基于綜合設計法的電磁閥檢測系統
摘 要：從電磁閥檢測系統的廣義質量出發，基于綜合設計法對系統進行了優化設計。對系統進行了功能優化設計；針對系統的可靠性和壽命進行了動態優化設計；系統壓力控制部分采用智能控制策略進行了智能優化設計；基于LabVIEW和AMESim對系統的工作過程和控制過程進行了可視優化設計。通過實踐證明了系統具有響應快，精度高，運行平穩等優點。
關鍵詞：綜合設計法；電磁閥；智能檢測系統；廣義質量
中圖分類號：TH 165
Testing System of Solenoid Valve Based on Synthesis Design Method
Jiang Yang Liu Hongyi
Northeastern University，Shenyang，110004
Abstract: In order to improve generalized mass of solenoid valve testing system, the optimization design of the system was carried based on synthesis design method. The function optimization design to the system were carried on; and dynamic optimization design was done in view of the reliability and life; and intellectualization optimization design to the pressure control of system was carried on using intelligent control strategy; and visualization optimization design to the work process and controlled process of system was carried by applying LabVIEW and AMESim. The system has been proved to be fast response, high precision and good stability.
Key words: integrated design method; solenoid valve; testing system; generalized mass
0 引言
現代機(ji)械(xie)綜合設(she)計法是一種(zhong)(zhong)面向產品(pin)廣義質量，以(yi)顧客需(xu)求為(wei)驅(qu)動，以(yi)獲得(de)優(you)良功(gong)能與性能為(wei)目標，以(yi)現代機(ji)械(xie)設(she)計等多學科(ke)為(wei)基礎，以(yi)產品(pin)功(gong)能優(you)化(hua)(hua)設(she)計、動態(tai)優(you)化(hua)(hua)設(she)計、智能優(you)化(hua)(hua)設(she)計、可(ke)視優(you)化(hua)(hua)設(she)計為(wei)手(shou)段的(de)一種(zhong)(zhong)多學科(ke)融合交叉的(de)全功(gong)能和全性能優(you)化(hua)(hua)的(de)設(she)計理論與方法。[1-3]
本(ben)電磁閥檢測(ce)系(xi)(xi)統屬(shu)于典型的(de)(de)機電液一(yi)體(ti)化系(xi)(xi)統，具有多(duo)介質、管路復雜(za)、強耦(ou)合(he)、非線(xian)性時(shi)變等(deng)特點，因此在設計上(shang)應綜合(he)考慮系(xi)(xi)統功能實(shi)現與(yu)其性能的(de)(de)完善。
1 系統功能優化(hua)設計
本系統是充(chong)分結合某廠電磁閥實際(ji)情況對其原有實驗(yan)臺(tai)架進行(xing)優化設(she)計的。其主要功能(neng)是按要求來完成電磁閥產品的各項性能(neng)檢(jian)測(ce)實驗(yan)，其中實驗臺架部分是整(zheng)個檢測系統的基礎(chu)，其整(zheng)體結構如圖1所示。
1.進水管；2.支路開關(guan)閥(fa)3.進(jin)油閥；4.夾緊油缸；5.左夾具頭；6.被測電磁閥；7.臺架(jia)；8.右(you)夾(jia)具(ju)頭(tou)；9.流量傳感(gan)器；10.電動調節(jie)閥；11.出水管；12.升(sheng)降(jiang)機(ji)構(gou)；13.回(hui)油閥(fa)；14.滑道
圖1系統實驗臺架結構(gou)示(shi)意圖
改進后的(de)臺架包括升降機(ji)構和夾緊機(ji)構兩個主要部分及一些輔助機(ji)構，可以(yi)自(zi)動(dong)(dong)控制被(bei)測(ce)電磁(ci)閥產品在水平和豎直(zhi)方向(xiang)的自(zi)由(you)移動(dong)(dong)，并同(tong)時可以(yi)完(wan)成夾緊工作，提高(gao)了整個系統的自(zi)動(dong)(dong)化(hua)水平。
2系統動態(tai)優化設計
