基于NI PCI-6221高精度液压调平试验系统的实现

2013年 10月第 4l卷 第 19期机床与液压MACHINE TO0L＆ HYDRAULICSOct．2013Vo1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．028基于 NI PCI一6221高精度液压调平试验系统的实现鄢华林，李亚南，袁威，赵瑞，周超(江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江212003)摘要：为了提高火炮发射平台、车载雷达以及激光武器等要求高精水平度平台的调平效率和精度，采用负载敏感及电液位置伺服控制技术，并应用PC1-6221数据采集卡和伪微分控制算法设计了高精度液压调平试验系统。试验结果表明：该试验系统具有无超调、响应快的特点。

关键词：电液伺服；液压调平 ；负载敏感中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2013)19—100—4Implementation of High-precision Hydraulic Leveling Test System Based on NI PCI_622 1YAN Hualin。LI Yanan，YUAN Wei，ZHA0 Rui，ZH0U Chao(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Science andTechnology，Zhenjiang Jiangsu 2 1 2003，China)Abstract：In order to improve the leveling eficiency and precision of the artillery launch platform，the car radar and laser weap—ons which needed a high—precision level platform，a high—precision hydraulic leveling test system was designed based on load—sensitivecontrol，electro hydraulic position servo control，PCI-6221 data acquisition card and pseudo—derivative feedback control algorithm．Theexperimental result shows that the test system has characteristic of no overshoot and rapid response.

Keywords：Electro hydraulic servo control；Hydraulic leveling；Load—sensitive control由于现代武器比如火炮和导弹工作的时候需要自己搭载的平台处于水平状态，这就要求车载平台具有较高的水平精度和较短的调平时间。武器车载平台调平是整个就位过程中十分重要而且 比较耗时的一环，一 般来说，调平时间大约是整个就位时间的 1／3。因此 ，水平精度和就位时间是衡量车载平台性能的最重要指标。传统的开关阀控液压缸的调平方法不仅调平精度低而且耗费大量的时间和人力，不适应现代战争对调平平台的需求。因此，作者设计了一种只需设置调平精度，便可以在较短的时间内自动完成收放支腿和调平功能的液压调平试验系统。

1 调平方案设计1．1 调平方案任何系统的调平都可以简化为对某一平台平面的调平。根据理论分析，只有当调平平台上的两条被调平的直线相互垂直时，它们在各自的调平中才没有耦合。为此 ，在平台的 轴和 y轴两个相互垂直的方向上各安装一个倾角传感器 (实际上是一个两轴相互垂直的双轴倾角传感器)来测量两个方向上 的水平倾角。通过双轴倾角传感器采集水平倾角信号，利用特定的调平方法计算控制量，再通过4个液压缸驱动支腿的上升或下降来达到调平的目的。调平方案采用位置控制调平中的保持最高点不动的 “追逐式”调平法?，这种方法具有调平速度快、调平精度高的优点，能满足此平台的调平精度和调平时间要求。通过在各个支腿上安装压力传感器来检测判断系统是否有 “虚腿”情况的出现，进一步降低平台发生倾覆的可能性。

1．2 自动调平流程分析此次设计的液压调平系统的自动调平过程大致可分为两大部分 ：水平调节过程 ，防 “虚腿” 调节过程。当进入自动调平过程后，双轴倾角传感器开始不断检测角仅、13是否达到要求，若达到要求则直接进入防 “虚腿”调节过程，即Pc机根据压力传感器反馈信号判断是否达到设定值，若达到则调平结束。详细的自动调平流程如图 1所示。

收稿日期：2012—08—30作者简介：鄢华林 (1957一)，男，高级工程师，硕士研究生导师，研究方向为电液伺服控制、海洋装备。E—mail：yhlin88###sina．con。通信作者：李亚南，E—mail：jkdliyanan###163．eom。

第 19期 鄢华林 等 ：基于 NI PCI-6221高精度液压调平试验系统的实现 ·101·( 自动调平开始 )●采集 ，B水平倾角值N 耋 Y★ ＼ ／ <章 N-◇ N- N I一+’ Y ’ ’l 2、3、4号支腿上升 l I l、3、4号支腿上升 I 1、2、4号支腿上升 l I 1、2、3号支腿上升l YN ／ ／ Yl 、、 兰 —／ 》 ≤ Y lI r+一 l +¨ r． 1 l号支腿上升 l l 2号支腿上升 1 l 3号支腿上升 l l 4号支腿上升t==N、r 自动调平结束 、1＼ ／图 1 自动调平流程图2 调平系统设计2．1 液压 系统设计该系统的工作分为两大过程，一部分是快速收腿和放腿过程 ，一部分是自动调平过程。这两个过程所需要的流量相差很大，根据计算，这两个过程最大流量相差 10倍左右，而且所需油源压力相差也比较大。

