電液比例閥式微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)
吉林省金力試驗(yàn)技術(shù)有限公司 李長森 董文潔
關(guān)鍵詞：電液比例閥 伺服閥 數(shù)字閉環(huán)控制 模擬控制
前 言
液壓萬能試驗(yàn)機(jī)是行業(yè)量大面廣的產(chǎn)品之一，就產(chǎn)值說占試驗(yàn)機(jī)行業(yè)首位，目前大量生產(chǎn)的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)及不帶伺服控制的試驗(yàn)機(jī)，就其技術(shù)而言，已滿足不了目前材料性能檢測的要求，近10年來雖已成功開發(fā)了電液伺服閥的閉環(huán)控制系統(tǒng)，但工藝性復(fù)雜、價(jià)格高，使用維護(hù)要求也高，由于伺服閥抗污染能力極弱，尤其對靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)間隙密封的柱塞油缸，更易引起油質(zhì)污染，阻塞伺服閥使試驗(yàn)機(jī)無法長期正常運(yùn)行，為滿足用戶質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良、技術(shù)先進(jìn)產(chǎn)品的需求，我公司開發(fā)生產(chǎn)出了一種新型的高科技產(chǎn)品，采用電液比例閥為控制元件的微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。該項(xiàng)目2002年獲機(jī)械部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
由于采用抗污染能力極強(qiáng)的電液比例閥作控制元件，可使設(shè)備實(shí)現(xiàn)長期無故障運(yùn)行，同時(shí)采用微機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制使設(shè)備穩(wěn)定性有更大提高，使該機(jī)可對各種材料進(jìn)行拉、壓、彎、剪、低頻循環(huán)及各種組合波形的電液伺服控制，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到現(xiàn)代國際-先進(jìn)水平，是工礦、企業(yè)、質(zhì)檢單位、學(xué)校及科研單位的理想檢測設(shè)備。
一. 當(dāng)前國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)概況
隨著試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外電液伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，近年來發(fā)展了三種不同控制方式；一種是電液伺服閥控制，一種是采用具有速度控制器的壓力閥控制，第三種是寬流量范圍的比例閥控制，除了控制系統(tǒng)外，還采用高精度力與位移測量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)采集處理等技術(shù)，在功能上達(dá)到甚至超過電子萬能試驗(yàn)機(jī)，尤其在大負(fù)荷上液壓萬能試驗(yàn)機(jī)及各種壓力試驗(yàn)機(jī)具有更大的優(yōu)勢。
日本島津UEH型及美國STEX公司的HVL型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)均采用電液伺服閥控制雙向油缸；負(fù)荷、變形、位移控制由電液伺服閉環(huán)控制，同時(shí)具有電子測量和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能，電液伺服閥的優(yōu)點(diǎn)是靜動態(tài)性能良好，分辨率高、滯環(huán)小、線性度高、工作范圍廣更適合動態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)。其缺點(diǎn)是用于靜態(tài)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上未能發(fā)揮其特點(diǎn)，使其造價(jià)提高、抗污染能力變差、工作噪聲較大，油溫升高快，有些還需水冷卻。
目前多數(shù)廠家用的美國MOOG閥實(shí)際上就是通過改進(jìn)的比例閥。也叫電液比例伺服閥。
西德申克公司的UPM電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)其控制原理是由速度控制器控制力矩電機(jī)而帶動壓力控制閥施加負(fù)荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統(tǒng)的控制方式。
在國內(nèi)濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠與其他廠家合作研究了500kN微機(jī)控制液壓萬能試驗(yàn)機(jī)與日本島津產(chǎn)品相似，采用伺服閥控制，此外濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠已引進(jìn)日本500kN的UDH型電液伺服閥式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，目前上述產(chǎn)品均在濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)。
