CN101463847B - 一种液压缸带载频率响应测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压缸带载频率响应测试系统及测试方法。其技术方案是：油泵[9]的出油口与电液伺服阀[13]的P口相通，电液伺服阀[13]的A口或B口与被测试液压缸[2]的无杆腔相通，被测试液压缸[2]的有杆腔与油箱[11]相通；被测试液压缸[2]安装在闭式机架[1]内；被测试液压缸[2]上装有位移传感器[3]，位移传感器[3]与数据采集卡[5]的A/D口及PID控制器[6]电连接；伺服放大器[7]的一端与电液伺服阀[13]的电磁铁电连接，伺服放大器[7]的另一端与PID控制器[6]的一端电连接，PID控制器[6]的另一端与数据采集卡[5]的D/A口电连接，数据采集卡[5]和计算机辅助测试软件[4]安装在计算机内。本发明具有系统结构简单、测试精确和自动化程度高的特点。

Description

一种液压缸带载频率响应测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于液压元件测试技术领域。具体涉及一种液压缸带载频率响应测试系统及测试方法。

背景技术

液压系统因具有功率大、响应快、精度高等优点而被广泛应用于冶金生产设备的重要部位。液压缸是液压系统的执行机构，其带载运动过程中的响应速度对整个液压系统的性能有很大的影响，因此对液压缸的带载频率响应特性进行精确测试非常必要。尤其是结晶器振动伺服液压缸、轧机液压压下(AGC)伺服液压缸、汽车道路谱疲劳试验机交变加载液压缸等对响应速度要求高的伺服液压缸，必须定期对其带载频率响应特性进行精确测试。

目前液压缸的带载频率响应测试方法主要是：带载频率响应测试时，两个伺服液压缸竖直叠放置于闭式机架内，其中上面伺服液压缸为被测试对象，下面的伺服液压缸为提供加载力的加载液压缸，闭式机架只是提供加载反作用力，在测试过程中下面加载液压缸的无杆腔通压力油，使活塞始终输出一定的推力，将被试伺服液压缸紧压在闭式机架上，模拟轧制工况，位移传感器检测被测试伺服液压缸的动态位移。由测试系统的输入控制信号和被测试伺服液缸的输出位移的关系得到被测试伺服液缸的带载频率响应性能参数(卜匀，大型轧机液压AGC伺服缸试验台加载控制系统仿真，机床与液压，2007，35(1)；陈新元等，液压压下伺服缸动态特性测试系统研究，液压气动与密封，2004(3))。上述测试方法存在的问题：被测试伺服液压缸的频率响应指标中包含有闭式机架内加载液压缸的频率响应指标。因为多个环节串联组成的控制系统的频率响应指标由频率响应指标最低的环节决定。即如果加载液压缸的频率响应指标高于被测试伺服液压缸的频率响应指标，则其对测试结果影响不大，如果加载伺服液压缸的频率响应指标低于被测试伺服液压缸的频率响应指标，则测试结果只能反映加载液压缸的频率响应指标，从而达不到测试目的(王春行主编，液压控制系统，北京：机械工业出版，2007.pp49)。

发明内容

本发明旨在克服上述技术缺陷，目的是提供一种系统结构简单、测试精确和自动化程度高的液压缸带载频率响应测试系统和测试方法。

为实现上述目的，本发明的测试系统采用的技术方案是：油泵与电机同轴联接，油泵的吸油口与油箱相通，油泵的出油口通过过滤器与电液伺服阀的P口相通，电液伺服阀的A口或B口与被测试液压缸的无杆腔相通，电液伺服阀的B口或A口封闭；被测试液压缸的有杆腔和电液伺服阀的T口与油箱相通；在电液伺服阀的P口压油管路与电液伺服阀的T口回油管之间联接有电磁溢流阀，被测试液压缸安装在闭式机架内。

在被测试液压缸有杆腔端的缸体端面和闭式机架间装有位移传感器，位移传感器与数据采集卡的A/D口电连接，位移传感器与PID控制器电连接；伺服放大器的一端与电液伺服阀的电磁铁电连接，伺服放大器的另一端与PID控制器的一端电连接，PID控制器的另一端与数据采集卡的D/A口电连接，数据采集卡和计算机辅助测试软件安装在计算机内。

其中：闭式机架的最大弹性变形量大于活塞正弦振动的幅值A；被测试液压缸活塞初始外伸量L大于活塞正弦振动的幅值A的一半，被测试液压缸活塞初始外伸量L小于闭式机架的最大弹性变形量的一半。

