结晶器振动伺服液压缸动态性能测试软件开发.pdf

试系统庞大、操作复杂，测试速度慢、成本高 1-2 。因此工程实践中迫切需要采用先进的测试技术，进行高Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.010结晶器振动伺服液压缸动态性能测试软件开发郭媛，李盛祥1，谭嘉2，吴12（1.治金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉430 0 8 1；2.机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉430 0 8 1；3.武汉科技大学精密制造研究院，湖北武汉430 0 8 1)摘要：液压缸作为液压系统主要执行元件之一，行业应用对液压缸的性能要求越来越高，液压缸性能测试是保证液压系统正常运行的必要前提。为了满足液压缸性能测试的高要求,开发了基于LabVIEW的结晶器振动伺服液压缸性能测试软件，主要测试频率响应和阶跃响应性能，性能测试利用传感器对位移和压力测试数据进行采集，通过工控机对数据进行整理分析和处理并进行波形显示及数据存储，实现对性能测试的实时测控。通过现场应用，验证了该软件系统测量的精度高、智能化、便于操作，完全满足设计要求。关键词：伺服液压缸;LabVIEW；软件开发；动态性能中图分类号：TH137;TF3(1.Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Its Control,Ministry of Education,Wuhan 430081,China;2.Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering,Wuhan 430081,China;3.Precision Manufacturing Research Institute of Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)Abstract:As one of the main executive components of hydraulic systems,hydraulic cylinders have increasingly high performance requirementsfor industrial applications.Hydraulic cylinder performance testing is a necessary prerequisite to ensure the normal operation of hydraulicsystems.In order to meet the high requirements of hydraulic cylinder performance testing,this paper developed a mold vibration servohydraulic cylinder performance testing software based on LabVIEW,which mainly tests the frequency response and step response performance.The performance testing uses sensors to collect displacement and pressure test data,collates,analyzes,and processes the data through anindustrial computer,and performs waveform display and data storage to achieve real-time measurement and control of performance testing.Through field application,it is verified that the measurement accuracy of the software system is high,intelligent,and easy to operate,fullymeeting the design requirements.Key words:servo hydraulic cylinder;LabVIEW;software development;dynamic performance0引言液压性能测试是液压技术发展中的重要技术,测试技术水平直接体现着液压整体技术发展水平。随着液压技术向高速化、高效化、机电液一体化、电子技术及智能控制方向的发展，对液压测试技术提出了更高的要求。