電液比例閥式微機控制電液伺服萬能試驗機
吉林省金力試驗技術有限公司 李長森 董文潔
關鍵詞：電液比例閥 伺服閥 數(shù)字閉環(huán)控制 模擬控制
前 言
液壓萬能試驗機是行業(yè)量大面廣的產(chǎn)品之一，就產(chǎn)值說占試驗機行業(yè)首位，目前大量生產(chǎn)的液壓萬能試驗機及不帶伺服控制的試驗機，就其技術而言，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)，但工藝性復雜、價格高，使用維護要求也高，由于伺服閥抗污染能力極弱，尤其對靜態(tài)電液伺服試驗機間隙密封的柱塞油缸，更易引起油質(zhì)污染，阻塞伺服閥使試驗機無法長期正常運行，為滿足用戶質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良、技術先進產(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控制電液伺服萬能試驗機。該項目2002年獲機械部科技進步二等獎。
由于采用抗污染能力極強的電液比例閥作控制元件，可使設備實現(xiàn)長期無故障運行，同時采用微機數(shù)字閉環(huán)控制使設備穩(wěn)定性有更大提高，使該機可對各種材料進行拉、壓、彎、剪、低頻循環(huán)及各種組合波形的電液伺服控制，其主要技術指標達到現(xiàn)代國際-先進水平，是工礦、企業(yè)、質(zhì)檢單位、學校及科研單位的理想檢測設備。
一. 當前國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術概況
隨著試驗機技術的發(fā)展，國內(nèi)外電液伺服液壓萬能試驗機，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)及計算機采集處理等技術，在功能上達到甚至超過電子萬能試驗機，尤其在大負荷上液壓萬能試驗機及各種壓力試驗機具有更大的優(yōu)勢。
日本島津UEH型及美國STEX公司的HVL型液壓萬能試驗機均采用電液伺服閥控制雙向油缸；負荷、變形、位移控制由電液伺服閉環(huán)控制，同時具有電子測量和計算機數(shù)據(jù)處理功能，電液伺服閥的優(yōu)點是靜動態(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)電液伺服試驗機。其缺點是用于靜態(tài)液壓萬能試驗機上未能發(fā)揮其特點，使其造價提高、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閥實際上就是通過改進的比例閥。也叫電液比例伺服閥。
西德申克公司的UPM電液伺服萬能試驗機其控制原理是由速度控制器控制力矩電機而帶動壓力控制閥施加負荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統(tǒng)的控制方式。
在國內(nèi)濟南試驗機廠與其他廠家合作研究了500kN微機控制液壓萬能試驗機與日本島津產(chǎn)品相似，采用伺服閥控制，此外濟南試驗機廠已引進日本500kN的UDH型電液伺服閥式液壓萬能試驗機，目前上述產(chǎn)品均在濟南試驗機廠生產(chǎn)。
二. 電液比例閥與伺服閥控制技術在靜態(tài)萬能試驗機上應用比較（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型電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，這種比例閥的結構原理和設計準則沒有變化。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日趨成熟。閥工作頻寬達到5～10Hz穩(wěn)定滯環(huán)降低到3%左右，八十年代以后，比例閥技術發(fā)展進入第三階段，比例閥原理進一步改善，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)相應和穩(wěn)定性都有進一步提高。除中位仍有部分死區(qū)外其控制性能與伺服閥更為接近”?！按送獗壤糯蠹夹g也相應迅速發(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”，將其應用于靜態(tài)電液伺服萬能試驗機中，配合微機精密調(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在靜態(tài)萬能試驗機上應用比較
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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，對液壓油的過濾要求為20μm，可實現(xiàn)無故障運行。 |
伺服閥：對液壓油的過濾要求需達到3μm以內(nèi)，抗污染能力極弱，尤其對靜態(tài)液壓式試驗機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)：我公司采用計算機總線插卡式設計，所有功能通過軟件來完成，有利于功能擴展、軟件升級及微機聯(lián)網(wǎng)，并且具有故障自診斷功能，維修極為方便，只需更換微機內(nèi)相應插卡即可。 |
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，需自配計算機及軟件去管理電箱，顯示試驗數(shù)據(jù)，打印報告等工作，一旦電箱出現(xiàn)故障，試驗機廠家無能力維修。 |
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性能：電液比例閥反應速度較低，適合于靜態(tài)液壓試驗機（頻寬Hz/-3dB）～25 |
性能：而伺服閥反應速度較高，頻寬（Hz/-3dB）20～200，適合于動態(tài)試驗機。 |
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閉環(huán)控制 |
