【正文】 濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院畢 業(yè) 論 題 目 微機(jī)控制恒應(yīng)力水泥試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 機(jī)設(shè) 07Q1 學(xué) 生 楊志罡 學(xué) 號(hào) 20223006121 指導(dǎo)教師 王新華 二〇一一 年 五 月二十六日摘 要全自動(dòng)水泥試驗(yàn)機(jī)是一種機(jī)電化產(chǎn)品。主要由微機(jī)、液壓泵、溢流閥、電液比例閥、壓力傳感器等組成。該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為主控制器，通過(guò)外部設(shè)備，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其工作過(guò)程為：首先由計(jì)算機(jī)發(fā)給控制器試驗(yàn)信號(hào)，控制器對(duì)液壓缸進(jìn)行檢測(cè)，把檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換和放大后傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的比例控制，來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：試驗(yàn)機(jī)；液壓泵；電液；比例閥；壓力傳感器；PIDABSTRACTAutomatic electrohydraulic pression testing machine is a kind of product of electromachine. It is mainly made up of puter, Hydraulic pump, hydraulic cylinder override relief valve. Electronichydraulic servo valve, pression sensor and so on .In this system, the puter acts as main controller, through outer equipment instate the test method, test parameter ect. The procession of work is as follows: At first, the puter send testing message testing message to the controller , and then ,the controller control the servo valve to decide the pression .At the same time the pression sensor get the signal of cylinder pressure. The siginal is transmitted to the puter throuth A/D (transform) and be amplified. Secondly, the puter pare the pressure given singal and throuth PID (proportion Integral Differential)revise the control. Signal of the controller .Finally,the system closeloop control is relized ,getting to the demand.Key word:Testing Machine Hydraulic Pump Electronlichydraulic Servo valve Compression Sensor PID目 錄摘要..........................…… …….………….………..IABSTRACT…………….……………………..…………….II1 前言……….…………………………………………………………….….……………..12 總體方案的確定說(shuō)明...........................……………… …….………….………..2 動(dòng)力的選擇...........................……………… …….………….………..2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇...........................……………… …….………….………..2 傳感器的選擇...........................……………… …….………….………..33 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...........................……………… …….………….………..4 工況分析...........................……………… …….………….………..4 液壓缸主要尺寸的確定...........................……………… …….………….………..4 液壓泵的選擇...........................……………… …….………….………..6 電動(dòng)機(jī)的選擇...........................……………… …….………….………..7 聯(lián)軸器的選擇...........................……………… …….………….………..7 液壓閥的選擇...........................……………… …….………….………..74 傳感器的選擇...........................……………… …….………….………..10 傳感器的選用原則...........................……………… …….………….………..10 傳感器的性能指標(biāo)...........................……………… …….………….………..10 傳感器的比較和選用...........................……………… …….………….………..115 過(guò)程通道的一般結(jié)構(gòu)形式...........................……………… …….