300kN恒加荷压力试验机控制系统的研究

O引言
    300kN恒加荷压力试验机用于水泥抗压强度的检测，是水泥等生产企业及质检部门必备的一级计量检测设备。在水泥的抗压试验中，试验机加荷速率是影响水泥强度测定准确度的主要因素，新颁布的水泥抗压强度试验标准(GB177-2000)明确规定加荷速率必须满足恒速(2.4±0.2 kN/s)的要求，因而采用人工控制送油阀加荷的传统300kN压力试验机已无法达到标准要求。本文针对我国现有300kN压力试验机的特点，设计了一种基于数字式的微机计量恒加荷压力试验机控制系统，取得了非常好的效果。
1  液压系统设计
    微机控制恒加荷压力试验机是一种典型的机电液一体化产品，其采用的电液控制系统作为压力试验机的核心对整机性能起着关键的作用。 图1为该设备的液压系统原理图。液压系统主要由③油泵、②溢流阀、④数字式微小流量阀、⑤压力传感器和①油缸等组成。在该系统中溢流阀作为系统的安全阀，在系统过载时起安全保护作用；数字微小流量阀作为系统的控制元件，通过控制其流量来调节系统的压力输出；压力传感器作为检测元件，将液压缸工作腔的压力信号反馈给计算机以实现整个系统的闭环控制。2微小流量阀工作原理
    图2为节流阀阀芯阀套平面展开图，考虑到径向力平衡关系，设计中采用了对称开口结构，在阀芯上开有一对与油泵相通的P口和一对与油箱相通的T口，在阀套上开有一对与油缸相通的三角形A口。步进电机顺时针进给，P-A导通，系统通过改变节流阀开口面积调节其输出流量，从而控制系统压力；步进电机逆时针进给，A-T导通，系统卸载，泵出口流量通过等差减压阀回油箱。
3  系统构成
    300kN恒加荷压力试验机控制系统由微机（或单片机）、控制软件、控制器、步进电机驱动器、步进电机、微小流量阀、压力传感器和A/D等组成，如图3所示。控制系统由上下位机和数字式微小流量阀组成，油缸液压油的压力（或水泥试抉承受的压力）信号通过压力传感器（或力传感器）转化为电信号，通过信号放大器，经A/D转化为数
字信号进入计算机，计算机将经过PID控制处理后得到的阀的开口增量送到下位机（控制器），下位机控制步进电机驱动器驱动步进电机并带动微小流量阀阀芯走过给定的角位移，通过微小流量阀阀芯的开口变化，改变微小流量阀的输出流量，控制压力按给定的速率加荷。
3.1  控制软件设计
    控制系统软件设计如图4所示，它包括系统精度的标定和检测、水泥抗压试验、参数设置、试验结果的数据库管理及打印等功能，系统人机界面友好，操作简洁、方便。
3.2  系统功能特点
    该系统为负载适应型液压系统，油沿压力随着负载压力的上升而上升，与伺服阀构成的定压系统有本质的区别，该系统具有节能、抗污染能力强和成本低等特点。 系统采用了自行设计的微小流量阀，该阀具有非常小的稳定流量，较好的流量一压力特性，较高的动态压力响应特性，且能够从零工作压力开始进行加载。该阀利用步进电机作为驱动元件，采用了步进电机的细分技术，完全实现了数字式控制，抗干扰能力强，无滞环，提高了控制精度。
    采用该系统进行传统300kN水泥压力试验机的改造，可以实现手动／自动两种功能，增加了系统的容错性，提高了系统的可靠性。
4试验结果
    以下为采用该系统对无锡建材仪器机械厂生产的NYL-300压力试验机进行改造，在新老两种不同标准下的试验结果。泵的额定压力P=31.5MPa，额定流量Q=1.25L/min。
4.加荷速率
    在老标准速率要求v=5．OkN/s时满负载的加荷曲线，图5(b)为在新标准速率要求V=2.4kN/s时满负载的加荷曲线，图6(a)为V=5.OkN/s时的实时速率曲线，采样间隔AT=2(s)，图6(b)为V=2.4kN/s时的实时速率曲线，采样间隔AT=2(s)。(http://www.51yaliji.com)