(jī)械傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，數(shù)字液壓加載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)加載和載荷譜的模擬?？刂葡到y(tǒng)采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)和分層的設(shè)計(jì)思想，將多種控制算法和數(shù)據(jù)處理算法集成于一體，提供友好的人機(jī)交互界面，對(duì)計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

ｌ 多功能試驗(yàn)臺(tái)的組成及工作原理

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的功率傳遞原理和加載方法的不同，試驗(yàn)臺(tái)可分為開(kāi)放式功率流式、封閉功率流式和電功率流閉式三大類(lèi)。機(jī)械封閉功率流式試驗(yàn)臺(tái)（如圖1），由于可用小功率原動(dòng)機(jī)與低的功耗進(jìn)行大的功率試驗(yàn)，具有不需要安置耗能裝置，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，而運(yùn)用很廣泛。在封閉系統(tǒng)中，功率一端流出，又從另一端流人，形成循環(huán)封閉流，因此只要從外界輸入不多的能量便可保持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)供給的能量，主要是補(bǔ)償封閉系統(tǒng)中各零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦功率損失，其值約為封閉功率值的 10％～15％左右。

2 系統(tǒng)方案

試驗(yàn)臺(tái)控制裝置應(yīng)能夠在線實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)速、載負(fù)的變化，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)；數(shù)據(jù)的采集與處理應(yīng)滿(mǎn)足采樣范圍寬，能實(shí)現(xiàn)不同頻率下的采樣，自動(dòng)處理分析數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果，操作界面方便，易于控制。

2.1 硬件方案

采用硬件的方法主要是采用專(zhuān)用集成電路和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的硬件線路板來(lái)完成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、求平均值和放大、計(jì)數(shù)、濾波等。硬件線路復(fù)雜，僅電源就要提供正負(fù)24V、10V、5V等各種不同的穩(wěn)壓電源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低且功能單一，只能瞬時(shí)得到各種指標(biāo)值，不能存儲(chǔ)、顯示和打印等。

2.2 軟件方案

本系統(tǒng)建立在Windows2000平臺(tái)上，用VC++語(yǔ)言編制而成。將變頻器、電機(jī)、載器、加傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等抽象為類(lèi)，設(shè)備模塊化，對(duì)系統(tǒng)可針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)試件和設(shè)備的更換，對(duì)類(lèi)進(jìn)行擴(kuò)充、修改、添加、組合，實(shí)現(xiàn)多種不同的實(shí)驗(yàn)，大大提高了試驗(yàn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)的適用性。

2.3設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)臺(tái)以一臺(tái)高檔工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為核心，配以單片機(jī)系統(tǒng)，分別對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行控制。工控機(jī)不但是控制器，同時(shí)還具有記錄儀、示波儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等功能，還能方便地根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的需要設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等報(bào)警參數(shù)和失效判定指標(biāo)。其總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖２。

3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試及控制

3.1計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試

在對(duì)CB2000卡式轉(zhuǎn)矩儀和PCL-812PG多功能數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)進(jìn)行配置后，性能參數(shù)測(cè)試是通過(guò)用JC2B轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（如圖3所示）和配套 CB2000卡式轉(zhuǎn)矩儀，由計(jì)算機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制任務(wù)。采用人機(jī)對(duì)話形式操作，根據(jù)不同的任務(wù)，可按標(biāo)準(zhǔn)的或非標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果均可實(shí)現(xiàn)以數(shù)字或曲線形式顯示在屏幕上，或輸出到打印機(jī)上，還可保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2負(fù)載和轉(zhuǎn)速控制

通過(guò)PC812-PG的模擬量輸出口分別對(duì)變頻器和數(shù)字閥發(fā)出電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和載荷的控制。

4 試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)特色及用途

該設(shè)計(jì)方案將傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、載荷的數(shù)字控制，使轉(zhuǎn)速和載荷反應(yīng)靈敏，能夠較好地模擬實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)準(zhǔn)確、在線、實(shí)時(shí)、高速采集和處理。采用變頻器可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速，省去以往用控制柜的不便。該試驗(yàn)臺(tái)還具有很強(qiáng)的開(kāi)發(fā)潛力，通過(guò)軟件版本的不斷升級(jí)和少量的硬件改進(jìn)，可以使試驗(yàn)臺(tái)的適用范圍不斷增加。

適用的機(jī)械傳動(dòng)裝置有，圓柱齒輪減速箱、變速器、錐齒輪、汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋，蝸桿減速器、行星齒輪減速器、鏈帶傳動(dòng)、傳動(dòng)等裝置。

下面是采集負(fù)載恒為M=130N？m，減數(shù)器輸入端N=1000r/min的轉(zhuǎn)速信號(hào)的1k數(shù)據(jù)（如圖4和圖5），進(jìn)行傅立葉變換或小波變換（略），可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和故障診斷。圖6為在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下傳動(dòng)效率曲線圖，圖中曲線由上至下的輸入轉(zhuǎn)速分別為600r/min、800r/min、 1000r/min、1200r/min、1600r/min。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，要消耗電動(dòng)機(jī)一部分功率，其只隨傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速的變化而變化。引起該功率損失的主要因素有傳動(dòng)件在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦、由于加工和裝配誤差而加大的摩擦以及攪油、空氣阻力和其它動(dòng)載荷等。隨著轉(zhuǎn)速的增加，由于功率損失增加，在相同負(fù)載下傳動(dòng)效率會(huì)有所降低。從圖6可以看到，相同負(fù)載下，轉(zhuǎn)速越高，效率越低，也表明實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果與理論是相符合的。實(shí)驗(yàn)臺(tái)是9級(jí)精度閉式圓柱齒輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)效率的理論值應(yīng)在96％左右，由于電機(jī)、加載器、傳動(dòng)器、軸承等的摩擦，油損失、攪裝配誤差以及測(cè)量值的誤差，使得計(jì)算出的傳動(dòng)效率低于理論值。

5 結(jié)論

該新型多功能機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)以機(jī)械功率流封閉式機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為核心，采用變頻器和交流電動(dòng)機(jī)作為調(diào)速系統(tǒng)，以液壓泵站和加載器構(gòu)成加載系統(tǒng)模擬實(shí)際工況，使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器獲取轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，與圓柱齒輪減速箱一起構(gòu)成了功率流封閉的機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)以計(jì)算機(jī)作為控制與處理中心，該設(shè)計(jì)方案充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源和數(shù)字化技術(shù)的靈活運(yùn)用。本文研制的試驗(yàn)臺(tái)已成功地用于系統(tǒng)傳動(dòng)功率、機(jī)械產(chǎn)品承受載荷的測(cè)試。多次試驗(yàn)表明，該試驗(yàn)臺(tái)與現(xiàn)有的其它同類(lèi)試驗(yàn)臺(tái)相比，自動(dòng)化程度大大提高，模擬實(shí)際工況的能力明顯增強(qiáng)。

責(zé)任編輯：gt