二. 電液比例閥與伺服閥控制技術(shù)在靜態(tài)萬能試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用比較（見下表）
“比例控制閥發(fā)展的初期階段，僅僅是將比例電磁鐵代替普通液壓閥的開關(guān)型電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，這種比例閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則沒有變化。這種比例閥工作頻寬小，穩(wěn)定滯環(huán)大，只能用于開環(huán)控制。七十年代中期至八十年代初，是比例閥發(fā)展的第二個(gè)階段，比例閥開始采用各種內(nèi)反饋原理，耐高壓，比例電磁鐵出口比例放大技術(shù)日趨成熟。閥工作頻寬達(dá)到5～10Hz穩(wěn)定滯環(huán)降低到3%左右，八十年代以后，比例閥技術(shù)發(fā)展進(jìn)入第三階段，比例閥原理進(jìn)一步改善，采用了壓力流量位移反饋和動壓反饋及電校正等手段，使閥穩(wěn)定精度動態(tài)相應(yīng)和穩(wěn)定性都有進(jìn)一步提高。除中位仍有部分死區(qū)外其控制性能與伺服閥更為接近”。“此外比例放大技術(shù)也相應(yīng)迅速發(fā)展，不僅集成了各種反饋信號傳感接受和處理功能，而且尺寸大為減小，可安裝在閥體上使整個(gè)控制系統(tǒng)組成一體，使用更為方便，比例電磁鐵驅(qū)動力的提高，也為閥的動態(tài)特性的改善提供了條件”，將其應(yīng)用于靜態(tài)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)中，配合微機(jī)精密調(diào)速控制系統(tǒng)已完全滿足其使用要求。
電液比例閥與伺服閥控制技術(shù)在靜態(tài)萬能試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用比較
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電 液 比 例 閥 |
伺 服 閥 |
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電液比例閥：抗污染能力極強(qiáng)，對液壓油的過濾要求為20μm，可實(shí)現(xiàn)無故障運(yùn)行。 |
伺服閥：對液壓油的過濾要求需達(dá)到3μm以內(nèi)，抗污染能力極弱，尤其對靜態(tài)液壓式試驗(yàn)機(jī)間隙密封的柱塞油缸，更易引起油質(zhì)污染，阻塞伺服閥。 |
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控制方式：電液比例閥是純數(shù)字電器伺服控制、電路簡單，穩(wěn)定性非常高。 |
控制方式：伺服閥多數(shù)采用模擬電器控制、電路復(fù)雜，穩(wěn)定性較弱。 |
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工作狀態(tài)：電液比例閥是在低壓起動，系統(tǒng)壓力隨試驗(yàn)力增加而比例增加，噪音低、油溫不易上升，不需冷卻裝置。
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工作狀態(tài)：伺服閥是在高壓狀態(tài)下起動，正常工作時(shí)始終處于最高壓力下，工作噪音大、油溫升高快，容易滲漏，需要進(jìn)行水循環(huán)冷卻。 |
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電器測量控制系統(tǒng)：我公司采用計(jì)算機(jī)總線插卡式設(shè)計(jì)，所有功能通過軟件來完成，有利于功能擴(kuò)展、軟件升級及微機(jī)聯(lián)網(wǎng)，并且具有故障自診斷功能，維修極為方便，只需更換微機(jī)內(nèi)相應(yīng)插卡即可。 |
電器測量控制系統(tǒng)：伺服閥電器測量控制系統(tǒng)大多數(shù)采用德國都利公司電箱，需自配計(jì)算機(jī)及軟件去管理電箱，顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，打印報(bào)告等工作，一旦電箱出現(xiàn)故障，試驗(yàn)機(jī)廠家無能力維修。 |
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性能：電液比例閥反應(yīng)速度較低，適合于靜態(tài)液壓試驗(yàn)機(jī)（頻寬Hz/-3dB）～25 |
性能：而伺服閥反應(yīng)速度較高，頻寬（Hz/-3dB）20～200，適合于動態(tài)試驗(yàn)機(jī)。 |
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閉環(huán)控制 |
閉環(huán)控制 |
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性能價(jià)格比：高 |
性能價(jià)格比：低 |
三. 國內(nèi)外液壓力萬能試驗(yàn)機(jī)技術(shù)性能對照，見下表