………….………..14 過(guò)程通道的設(shè)計(jì)...........................……………… …….………….………..14 過(guò)程通道的其他主要部件...................……………… …….………….………..17 傳感器的比較和選用...........................……………… …….………….………..196 控制軟件的設(shè)計(jì)...........................……………… …….………….………..297 結(jié)論...........................……………… …….………….………..35參考文獻(xiàn)...........................……………… …….………….………..36致謝...........................……………… …….………….………..371 前言在科技飛速發(fā)展的今天，一種復(fù)合的技術(shù)——機(jī)電（液）一體技術(shù)出現(xiàn)了。 “機(jī)電一體化” （Mechatronic）一詞源于日本，是機(jī)械和電子合成的一個(gè)新的專用名詞。機(jī)電一體化的本質(zhì)是將電機(jī)技術(shù)引用到機(jī)械控制中，即“利用傳感器檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，將檢測(cè)到的信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)得到的能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)算的運(yùn)動(dòng)的控制型號(hào)” 。機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程控制中的不斷應(yīng)用和發(fā)展，電液控制系統(tǒng)及其元件的數(shù)字化也成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)；同時(shí)電液直接控制技術(shù)的發(fā)展也備受人們的關(guān)注。現(xiàn)有的電液直接數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：其一為脈寬調(diào)制為代表的控制方法，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)件的通斷時(shí)間比，以獲得在某段時(shí)間內(nèi)流量的平均值：其二為采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為點(diǎn)—機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化元件的增量式控制發(fā)發(fā)。本設(shè)計(jì)在綜合這兩種方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上采用了直接數(shù)字控制技術(shù)的常用方法，并用微機(jī)對(duì)流體控制元件實(shí)現(xiàn)嵌入式的數(shù)字控制從而使水泥壓力試驗(yàn)機(jī)的工作性能得到改善，能很好的滿足現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥檢測(cè)的要求。2總體方案的確定說(shuō)明微機(jī)控制恒應(yīng)力水泥壓力試驗(yàn)機(jī)作為一種機(jī)電一體化產(chǎn)品不外乎由以下組成部分：圖 11 機(jī)電一體化系統(tǒng)圖 力的選擇按動(dòng)力源的不同可分為：液動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)三種。液壓驅(qū)動(dòng)：液壓壓力可獲得較長(zhǎng)的輸出力，油液壓縮性很小，壓力流量均易控制，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，但是液體對(duì)溫度變化敏感。油液有泄漏等缺點(diǎn)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)：氣體壓力小，輸出力小，若需要輸出較大的力，則結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大，且氣體壓縮性大，阻尼效果差，精確定位困難，低速不易控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)：輸出力小，控制性能好，可精確定位。但控制系統(tǒng)復(fù)雜。由于本設(shè)計(jì)要求輸出力較大，并要求精確的加載速度，控制精度要求高。所以本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)。也就是用電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵 [1]。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇液壓執(zhí)行元件是將液壓介質(zhì)的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械性能的裝置。他依靠壓力油使執(zhí)行件輸出油做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)而做功。按輸出運(yùn)動(dòng)的不同，可將液壓執(zhí)行元件分為三類：液壓缸、液壓馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。計(jì)算機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械機(jī)構(gòu)傳感器 傳 感 器 傳 感 器 動(dòng)力根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在水泥塊從收力道被壓碎期間，執(zhí)行元件處于準(zhǔn)靜態(tài)，而馬達(dá)的輸出是轉(zhuǎn)矩，可執(zhí)行元件應(yīng)該選液壓缸。 傳感器的選擇由于本設(shè)計(jì)要求恒定壓力變化，主要測(cè)量壓力，所以可選用靈敏度和分辨率達(dá)到要求的壓力傳感器。