因此在设计系统时如果使用单个定量液压泵作为油源不是太合适，而适宜选用流量大、小两个液压泵 自动两级并联供油的油源方案。

由于该系统工作压力比较大，自动调平时油泵供油压力为21 MPa，而且自动调平时所需流量非常小，特别是调平的尾声 ，供给液压缸 的油液流量几乎为零。如果采用传统的定量泵和普通溢流阀调压回路的话，系统溢流损失会很大，系统效率大大降低，同时由于溢流损失过大而导致的油液温升会比较严重，因此为了降低系统功率浪费同时降低油液温升，此次设计采用了梭阀和定差溢流阀的组合 (负载敏感系统 )方法。梭阀负责寻找系统4条支路的最高压力，并将最高压力送给定差溢流阀的控制 口，使得系统的压力始终比4条支路的最高压力高一点并跟随支路最高压力变化而变化，从而减少溢流损失实现节能的效果。

考虑到成本问题，在设计液压系统时，将系统中原本需要使用的大流量电液伺服阀改换为价格相对便宜的小流量电液伺服阀 ，同时将快速运动和自动调平两个过程分开，由两条不同的支路完成。这样既可以节省成本又可以达到同样的调平目的。为了缩短调平行程和调平时间，在系统快速放腿和收腿时使用分流集流阀实现油液的均匀分配，这样就使得在调平之前车载平台处于相对水平状态，从而减少了调平时各个支腿的调平位移。此次设计的调平机构液压系统原理如图2所示。

· 102· 机床与液压 第 41卷图2 液压系统原理图调平开始之前系统首先进入快速放腿过程 ，这时单向阀4打开，双联叶片泵的低压大流量泵和高压小流量泵同时给系统供油，油液经精过滤器和三位四通电磁换向阀l4的左位到达分流集流阀，再经分流集流阀15和 16被大致均匀分成4份后分别送给4个双作用液压缸；当液压缸快速上升到位承受一定的载荷后系统压力将慢慢升高，当压力达到一定值以后压力继电器动作并发出信号给PCI-6221，PCI-6221通过上位机预设程序切断快速运动支路 ，快速放腿过程结束。接下来系统进入关键的调平阶段，此时5个电磁换向阀的电磁铁均处于失电状态，单向阀4关闭，双联叶片泵中的低压大流量泵 1溢流，系统中的油液由高压小流量泵2供给。此时上位机根据双轴倾角传感器的检测结果通过设定 的算法控制 电液伺服阀的动作，这样就实现了调平动作。快速收腿过程与快速放腿过程类似，此处就不再赘述。此调平系统的具体动作循环如表1所示。

表 1 调平系统动作循环表阀2．2 调平 系统硬件设计为了充分利用实验室的硬件设备资源，方便进行试验系统搭建，使用 Pc机作为上位机，同时选用美国国家仪器 (NI)公司的数据采集卡 PCI一6221作为数据采集和控制信号输出模块。根据上面的方案，确定该系统主要由控制部分、通信部分、执行部分和检测部分等四大部分组成，调平控制系统原理如图3所示。

第 19期 鄢华林 等：基于 NI PCI-6221高精度液压调平试验系统的实现 ·103·伺 调PCI．6221服 — 电液伺服阀2卜_ 液压缸2 I m— + —÷ 放Ao通道— 电液伺服阀3卜_ 液压缸3 l Ⅲ 大上 器 台— 电液伺服阀4 液压缸4 lNI 位● ——+ PCI-6221 ．_— 压力传感嚣1 卜——一机 信PCI．6221号 ．_— 压力传感器2 ——一 ● 一 ●调 _-
— 压力传感器3 ———一 AI通道 理模 +— 压力传感器4 l_ 块
一 — — l “ ‘ -hⅡ I.

图3 液压调平系统原理图检测部分：该部分主要是通过双轴式倾角传感器 应的支腿已着地，各个油缸停止动作并处于自锁状来检测平台平面上 、l，轴与水平面的倾斜角度，并 态，如果系统出现一条支腿的压力过小或者为0，则以模拟电压的形式输出给 PCI-6221的AI通道。各支 Pc机通过压力传感器的指示调节相应的支路伸长量，撑腿油路上各安装一个模拟信号输出的压力传感 使得压力超过给定值后停止运动。