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序號 |
生產(chǎn)廠家
技術(shù)指標(biāo) |
金力公司
比例閥新產(chǎn)品 |
濟(jì) 南
WAW—500 |
日本島津
UDH |
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1 |
最大試驗(yàn)力 |
1000 kN |
500 kN |
1000 kN |
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2 |
試驗(yàn)力范圍 |
0.4～100% FS |
分六檔衰減50倍 |
分六檔衰減50倍 |
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試驗(yàn)力精度 |
±1% |
±1% |
±1% |
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3 |
變形精度 |
±0.5%FS |
±0.5%FS |
±0.5% FS |
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4 |
位移測量 |
光電編碼器 |
差動變壓器 |
光電編碼器 |
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位移測量分辨率 |
0.002 mm |
0.05 mm |
0.05 mm |
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5 |
等速率位移控制范圍 |
0.2～50mm/min |
0.5～50mm/min |
0.5～50mm/min |
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等速率位移控制精度 |
±2% |
±3% |
±5% |
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6 |
等速率負(fù)荷控制范圍 |
0.001～2FS /min |
0.1～2FS /min |
0.1～2FS/min |
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等速率負(fù)荷控制精度 |
±1% |
±2% |
±5% |
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7 |
等速率應(yīng)變控制范圍 |
0.1～100%FS / min |
0.1～100%FS / min |
0.1～100%FS/ min |
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等速率應(yīng)變控制精度 |
±1% |
±2% |
±5% |
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8 |
恒速率控制 |
±1% |
±2% |
±5% |
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9 |
控制方式 |
比例閥組件
數(shù)字式控制 |
電液伺服閥
模擬式控制 |
電液伺服閥
模擬式控制 |
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10 |
油缸型式 |
柱塞油缸
或雙向缸 |
雙向缸 |
柱塞缸 |
四. 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)
我公司采用美國AD公司電子器件生產(chǎn)的微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，充分利用了小流量，寬調(diào)速范圍的電液比例閥及模糊PID數(shù)字式脈沖調(diào)寬閉環(huán)控制系統(tǒng)，對電液比例閥的流量和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié)合高精度高分辨率（1/200000）電子測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)的高精度，寬范圍多功能的電液伺服控制。
五. 主要技術(shù)指標(biāo)
1.最大試驗(yàn)力(kN): 100、200、500、1000、2000
2.試驗(yàn)力測量范圍: 0.4%～100% FS （連續(xù)全程測量）
3.試驗(yàn)力測量誤差: ≤±1%（精密型±0.5%）
4.引伸計(jì)標(biāo)矩: 25、50、100mm 量程: 0～5m或10～25mm
5.變形測量范圍: 2%～100% FS （連續(xù)全程測量）
6.變形測量精度: ≤±0.5% FS
7.位移等速率控制: 0.2～50mm/min
等速率控制精度: ±2% 設(shè)定值
8.試驗(yàn)力等速率控制: 0.001～2 FS /min
等速率控制精度: ±1% 設(shè)定值
9.變形等速率控制: 0.1%～100% FS /min
等速率控制精度: ±1% 設(shè)定值
10.恒試驗(yàn)力、恒變形、恒位移控制精度: ±1% 設(shè)定值
六. 功能及特點(diǎn)
主要功能
