吳焱明，王聯(lián)琦，吳喆建，孟凡喜，何昊陽，黃立宇

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中的各種材料、零部件、構(gòu)件都需要經(jīng)過振動(dòng)試驗(yàn)才能確定它們的力學(xué)性能。了解這些性能能使設(shè)計(jì)更加合理、使用更加可靠，只有經(jīng)過試驗(yàn)才能確定產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。彈性橡膠元件在汽車零部件中應(yīng)用廣泛，能有效地減少汽車運(yùn)動(dòng)過程中零部件的振動(dòng)，調(diào)整內(nèi)部各系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，因此橡膠元件的優(yōu)劣十分關(guān)鍵。

動(dòng)剛度是衡量彈性橡膠元件抗振能力的主要指標(biāo)，動(dòng)剛度越大，振動(dòng)量越?。粍?dòng)剛度越小，振動(dòng)量越大。因此設(shè)計(jì)一種振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，利用電液伺服技術(shù)實(shí)現(xiàn)對彈性橡膠元件動(dòng)剛度的檢測是十分必要的[1-2]。

1 電液振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)工作原理

電液伺服振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)分為試驗(yàn)臺(tái)主機(jī)和控制系統(tǒng)兩部分。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)三維模型如圖1所示，主要由位移傳感器1、加載框架2、伺服閥3、伺服閥作動(dòng)器4、橫梁5、上夾具6、夾緊液壓缸7、下夾具8、力傳感器9和升降液壓缸10等組成。彈性橡膠元件固定在上夾具6和下夾具8之間。主機(jī)執(zhí)行的具體動(dòng)作包括液壓回路的升壓和卸壓、橫梁的升降和夾緊、伺服閥控制的作動(dòng)器振動(dòng)[3]。

伺服閥控制的作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)理想的正弦振動(dòng)是下位機(jī)控制的核心。下位機(jī)采用閉環(huán)控制的方式，具體過程為：PLC與上位機(jī)進(jìn)行通信，獲取實(shí)驗(yàn)對象的振動(dòng)加載信號,同時(shí)將與實(shí)驗(yàn)對象接觸的力傳感器和位移傳感器采集的數(shù)據(jù)信號反饋到PLC，PLC比較兩類信號得出系統(tǒng)的誤差信號，誤差信號經(jīng)模糊控制算法處理后通過D/A模塊輸送給伺服閥的放大器，伺服閥獲得電流控制信號從而控制液壓缸運(yùn)動(dòng)，完成振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。另外，PLC可以控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，驅(qū)動(dòng)夾緊缸和升降缸等液壓缸，控制液壓回路升壓和降壓?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖2所示[4-6]。

1-位移傳感器；2-加載框架；3-伺服閥；4-伺服閥作動(dòng)器；5-橫梁；6-上夾具；7-夾緊液壓缸；8-下夾具；9-力傳感器；10-升降液壓缸

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

2 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)硬件組成

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)采用以工控機(jī)為核心的上位機(jī)和以PLC為核心的下位機(jī)的聯(lián)合控制方案。上位機(jī)系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)口通信等，因此選用研華ARK-2121L型號工控機(jī)。PLC應(yīng)該支持添加相應(yīng)的模擬量擴(kuò)展模塊、支持網(wǎng)口通信等，因此選用施耐德TM241CE40U型號PLC。該P(yáng)LC的供電電源為直流24 V，24個(gè)輸入包括8個(gè)高速輸入和16個(gè)漏型晶體管，輸出包括4個(gè)脈沖輸出，有1個(gè)以太網(wǎng)接口，支持Modbus TCP通信，在滿足本系統(tǒng)性能要求的基礎(chǔ)上還留有了裕量。

電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)對伺服閥有以下要求：動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好；具有高分辨率，低環(huán)滯；驅(qū)動(dòng)力大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，使用壽命長。結(jié)合成本、性能，選用MOOGG761系列伺服閥，具體型號是G761-3005b。

3 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件組成

振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分：以工控機(jī)為核心的上位機(jī)軟件和以PLC為核心的下位機(jī)軟件?？刂葡到y(tǒng)軟件采用模塊化的思想編寫，其組成框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件組成框圖

