CN113700702B - 一种数字液压缸工作状态非介入实时监测系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电检测技术领域，具体涉及一种数字液压缸工作状态非介入式实时监测系统及方法。包括工控机、数据采集器、非接触式电流传感器和位移传感器，位移传感器安装于数字液压缸活塞杆与缸体之间，非接触式电流传感器信号输出端和位移传感器信号输出端均连接于数据采集器，数据采集器与工控机之间通过USB线连接。该系统的使用方法包括：步骤1：启动数字液压缸；步骤2：获取驱动器输出的电流信号并自动判断；步骤3：计算出数字液压缸位移值；步骤4：实际位移值与数字液压缸位移值比较，判断是否正常，正常返回步骤3，故障则进入下一步；步骤5：显示数字液压缸故障状态，一次监测过程结束。

Description

一种数字液压缸工作状态非介入实时监测系统及使用方法

技术领域

本发明属于机电检测技术领域，具体地涉及一种数字液压缸工作状态非介入式实时监测系统及方法。

背景技术

数字液压缸，也称数控油缸，是一种内建闭环、使用开环的系统工程级单一液压元件，利用其可将脉冲转换为精密的功率驱动，实现微米级的控制精度，其成功把液压技术与数字技术结合起来，实现了液压传动的数字化控制、远距离控制和智能控制。

一般的单级螺旋反馈式数字液压缸由步进电机、滑套、滑阀阀体、阀芯、螺杆、反馈螺母、活塞、活塞杆、缸体等构成。活塞杆为中空结构，在其内部安装螺杆；反馈螺母与活塞固连；螺杆和阀芯采用一体化结构，阀芯一端有键槽安装滑键，通过滑套与步进电机轴相连，螺杆一端与活塞上的反馈螺母相配合。当阀芯在步进电机的驱动下旋转时，阀芯在螺母的作用下会产生轴向移动，从而引起液压油流动方向发生变化，推动油缸活塞伸出或缩回的同时，通过螺母副将阀芯复位关闭，形成位置闭环反馈。这种数字液压缸在实际应用中，可能存在负载突变或油压过低情况下，在阀芯动作、阀口打开后，活塞不动作或动作不到位的现象，这时无法形成位置闭环反馈，使阀芯不能复位，多次这样的操作，将导致阀芯与滑套脱开，数字液压缸不能正常工作，必须停机维修。为了避免这种故障现象的发生，目前，使用这种结构数字液压缸、又无配套检测装置的工程系统，在控制数字液压缸动作时，需有专人观察数字液压缸的工作情况，发现异常要迅速报告，既费时费力，也存在人为因素影响，可能会出现故障的漏报、误报，难以及时发现故障。

发明内容

本发明的目的是针对工程在用数字液压缸系统故障难以及时诊断的问题，提供一种数字液压缸工作状态非介入监测系统，用于实时判断液压缸的工作状态，出现故障异常能及时自动判断。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种数字液压缸工作状态非介入实时监测系统，包括工控机、数据采集器、非接触式电流传感器、驱动器和位移传感器，所述非接触式电流传感器电连接于驱动器与步进电机之间，所述位移传感器安装于数字液压缸活塞杆与缸体之间，所述非接触式电流传感器信号输出端和位移传感器信号输出端均连接于数据采集器，所述数据采集器与工控机之间通过USB线连接。

优选地，所述非接触式电流传感器为穿孔式非接触式电流传感器。

一种数字液压缸工作状态非介入实时监测系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：启动数字液压缸工作状态非介入实时监测系统；

步骤2：工控机通过数据采集器实时获取驱动器输出控制步进电机的电流信号，获得一次输入有效脉冲的总数；

步骤3：工控机根据一次输入控制脉冲总数、脉冲控制信号数和液压缸动作位移之间的关系式计算出数字液压缸位移值；

步骤4：工控机采集位移传感器信号得到实际位移值，与计算出的数字液压缸位移值进行比较，通过位移误差判据判断数字液压缸工作是否正常，若正常返回步骤3，若故障，则进入下一步；