閉環(huán)控制 |
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性能價格比：高 |
性能價格比：低 |
三. 國內(nèi)外液壓力萬能試驗機技術性能對照，見下表
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序號 |
生產(chǎn)廠家
技術指標 |
金力公司
比例閥新產(chǎn)品 |
濟 南
WAW—500 |
日本島津
UDH |
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1 |
最大試驗力 |
1000 kN |
500 kN |
1000 kN |
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2 |
試驗力范圍 |
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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等速率負荷控制精度 |
±1% |
±2% |
±5% |
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7 |
等速率應變控制范圍 |
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. 微機控制電液伺服萬能試驗機
我公司采用美國AD公司電子器件生產(chǎn)的微機控制電液伺服萬能試驗機，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行調(diào)節(jié)。結合高精度高分辨率（1/200000）電子測量技術，實現(xiàn)液壓萬能試驗機的高精度，寬范圍多功能的電液伺服控制。
五. 主要技術指標
1.最大試驗力(kN): 100、200、500、1000、2000
2.試驗力測量范圍: 0.4%～100% FS （連續(xù)全程測量）
3.試驗力測量誤差: ≤±1%（精密型±0.5%）
4.引伸計標矩: 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% 設定值
8.試驗力等速率控制: 0.001～2 FS /min
等速率控制精度: ±1% 設定值
9.變形等速率控制: 0.1%～100% FS /min
等速率控制精度: ±1% 設定值
10.恒試驗力、恒變形、恒位移控制精度: ±1% 設定值
六. 功能及特點
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告。打印主要內(nèi)容：試驗條件、原始參數(shù)、試驗曲線（或局部放大曲線）、試驗結果（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算機。
可繪制的曲線有：應力—應變曲線、力—伸長曲線、力—位移曲線力—應變曲線、力—時間曲線、變形—時間曲線、位移—時間曲線
2.測量系統(tǒng)具有自動調(diào)零、自動標定、連續(xù)全程測量不分檔。
3.可進行試驗力、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過程中任意切換。
5.曲線、數(shù)據(jù)存儲及曲線放大，在試驗過程中可切換顯示七種試驗曲線。
6.可自行設置控制參數(shù), 實現(xiàn)程序自動運行，可進行三角波、正弦波、方波等低周循環(huán)及各種組合波形試驗。
7.可進行試驗室間微機聯(lián)網(wǎng)。
8.可通過聯(lián)機幫助查看或打印軟件說明、操作規(guī)程、注意事項等內(nèi)容。
主要特點
1.用一臺計算機控制完成全部試驗過程，操作均由鍵盤及鼠標來完成，并保留手閥加荷。
2.測量、控制系統(tǒng)采用，計算機插卡式設計(即計算機總線設計)。試驗力、變形測量分辨率可達1/200000。位移測量分辨率可達0.002mm。
3.試驗軟件采用VC++語言編程，可在Windows98、2000、NT操作系統(tǒng)下工作。
4.采用先進的數(shù)字式電液比例閥作控制元件，抗污染能力強，可實現(xiàn)長期無故障運行。
5.采用數(shù)字式脈沖調(diào)寬技術，實現(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，只須更換計算機內(nèi)相應的功能卡即可，維護簡單方便。
8.測量準確、功能齊全、可靠性高、操作簡單、使用方便。是進行仲裁檢驗理想的先進檢測設備。已達到現(xiàn)代國際先進技術水平。
9.液壓夾具夾持可靠，試樣受力均勻，試驗數(shù)據(jù)準確。
七. 結束語
電液伺服試驗機分為動態(tài)電液伺服和靜態(tài)電液伺服試驗機兩種，伺服閥更適合于動態(tài)試驗機，而電液比例閥在靜態(tài)試驗機上有無可比擬的優(yōu)越性。電液比例閥式電液伺服萬能試驗機及老產(chǎn)品技術改造自開始生產(chǎn)至今已有400多臺，所有產(chǎn)品都正常工作，小至100kN大至15000kN微機控制電液伺服試驗機壓力試驗機。20000kN、40000kN微機控制電液伺服臥式拉力試驗機等。電液比例閥控制技術是目前國內(nèi)外最新控制技術填補了試驗機行業(yè)空白，將電液比例閥成功運用于靜態(tài)電液伺服試驗機，打破伺服閥在靜態(tài)試驗機上的壟斷局面，使其具有更高可靠性、穩(wěn)定性及技術先進性，為我國液壓試驗機發(fā)展開辟更為廣闊的前景。將該項技術成功應用于普通液壓式試驗機技術改造，使老產(chǎn)品更新?lián)Q代成為可能，使之達到與新的電液伺服試驗機具有相同的技術水平，使用更為方便可靠。歡迎訂購我公司產(chǎn)品，我們將以先進的高技術產(chǎn)品、優(yōu)越的性能價格比回報廣大用戶。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: 新編液壓工程手冊 北京理工大學出版社 一九九八年十二月出版 |
