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摘要：本文提出一种长行程多油缸的同步测试新方法，取代传统大量程传感器绝对位移测量方法，实现了实时检测，实践表明，方法直接、可靠，具有显著技术经济价值和广泛应用前景。
1前言
液压同步运行的测试工作十分重要，因为这是对系统性能的科学考核的方法，也是对所研制的设备及早暴露缺陷、及时处理或改进、提高质量、确保可靠性的实用有效的重要手段。由于测试工作是在模拟实际工况下进行，能最大限度地把设计中未能考虑到的因素“加入”到试验中，技术经济价值不容忽视。
长行程油缸系统的应用十分广泛，特别在大型、重型设备中使用极其普遍(如大型水闸提升设备、海洋工程、工程机械等)。设备运行中外负载总处于不平衡和随机变化状态，所以对长行程油缸的同步要求高，否则造成设备性能低劣，甚至严重损坏、崩溃失效。对长行程多油缸，如采用传统的方法进行绝对位移量检测，则必须用大量程的位移传感器，显然既不经济，安装也十分困难，不适应模拟测试及现场检测的需要。经多年研究与实践，本文提出用相对法进行长行程多油缸的同步运行状态在线检测，目前在科研和生产实践中取得良好的效果，扼要叙述如下。
2测试工作原理
同步测试系统传感器与同步油缸连接布置工作原理如图1所示。本系统相对位移测试采用短小行程的光栅传感器作为检测元件。光栅位移传感器由定尺7和滑尺8 (读数头)组成，定尺和滑尺分别安装在不同油缸活塞杆上，系统工作时，定尺和滑尺随同活塞杆一起移动。当两个油缸活塞杆同步运动时，定尺和滑尺之间没有相对运动，读数头没有信号输出；当两个油缸活塞杆不同步运行时，定尺和滑尺之间有相对运动，读数头有位移误差信号输出。 （图片） 运行过程中，为保护光栅副由于意外原因不致于损坏，设计了光栅的安全保护结构。图1中，1为缸筒，磁铁4、连接板3与活塞杆2固定联结，定尺7则与活塞杆9固定连接，由于磁铁4与导磁板5产生的磁吸力，滑尺8将随活塞杆2运动。当意外原因使得两个油缸活塞杆相对位移较大时，导磁板5(滑尺)碰到挡铁6而不能继续移动，而磁铁4、连接板3、活塞杆2因固定联结则继续移动致使磁铁4与导磁板5脱离接触，保护了光栅副的安全。
在测试中，两油缸活塞杆运行状态一致性程度是最感兴趣的，也是最本质的问题，上述方法能完善长行程多油缸的同步测试系统测试要求。
3信号的交换
图2是信号变换及计算机检测原理框图。读数头输出的位移信号是正弦波，且信号较弱，检测装置变换电路依实际应用需要，应具备如下基本信号处理功能：微弱信号的放大处理、提高分辩率的细分电路、区分光栅尺正反方向位移的辩向电路、实时观察的记数显示电路、改善系统可靠性和信号保护功能的绝对零电位等电路。现就光栅信号处理有关技术要点论述如下：（图片） 细分辩向与脉冲形成电路：
光栅尺有很高的刻线密度，如本系统采用的25线/mm，要求获得检测更高的分辩率，采用小栅距，显然技术难度和经济上都是不合算的。采用电子细分技术来提高分辩率是目前采用最广的方法，常用的有四倍频、电桥、相位调制、锁相频等细分方法。本系统采用四倍频直接细分法，它是通过光栅传感器输出的两路相位差为90°的信号，经过微分，得到四路相位差依次为90°的脉冲信号，实现提高分辩率。对于25线/mm的光栅可得到数字读数10μm的分辩率，可满足同步精度测试的要求。
在同步系统运行中，油缸两活塞杆移动方向相对于零位是变化的，为判别移动方向(误差的符号)，必须利用光栅传感器的两路的相位差90°的输出信号。图中S和C就是输出的相位差为90°的两路正弦和余弦信号，当骨尺作某一方向移动时，C超前S π/2，S信号经微分电路产生的脉冲与C信号的高电平在与门1中相与而获得脉冲输出；而S的反相信号所产生的脉冲与C信号的低电平在与门2相与，输出低电平。同理，当滑尺作反向移动时，S超前C π/2，与门2输出脉冲，与门1输出低电平，与门1或与门2输出的脉冲信号分别控制计数器的加减计数脉冲，计数器的输出状态就可以正确反映光栅副即油缸两活塞杆移动方向。
