电液伺服静力协调加载控制系统的设计与研究

　　0 前言

　　结构静力试验是研究工程结构在静载荷作用下的强度、刚度和稳定性等问题的主要手段之一,对于几何形状和受力情况都较复杂的工程构件,结构静力试验是决定其静特性唯一方便而有效的方法。另外,静力试验的结果可以作为验证结构计算模型好坏的标准之一,并可用于指导改进计算模型,提高计算模型的可靠性[1]。因此,在许多领域(尤其是航空、航天)中,大型结构件的设计研制过程以及正式交付使用前,都要进行静力试验。本文设计研制了八通道电液伺服协调加载控制系统,结果表明,该系统方案设计合理、操作方便简单、使用安全可靠。

　　1 系统组成及原理

　　八通道电液伺服协调加载控制系统原理如图1所示。本系统由上位监控计算机(带八口串口扩展卡)、下位伺服控制器、伺服阀、伺服油缸、位移传感器以及力传感器等组成。

　　上位监控计算机选用研华高性能工业控制计算机,配备14寸工业液晶显示器、键盘、鼠标等外设。安装Windows98操作系统,运行上位监控程序,通过高速串口卡对下位多通道实现宏观监控和总体协调。上位监控程序可以单独监控其中一个通道也可以监控所有通道,其接收到的加载数据以图形、模拟数码管形式同时显示,并且具有设定试验参数、文件操作等功能。

　　八个下位伺服控制器选用嵌入式控制器,配8通道12位A/D转换器, 16位D/A转换器40mA伺服放大器。下位伺服控制器通过串口实时接受上位监控计算机的控制命令,并实时回传试验数据。同时,可通过操作台上的小键盘获得人工手动设定数值,通过控制按钮操作试验,并通过小液晶屏显示试验数据,如图2所示。

　　伺服阀选用10L/min(4个)、15L/min(4个)零开口力反馈式两级电液伺服阀,额定电流40mA,分辨率小于1%。伺服油缸选用单出杆形式,小缸(活塞直径100mm/活塞杆直径70mm)、大缸(活塞直径125mm/活塞杆直径90mm)各四个,内置精度为0.1%的位移传感器,最大工作行程400mm。10L/min伺服阀控制小缸用于量程为100kN的加载,15L/min伺服阀控制大缸用于量程为200kN的加载。力传感器选用拉、压力传感器,内置放大器,综合精度小于0.1%。

　　本系统用于对不同结构件的多点静力加载,图1中,下位伺服控制器通过位移传感器、力传感器分别构成位移控制系统和力控制系统。在油缸活塞杆接触结构件前是位移闭环控制,控制活塞杆的伸缩可以适应不同尺寸的结构件;活塞杆接触结构件后自动切换到力闭环控制,对结构件进行力加载。

　　同时,本系统有手动/自动两种工作模式。下位伺服控制器上电后工作在手动模式,控制油缸活塞杆停在当前位置。手动模式时,上位监控计算机可以不进行监控,仅通过操作台上的小键盘或控制按钮就可以完成加载试验。自动模式时,上位监控计算机对各加载通道进行宏观监控,设定加载数据后,加载无须人工干预。另外,为保护加载结构件,两种模式都有紧急控制方式,该方式下,油缸活塞杆迅速缩回,同时使油路系统回油。