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流體動(dòng)力閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)化了周期性測(cè)試

2019-12-20 17:43:23·  來源：福艾德自動(dòng)化  
　
液壓和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制在生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。
液壓和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制在生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。在所需作用力較大，還有在測(cè)試過程中需要保持或者移動(dòng)大負(fù)載的情況下，應(yīng)該考慮使用流體動(dòng)力。利用流體介質(zhì)的可壓縮性，可以避免損壞被測(cè)裝置。
 
現(xiàn)實(shí)模擬:
 
運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以用來模擬現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境條件，例如通過向飛機(jī)起落架施加載荷，來模擬實(shí)際飛機(jī)在跑道上著陸時(shí)起落架所承受的負(fù)載。同樣，在建筑桁架測(cè)試器中，可以利用液壓缸加載來模擬惡劣的環(huán)境條件，如狂風(fēng)影響和積雪載荷。在這類應(yīng)用以及其他領(lǐng)域中,比如汽車鋼板彈簧試驗(yàn)儀、用于醫(yī)學(xué)假肢試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)、氣缸壓力測(cè)試計(jì)等等，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器往往需要以同樣的加載模式反復(fù)持續(xù)地加載幾小時(shí)甚至幾天，來模擬現(xiàn)實(shí)世界里面它們要在整個(gè)生命周期中才可能經(jīng)歷到的條件。
 
位置及壓力的閉環(huán)控制使現(xiàn)實(shí)模擬成為可能:
 
在測(cè)試中要想發(fā)揮運(yùn)動(dòng)源的全部潛力，必須在用電液運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制的同時(shí)，也能對(duì)施加在裝置上的壓力或力進(jìn)行全面的閉環(huán)控制。僅對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行簡(jiǎn)單控制是不夠的，因?yàn)槿绻荒軐?duì)引起被測(cè)裝置變形的力進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)，就不可能探測(cè)到被測(cè)裝置物理屬性的細(xì)微變化。在一個(gè)流體動(dòng)力系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力可以通過檢測(cè)活塞兩側(cè)的壓力差異來確定.
 
組件的正確連接
 
圖1-6-1是一個(gè)鋼板彈簧試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)圖。試驗(yàn)機(jī)的作用是反復(fù)彎曲彈簧，以此來測(cè)量移動(dòng)彈簧片所需要的力。運(yùn)動(dòng)控制器與壓力傳感器連接來檢測(cè)壓力，與磁致伸縮位移傳感器(MLDT)連接來檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。在典型的測(cè)試操作中，位置控制可以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)大致定位，再施加有控的力。工程人員應(yīng)盡量選用易于編程，而且可以在位置和壓力控制間平緩過渡的電子運(yùn)動(dòng)控制器.
在圖1-6-1中，運(yùn)動(dòng)控制器通過把模擬信號(hào)發(fā)送到比例伺服閥來控制液壓缸，進(jìn)而對(duì)液壓缸中的壓力進(jìn)行精確調(diào)整(正弦或其他波形)來控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力或位置。利用蓄能器(未在圖1-6-1中畫出)來存儲(chǔ)壓力，在彈簧壓縮周期內(nèi)確保為液壓系統(tǒng)提供持續(xù)的壓力來操作比例伺服閥。
1-6-1.液壓板簧測(cè)試機(jī)中通過油缸控制位置和力
 
運(yùn)動(dòng)控制編程
如前所述，無損檢測(cè)程序通常需要對(duì)被測(cè)裝置施加重復(fù)循環(huán)的應(yīng)力。使用支持直接執(zhí)行周期性運(yùn)動(dòng)操作的運(yùn)動(dòng)控制器，可以快速、方便地設(shè)置測(cè)試配置文檔。圖1-6-2a和圖1-6-2b顯示了可應(yīng)用于被測(cè)裝置的重復(fù)運(yùn)動(dòng)序列的曲線。
圖1-6-2a.由DELTA的RMC150運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)生的連續(xù)正弦運(yùn)動(dòng)
紅色曲線表示位置隨時(shí)間的變化，紫色曲線表示速度隨時(shí)間的變化。該系統(tǒng)已經(jīng)過精確調(diào)節(jié),實(shí)際的位置和速度曲線與目標(biāo)位置和速度的曲線重合。
圖1-6-2b.許多運(yùn)動(dòng)控制器，如DELTA的RMC150,通過運(yùn)用函數(shù)也能產(chǎn)生復(fù)雜重復(fù)的圖形
圖1-6-2b表明，“ 循環(huán)”并不總是意味著“簡(jiǎn)單”。使用合適的運(yùn)動(dòng)控制器，可以模擬一些非常復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)
 