所述的计算机辅助测试软件的主流程为：

S1-1：初始化变量，采样点数N＝500，计数点n＝0，频率计数i＝1，周期计数m＝1，活塞初始外伸量L＝1mm，时刻t₀＝0，控制电压u₀＝0，幅值A＝50μm，频率f₁＝0.1Hz，f₂＝0.2Hz，f₃＝0.5Hz，，f₄＝1Hz，f₅＝5Hz，f₆＝10Hz；

S1-2：D/A通道送出信号活塞初始外伸量L，扫描A/D通道，记录活塞初始位移S₀；

S1-3：判断S₀是否等于L，若不是则返回到S1-2，若是则继续下一步；

S1-4：计数点累加n＝n+1，频率赋值f＝f_i，ω＝2πf，采样时刻 $t_n=\frac{2\mathrm{\πn}}{\mathrm{\ωN}};$

S1-5：由D/A通道送出控制电压，u_n＝Asinωt_n；

S1-6：扫描A/D通道，记录活塞位移反馈值，U(S_n)＝U_A/D；

S1-7：计算位移反馈值与给定值的幅值比和相位差， $A\left(\mathrm{\ω}\right)=20\lg \frac{U\left(S_n\right)}{u_n},$

S1-8：判断n是否等于N，若不是则跳到S1-10，若是则继续下一步；

S1-9：一个正弦周期完毕，重新开始计数n＝0，周期计数累加m＝m+1；

S1-10：判断m是否等于5；若不是则跳到S1-12，若是则继续下一步；

S1-11：等待5秒，开始下一个频率的测试，频率累加i＝i+1；

S1-12：判断i是否大于等于6，若不是则返回到S1-4，若是则继续下一步；

S1-13：以频率ω为横坐标，幅值比A(ω)为纵坐标，绘制液压缸幅频特性曲线，以频率ω为横坐标，相位差φ(ω)为纵坐标，绘制液压缸相频特性曲线。

本发明采用上述测试系统进行频率响应测试，其步骤为：

S2-1：启动计算机，打开计算机辅助测试软件；

S2-2：调定电磁溢流阀的压力，启动电机，液压系统开始工作；

S2-3：在计算机辅助测试软件中设置参数采样点数N、幅值A和被测试液压缸活塞初始外伸量L，开始测试；

S2-4：等待液压缸频率响应的测试结果；

S2-5：将被测试液压缸频率响应的幅频特性曲线及相频特性曲线存盘打印；

S2-6：关闭电机，液压系统停止工作；

S2-7：退出计算机辅助测试软件，关闭计算机。

由于采用上述技术方案，本发明具有系统结构简单、测试精确、自动化程度高的优点，

具体表现在：

1、电液伺服阀进行位置调节，位移传感器进行位移检测，计算机辅助测试软件处理测试结果，系统结构简单。

2、由计算机辅助测试软件的D/A通道输出正弦控制信号，经PID控制器调整增益，由伺服放大器转换为功率放大的电流信号驱动电液伺服阀的电磁铁，从而控制被测试液压缸的活塞运动；同时位移传感器将检测到的活塞位移反馈给PID控制器，以构成位置闭环控制系统，可准确测定液压缸频率响应特性。

3、在整个测试过程中计算机辅助测试软件通过D/A通道发出信号，通过A/D通道记录位移传感器所检测到的活塞位移信号，并由计算机辅助测试软件绘制出被测试液压缸的幅频特性曲线和相频特性曲线，故自动化程度高。

本发明适合所有液压缸频率响应的精确测试，尤其是低摩擦伺服缸、轧机液压压下(AGC)伺服液压缸频率响应的精确测试。

附图说明

图1是本发明的一种系统示意图；

图2是图1中的计算机辅助测试软件4的主流程框图；

图3是本发明的一种测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对保护范围的限制：

一种用于测定液压缸带载频率响应的测试系统及其测试方法，该测试系统如图1所示：油泵9与电机10同轴联接，油泵9的吸油口与油箱11相通，油泵9的出油口通过过滤器8与电液伺服阀13的P口相通，电液伺服阀13的A口与被测试液压缸2的无杆腔相通，电液伺服阀13的B口封闭；被测试液压缸2的有杆腔和电液伺服阀13的T口与油箱11相通；在电液伺服阀13的P口压油管路与电液伺服阀13的T口回油管路之间联接有电磁溢流阀12，被测试液压缸2安装在闭式机架1内。