传统的液压缸性能测试采用功能单一固定的仪器，一套液压缸性能测试需要多台仪器分别作业，测收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0基金项目：国家自然科学基金（519 7 542 5）作者简介：郭媛（19 7 3-）女，湖北武汉人，教授，硕士，主要研究方向为虚拟现实、计算机应用。文献标志码：B文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 53-0 5Development of Dynamic Performance Testing Software for MoldVibration Servo Hydraulic CylinderCUO Yuans,LI Sheng-xiang,TAN Jial2,WU Lin.-精度、高速度、高集成性、高可靠性的测试。本研究设计的结晶器振动伺服液压缸性能测试系统，利用传感器分布在系统各个需要监测的数据采集点，通过SSI485和端子板将采集的数据送至电控系统中PLC和上位机中,运行LabVIEW上位机对系统测试数据进行处理、显示、分析，然后生成试验报表供试验人员分析评估液压缸的性能。这一系统简化了测试系统结构，提高了系统测试精度、智能性、易操作性、实时性和可靠性,降低了试验成本，具有很好的应用背景和发展前景。53液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期1石硬件系统1.1结晶器振动伺服液压缸性能测试系统液压缸采用的是双缸同步驱动方式，其中每个振动缸都由伺服阀控制，为了满足结晶器振动液压缸的测试标准,结晶器振动液压缸为双缸同步振动过程,系统主要由伺服阀、液压阀、液压泵站等几个部分组成。结晶器振动液压缸主要参数是：液压系统最高的工作压力:Pmx=31.5MPa；结晶器最大振幅：（2 51）mm，振动频率的范围是1 2 0 Hz。18171615输入编号向液压锁用来控制液压缸在任意位置的停留,并可防止其停止后窜动。该阀与常规的电磁换向阀相比，具有密封性好、锁紧精度高、泄漏小等优点，克服滑阀阀芯因停留时间过长可能卡死的缺点 3。工作时,启动液压泵12,液压泵给系统提供压力油,压力油通过两位四通换向阀将液控单向阀打开,压力油通过液控单向阀以及伺服阀进入液压缸下腔，缸上腔的油液通过液控单向阀，伺服阀等回到油箱。当伺服阀换向时，油路相反。当两位四通换向阀的左位接人系统时,液控单向阀的控制油路断开,液控单向阀闭合，液压缸可以停留任意位置。登入界面8否密码正确6程序结束退出是性能测试首页14513412311.21011.油箱2.高压精过滤器3.加热器4.冷却器5.溢流阀6.电磁换向阀7.伺服阀8.截止阀9.压力传感器10.过滤器11.电动机12.液压泵、13.单向阀14.蓄能器15.伺服放大器16.液控单向阀17.位移传感器18.振动液压缸图1结晶器振动伺服液压缸性能测试系统液压原理图考虑结晶器振动液压缸的测试标准,结合系统双缸同步、液压缸在任意位置可停等工况要求，设计了如图1所示的结晶器振动伺服液压缸性能测试系统液压原理图。从图1中可以看到：结晶器的动作由伺服阀7带动液压缸18 实现，系统共用一个油箱，液压泵采用变量柱塞泵12,泵的出口设置溢流阀5调整系统最高压力，防止液压泵过载；带污染报警过滤器2 用来防止伺服阀因油液污染而堵塞。两个液压缸在正常工作时，主要由伺服阀控制；左、右两个液压缸回路各配一套蓄能器14,蓄能器14主要是用来吸收油源的脉动和冲击，保持系统压力稳定，并在应急情况下释放储存的油液。左、右液压缸均安装了位移传感器17 和压力传感器9,分别用来测量活塞杆的位置和液压缸在振动过程中的工作压力。在液压缸的进出油路各安装了溢流阀,用来对回路安全保护。由液控单向阀16 构成的双54是否所有测试完成测试界面参数设置否设定完成否产生脉冲信号是图2 结晶器振动伺服液压缸性能测试系统软件流程图2软件系统2.1软件流程图说明结晶器振动伺服液压缸性能测试系统软件流程图如图2 所示，为了防止非工作人员操作该液压试验台，软件系统需要输人正确密码登入性能测试首页；在进入测试界面对参数进行合理范围的设置，利用MATLABscript函数模块进行脉冲信号发射给定位移；产生脉冲信号后，再对数据进行采集，通过采集卡PCI-1742U将信号转换成电流并D/A转换，将模拟信号转成数字信号后传递给阀，再传递给缸，利用缸筒内部的检测传感器检测缸运动距离 4,将数据传到端子板将电流转化为电压，再用程序控制采集卡PCI-1723进行A/D转换输出,对缸实际频率、幅值、位移、压力进行实时采集、贮存为数组文件，采集到的数据进行数据处理数据保存打印是数据采集数据处理Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024并保存打印,得出液压缸运动的特征参数，完成所有测给采集卡接收回来的实际液压缸运动的曲线。阶跃响试项目后推出结束程序运行 5。应性能测试界面所示。2.2结晶器振动液压缸动态测试本研究主要从阶跃响应和频率响应两个方面进行阐述。