采用闭环运动控制的液压系统可简化周期性测试

液压和气动执行机构以及闭环运动控制在生产测试系统中的应用越来越广泛。在所需作用力较大的情况下，应该考虑使用液压作为动力。利用流体介质的可压缩性，可以避免损坏被测装置，而且，液压系统可以持续承受较大负载，并可在测试过程中移动负载。

工况模拟

我们可以通过驱动运动执行机构来模拟实际工况，例如，通过向飞机起落架施加载荷，来模拟实际飞机在跑道上着陆时起落架所承受的负载。同样，在建筑桁架测试器中，可以利用液压缸施加负载来模拟风雪载荷的恶劣环境。在这些应用领域以及其他方面，诸如汽车钢板弹簧试验仪、用于医学假肢试验的试验机和气缸压力测试计，运动执行器都需以同样的加载方式持续加载几小时或者几天，甚至其整个生命周期。

位置及压力的闭环控制

如果想在测试中发挥动力源的全部潜能，除了精确的位置和速度控制外，还需要在测试中使用电子运动控制器对施加在装置上的压力或力进行闭环控制。仅对执行机构的位置进行简单控制是不够的，因为如果不对使设备变形的力进行密切监测，就不能探测到试样物理属性的细微变化。在一个流体动力系统中，执行机构产生的力可以通过检测活塞两侧的压力来确定。

正确连接

图1是一个钢板弹簧试验机简图，它的作用是反复弯曲弹簧，以此来测量移动弹簧片所需要的力。运动控制器与压力传感器连接来检测压力，与磁致伸缩位移传感器 (MLDT)连接来检测执行机构的位置。在典型的测试操作中，位置控制可以对执行机构进行合理定位，以方便力的加载。工程师应尽量选用容易编程，并且可以在位置和压力控制间平缓过渡的控制器。

图1 液压板簧测试机中通过油缸控制位置和力

在图1中，运动控制器通过将模拟信号发送至比例伺服阀来控制液压缸，这样可以通过对液压缸中的压力进行精确调整(正弦或其他波形)来控制液压执行机构的力或位置。利用蓄能器(未在图1中画出)存储压力,在弹簧压缩周期内确保液压系统提供持续的压力来操作伺服阀。

运动控制编程

如前所述，无损检测程序通常需要对被测装置施加重复循环的应力。使用支持直接执行循环运动操作的运动控制器，可以快速、方便的设置测试配置文件。图2a和图2b显示了可应用于被测设备的重复运动序列图表。

图2a. 由Delta计算机系统中的RMC150运动控制器产生的连续正弦运动。红色曲线表示位置随时间的变化，紫色曲线表示速度随时间的变化。该系统已经过精确调节，实际的位置和速度曲线与目标位置和速度的曲线重合。

图2b. 许多运动控制器，如Delta计算机系统中的RMC150，通过运用函数也能产生复杂重复的图形。

图2b表明，“循环”并不总是意味着“简单”。使用合适的运动控制器，可以模拟一些非常复杂的实际运动场景。

现在，我们将研究一些实际的用液压系统来改善循环测试的应用。

应用实例1：电子控制赋予钢板弹簧测试机新的功能

当用一种系统方法来开发测试系统时，测试系统就会被赋予新的功能。比如：用外部控制模块来查询系统和分析流程数据的功能。例如，美国德克萨斯州的钢板弹簧制造商罗克韦尔，就使用测试中被施加到弹簧上力的数据，来确定钢结构参数是如何随时间变化的。

在美国罗克韦尔的弹簧试验机（图3）中，Delta计算机控制系统中的RMC100控制器通过人机界面精确地遵循操作员的要求，在其内部生成力的目标曲线。每个弹簧运动是通过向液压阀输出1000次/秒的连续调整的信号来控制的。同时，在应力循环周期内实时监控弹簧的最大和最小变形量，并且将其与弹簧的允许极限变形量相比较，以确定弹簧属性的变化。对每一个被检测的弹簧而言，当运动控制器命令输入力控制（由操作员用HMI的触摸屏幕发出）时，这些极限就已被确定。在测试循环开始时，系统分别将弹簧压缩到力的最小和最大设置点，同时记录和存储相应的最小和最大弹簧变形量。此功能在帮助罗克韦尔诊断和记录最近出现的材料质量问题上起到了很大的作用。另一个重要的作用，是在弹簧类型改变时，可节省准备时间。