在被测试液压缸2有杆腔端的缸体端面和闭式机架1间装有位移传感器3，位移传感器3与数据采集卡5的A/D口电连接，位移传感器3与PID控制器6电连接；伺服放大器7的一端与电液伺服阀13的电磁铁电连接，伺服放大器7的另一端与PID控制器6的一端电连接，PID控制器6的另一端与数据采集卡5的D/A口电连接，数据采集卡5和计算机辅助测试软件4安装在计算机内。

其中：闭式机架1的最大弹性变形量大于油缸活塞正弦振动的幅值A；被测试液压缸2活塞初始外伸量L大于活塞正弦振动的幅值A的一半，被测试液压缸2活塞初始外伸量L小于闭式机架1的最大弹性变形量的一半。

本实施例的计算机辅助测试软件的主流程为：

S1-1：初始化变量，采样点数N＝500，计数点n＝0，频率计数i＝1，周期计数m＝1，活塞初始外伸量L＝1mm，时刻t₀＝0，控制电压u₀＝0，幅值A＝50μm，频率f₁＝0.1Hz，f₂＝0.2Hz，f₃＝0.5Hz，，f₄＝1Hz，f₅＝5Hz，f₆＝10Hz；

S1-2：D/A通道送出信号活塞初始外伸量L，扫描A/D通道，记录活塞初始位移S₀；

S1-3：判断S₀是否等于L，若不是则返回到S1-2，若是则继续下一步；

S1-4：计数点累加n＝n+1，频率赋值f＝f_i，ω＝2πf，采样时刻 $t_n=\frac{2\mathrm{\πn}}{\mathrm{\ωN}};$

S1-5：由D/A通道送出控制电压，u_n＝Asinωt_n；

S1-6：扫描A/D通道，记录活塞位移反馈值，U(S_n)＝U_A/D；

S1-7：计算位移反馈值与给定值的幅值比和相位差， $A\left(\mathrm{\ω}\right)=20\lg \frac{U\left(S_n\right)}{u_n},$

S1-8：判断n是否等于N，若不是则跳到S1-10，若是则继续下一步；

S1-9：一个正弦周期完毕，重新开始计数n＝0，周期计数累加m＝m+1；

S1-10：判断m是否等于5；若不是则跳到S1-12，若是则继续下一步；

S1-11：等待5秒，开始下一个频率的测试，频率累加i＝i+1；

S1-12：判断i是否大于等于6，若不是则返回到S1-4，若是则继续下一步；

S1-13：以频率ω为横坐标，幅值比A(ω)为纵坐标，绘制液压缸幅频特性曲线，以频率ω为横坐标，相位差φ(ω)为纵坐标，绘制液压缸相频特性曲线。

本具体实施方式采用该测试系统进行频率响应测试的步骤为：

S2-1：启动计算机，打开计算机辅助测试软件4；

S2-2：调定电磁溢流阀12的压力，启动电机10，液压系统开始工作；

S2-3：在计算机辅助测试软件4中设置参数采样点数N＝500，幅值A＝50μm，被测试液压缸2活塞初始外伸量L＝1mm，开始测试；

S2-4：等待液压缸2频率响应的测试结果；

S2-5：将液压缸2频率响应的幅频特性曲线及相频特性曲线存盘打印；

S2-6：关闭电机10，停止液压系统工作；

S2-7：退出计算机辅助测试软件4，关闭计算机。

在本具体实施方式中，该测试系统的工作压力为P＝31.5MPa，闭式机架1的重量为40t，闭式机架1承受的最大作用力为50000KN，闭式机架1的最大弹性变形量为2.6mm；电动机10为Y250M-4笼型异步电动机，油泵9为A4VSOMA/70R-PPB13N00N变量柱塞泵，过滤器8为DFB-H60×10C过滤器，电液伺服阀13为D661G75HOCO6NSX2HO电液伺服阀，电磁溢流阀12为DBW20B-2-30B/315G24NZ5L电磁溢流阀，位移传感器3为FX-5位移传感器，数据采集卡5为PCI-9118数据采集卡，被测试液压缸2是内径为1000mm的伺服液压缸。

本实施例的测试结果所绘制的幅频特性曲线和相频特性曲线如图3所示，取幅频特性曲线与-3dB刻度线的交点值为被测试伺服液压缸2的幅频宽，取相频特性曲线与-90度刻度线的交点值为被测试伺服液压缸2的相频宽，再取幅频宽和相频宽的较小值作为被测试伺服液压缸2的频宽，由图3可知，本实施例的被测试伺服液压缸2的频宽为6.2Hz。