步骤5：显示数字液压缸故障状态，一次监测过程结束。

优选地，所述步骤2具体步骤包括：

步骤2.1：参数初始化，包括信号阈值a₁、单相有效脉冲数n₁＝0、一次动作时间最大值t_max等；

步骤2.2：工控机通过数据采集器实时获取驱动器输出控制步进电机的电流信号；

步骤2.3：工控机判断步骤2.2采集的电流信号是否有正常脉冲信号，若有正常采集值，则进入下一步，若没有正常采集值，则返回步骤2.2；

步骤2.4：启动计时器；

步骤2.5：判断电流信号是否为上升沿，若不是上升沿，则跳转至步骤2.9，若是，则进入下一步；

步骤2.6：判断电流信号是否超过步骤2.1设定的信号阈值a₁，若未超过设定的信号阈值a₁，则跳转至步骤2.9，若超过设定的信号阈值a₁，则进入下一步；

步骤2.7：单相有效脉冲数加1，进入下一步；

步骤2.8：判断计时时间t是否大于t_max，若是，则进入下一步，否则，返回步骤2.5；

步骤2.9：输出有效脉冲总数，一次监测结束。

优选地，所述步骤2.3同时利用非接触式电流传感器采集三相脉冲控制信号，其中两相为正极信号、一相为负极信号，得到的三级阶梯状信号，并分别设置三个不同的阈值a₁、a₂、a₃，当阈值取a₁经过步骤2.2-2.9，得到有效脉冲数n₁，当阈值取a₂经过步骤2.2-2.9，得到效脉冲数n₂，当阈值取a₃经过步骤2.2-2.9，得到效脉冲数n₃，步进电机的总脉冲个数n＝n₁+n₂+n₃。

优选地，所述步骤3具体步骤为：

当螺杆螺距为S、步进电机脉冲周期为N脉/转时，计算出的数字液压缸位移值X为：

X＝n×S/N

其中，n为输入步进电机的总脉冲个数，S为数字液压缸的螺杆螺距，步进电机脉冲周期为N脉/转。

优选地，所述步骤4具体步骤为：

将实际位移值X_S与计算位移值X的误差值与误差判据比较，误差判据为：ΔX＝|X_S-X|≤[ΔX]，其中[ΔX]为允许的位移误差值，当ΔX≤[ΔX]时，输出数字液压缸工作状态为正常，否则，数字液压缸工作状态为故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)实现在用工程系统数字液压缸工作状态的非介入式实时监测。

(2)实现了数字液压缸故障的实时判断，保证数字液压缸系统可靠工作及安全性。

(3)为现有工程在用数字液压缸系统的安全可靠工作状态检测提供了一种简便的方法，并得到了成功应用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为数字液压缸工作状态非介入式实时监测系统模块图；

图2为数字液压缸工作状态非介入式实时监测系统使用方法流程图；

图3为三级阶梯状采集信号波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。实施例：

参照附图1-3所示，一种数字液压缸工作状态非介入实时监测系统，包括工控机、数据采集器、非接触式电流传感器、驱动器和位移传感器，所述的工控机用于实时检测驱动器控制输入步进电机的电流脉冲信号和数字液压缸的实际位移值，根据累计脉冲数计算数字液压缸的理论位移值与实际位移值进行比较，判断数字液压缸的工作状态，给出是否故障的提示。

所述非接触式电流传感器电连接于驱动器与步进电机之间的连接电缆上，所述的非接触式电流传感器采用的型号为MIK-DJI-5A，用于检测驱动器与步进电机之间的电流脉冲信号，该传感器属于非接触型传感器，输入步进电机的控制导线可以穿过传感器的信号采集孔，从而不需对现有装备进行拆除改装，也可减少传感器的使用数量。电流信号选择三相三根，其中一根正信号，两根负信号采集方式。

所述位移传感器安装于数字液压缸活塞杆与缸体之间，所述位移传感器型号为optoNCDT1302-100，用于检测数字液压缸的活塞杆伸出长度。所述非接触式电流传感器信号输出端和位移传感器信号输出端均连接于数据采集器，所述数据采集器型号为YAV-16AD，所述数据采集器与工控机之间通过USB线连接。

一种数字液压缸工作状态非介入实时监测系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：启动数字液压缸工作状态非介入实时监测系统；

步骤2：工控机通过数据采集器实时获取驱动器输出控制步进电机的电流信号，获得一次输入有效脉冲的总数，具体的包括：

步骤2.1：参数初始化，包括信号阈值a₁、单相有效脉冲数n₁＝0、一次动作时间最大值t_max等；

步骤2.2：工控机通过数据采集器实时获取驱动器输出控制步进电机的电流信号；

步骤2.3：工控机判断步骤2.2采集的电流信号是否有正常脉冲信号，若有正常采集值，则进入下一步，若没有正常采集值，则返回步骤2.2；

步骤2.4：启动计时器；

步骤2.5：判断电流信号是否为上升沿，若不是上升沿，则跳转至步骤2.9，若是，则进入下一步；

步骤2.6：判断电流信号是否超过步骤2.1设定的信号阈值a₁，若未超过设定的信号阈值a₁，则跳转至步骤2.9，若超过设定的信号阈值a₁，则进入下一步；

步骤2.7：单相有效脉冲数加1，进入下一步；

步骤2.8：判断计时时间t是否大于t_max，若是，则进入下一步，否则，返回步骤2.5；

步骤2.9：输出有效脉冲总数，一次监测结束。

所述步骤2.3同时利用非接触式电流传感器采集三相脉冲控制信号，其中两相为正极信号、一相为负极信号，得到的三级阶梯状信号，并分别设置三个不同的阈值a₁、a₂、a₃，当阈值取a₁经过步骤2.2-2.9，得到有效脉冲数n₁，当阈值取a₂经过步骤2.2-2.9，得到效脉冲数n₂，当阈值取a₃经过步骤2.2-2.9，得到效脉冲数n₃，步进电机的总脉冲个数n＝n₁+n₂+n₃。