1.自動測量、控制、數(shù)據(jù)采集、處理、繪制曲線及打印曲線報(bào)告。打印主要內(nèi)容：試驗(yàn)條件、原始參數(shù)、試驗(yàn)曲線（或局部放大曲線）、試驗(yàn)結(jié)果（E、σp、σs、Fp、Fb、σb 、d、ψ）等。
注：伸長率δ及斷面收縮率ψ需測量斷后伸長和直徑輸入計(jì)算機(jī)。
可繪制的曲線有：應(yīng)力—應(yīng)變曲線、力—伸長曲線、力—位移曲線力—應(yīng)變曲線、力—時(shí)間曲線、變形—時(shí)間曲線、位移—時(shí)間曲線
2.測量系統(tǒng)具有自動調(diào)零、自動標(biāo)定、連續(xù)全程測量不分檔。
3.可進(jìn)行試驗(yàn)力、變形、位移等速率控制并保持。
4.無級調(diào)速,各種控制方式可在試驗(yàn)過程中任意切換。
5.曲線、數(shù)據(jù)存儲及曲線放大，在試驗(yàn)過程中可切換顯示七種試驗(yàn)曲線。
6.可自行設(shè)置控制參數(shù), 實(shí)現(xiàn)程序自動運(yùn)行，可進(jìn)行三角波、正弦波、方波等低周循環(huán)及各種組合波形試驗(yàn)。
7.可進(jìn)行試驗(yàn)室間微機(jī)聯(lián)網(wǎng)。
8.可通過聯(lián)機(jī)幫助查看或打印軟件說明、操作規(guī)程、注意事項(xiàng)等內(nèi)容。
主要特點(diǎn)
1.用一臺計(jì)算機(jī)控制完成全部試驗(yàn)過程，操作均由鍵盤及鼠標(biāo)來完成，并保留手閥加荷。
2.測量、控制系統(tǒng)采用，計(jì)算機(jī)插卡式設(shè)計(jì)(即計(jì)算機(jī)總線設(shè)計(jì))。試驗(yàn)力、變形測量分辨率可達(dá)1/200000。位移測量分辨率可達(dá)0.002mm。
3.試驗(yàn)軟件采用VC++語言編程，可在Windows98、2000、NT操作系統(tǒng)下工作。
4.采用先進(jìn)的數(shù)字式電液比例閥作控制元件，抗污染能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)長期無故障運(yùn)行。
5.采用數(shù)字式脈沖調(diào)寬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字式閉環(huán)伺服控制。
6.完整的數(shù)據(jù)庫軟件接口供用戶使用，軟件升級只須通過郵寄光盤或E-mail傳送即可。
7.完善的軟件自檢功能，提示發(fā)生故障之處，無須廠家現(xiàn)場維修，只須更換計(jì)算機(jī)內(nèi)相應(yīng)的功能卡即可，維護(hù)簡單方便。
8.測量準(zhǔn)確、功能齊全、可靠性高、操作簡單、使用方便。是進(jìn)行仲裁檢驗(yàn)理想的先進(jìn)檢測設(shè)備。已達(dá)到現(xiàn)代國際先進(jìn)技術(shù)水平。
9.液壓夾具夾持可靠，試樣受力均勻，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
七. 結(jié)束語
電液伺服試驗(yàn)機(jī)分為動態(tài)電液伺服和靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)兩種，伺服閥更適合于動態(tài)試驗(yàn)機(jī)，而電液比例閥在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上有無可比擬的優(yōu)越性。電液比例閥式電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)及老產(chǎn)品技術(shù)改造自開始生產(chǎn)至今已有400多臺，所有產(chǎn)品都正常工作，小至100kN大至15000kN微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)壓力試驗(yàn)機(jī)。20000kN、40000kN微機(jī)控制電液伺服臥式拉力試驗(yàn)機(jī)等。電液比例閥控制技術(shù)是目前國內(nèi)外最新控制技術(shù)填補(bǔ)了試驗(yàn)機(jī)行業(yè)空白，將電液比例閥成功運(yùn)用于靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)，打破伺服閥在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上的壟斷局面，使其具有更高可靠性、穩(wěn)定性及技術(shù)先進(jìn)性，為我國液壓試驗(yàn)機(jī)發(fā)展開辟更為廣闊的前景。將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于普通液壓式試驗(yàn)機(jī)技術(shù)改造，使老產(chǎn)品更新?lián)Q代成為可能，使之達(dá)到與新的電液伺服試驗(yàn)機(jī)具有相同的技術(shù)水平，使用更為方便可靠。歡迎訂購我公司產(chǎn)品，我們將以先進(jìn)的高技術(shù)產(chǎn)品、優(yōu)越的性能價(jià)格比回報(bào)廣大用戶。讓用戶買了放心，使用放心，使用上質(zhì)量可靠、穩(wěn)定性高、功能齊全、性能優(yōu)良、操作簡單、使用方便的一代高科技產(chǎn)品。
文獻(xiàn): 新編液壓工程手冊 北京理工大學(xué)出版社 一九九八年十二月出版 |
