基于虚拟仪器的液压实验台设计

　虚拟仪器作为当前机电行业的主流设备，因其搭建设备的便捷性、更新的简易性、成本的低价性而被广泛应用，而液压与气动实验台作为机电行业典型的设备，根据其功能需要具有很大的开发价值，将虚拟仪器和液压气动实验台两者结合起来能够拓宽实验台的功能，并且能够融合传感器、电气控制等多学科知识，对掌握机电一体化的综合知识具有重要意义，同时两者的结合开发出的系统具有用时短，经济、更新快速便捷的优势，具有很强的实际价值。本文就利用虚拟仪器对液压气动实验台进行开发，从而开发出液压系统的压力、流量、温度、转速、位移等实验，对这些参数的检测既能为整个系统的准确稳定运行提供保障条件，在整个实验平台搭建和实验过程中也能很大程度的提高操作人员的学科综合水平和实验能力。
1　整体方案
利用现有的液压气动实验台所提供的信号源，外加传感器等，精确检测液压气动系统的相关参数，将多学科的知识融合到一起，实现真正的机电一体化相结合，其整体方案如下所图1 所示。

图1　整体方案图
通过虚拟仪器的设计，外加传感器的信号采集，可以在虚拟仪器上显示此实验台的压力、转速、流量、温度、位移等信号。其动力元件中的液压泵的旋转信号的采集显示；执行元件中液压缸活塞杆的位移信号采集显示；液压油中油温信号的采集显示；控制元件中压力阀的压力信号采集显示；流量阀的流量信号采集显示。
2　液压回路
利用实验台搭建基本的液压回路，此液压系统运行过程中，可以监测液压泵的转速、压力及流量；液压缸活塞杆的位移；液压油的温度高低；压力阀的进出油口压力；溢流阀阀口的流量等。其液压泵选用定量叶片泵，型号为YB1-10，压力6.3Mpa，排量16 毫升/ 转, 转速960--1450 r/min；电机型号为Y100L1-4，绝缘等级为B 级，额定电压为380V，额定电流为5A，额定功率为2.2kW，额定传速：1420r/ min 油缸为Φ50×Φ28；液压缸活塞杆行程250mm[2]。电磁溢流阀用于卸荷；二位三通换向阀、三位四通换向阀用于换向和各类实验的操作元件；可调单向节流阀、节流阀、调速阀、压力阀用于根据要求控制整个液压系统回路；过滤器以及各类测量仪器仪表等用于检测和保证整个液压系统的正常运行。液压回路如下图2 所示：

1，2- 溢流阀；3- 三位四通电磁换向阀；4、5- 液压缸
图2　液压回路
3　硬件选择
在整个系统设计过程中，依托液压实训台中系统的信号源，选取合适的传感器及数据采集卡，将信号传送到计算机中的虚拟仪器面板上，通过软硬件的结合实现多种信号的采集处理。本文选取将液压泵旋转时的转速信号作为研究对象，通过HCNJ-101 型转矩转速传感器将其转速信号传送给虚拟仪器转速实验模块；以液压缸活塞杆的位移为测量对象，选用德敏哲18 系列非接触式磁悬浮滑块磁致伸缩位移传感器，将其输出的位移信号传送到虚拟仪器的位移实验模块；以液压泵出油口的流量作为测量对象，选用雷诺CT 流量传感器，将其输出的信号通过数据采集卡传送到虚拟仪器流实验模块；以减压阀出油口压力为研究对象，选用WPT 压力传感器，将其信号通过数据采集卡传送到虚拟仪器压力试验模块；以液压缸液压油油温为测量对象，选用TTP 温度传感器，将温度信号经过数据采集卡传送到虚拟仪器温度试验模块。数据采集卡选用NI 公司的DAQ 的USB 接口6009 数据采集卡。其整体设计流程如下图3 所示。

图3　整体设计流程
4　软件设计
4.1　设计思路
本文结合液压与气动实验台将此试验台中的五个基本量的信号源通过虚拟仪器的数据采集卡，利用单通道采集的方式，依托转矩转速传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器、位移传感器，经过相关应变电路，依次在转速实验、压力实验、流量实验、温度实验、位移实验中实现信号的显示。
4.2　登陆界面
考虑到整个实验台的开发是需要测量系统的多个量，为了便于实验人员条理性的掌握各个流程，采用单通道的数据采集系统来设计；同时考虑到实验人员的重复性和评定的差异性，登陆系统采用姓名、班级、学号相结合的方式登陆，登录界面如下图4 所示：

图4　登录界面
4.3　功能界面
档登陆成功后，安装好硬件，调试好液压系统及相关元器件，就可以做相对应的试验了，选择相应的实验后，点击确定按钮，就能进到对应的实验平台模块。当完成实验后需要点击停止才能进行后续实验。其功能界面如图所5 所示：

图5　功能界面
4.4　实验主界面
实验主界面有三个部分，即理论复习、实验平台、数据回放。基于实验的效率性和可行性，加设理论复习模块，简述与此实验有关的背景、流程及参考数据等；实验平台模块有参数设置，可以选择设备通道、设置采样速率、采样点数等；实时显示当前的数据值，同时通过波形图连续显示波形；操作面板有停止按钮用来控制实验的停止。数据回放模块可以回看1000S 内的数据值及波形。其面板如下图6 所示：

图6　实验主界面
5　结语
液压气动实训台中，如果将液压系统改为气动系统，同样可以获取部分信号源，像转速可以更换为空压机的转速；压力可测量气压；位移可测量气缸活塞杆的位移等；系统部分是通用的。本文能较好的将系统中重要参数进行采集、显示。具有较大的参考借鉴意义。利用虚拟仪器的易扩建性可同时采集这些信号进行显示，可结合液压系统正常运转状况和故障情况，实现系统的在线运行监测。