步骤3：工控机根据一次输入控制脉冲总数、脉冲控制信号数和液压缸动作位移之间的关系式计算出数字液压缸位移值，计算数字液压缸位移值X具体为：

当螺杆螺距为S、步进电机脉冲周期为N脉/转时，计算出的数字液压缸位移值X为：

X＝n×S/N

其中，n为输入步进电机的总脉冲个数，S为数字液压缸的螺杆螺距，步进电机脉冲周期为N脉/转。

步骤4：工控机采集位移传感器信号得到实际位移值X_S，与计算出的数字液压缸位移值X进行比较，误差判据为：ΔX＝|X_S-X|≤[ΔX]，其中[ΔX]为允许的位移误差值，当ΔX≤[ΔX]时，输出数字液压缸工作状态为正常，返回步骤3，否则，数字液压缸工作状态为故障，则进入下一步；

步骤5：显示数字液压缸故障状态，一次监测过程结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种数字液压缸工作状态非介入实时监测系统，其特征在于：包括工控机、数据采集器、非接触式电流传感器、驱动器和位移传感器，所述非接触式电流传感器电连接于驱动器与步进电机之间，所述位移传感器安装于数字液压缸活塞杆与缸体之间，所述非接触式电流传感器信号输出端和位移传感器信号输出端均连接于数据采集器，所述数据采集器与工控机之间通过USB线连接；所述非接触式电流传感器为穿孔式非接触式电流传感器；

该数字液压缸工作状态非介入实时监测系统的方法，包括以下步骤：

步骤1：启动数字液压缸工作状态非介入实时监测系统；

步骤2：工控机通过数据采集器实时获取驱动器输出控制步进电机的电流信号，获得一次输入有效脉冲的总数；

步骤3：工控机根据一次输入控制脉冲总数、脉冲控制信号数和液压缸动作位移之间的关系式计算出数字液压缸位移值；

步骤4：工控机采集位移传感器信号得到实际位移值，与计算出的数字液压缸位移值进行比较，通过位移误差判据判断数字液压缸工作是否正常，若正常返回步骤3，若故障，则进入下一步；

步骤5：显示数字液压缸故障状态，一次监测过程结束；

所述步骤2具体步骤包括：

步骤2.1：参数初始化，包括信号阈值a₁、单相有效脉冲数n₁＝0、一次动作时间最大值t_max；

步骤2.2：工控机通过数据采集器实时获取驱动器输出控制步进电机的电流信号；

步骤2.3：工控机判断步骤2.2采集的电流信号是否有正常脉冲信号，若有正常采集值，则进入下一步，若没有正常采集值，则返回步骤2.2；

步骤2.4：启动计时器；

步骤2.5：判断电流信号是否为上升沿，若不是上升沿，则跳转至步骤2.9，若是，则进入下一步；

步骤2.6：判断电流信号是否超过步骤2.1设定的信号阈值a₁，若未超过设定的信号阈值a₁，则跳转至步骤2.9，若超过设定的信号阈值a₁，则进入下一步；

步骤2.7：单相有效脉冲数加1，进入下一步；

步骤2.8：判断计时时间t是否大于t_max，若是，则进入下一步，否则，返回步骤2.5；

步骤2.9：输出有效脉冲总数，一次监测结束；

所述步骤2.3同时利用非接触式电流传感器采集三相脉冲控制信号，其中两相为正极信号、一相为负极信号，得到的三级阶梯状信号，并分别设置三个不同的阈值a₁、a₂、a₃，当阈值取a₁经过步骤2.2-2.9，得到有效脉冲数n₁，当阈值取a₂经过步骤2.2-2.9，得到效脉冲数n₂，当阈值取a₃经过步骤2.2-2.9，得到效脉冲数n₃，步进电机的总脉冲个数n＝n₁+n₂+n₃；

所述步骤3具体步骤为：

当螺杆螺距为S、步进电机脉冲周期为N脉/转时，计算出的数字液压缸位移值X为：

X＝n×S/N

其中，n为输入步进电机的总脉冲个数，S为数字液压缸的螺杆螺距，步进电机脉冲周期为N脉/转；

所述步骤4具体步骤为：

将实际位移值X_S与计算位移值X的误差值与误差判据比较，误差判据为：ΔX＝|X_S-X|≤[ΔX]，其中[ΔX]为允许的位移误差值，当ΔX≤[ΔX]时，输出数字液压缸工作状态为正常，否则，数字液压缸工作状态为故障。