1）阶跃响应测试试验方法（1）测试原理，被测液压缸有杆腔位置闭环控制，无杆腔比例背压模拟加载工况条件下，实时测量阶跃给定值和被测油缸活塞位置的反馈值随时间的变化过程,并绘制成特性曲线 6 。模拟实际工况下,有杆腔比例控制恒背压，无杆腔伺服阀控制位置闭环加载，测出阶跃响应曲线。（2）测试方法，将液压缸安装于测试系统机架上，液压缸放置在机架内，活塞杆支撑机架上横梁，将机架拉伸一个初始量3mm，连接压力油口，接人传感器信号，在测试系统中选择阶跃响应选项，找到其中的运动控制模块，点击开始测试，计算机向伺服阀发出阶跃控制信号，伺服阀控制被测试液压缸产生阶跃位移，读取阶跃响应时间和响应特性曲线。2）频率响应测试试验方法（1）测试原理，伺服阀控制被试液压缸活塞产生正弦振动，计算机同时检测被测液压缸活塞位置反馈值 7 ,并根据检测的数据进行频率计算分析,绘制被测液压缸的幅频与相频特性曲线（波德图），并计算相应的幅频和相频的截止频率。（2）测试方法，通过运行测试软件，测试计算机系统通过模拟量输出通道DI/A-1给出给出设定幅值不变,频率在0.12 0 Hz,按设定步长频率递增的正弦测试信号，控制伺服阀7 阀芯运动，并从油口输出控制流量，控制被试液压缸在带负载工况下产生正弦跟踪瞬态响应，同时通过模拟量输入通道A/D-2，采集被测缸活塞杆位移变化量，并将数据存贮在测试计算机系统磁盘内，达到设定测试频率，软件自动停止控制信号输出，本次测试过程完毕；通过测试软件将数据分析计算,绘制成数据处理图，即为被试缸的频率响应试验曲线（波德图）。图11中幅频特性曲线与-3dB交点所对应的频率值即为被试缸的幅频宽;图11中相频特性曲线与-9 0 交点所对应的频率值即为被试缸的相频宽。2.3测试程序1）阶跃响应测试主界面阶跃响应测试界面主要由参数设置、运行控制和结果显示组成，结果显示中的图像显示是结晶器振动液压缸发射阶跃脉冲信号，通过传感器收集信号传回图3阶跃响应性能测试界面2）频率响应测试主界面频率响应测试主界面主要分为两个部分,其中一部分是脉冲信号的参数设置、运行控制以及频率特性运行后的结果显示，另一部分是结晶器振动液压缸实际运行后的频率特性测试曲线、幅值比曲线、相位差曲线以及脉冲信号发射曲线18，利用传感器采集回来的数据进行处理后可以很好地得到精准的幅频宽和相频宽。图4频率响应性能测试界面3）频率响应的后面板程序框图图5是频率脉冲信号，结晶器振动液压缸性能测试系统是由LabVIEW建立，结合MATLABscript函数，通过在前面板输入合适范围的参数设定值,将在图4中的脉冲信号发射界面显示。谐波振动幅值MATLABscript28/h=(api/2)cos(pia/2)谐波振动频率ly-Asin(wt-hsin(wt)23波形偏料率L图6 是频率响应信号采集，通过将设备PCI-1742U与PCI-1723插入对应卡槽并连接好线路，打开驱动Navi,在驱动Navi功能区里进行调试,接着进人程序面板的DAQNavi模块选择对应的信号接口和信号类型，从而接收位移和压力。55脉冲信号图5频率脉冲信号液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期图6频率响应信号采集图7 是频率响应数据处理，通过研华采集卡PCI-1742U将采集的数据分别进行索引,从中提取出来两处的压力和位移值进行处理和条件筛选，再进行后续处理得到频率特性曲线。图7 频率响应数据处理图8 是数据处理后的计算和结果显示，经过数据处理后，将会得到频率特性曲线的图像显示以及显示曲线的特征值幅频宽和相频宽。创建XY围Y23.1性能测试结果1）阶跃试验结果本实验应用了一台编号为HW2104016BW-01，规格是8 0/40-40 的结晶器振动液压缸进行试验，在合理的基础条件如表1液压性能测试参数,对液压缸施加7.5,10,15,20MPa压力进行测试，得到如表2 阶跃响应实验结果，图10 所示是打印出的实时阶跃响应特性曲线。表1浴液压性能测试参数实验条件参数值额定压力/MPa25油温/45 60室温/25介质N60清洁度NAS6表2阶跃响应实验结果压力/MPa7.5响应时间/ms47翻关液压件厂有限公司伺服油缸试验报告阶跃明应特性测试曲线1040朝芙减压件厂有限公司伺服油缸试验报告阶跃响应特性测试曲线15362033P-rf图8 数据处理后的计算和结果显示韶关液压件厂有限公司伺服油缸试验报告图9 是数据的保存和打印，结晶器振动液压缸性阶跃聘应特性测试曲线能测试系统测试结束后,对测试数据放在建立好的文件中进行保存和存档以便后续的读取和应用，再将实验报告打印应用于工厂检测验收。fle path(dialog i时间empty)曲线值口图9数据的保存和打印3性能测试结果与分析通过在韶关液压件厂有限公司对本次设计的连铸结晶器振动液压缸性能测试系统进行实验测试，得出了阶跃响应和频率特性的实验结果,并对频率特性的结果进行了偏差值分析。56抢医明应时间：40都关减压件厂有限公司伺服油缸试验报告阶跃咖座特性测试曲线信号发时医格数间nttoPDF图10阶跃响应特性曲线图2）频率特性结果分别对液压缸施加7.5,10,15,18,2 0 MPa压力进行频率特性响应测试，设定了合理的试验条件得表3频率特性实验结果,图11是打印出的频率响应特性曲线图。