电液伺服试验机的设计_万能试验机控制电路设计-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/kerman2022/article/details/147998718

油源系统通常包括以下几个主要部分：

油箱：用于存储液压油。

液压泵：将机械能转换为液压能，提供压力油。

电机：驱动液压泵。

压力控制阀：调节系统压力，保护系统安全。

过滤器：过滤液压油中的杂质，保护系统元件。

冷却器：控制液压油的温度，防止过热。

压力表：显示系统压力。

控制阀：通常为比例阀、比例伺服阀、伺服阀等。

伺服泵：可取代控制阀，即用伺服电机来控制液压泵，为液压缸提供动力源。伺服电机能够通过精确的位置控制来改变泵的流量，从而实现更加精确定位和高速动作。

【原理图描述】

油箱：位于系统的最下方，液压油从油箱中被吸出。

液压泵：通过电机驱动，从油箱中吸油并加压。

压力控制阀：安装在液压泵的出口，用于调节系统压力。

过滤器：安装在液压泵的吸油口或回油路上，过滤液压油。

冷却器：安装在回油路上，降低液压油的温度。

压力表：安装在系统的关键位置，实时显示压力。

设计要点及公式原理

一、液压油源设计

核心组件：
- 液压泵：提供系统所需流量和压力，常用柱塞泵（高压）或齿轮泵（低成本）。
- 电机：驱动液压泵，功率匹配泵的需求（功率 $P=\frac{P_p\cdot Q}{600}$ 单位：kW， $P_p$ 为压力(bar)， $Q$ 为流量(L/min)）。
- 油箱：容积需为泵流量的3~5倍，确保散热和油液停留时间。
- 控制阀：伺服阀或比例阀，用于精确调节流量和方向。
- 过滤器：保持油液清洁度（ISO 4406标准，通常要求≤18/16/13）。
- 冷却器/加热器：维持油温在30~50℃。
关键公式：
- 压力-力关系： $F = P\cdot A$ （ $F$ 为载荷， $P$ 为系统压力， $A$ 为液压缸有效面积）。
- 流量-速度关系： $v=\frac{Q}{A}$ （ $v$ 为液压缸速度， $Q$ 为流量）。
  
  流量计算： $Q=v×A$ ，其中 $v$ 为活塞运动速度。
- 泵功率计算： $P=\frac{Q\cdot P_p}{612}$ （ $P$ 为功率(kW)， $Q$ 为流量(L/min)）。
- 功率公式： $P= \frac{\pi \times M\times n}{30}$ ，用于计算电机功率（ $M$ 为扭矩， $n$ 为转速）
设计步骤：
- 根据试验机最大载荷确定系统压力（通常21~35MPa）。
- 计算液压缸面积，选择标准缸径或定制。
- 依据运动速度需求计算流量，选泵及电机。
- 设计油箱容积及过滤系统，确保油液清洁度。

节能与降噪：大型油源可采用并联油泵机组设计，通过蓄能器存储高压油，在低压工况下直接释放压力，避免电机频繁启停，降低能耗和噪音。部分油源装置还通过隔音材料和减震结构将噪声控制在 65dB 以下。
可靠性与安全性：集成液位、油温、污染度传感器，实现超压报警、自动冷却等功能。试验力除了压强传感器，也可采用压向负荷传感器（0.5 级精度）。位移采集目前多用拉线编码器。

二、主机结构设计

电液伺服万能试验机，主机通常采用两柱、四柱、六柱式或门式框架结构，双空间设计，上空间用于拉伸试验，下空间用于压缩试验。

多数静态机型为双柱结构，如B型机，上下横梁与工作台均为铸钢件：油缸活赛、下台面、上横梁三者通过双柱联为一体，在上、下空间对试样施加拉力或压力；下横梁与丝杠联接、电机经减速机构拖动T型丝杆运动，实现下横梁（下架头/上压盘）的工位位置调整。此机型强度高且安全性好。

核心组件：
- 框架：高刚性结构（如门式框架），材料常用高强度钢。
- 横梁：可移动部分，下横梁由滚珠丝杠驱动，上横梁（包括下工作台面）由液压缸驱动。
- 作动器：液压缸，直接施加试验力。
- 夹具：适应不同试样（拉伸、压缩、弯曲等）。
关键公式：
- 刚度计算： $k=\frac{F}{\delta}$ （ $\delta$ 为变形量），确保框架刚度高（如 $\delta$ ≤0.05mm/m）。
- 应力校核： $\sigma =\frac{M}{W}\leq [\sigma ]$ （ $M$ 为弯矩， $W$ 为截面模量）。
- 固有频率：避免与控制系统频率重合，防止共振。
设计要点：
- 有限元分析（FEA）验证框架应力与变形。
- 导向机构采用精密直线导轨，减少摩擦。
- 模块化设计，便于更换夹具和扩展功能。

三、伺服控制系统原理

控制逻辑：
- 闭环控制：传感器（力/位移）反馈信号与设定值比较，控制器输出调整伺服阀。
- PID控制：调节比例、积分、微分参数以优化响应，公式： $u(t) = K_pe(t) +K_i\int e(t)dt+ K_d \frac{de(t)}{dt}$
动态特性分析：
- 递函数：建模系统响应，分析稳定性（如伯德图、根轨迹法）。
- 响应时间：优化阀芯运动及油液压缩性影响。
- 动态响应：液压系统固有频率 $w_n=$ ，其中 $\beta_e$ 为油液弹性模量， $m$ 为等效质量， $V_t$ 为油缸容积
安全机制：
- 过载保护阀限制最大压力。
- 行程限位、紧急停止，切断油路/停泵，实现机械锁止或油缸回落。

四、总结设计流程

需求分析：确定最大载荷、速度、测试类型。
液压系统设计：选型泵、阀、缸，计算参数。
主机结构设计：强度/刚度校核，优化布局。
控制系统集成：选择传感器、控制器，调试PID参数。
验证测试：空载/负载测试，精度校准（如ISO 7500-1标准）。

位置闭环控制中执行器的运动速度、加 / 减速度、位置控制精度等通常是关键的性能指标，但目前试验机行业缺乏统一标准。为了实现这些性能指标，液压系统的动态特性尤其是频率响应特性非常关键，它能影响系统的稳定性，决定系统的最大加速度。频率是所有系统的固有属性。

动态响应特性决定系统的稳定性和最大加速度

固有频率及液压阀

系统的响应频率一般理解为固有频率，是所有系统的固有属性。频率可以通过理论计算得出，也可以通过测试得出。

双出杆液压缸液压系统固有频率计算公式

系统固有频率测试示意

闭环系统动态性能由性能最低的元件决定。由于液压阀频率通常相对较高，执行器(液压马达或液压缸) 的尺寸和驱动部分的质量是决定系统频率的关键环节。在执行器和驱动负载确定后，尽可能缩短液压阀和执行器之间的管路(例如将比例阀装在执行器之上)也可以进一步提高系统的频率响应。

根据系统的动态响应，选用比例阀的一般原则如下：

具体比例 / 伺服阀的技术参数，可参考工业控制阀→比例、高频响、伺服阀。

除此之外，针对不同的应用要求，某些特定情况下也可以选用频率响应较低的比例阀。比如，若只关心油缸最终定位时位置控制的精度，而不关心油缸在运动过程中任意时间点的位置精度，则可使用控制器中的PDB功能( Position Dependent Braking )，即运动时为开环控制，达到目标位置附近进入刹车阶段时切换成闭环控制，可使用频率响应较低的比例阀实现较高的精度要求。