運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景和狀態(tài)?，F(xiàn)在，我們將討論用液壓系統(tǒng)來改善循環(huán)測(cè)試的實(shí)際應(yīng)用。
 
應(yīng)用實(shí)例1:
電子控制賦予鋼板彈簧測(cè)試機(jī)新的功能。當(dāng)用一種系統(tǒng)的方法來開發(fā)測(cè)試設(shè)備時(shí)，往往會(huì)賦予它新的功能。比如:用外部控制模塊來查詢系統(tǒng)和分析處理數(shù)據(jù)的能力。例如美國(guó)德克薩斯州的鋼板彈簧制造商使用美國(guó)羅克韋爾公司，對(duì)測(cè)試中施加到彈簧上力的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，來確定鋼板的結(jié)構(gòu)參數(shù)是如何隨時(shí)間而變化的。在美國(guó)羅克韋爾的彈簧試驗(yàn)機(jī)(圖1-6-3)中，DELTA公司的RMC100運(yùn)動(dòng)控制器可以通過人機(jī)界面，精確地遵循可由操作員選擇的內(nèi)部生成的目標(biāo)壓力曲線。每一個(gè)彈簧運(yùn)動(dòng)都是由向液壓閥輸出的1 , 0 0 0 次/ 秒(counts/sec)的連續(xù)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制的。
 
同時(shí)，在力循環(huán)周期內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控彈簧的最大和最小變形量，并將其與彈簧的允許極限變形量相比較，以確定任何彈簧屬性的變化。對(duì)每一個(gè)被檢測(cè)的彈簧而言，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制器命令輸入力控制(由操作員通過HMI的觸摸屏幕發(fā)出)時(shí)，這些極限就已被確定。在測(cè)試循環(huán)開始時(shí)，系統(tǒng)分別將彈簧壓縮到力的最小和最大設(shè)置點(diǎn)，同時(shí)記錄和存儲(chǔ)相應(yīng)的最小和最大彈簧變形量。此功能在幫助羅克韋爾診斷和記錄最近出現(xiàn)的材料質(zhì)量問題上起到了很大的作用。這個(gè)系統(tǒng)的另外一個(gè)顯著的功能是，在更換測(cè)試彈簧的類型時(shí)，節(jié)約設(shè)置時(shí)間。
 
如果液壓缸的位置在連續(xù)力控制循環(huán)檢測(cè)中超過了操作員指定的容差范圍，說明彈簧的屬性可能正在改變，如彈簧即將損壞或者某一彈簧片已經(jīng)損壞。假如這種情況發(fā)生，運(yùn)動(dòng)控制器在力循環(huán)中對(duì)位置偏差的持續(xù)監(jiān)控會(huì)自動(dòng)將系統(tǒng)關(guān)閉。由于有這些控制，機(jī)器可以在最低人為監(jiān)控的情況下連續(xù)運(yùn)行。這臺(tái)新機(jī)器還具備捕捉和繪制測(cè)試數(shù)據(jù)，用于測(cè)試后的診斷和記錄存檔的功能。
圖1-6-3.美國(guó)羅克韋爾的鋼板彈簧測(cè)試機(jī)
 
應(yīng)用實(shí)例2：
用氣動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)假肢測(cè)試儀的重復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡和力/位置的控制
 
按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)的要求，假肢制造商在測(cè)試彈性腳踝關(guān)節(jié)時(shí)需要確保其它在真實(shí)條件下能夠伸曲至少二百萬次。實(shí)際測(cè)試的關(guān)鍵，是在每個(gè)循環(huán)周期中，能夠確保關(guān)節(jié)在每一個(gè)特定力的作用下的移位是在一定的限度以內(nèi)。
 