图3 美国洛克威尔的板簧测试系统

如果液压缸的位置在连续力控制循环检测中超过了操作员的规定限度，弹簧的特性可能发生改变，会出现弹簧被损坏或者某一弹簧片已经被损坏的情况。如果发生这种情况，运动控制器在力循环中对位置偏差的持续监控将会自动关闭系统。由于有了这些控件，机器可以在很少需要人为监督的情况下连续运行。这台新机器也可以找准和绘制测试数据，用于测试后的诊断和记录。

应用实例2：用气动装置来实现假肢测试仪的重复运动及其力/位置的控制

按照国际标准组织的要求，假肢制造商要测试弹性脚踝关节，以确保其在实际使用中能够弯曲至少二百万次。实际测试的关键，是在每个循环周期中，在一个特定力的作用下，能够确保关节的移位在一定限度内。

密歇根州莱克奥里恩市的Orion测试系统和工程公司，制造了一台测试机。该测试机的测试系统安装有由Delta RMC75双轴运动控制器控制的两个气缸。一个气缸按压人造足的脚跟，另一个气缸则是推压人造足的脚趾（如图4所示）。在此系统中，在每个气缸上设置一个测压元件来监测所施加的力，同时在每个活塞上安装一个磁致伸缩位移传感器来监测各个执行机构的位置，而不是测量气缸的压力差。在测试系统中，气缸不断改变运动状态来弯曲关节。每个循环周期内，运动控制器不断增加作用在气缸上的力，直到达到预先设定值，然后测量关节的偏斜量，以确保应用的力小于允许的最大力。

图4 气压伺服系统驱动假肢测试机，图中所示为气缸按压人造足的脚趾和足跟

因为每个周期都可以采集到偏斜量(通过PLC来读取运动控制器的寄存器),这使测试人员可以在严重故障发生之前测量疲劳程度。Delta运动控制器能够控制测试仪每秒运行两到三个周期（比率大约是以前假肢公司所用控制器的两倍），使测试效率加倍。

为了尽量降低测试系统的重量，测试人员选择气动系统代替液压系统。然而，由于空气比液体更易压缩，导致系统的调整比较困难。而Delta运动控制器提供的实时运动测绘和调整工具，能容易的将系统性能调整到最优。

应用实例3：液压运动控制器在气罐测试系统中精确控制压力循环周期

加利福尼亚州加登格罗夫市的Catalina气罐公司，是铝气罐的主要生产商，其生产的气罐被用来运输氧气、二氧化碳等气体。该公司有一个创新的液压测试系统。Catalina的工程师John Kishel认为，利用Delta的RMC运动控制器进行闭环控制的液压执行机构，可以作为测试气罐的增压动力源。John设计的系统如图5所示。

图5 气罐压力测试机利用液压执行机构对被测试的气罐加压。通过电子液压控制器精确控制压力及循环。

该系统利用液压缸来充当泵。液压缸的活塞杆伸入管中,把管中的水压入高压气罐。通过电子运动控制器中的程序来控制运动轨迹,以对高压气瓶进行检测。即使油缸运动速度较慢，也能很快地获得相当高的压力。由于液压缸活塞移动缓慢,增压系统具有较长的寿命。

Kishel已经了解到,使用Delta计算机系统中的运动控制器，在3000PSI的压力下，可获得的压力值的误差在1%以内。与应用其他的技术相比，运用运动控制器可以为Catalina的测试过程提供更精确的控制和更高重复性的压力。

结论

电子运动控制器能够很好地控制力和位置，从而对实际工况进行模拟，并输出使人满意的结果。设计者应该选择能够提供精确的闭环控制，并且易于使用软件和通信接口来简化数据采集、编程和调试的

本文出自《流体动力运动控制实用设计指南》