本系統(tong)(tong)動態(tai)優化設計主要(yao)(yao)是針對其(qi)可靠(kao)性和壽命來進行(xing)的。由(you)于系統(tong)(tong)中(zhong)元(yuan)器件較(jiao)多，管路(lu)復(fu)雜(za)，系統(tong)(tong)任何部(bu)位出現(xian)問(wen)題，都(dou)會(hui)導(dao)致(zhi)實(shi)驗無法進行(xing)，為保證管路(lu)中(zhong)各開關閥(fa)能夠可靠(kao)開閉以(yi)及管路(lu)無泄(xie)漏，需要(yao)(yao)對系統(tong)(tong)進行(xing)定期(qi)自檢，其(qi)具體(ti)流程如圖(tu)2所(suo)示。
圖2系統(tong)自檢實驗流程(cheng)圖
對(dui)于系統各閥按照(zhao)介質(zhi)流動(dong)順序(xu)進行(xing)檢測(ce)，在檢測(ce)過程(cheng)中根據壓力值不同對(dui)各閥采用分級檢測(ce)的方案，這種“由前(qian)到(dao)后，由大到(dao)小”的檢測(ce)方法在保(bao)證(zheng)了(le)測(ce)試(shi)精度的同時獲得了(le)較大的測(ce)試(shi)量(liang)程(cheng)，更科(ke)學(xue)合理。
通(tong)過定(ding)期進行系(xi)統(tong)(tong)(tong)自檢實驗，可以保(bao)證系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)工作穩定(ding)性，同時延長系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)使(shi)用壽命，節省成本。
3 系統智能優化設計
本系統的主要功(gong)能(neng)是實現電磁閥產品的自動檢測(ce)，為實現檢測(ce)功(gong)能(neng)的同時保證實驗過程的自動控制，對(dui)其控制設計分(fen)(fen)為兩部分(fen)(fen)：一部分(fen)(fen)是PLC順序控(kong)制(zhi)，保證開關閥等(deng)元器(qi)(qi)件(jian)的自(zi)動(dong)開閉；一(yi)部分是變頻器(qi)(qi)、蓄能器(qi)(qi)及電動(dong)調節(jie)閥等(deng)元器(qi)(qi)件(jian)對(dui)系(xi)統壓力進行(xing)的智能控(kong)制(zhi)，來保證實驗結(jie)論的準(zhun)確(que)性。
采用(yong)OMRON的CJ1M型(xing)PLC完(wan)成對(dui)整個系(xi)(xi)統(tong)的順序控制(zhi)，包含(han)了電磁閥(fa)檢(jian)測系(xi)(xi)統(tong)的全(quan)部開關量(liang)和模擬量(liang)，用于系(xi)(xi)統(tong)的自動控制(zhi)；而(er)壓(ya)力控制(zhi)作為本檢(jian)測系(xi)(xi)統(tong)的一項(xiang)關鍵(jian)技術(shu)，其(qi)控制(zhi)原理如圖3所示。
圖3 檢測系(xi)統壓力控制圖(tu)
其控制(zhi)(zhi)過程為：安裝在實驗臺(tai)上的壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器實時的檢測(ce)壓(ya)力，經采集卡輸送到工(gong)控機；工(gong)控機根據預先確定(ding)的智能(neng)控制(zhi)(zhi)策(ce)略對數據進行處(chu)理(li)，并將處(chu)理(li)的結(jie)果通過OPC通訊傳送給PLC；PLC對傳送過來的(de)信(xin)號(hao)進行(xing)解讀之后(hou)會把對應(ying)的(de)控制信(xin)號(hao)發(fa)送給(gei)液壓泵和電動調節(jie)閥(fa)以及各個(ge)開關(guan)閥(fa)。本(ben)系統對目標壓力值進行(xing)了精確控制，從而保證了整個(ge)檢(jian)測過程快速(su)、準確、平穩進行(xing)。
4 系統可視優化設(she)計
本(ben)系(xi)統可視優化設計主要用于完成其工作過程(cheng)和控制過程(cheng)的優化設計。
4.1 系統工作過程可視(shi)優化設計(ji)
給操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)提(ti)供便利、多信息的(de)操(cao)(cao)作(zuo)界面對于本系(xi)統來(lai)說(shuo)是十分重要(yao)，因此系(xi)統操(cao)(cao)作(zuo)界面在實驗過程中應直接(jie)與操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)接(jie)觸，并向操(cao)(cao)作(zuo)者(zhe)反映實驗中的(de)必要(yao)信息。本系(xi)統應用LabVIEW對(dui)系統操作界面進行設計，如圖(tu)4所示。[4-5]
圖 4 系(xi)統操作界面