密歇根州萊克奧里恩市的Orion測(cè)試系統(tǒng)工程公司，生產(chǎn)制造這樣的測(cè)試儀。該測(cè)試系統(tǒng)安裝有兩個(gè)氣缸，由一臺(tái)DELTA公司的RMC75雙軸運(yùn)動(dòng)控制器來控制。一個(gè)氣缸按壓人造足的腳跟，另個(gè)氣缸則是推壓人造足的腳趾(如圖1 - 6 - 4 所示)。此系統(tǒng)不測(cè)量氣缸的壓力差，而是在每個(gè)氣缸上設(shè)置了一個(gè)測(cè)壓元件來監(jiān)測(cè)所施加的力，同時(shí)在每個(gè)活塞上安裝一個(gè)磁致伸縮位移傳感器來監(jiān)測(cè)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。測(cè)試循環(huán)開始后，兩個(gè)氣缸不斷地改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來使關(guān)節(jié)曲伸。每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，運(yùn)動(dòng)控制器不斷增加作用在氣缸上的力，直至滿足預(yù)先設(shè)定值，再測(cè)量關(guān)節(jié)的偏移量以確保所受的力小于允許的最大的力。
圖1-6-4.氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)假肢測(cè)試儀，圖中顯示兩個(gè)氣缸分別按壓人造足的腳趾和足跟
因?yàn)槊總€(gè)測(cè)試周期都采集偏移量數(shù)據(jù)(通過PLC來讀取運(yùn)動(dòng)控制器的寄存器),使得測(cè)試人員可以提前測(cè)量疲勞強(qiáng)度而避免災(zāi)難性故障的發(fā)生。DELTA運(yùn)動(dòng)控制器能夠控制測(cè)試儀每秒運(yùn)行兩到三個(gè)周期(約為假肢公司之前所用的控制器的兩倍)，使測(cè)試效率提高一倍。為了盡量降低測(cè)試系統(tǒng)的重量，公司選擇了氣動(dòng)而不是液壓系統(tǒng)。但是由于空氣比液體更易壓縮，系統(tǒng)的調(diào)試是一個(gè)挑戰(zhàn)。而DELTA運(yùn)動(dòng)控制器提供的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)測(cè)繪和調(diào)整工具，使系統(tǒng)調(diào)整和性能優(yōu)化變得比較容易。
 
應(yīng)用實(shí)例3:
液壓運(yùn)動(dòng)控制器在氣罐測(cè)試系統(tǒng)中精確控制壓力循環(huán)周期
 
加利福尼亞州加登格羅夫市的Catalina氣罐公司，是鋁制氣罐的主要生產(chǎn)商，其生產(chǎn)的氣罐被用于運(yùn)輸氧氣、二氧化碳等氣體。該公司的工程師John Kishel有一個(gè)創(chuàng)新的想法，就是用DELTA的RMC運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)液壓測(cè)試系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控制，為被測(cè)氣罐提供一個(gè)加壓動(dòng)力源。John Kishel 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1-6-5所示。
 
該系統(tǒng)用液壓缸來充當(dāng)泵。液壓缸的活塞桿伸入管中，把管中的水壓入被測(cè)氣罐。對(duì)氣罐的壓力測(cè)試是按照電液運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)定的運(yùn)動(dòng)模式來進(jìn)行的，它可以很快地獲得相當(dāng)高的壓力，哪怕油缸的運(yùn)動(dòng)速度較慢。這樣做的好處是，液壓缸活塞移動(dòng)緩慢，能延長(zhǎng)了加壓系統(tǒng)的壽命。
圖1-6-5.氣罐壓力測(cè)試機(jī)利用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)試的氣罐加壓，通過電液運(yùn)動(dòng)控制器精確控制壓力的大小和循環(huán)。
 
John Kishel看到，使用了DELTA的運(yùn)動(dòng)控制器，加壓系統(tǒng)可以在目標(biāo)壓力3, 000psi之下實(shí)現(xiàn)1%以內(nèi)的誤差控制。與應(yīng)用其他的技術(shù)相比，DELTA 的運(yùn)動(dòng)控制器為Catalina的測(cè)試過程提供更精確的控制和更高重復(fù)性的加壓動(dòng)力源。
 
結(jié)論：
電液運(yùn)動(dòng)控制器擅長(zhǎng)于控制力和位置，從而能模擬真實(shí)的測(cè)試環(huán)境和實(shí)際工況，并產(chǎn)生出色的結(jié)果。在選擇控制器時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮既能提供精確的閉環(huán)控制，又具有易于使用的軟件和通信接口來簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集、編程和調(diào)試，同時(shí)還能進(jìn)行測(cè)試配置分析的現(xiàn)代電液運(yùn)動(dòng)控制器。
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