单自由度液压摇摆实验台设计方案

刘晓东，黄悦欣，姜洪雷，谢蒙

（同济大学，上海 201804）

摇摆实验台是一种常见的实验用模拟设备。一台精确控制、运行良好的摇摆实验台可针对不同的产品或样品提供所需的实验室环境下的功能和可靠性测试，从而确保生产出优质、安全、符合资质的产品。根据自由度不同，实验台可分为单自由度到六自由度的六个等级，复杂的多自由度实验台还会考虑不同自由度的联动控制；根据动力来源不同，大部分实验台可分为电力驱动、液压驱动和人力驱动。每种实验台的应用场合和特定皆各有不同。因此，针对不同要求设计实验台一直是各生产和研发机构的热点项目之一。本文基于生产实践所需，融合了PLC 控制、传感器数据采集、液压回路以及触摸屏等多种先进的现代化技术，提出了一套新型的单自由度摇摆实验台的设计方案，具有精度高、响应速度快、控制简单、数据实时呈现等特点，能有效完成生产任务中所需的摇摆实验要求。

1 实验台的总体结构设计

实验台以钢型材焊接而成的支撑框架为基础，在支撑框架上焊接有2 个安装块，用来装配2 个轴承座。在支撑框架底部装有4 个调节地脚，用来支撑整个框架并实现调平。另外，在框架上装有两个限位挡块，实现机械限位。

支撑框架与基础平板之间的连接需要注意两个轴的同轴度误差，在此设计了一对由球型轴承座构成的回转机构：在支撑框架的两端各安装一个球型轴承座，在每个球型轴承座内安装轴，轴的另一端安装在轴支座内，轴支座再固定在基础平板上。这样，由于轴承座所用的轴承的外圈是球形的，所以，在轴旋转过程中也可以保证两个轴的同轴度。另外，角度传感器也与回转轴同轴安装在一起，可以测量回转角度。

摇摆实验台的运动及动力来自于液压缸，为实现摇摆运动，需要为液压缸设计一套回转轴。在此，选用2 套（共4 个）单耳环支撑件：首先，由销轴将两个单耳环支撑件连接在一起；然后，将一对单耳环支撑件与油缸之间通过安装法兰连接，再将另一对单耳环支撑件连接到支撑框架上。这样就构成了油缸顶部与支撑框架之间的回转轴。在油缸的底部，则安装了一个Y 接头，Y 接头的孔内有一个销轴，销轴再穿过一个关节轴承，使得活塞杆可以绕销轴回转。再将关节轴承拧入到一个力传感器中，力传感器直接安装在基础平板上，在力传感器两侧安装有4 个外六角螺母，用来限制力传感器的旋转。力的测试方向垂直于基础平板。

在支撑框架的合适位置安装有上、中、下3 个光电传感器，用做基础平板的上限位、中位和下限位。最后，由于基础平板相对于回转轴不是静平衡的，为了保证测量的准确性，需要为基础平板配重。配重分2 部分：首先，用较大的配重块初步配平，然后，用游码精细配平。总体结构如图1 所示。

图1 总体结构设计

2 实验台的液压回路设计

由于摇摆实验台负载较大，但又要求摇摆实验台在不同负载下仍然可以按照预定角速度进行摇摆，因此，摇摆实验台采用液压伺服系统。液压系统由液压动力站、比例换向阀及液压缸组成。液压动力站集成了电动机、油泵、溢流阀和油箱。液压油通过比例换向阀达到控制要求流量后输出，进入液压缸将动力作用在基础平板上，液压油再通过比例换向阀的回油油路回到油箱内。这样液压回路使得整个液压系统可以在不同负载下，通过控制流量和流向达到控制摇摆实验台运动的目的。具体液压系统回路图如图2 所示。

3 软件设计的基本思路

图2 液压系统回路图

摇摆实验台的电气系统由PLC、控制按钮开关、角度传感器、力传感器、原点传感器及限位开关等组成。具体运行过程如下：首先，作为一个开环系统，必须在启动前进行调平，同时，调平后的位置也能作为角度和力传感器的零点，使得PLC 能够根据增量式信号得出绝对测量值。然后，在触摸屏输入摇摆周期、摇摆次数、摇摆角度3 个参数，按下控制按钮后启动运行程序；PLC 将根据程序通过自带的数模转换模块向比例换向阀发送控制电压，控制液压油的流速和方向，进而推动液压缸按要求往复运动；同时，光电开关通过I/O 口向PLC 发送限位和复位信号，拉压力传感器向PLC 发送拉压力模拟信号、角度传感器向PLC 发送角度模拟信号，PLC 对信号进行处理后发送到触摸屏实时显示。电气系统的流程图如图3 所示。

图3 软件设计流程图

4 触摸屏界面的设计

触摸屏是系统的人机交互界面，整个界面分为三个区域，分别是控制输入区、数值显示区和趋势图显示区。控制输入区负责输入摇摆周期、摇摆次数、摇摆角度3 个参数；数值显示区用来显示力矩和角度的实时值；趋势图显示区负责显示摇摆角度和力矩的波形。具体设计如图4 所示。

图4 触摸屏界面的设计

5 结语

本文完成了一套单自由度摇摆实验台的设计，该实验台由比例换向阀调控的液压回路提供动力；由可编程控制器进行控制；并由角度传感器、拉压力传感器和光电位置传感器测量角度、拉压力和位置数据；最后，所有数据由触摸屏进行输入、输出和图表化呈现。最终，该实验台可以顺利实现单自由度的摇摆测试任务。