3.2频率特性结果分析通过实验对连铸结晶器振动液压缸性能测试系统进行研究，采用两组实验做进一步的对比，选择相同型Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024号的结晶器振动液压缸在同一实验条件下 9 ，保持试的功能且操作可以只在一台电脑中完成,能做到傻瓜验压力和实验频率及幅频宽一致，对比相频宽的变化式操作,采用智能化实时控制系统使得测试系统智能偏差值,可以得出表4 和表5 的频率特性分析对比表，化和易操作化，同时该试验系统是完全满足实验设计该连铸结晶器振动液压缸性能测试系统的最大偏差控要求并且在实地工厂得以应用，实践证明了其推广价制在了4%以内，可以进一步验证了连铸结晶器振动液值和实用价值。压缸性能测试系统的精确性。表5 频率特性分析对比表(第二组）表3 步频率特性实验结果试验压力/MPa7实验频率/Hz10幅频宽/Hz4.29相频宽/Hz8.07副关液压科广有限公司何服油缸试验报告顺车咖皮特性刻试曲线翻关液乐件厂有限公司伺服油缸试验报告率响应特性测饮典线图11步频率响应特性曲线图表4频率特性分析对比表(第一组)试验压力/MPa15实验频率/Hz20幅频宽/Hz18.19相频宽/Hz11.96最大偏差值/%4结论通过计算机测试技术与电气控制系统结合对液压缸性能测试试验台进行控制，基于LabVIEW虚拟平台，采用新型索尼传感器和数据采集技术，应用合理数据处理方式使得测试系统高精度化，增加保存和打印引用本文：郭媛，李盛祥，谭嘉，等.结晶器振动伺服液压缸动态性能测试软件开发 J.液压气动与密封，2 0 2 4,44（3）：5 3-5 7.GUO Yuan,LI Shengxiang,TAN Jia,et al.Development of Dynamic Performance Testing Software for Mold Vibration Servo HydraulicCylinder J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(3):53-57.57试验压力/MPa101520208.0818.1918.1922.7011.5411.96附关减压件广限公司何服油缸试验报告颜率响皮特性测试曲线能关液床件厂有限公司服油缸试验报告顺率电应特性制认曲线152018.1912.323.01181820202512.2411.48152018.1912.0318实验频率/Hz20幅频宽/Hz18.19相频宽/Hz11.93最大偏差值/%参考文献1郭媛，张昌，邓江洪，等.基于模块化的液压阀试验台性能测试系统研究 J.机床与液压,2 0 2 0,48（1）：7 9-8 6.2FLEMMING Holger,NOLL Oliver.Performance Tests of FeatureExtraction Algorithms for Short Preamplifier Transients J.Nuclear Inst.and Methods in Physics Research,Section A,Accelerators,Spectrometers,Detectors and AssociatedEquipment,2023,1047:1678803李为.结晶器振动伺服液压缸性能测试系统设计与振动液压缸可靠性研究 D.武汉：武汉科技大学,2 0 12.4中冶赛迪工程技术股份有限公司，中冶赛迪技术研究中心有限公司.一种连铸结晶器振动节能伺服液压缸及液压系统:CN201721242874.3P.2018-04-03.5 QIN Zhen,WU Yuting,HE Lei,et al.Empirical Researchon the Friction Behavior of O-rings in Hydraulic CylindersJ.PloS 0ne,2023,18(1):3-4.6方一鸣，周健，张文健，等.伺服电机驱动的结晶器振动集散控制系统 J.钢铁,2 0 19,5 4(8):13 7-143.7燕山大学.伺服电机驱动的连铸结晶器非正弦振动集散控制系统：CN201711178638.4P.2018-04-13.8SIWULSKI Tomasz.Comparative Study of the Influence of theSystem Architecture on the Accuracy of Hydraulic CylinderWorking Movements J.Applied Sciences,2023,13(3):3-6.9方一鸣，李宫胤，李建雄，等.伺服电机驱动连铸结晶器振动系统建模与分析 J.仪器仪表学报，2 0 14（11）：2 6 15-2623.18202018.1918.1912.2411.773.99