工控機(jī)軟件程序的開發(fā)主要通過.NET平臺(tái)的C#語言實(shí)現(xiàn)，PLC軟件程序的開發(fā)通過軟件Somachine4.3實(shí)現(xiàn)[7]。

3.2 PLC軟件

PLC軟件主要包括：

(1) 動(dòng)作控制程序，用控制柜上的按鈕實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)升降、夾緊、松開、升壓、卸壓等動(dòng)作的控制。

(2) 通信程序，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)和PLC的通信，接收來自計(jì)算機(jī)的控制參數(shù)和上傳實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3) 模糊控制程序，為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)良好的振動(dòng)響應(yīng)，在PLC中采用模糊控制的方案實(shí)現(xiàn)反饋數(shù)據(jù)的處理和控制數(shù)據(jù)的輸出。

以下位機(jī)為核心的下位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示。

3.3 工控機(jī)軟件

工控機(jī)軟件主要包括：

(1) 通信程序，主要用于計(jì)算機(jī)和PLC之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的下發(fā)和實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

(2) 參數(shù)設(shè)定程序，用于設(shè)定振動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)和PLC模糊控制程序參數(shù)。

(3) 自動(dòng)流程程序，主要用于控制已設(shè)定好參數(shù)的振動(dòng)試驗(yàn)的開始和結(jié)束。

(4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢程序，主要用于在振動(dòng)過程中，實(shí)時(shí)查詢與振動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)的力和位移數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

(5) 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示程序，主要用于在計(jì)算機(jī)程序界面上實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)過程中的位移、力和電壓值曲線。

(6) 剛度曲線繪制程序，主要用于在一次振動(dòng)測試完成后，回放位移和力數(shù)據(jù)，繪制動(dòng)剛度曲線。

以工控機(jī)為核心的上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5所示[8-9]。

4 現(xiàn)場調(diào)試及結(jié)果

在完成了對振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)之后，一方面對振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行了裝配和接線，實(shí)物如圖6所示。另一方面對控制系統(tǒng)程序進(jìn)行相關(guān)的調(diào)試，測試液壓運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能否按照控制系統(tǒng)程序的指令要求運(yùn)行以及振動(dòng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 下位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行流程 圖5 上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行流程

圖6 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

以橡膠彈性元件振動(dòng)試驗(yàn)為例，振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)頻率范圍為0 Hz～50 Hz，對試驗(yàn)臺(tái)按頻率為10 Hz進(jìn)行振動(dòng)測試，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示如圖7所示。振動(dòng)試驗(yàn)過程中，軟件界面實(shí)時(shí)顯示位移、力動(dòng)態(tài)波形。位移動(dòng)態(tài)曲線反映了橡膠彈性元件在試驗(yàn)臺(tái)頻率為10 Hz時(shí)的變形情況。從圖7(a)可知，橡膠彈性元件變形過程為理想的正弦曲線。

圖7 橡膠彈性元件振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示

在試驗(yàn)過程中，上位機(jī)獲取振動(dòng)過程中的力和位移實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并用txt格式保存。振動(dòng)結(jié)束后，遍歷振動(dòng)過程的力、位移數(shù)據(jù)，取第四次周期以后的數(shù)據(jù)繪制工件剛度變化曲線，如圖8所示。圖8(a)是一周期工件剛度變化曲線，曲線上凸部分是振動(dòng)加載過程，力隨位移的增大而增大，曲線下凹部分為振動(dòng)減載過程，力隨位移的減小而減小。圖8(b)是試驗(yàn)過程中工件剛度變化曲線，將全部曲線按振動(dòng)開始到結(jié)束分為series1到series6。從圖8(b)可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，工件剛度變化曲線逐漸向內(nèi)部收斂，工件剛度下降[10]。

圖8 振動(dòng)頻率10 Hz下橡膠彈性元件的動(dòng)剛度曲線

5 結(jié)束語

目前，電液伺服振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)已經(jīng)研制完成，在0 Hz到50 Hz振動(dòng)頻率下，系統(tǒng)具有良好的幅頻特性響應(yīng)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，界面全數(shù)字顯示負(fù)荷、位移、電壓、試驗(yàn)頻率等多個(gè)工程量。試驗(yàn)結(jié)束后可再現(xiàn)試驗(yàn)歷程，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對橡膠彈性元件力學(xué)性能的檢測。