绝对零电位功能电路：
系统实际运作过程中，出现中断运行、停机、停电等是不可避免的，这将导致丢失或错误的测量结果。所幸大多数光栅设计时均设置有零位标记，以在工作中提供零点称为绝对零点解决上述问题。为此，应有相应的绝对零位电路，也即零位脉冲形成电路。为适应主光栅不同倍频要求和保证零位脉冲与计数脉冲同步，不能直接采用光栅输出的原始零位信号作为零位脉冲，而必须适当选取倍频后的方波与原始零位信号调理后的方波相与，并以倍频宽度相同的波形作为选通条件，由此取出的计数脉冲作为零位脉冲信号。
4计算机在线检测
光栅传感器拾取的同步误差信号，经过放大整形、细分判向等电路后变成脉冲信号进入计数器8253，控制逻辑中的数据放送寄存器和移位寄存器，并将数字信号传送到芯片8250接口电路，通过RS-232总线与计算机进行通信，组成计算机同步误差数据自动检测系统。在计算机程序控制下，实时、准确、自动地检测同步误差数据并记录，供数据分析处理使用。根据使用要求及测试研究，本系统程序具有如下基本功能：
(1)在显示器屏幕上实时显示同步运行数据；
(2)全行程或预置行程检测同步运行数据；
(3)求平均误差及误差变动范围；
(4)记录绘制同步运行曲线及生成数据文件。
本程序用VB5.0语言编写，利用专设的Mscomm控件实现仪表与计算机之间的串行数据通信，并采用函数过程和子例程实现数据采集、同步运行曲线绘制、数据处理等程序的调用。图3是程序流程框图。（图片） 5同步运行的模拟试验
两油缸活塞杆的相对位移反映了同步系统性能，而分别安装于两油缸活塞杆上的定尺与滑尺作为检测元件，通过上述检测系统，实时显示的数据，直接实时地反映了两活塞杆之间的相对位移，即同步运行情况。所以，用相对法检测两活塞杆之间的位移完全符合实际工况。同步运行的模拟试验工作原理如图4所示。将两长行程试验油缸置于模拟试验台上，摸拟工况加载油缸活塞杆与试验长行程油缸活塞杆通过连接小车联结构成“对顶油缸”，连接小车装有带轴承的滚轮，小车在导轨上滚动以保证加载油缸活塞杆和试验长行程油缸活塞杆在很小摩擦力下沿直线运动。试验长行程油缸的外负载是分别调整节流阀的开口度，形成一定的背压产生不同的外负载，造成一定的负载差来模似长行程油缸的实际工作状态。当长行程油缸因负载差或其它因素引起不同步时，装在两长行程油缸塞杆上的光栅位移传感器就有信号输出。信号经变换电路、计数、计算机系统采集、显示、处理、打印数据，运行曲线绘制，生成数据文件并予存储以及供后置分析处理等。整个模拟工况过程的不同步数据采集处理等在计算机程序控制下进行，自动完成运行状态的在线检测。（图片） 使用上述模拟试验系统，对同步系统进行不同负载下模拟试验，图5是加载压力为15MPa实时检测的同步误差曲线，同步最大误差为0.18mm，符合设计要求，表明同步系统具有较理想的同步性能。
上述模拟试验系统，将形成背压的阀开口度改用电控方式按某一规律变化或按随机变化，产生变化的外负载，即可以进行动负载的同步试验，研究同步系统的动态性能。（图片） 6结束语
本文提出的长行程油缸的测试方法，成功取代传统的绝对位移测量，有显著特点：
(1)以小量程传感器代替大量程传感器，实用性强，简易可行，它解决了行程特别长的油缸(如2米以上)购置及安装大量程传感器时遇到的技术难题；
(2)经济效益明显，小量程传感器是大量程传感器费用的十几分之一或更少，且以光栅传感器作为检测元件，用相对法测试同步误差最直接、直观反映同步性能，而且可以节省一个光栅传感器。适应性强，亦可用于多个长行程油缸的同步运行测试；
(3)磁吸结构能够方便地实现传感器的安装、调整，当系统出现故障时，对传感器起安全保护作用；
(4)计算机检测系统具有快速、处理功能完善的优点，为误差的测试研究及现场同步性能在线监控提供了有效的工具。
目前，对长行程多油缸的测试研究尚属基本空白的状态，本项研究具有普遍性和实用性，并产生广泛的应用前景。
11/18/2008
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