基于虛擬儀器的液壓實驗臺設計

郭艷珠 任雪鴻

摘 要：液壓與氣動實驗臺是高職院校機電類專業必備的專業實驗設備，目前的主流液壓與氣動實驗臺主要是通過操作相關的按鈕、通過PLC等控制、利用液壓或氣壓回路直觀的操作或監測液壓缸活塞桿的單動或者連動。本文以THPHDW-1型液壓與氣壓傳動綜合實訓系統為載體，利用虛擬儀器技術，搭建虛擬的實驗臺，能夠對液壓系統的壓力、流量、溫度、轉速等進行在線顯示和監測，同時還能在利用虛擬的數據采集卡做相關的液壓試驗，拓寬了液壓氣動試驗臺的使用范圍，對設備進行高精度的監測和顯示。有利于系統的更新。

關鍵詞：液壓；虛擬儀器；系統開發；軟件設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.097

0 引言

虛擬儀器作為當前機電行業的主流設備，因其搭建設備的便捷性、更新的簡易性、成本的低價性而被廣泛應用[1]，而液壓與氣動實驗臺作為機電行業典型的設備，根據其功能需要具有很大的開發價值，將虛擬儀器和液壓氣動實驗臺兩者結合起來能夠拓寬實驗臺的功能，并且能夠融合傳感器、電氣控制等多學科知識，對掌握機電一體化的綜合知識具有重要意義，同時兩者的結合開發出的系統具有用時短，經濟、更新快速便捷的優勢，具有很強的實際價值。本文就利用虛擬儀器對液壓氣動實驗臺進行開發，從而開發出液壓系統的壓力、流量、溫度、轉速、位移等實驗，對這些參數的檢測既能為整個系統的準確穩定運行提供保障條件，在整個實驗平臺搭建和實驗過程中也能很大程度的提高操作人員的學科綜合水平和實驗能力。

1 整體方案

利用現有的液壓氣動實驗臺所提供的信號源，外加傳感器等，精確檢測液壓氣動系統的相關參數，將多學科的知識融合到一起，實現真正的機電一體化相結合，其整體方案如下所圖1所示。

通過虛擬儀器的設計，外加傳感器的信號采集，可以在虛擬儀器上顯示此實驗臺的壓力、轉速、流量、溫度、位移等信號。其動力元件中的液壓泵的旋轉信號的采集顯示；執行元件中液壓缸活塞桿的位移信號采集顯示；液壓油中油溫信號的采集顯示；控制元件中壓力閥的壓力信號采集顯示；流量閥的流量信號采集顯示。

2 液壓回路

利用實驗臺搭建基本的液壓回路，此液壓系統運行過程中，可以監測液壓泵的轉速、壓力及流量；液壓缸活塞桿的位移；液壓油的溫度高低；壓力閥的進出油口壓力；溢流閥閥口的流量等。其液壓泵選用定量葉片泵，型號為YB1-10，壓力6.3Mpa，排量16毫升/轉， 轉速960--1450 r/min；電機型號為Y100L1-4，絕緣等級為B級，額定電壓為380V，額定電流為5A，額定功率為2.2kW，額定傳速：1420r/min油缸為Φ50×Φ28；液壓缸活塞桿行程250mm[2]。電磁溢流閥用于卸荷；二位三通換向閥、三位四通換向閥用于換向和各類實驗的操作元件；可調單向節流閥、節流閥、調速閥、壓力閥用于根據要求控制整個液壓系統回路；過濾器以及各類測量儀器儀表等用于檢測和保證整個液壓系統的正常運行。液壓回路如下圖2所示：

3 硬件選擇

在整個系統設計過程中，依托液壓實訓臺中系統的信號源，選取合適的傳感器及數據采集卡，將信號傳送到計算機中的虛擬儀器面板上，通過軟硬件的結合實現多種信號的采集處理。本文選取將液壓泵旋轉時的轉速信號作為研究對象，通過HCNJ-101型轉矩轉速傳感器將其轉速信號傳送給虛擬儀器轉速實驗模塊；以液壓缸活塞桿的位移為測量對象，選用德敏哲18系列非接觸式磁懸浮滑塊磁致伸縮位移傳感器，將其輸出的位移信號傳送到虛擬儀器的位移實驗模塊；以液壓泵出油口的流量作為測量對象，選用雷諾CT流量傳感器，將其輸出的信號通過數據采集卡傳送到虛擬儀器流實驗模塊；以減壓閥出油口壓力為研究對象，選用WPT壓力傳感器，將其信號通過數據采集卡傳送到虛擬儀器壓力試驗模塊；以液壓缸液壓油油溫為測量對象，選用TTP 溫度傳感器，將溫度信號經過數據采集卡傳送到虛擬儀器溫度試驗模塊。數據采集卡選用NI公司的DAQ的USB接口6009數據采集卡。其整體設計流程如下圖3所示。

4 軟件設計

4.1 設計思路

本文結合液壓與氣動實驗臺將此試驗臺中的五個基本量的信號源通過虛擬儀器的數據采集卡，利用單通道采集的方式，依托轉矩轉速傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、位移傳感器，經過相關應變電路，依次在轉速實驗、壓力實驗、流量實驗、溫度實驗、位移實驗中實現信號的顯示。

4.2 登陸界面

考慮到整個實驗臺的開發是需要測量系統的多個量，為了便于實驗人員條理性的掌握各個流程，采用單通道的數據采集系統來設計；同時考慮到實驗人員的重復性和評定的差異性，登陸系統采用姓名、班級、學號相結合的方式登陸，登錄界面如下圖4所示：

4.3 功能界面

檔登陸成功后，安裝好硬件，調試好液壓系統及相關元器件，就可以做相對應的試驗了，選擇相應的實驗后，點擊確定按鈕，就能進到對應的實驗平臺模塊。當完成實驗后需要點擊停止才能進行后續實驗。其功能界面如圖所5所示：

4.4 實驗主界面

實驗主界面有三個部分，即理論復習、實驗平臺、數據回放。基于實驗的效率性和可行性，加設理論復習模塊，簡述與此實驗有關的背景、流程及參考數據等；實驗平臺模塊有參數設置，可以選擇設備通道、設置采樣速率、采樣點數等；實時顯示當前的數據值，同時通過波形圖連續顯示波形；操作面板有停止按鈕用來控制實驗的停止。數據回放模塊可以回看1000S內的數據值及波形。其面板如下圖6所示：

5 結語

液壓氣動實訓臺中，如果將液壓系統改為氣動系統，同樣可以獲取部分信號源，像轉速可以更換為空壓機的轉速；壓力可測量氣壓；位移可測量氣缸活塞桿的位移等；系統部分是通用的。本文能較好的將系統中重要參數進行采集、顯示。具有較大的參考借鑒意義。利用虛擬儀器的易擴建性可同時采集這些信號進行顯示，可結合液壓系統正常運轉狀況和故障情況，實現系統的在線運行監測。

參考文獻：

[1]苗鳳娟.傳感器技術與虛擬儀器[M].北京：電子工業出版社，2015

（08）.

[2]湛從昌.液壓元件性能測試技術與試驗方法[M].北京：冶金工業出版社，2014（10）.

西安鐵路職業技術學院院級課題 （編號：XTZY17G04）

作者簡介：郭艷珠（1982-），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：機電液一體化。