通過(guò)以上的確定，總體方案可以用以下框圖 表示：圖 總體方案框圖計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器 被測(cè)試件電液比例閥液壓缸A/D 轉(zhuǎn)換放大器壓力傳感器3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)主控制器，通過(guò)人機(jī)對(duì)話，進(jìn)行試驗(yàn)方法、試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定工作。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，由計(jì)算機(jī)給控制器發(fā)出試驗(yàn)信號(hào)，控制器控制電液比例閥開(kāi)口度的大小，再由電液比例閥來(lái)控制液壓缸對(duì)試件進(jìn)行加載。同時(shí)，采用壓力傳感器對(duì)液壓缸工作腔的油液壓力進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的壓力信號(hào)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換放大器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、并反饋給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將壓力反饋信號(hào)與輸入信號(hào)比較后，經(jīng)過(guò) PID 算法，來(lái)修正控制器的輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。全自動(dòng)液壓試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、泵、溢流閥、換向閥、電液比例閥、壓力傳感器、液壓缸組成。電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源液壓泵提供能量，液壓泵作為機(jī)械能—液壓能的轉(zhuǎn)換元件給系統(tǒng)提供液壓能源；單向閥用來(lái)防止油液對(duì)泵的反響沖擊；溢流閥作為系統(tǒng)的安全閥，在系統(tǒng)過(guò)載時(shí)提供安全保護(hù)作用；換向閥用來(lái)使油液換向；電液比例閥作為系統(tǒng)加載的控制元件，控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出；壓力傳感器作為檢測(cè)元件，將液壓缸工作腔的壓力信號(hào)通過(guò) A/D 放大反饋給計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；液壓桿作為液壓能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換元件，對(duì)試件進(jìn)行輸出加載。 工況分析液壓缸所受外負(fù)載 F=FW+FF+FA式中 FW 是工作負(fù)載，本設(shè)計(jì)中 FW 為 300KNFA 運(yùn)動(dòng)部件速度變化是的慣性負(fù)載，本設(shè)計(jì)中水泥塊從受力到破碎活塞運(yùn)動(dòng)速度為零，F(xiàn) F 是摩擦阻力負(fù)載，本設(shè)計(jì)中 FF f X G f 為靜摩擦系數(shù)，取 ，G 取500NFW 與 FF 相比，可忽略不計(jì)。 液壓缸主要尺寸的確定 工作壓力 P 的確定工作壓力 P 根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)器類型來(lái)初步確定，參照如下：主機(jī)類型 工作壓力精加工機(jī)床 ——2半精加工機(jī)床 3——5龍門(mén)刨床 2——8機(jī)床 拉床 8——10農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械輔助機(jī)構(gòu) 10——16液壓機(jī)、重型機(jī)械、起重機(jī)械 20——30表 機(jī)器類型與負(fù)載大小液壓機(jī)的工作壓力為 20—30Mpa。又根據(jù)已知條件液壓傳感器規(guī)格為 25Mpa 可知，為了安全，工作壓力應(yīng)取在 20—25Mpa 之間，初取 20Mpa。 計(jì)算液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d由于負(fù)載最大為 250KN，常用液壓缸的機(jī)械效率 η 為 —，取 η=，查表，液壓缸內(nèi)徑 D 與活塞桿 d 的關(guān)系可知：受壓縮，工作壓力 P (Mpa)活塞桿受力情況受拉伸P≦5 5≦P≦7 P≧7活塞桿直徑d()D （）D(0..)D 表 32 液壓缸內(nèi)徑 D 與活塞桿 d 的關(guān)系計(jì)算液壓缸面積： = [(P1－P 2)D2+ P2 d2]= F?4?得 P1 D2= D2=D= =.圓整為標(biāo)準(zhǔn)值為 D=160mm , d=== , d=100mm對(duì)于中壓系統(tǒng)。壁厚 δ 至少應(yīng)滿足 δ/D≧1/10,D=160,取 δ=30mm液壓缸的兩腔實(shí)際有效面積為：A 1= D2= 162=?A2= (D2－d 2)= (162－100)= 24?4?取 V=104= 強(qiáng)度校核(1)活塞桿的直徑 d 按下式校核 d≧ 其中 F 為活塞桿上的作用力，[σ]為活塞桿材料的許用應(yīng)力，最小許用4[]a?應(yīng)力為 110Mpad= = d=100[]a符合要求(2)壁厚 δ 按下式校核：δ≧ （ —1）2D[]??PY為缸筒試驗(yàn)壓力，P N為缸的額定壓力，當(dāng) PN16Mpa 時(shí)，取 PY= ,即PY=20=25Mpaδ= = δ=30(1)23???符合要求3. 3 液圧泵的選擇液壓泵在整個(gè)循環(huán)中的最大工作壓力為 20Mpa，進(jìn)油路上的壓力損失為，壓力繼電器調(diào)整壓力高出系統(tǒng)最大壓力為 ，則P=20++=21Mpa.液壓泵應(yīng)向液壓缸輸出流量為 計(jì)，則 q=溢流閥的最小穩(wěn)定溢流量為 3 L/min 則液壓泵流量規(guī)格最小為 L/