界(jie)面主要包括三(san)個實驗(yan)(yan)區(qu)：自(zi)檢實驗(yan)(yan)區(qu)、出廠(chang)實驗(yan)(yan)區(qu)、新產(chan)品開發參數(shu)測量(liang)實驗(yan)(yan)區(qu)，每(mei)個實驗(yan)(yan)對(dui)應(ying)(ying)著各自(zi)的實驗(yan)(yan)結(jie)論(lun)，及時向(xiang)操(cao)作(zuo)者(zhe)提供(gong)實驗(yan)(yan)結(jie)論(lun)，便于(yu)(yu)對(dui)被測閥及時采取相應(ying)(ying)的措施(shi)。本界(jie)面還包括“設置參數(shu)”、“打印”、“報警”等功能，更利于(yu)(yu)操(cao)作(zuo)者(zhe)操(cao)作(zuo)，也更人性化。
4.2 系統(tong)控制過程可視優化(hua)設計
采(cai)用AMESim液壓(ya)仿真軟件對(dui)系統(tong)進(jin)行建(jian)模(mo)仿真，并對(dui)管路(lu)中(zhong)的(de)壓(ya)力和流量(liang)進(jin)行分(fen)析，觀察實(shi)驗過程中(zhong)壓(ya)力隨(sui)時間的(de)變化(hua)情況，對(dui)系統(tong)進(jin)行整體(ti)分(fen)析和評估(gu)，從而(er)達到優化(hua)系統(tong)、縮短設計(ji)周(zhou)期的(de)目的(de)。[6-7]
對電磁(ci)閥動作實驗(yan)過程中的壓力和流量進行建模(mo)仿(fang)真、分析，首先(xian)設置仿(fang)真時間為25s，采樣周期為0.01s，要求被測閥在(zai)2.5MPa的(de)壓力下進行實驗。開(kai)環系統模型如圖5所示(shi)，仿真后，得出(chu)被測(ce)閥的流量和壓力變化曲(qu)線分別如圖6和7所示。
圖5 AMESim建立(li)的開環系統模(mo)型
圖(tu)6 被(bei)測閥流量變化曲線
圖7 被測閥壓力變化曲線
1—被測閥前的壓力曲線(xian)；2—被測(ce)閥后(hou)的壓力曲線(xian)
從(cong)圖(tu)6和7中可以(yi)看出(chu)，在(zai)動作實驗過程(cheng)中，首先是管路通(tong)介質排空(kong)氣過程(cheng)，此(ci)時系統流量和壓力(li)值(zhi)(zhi)逐(zhu)漸穩定；然后關閉被測閥，通(tong)過泵進(jin)行(xing)沖壓；當被測閥前壓力(li)達到設定值(zhi)(zhi)2.5MPa時，打(da)開被測閥(fa)，隨(sui)著介質流過被測閥(fa)，閥(fa)前(qian)壓力逐漸減小，同時流量值減小為0，完成一次動作實驗。
需要穩壓和(he)壓力精確控制(zhi)的實(shi)驗，必(bi)須建(jian)立閉環模(mo)型。以(yi)密封實(shi)驗為例，建(jian)立系(xi)統閉環模(mo)型如圖8所示。經過(guo)仿真，得出實驗過(guo)程中(zhong)的壓力和流量變化曲(qu)線分別如(ru)圖9和10所示。
圖8 閉環(huan)系統模型
圖9 被測閥壓(ya)力變化曲線
1—被測閥(fa)前的壓(ya)力曲線；2—被測(ce)閥后的壓(ya)力曲線 
圖10 被(bei)測閥流量(liang)變化曲線
從圖9中可以看(kan)到實驗壓力經歷了三個階段的變(bian)化：
（1）上升階段
本階段(duan)是管路充滿介(jie)質及壓(ya)力(li)上升(sheng)的過程，將(jiang)采集壓(ya)力(li)與給定壓(ya)力(li)比(bi)較，將(jiang)差(cha)值比(bi)例放大(da)后(hou)驅動電動機，改變(bian)泵輸出，使壓(ya)力(li)最后(hou)達(da)到(dao)2.5MPa。
（2）穩(wen)定階段
本階段壓力穩在2.5MPa大約1min，這是密封(feng)實(shi)驗(yan)的(de)關鍵階段，系統等待現場操作人員的(de)返回(hui)信(xin)號(hao)。
（3）下降階段
實(shi)驗(yan)完畢，打(da)開被測電磁閥，放水(shui)，壓(ya)力為0時即可卸閥(fa)。
可見，可視優化仿(fang)真(zhen)過(guo)程中的壓力(li)和流量的變化情(qing)況與實際(ji)十分相似，基本上(shang)對于實驗(yan)過(guo)程進行了很(hen)好的模擬，而且檢測(ce)速(su)度快，精度高(gao)。通過(guo)仿(fang)真(zhen)可以避免編程過(guo)程中錯(cuo)誤的發生(sheng)，使系統(tong)更完善、更快速(su)。
5結論
本(ben)文采用綜合設(she)計(ji)(ji)法從功能優(you)化設(she)計(ji)(ji)、動態(tai)優(you)化設(she)計(ji)(ji)、智能優(you)化設(she)計(ji)(ji)和可(ke)視優(you)化設(she)計(ji)(ji)幾方面設(she)計(ji)(ji)了一套自動化程度(du)高、性能好、實(shi)用性強(qiang)、節(jie)能環保、擴展性好的(de)電磁閥(fa)檢測系統。該(gai)系統改(gai)變了原有(you)實(shi)驗設(she)備手動檢測效(xiao)率低、測量不(bu)準(zhun)確等缺點，為企(qi)業帶來(lai)了顯著的(de)經(jing)濟效(xiao)益且(qie)具有(you)廣泛的(de)應用空間。