器，实时提供各支腿的支撑力大小，为系统判断各 2．3 伪微分反馈算法单支腿位置控制 ]支腿是否支撑到位和是否有 “虚腿”现象产生提供 控制从根本上来说是能量的控制，能量控制起码依据。 由两部分组成：能量控制单元和能量输出单元。能量控制部分。该部分的主要工作利用 Pc机和 PCI一 控制单元往往是发出控制信息，对能量输出单元进行6221共同实现，它是该系统的核心部分。控制部分 能量的支配，使其向受控系统提供或抽取能量。典型用来处理操作信号和检测部分提供的信号，经预先设 的控制系统一般是闭环控制，那就需要4个基本环定的程序处理后，转化为数字量输出信号通过 D／A 节：控制器、末级控制单元、受控对象和测量单元。

转换和放大传送给执行部分，使执行部分按照程序要 控制器就是能量控制单元，FCE是能量输出单元，测求调整平台倾斜状态，直到平台达到水平状态。 量单元是用来对反馈信息进行采样。为了进行程序设通讯部分。该部分是利用通讯线负责 PCI-6221 计，设计出如图4所示的单缸位置伺服伪微分反馈控与上位机 (PC机)之间的通讯工作，从而实现人机 制框图。

交互。

执行部分。主要负责按照控制部分指令，执行部分驱动液压系统完成各支腿油缸的各自运动，最终达到平台水平的任务。

系统进入自动调平程序后，双轴倾角传感器开始分别检测平台平面上两相交直线 ( 轴、y轴)与水平面的夹角Ot和JB，并通过信号调理模块将传感器输出的信号转换为工业标准信号 (0～5 V)，将调理后的标准信号送给 PCI-6221的 AI端口转换成 Pc机可以识别的数字信号。当误差值超出给定值后，自动调平程序将按照保持最高点不动、升高低点的调平策略，判断出最高点，通过程序计算出各低点应该伸长的长度，Pc机发出驱动信号，并通过 PCI-6221的AO端口送给伺服放大器，经过放大后传递给电液伺服阀驱动各支腿油缸分别运动，从而带动平台水平倾斜角度向相反方向改变 ，达到调平的 目的。压力传感器用来检测各个支腿是否着地，避免 “虚腿”调平。

当压力传感器所测得的压力到达一定值时，便认为对图4 单支腿位置伺服伪微分反馈控制框图3 试验结论此次设计的液压调平系统，对于单支腿来说实质上是电液位置伺服控制。单支腿位置伺服伪微分反馈控制试验系统主要 由液压动力源、双作用液压缸、双轴倾角传感器、电液伺服阀、PXI-6221数据采集卡、上位机 (Pc机)、伺服放大器以及负载等组成。电液伺服阀采用美国 MOOG公司生产的 D633系列产品。

当液压缸的输人位移为1 cm时，单支腿试验系统响应曲线如图5所示。由系统响应图可以看出，该试验系统具有无超调、响应快的特点。

(下转第 l10页)· 11O· 机床与液压 第 41卷：
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图 8 型芯部件外圆磨削第 8步 ，数控加工中心加工。将上步加工的半成品件固定在专用治具上，用压边件3压紧工件，以防止加工时工件受力偏移。采用4轴数控加工中心对工件圆周上局部形状进行精密加工，由于工件已经过热处理，硬度 HRC60～63，所以数控加工采用钨钢刀高速切削，切削深每步0．02 mm，见图9。

1一圆盘底座2一垫座块3一压边件4一型芯座5一型芯滑块6一数控铣刀图9 型芯数控加工第9步，电火花成型加工。将上步加工好的工件安装到新治具中，用精密平口钳夹紧治具，放置在精密电火花机床上，采用6个电极，从不同方向侧向电蚀工件，其缩放量为0．005 mm。完成型芯最终尺寸，见图 l0。

1一 圆盘治具2一拧紧螺钉卜 平口钳4_型芯部件§_-电极图 10 型芯电火花加工第 10步 ，线切割及电火花加工顶段。采用线切割割除顶部工艺段，线切割加工后顶部为平面，而工件顶部结构形状有高低，因此将上步加工好的工件及治具一起竖立放置在精密电火花机床上，对工件顶部进行电蚀，其缩放量为0．005 mm，完成型芯最终尺寸。

第 11步，产品检测。小型精密复杂零件的生产周期长，工艺复杂，因此，要加强工序检验控制，防止废品产生。对于精密复杂零件，采用专用测量技术，目前企业一般采用显微镜光学投影仪、三坐标测量仪等对零件尺寸精度、位置度、圆柱度等进行测量。

3 结束语在精密模具零件加工过程中，除了需要采用先进的加工检测设备数控车床、四轴加工中心、慢走丝切割机、精密电火花成型机 、精密工具磨床 、精密测量设备等外，重要的是需要考虑产品技术要求及企业技术能力即加工设备、技术人员素质等因素，制定精密的零件加工工艺，包括正确选择切削用量及加工余量、合理控制各工序尺寸及公差，并且科学设计零件加工时所需要的治具，确保零件的加工质量。

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(上接第 103页)1.

1.

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