本具体实施方式由计算机辅助测试软件4的D/A通道输出正弦控制信号，经PID控制器6调整增益，由伺服放大器7转换为功率放大的电流信号驱动电液伺服阀13的电磁铁，从而控制被测试液压缸2的活塞运动；同时位移传感器3将检测到的活塞位移反馈给PID控制器6，以构成位置闭环控制系统，可准确测定液压缸频率响应特性。

在整个测试过程中计算机辅助测试软件4通过D/A通道发出信号，通过A/D通道记录位移传感器3所检测到的活塞位移信号，并由计算机辅助测试软件4绘制出被测试液压缸2的幅频特性曲线和相频特性曲线，故自动化程度高。

本具体实施方式适合所有液压缸频率响应的精确测试，尤其是低摩擦伺服缸、轧机液压压下(AGC)伺服液压缸频率响应的精确测试。

Claims (4)

1.一种液压缸带载频率响应测试系统，其特征在于油泵[9]与电机[10]同轴联接，油泵[9]的吸油口与油箱[11]相通，油泵[9]的出油口通过过滤器[8]与电液伺服阀[13]的P口相通，电液伺服阀[13]的A口与被测试液压缸[2]的无杆腔相通，电液伺服阀[13]的B口封闭，或电液伺服阀[13]的B口与被测试液压缸[2]的无杆腔相通，电液伺服阀[13]的A口封闭；被测试液压缸[2]的有杆腔和电液伺服阀[13]的T口与油箱[11]相通，在电液伺服阀[13]的P口压油管路与电液伺服阀[13]的T口回油管路之间联接有电磁溢流阀[12]，被测试液压缸[2]安装在闭式机架[1]内；

在被测试液压缸[2]有杆腔端的缸体端面和闭式机架[1]间装有位移传感器[3]，位移传感器[3]与数据采集卡[5]的A/D口电连接，位移传感器[3]与PID控制器[6]电连接；伺服放大器[7]的一端与电液伺服阀[13]的电磁铁电连接，伺服放大器[7]的另一端与PID控制器[6]的一端电连接，PID控制器[6]的另一端与数据采集卡[5]的D/A口电连接，数据采集卡[5]和计算机辅助测试软件[4]安装在计算机内。

2.根据权利要求1所述的液压缸带载频率响应测试系统，其特征在于所述的计算机辅助测试软件[4]的主流程为：

S1-1：初始化变量，采样点数N＝500，计数点n＝0，频率计数i＝1，周期计数m＝1，活塞初始外伸量L＝1mm，时刻t₀＝0，控制电压u₀＝0，幅值A＝50μm，频率f₁＝0.1Hz，f₂＝0.2Hz，f₃＝0.5Hz，f₄＝1Hz，f₅＝5Hz，f₆＝10Hz；

S1-2：D/A通道送出信号活塞初始外伸量L，扫描A/D通道，记录活塞初始位移S₀；

S1-3：判断S₀是否等于L，若不是则返回到S1-2，若是则继续下一步；

S1-4：计数点累加n＝n+1，频率赋值f＝f_i，ω＝2πf，采样时刻

S1-5：由D/A通道送出控制电压，u_n＝Asinωt_n；

S1-6：扫描A/D通道，记录活塞位移反馈值，U(S_n)＝U_A/D；

S1-7：计算位移反馈值与给定值的幅值比和相位差，

S1-8：判断n是否等于N，若不是则跳到S1-10，若是则继续下一步；

S1-9：一个正弦周期完毕，重新开始计数n＝0，周期计数累加m＝m+1；

S1-10：判断m是否等于5；若不是则跳到S1-12，若是则继续下一步；

S1-11：等待5秒，开始下一个频率的测试，频率累加i＝i+1；

S1-12：判断i是否大于等于6，若不是则返回到S1-4，若是则继续下一步；

S1-13：以频率ω为横坐标，幅值比A(ω)为纵坐标，绘制液压缸幅频特性曲线，以频率ω为横坐标，相位差φ(ω)为纵坐标，绘制液压缸相频特性曲线。

3.根据权利要求1所述的液压缸带载频率响应测试系统，其特征在于所述的闭式机架[1]的最大弹性变形量大于活塞正弦振动的幅值A。

4.根据权利要求2所述的液压缸带载频率响应测试系统，其特征在于所述的被测试液压缸[2]活塞初始外伸量L大于活塞正弦振动的幅值A的一半，被测试液压缸[2]活塞初始外伸量L小于闭式机架[1]的最大弹性变形量的一半。

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