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　　摘要：本文提出一種長行程多油缸的同步測試新方法，取代傳統大量程傳感器位移測量方法，實現了實時檢測，實踐表明，方法直接、可靠，具有顯著技術經濟價值和廣泛應用前景。
　　1　前言

　　液壓同步運行的測試工作十分重要，因為這是對系統性能的科學考核的方法，也是對所研制的設備及早暴露缺陷、及時處理或改進、提高質量、確保可靠性的實用有效的重要手段。由于測試工作是在模擬實際工況下進行，能zui大限度地把設計中未能考慮到的因素“加入”到試驗中，技術經濟價值不容忽視。

　　長行程油缸系統的應用十分廣泛，特別在大型、重型設備中使用極其普遍（如大型水閘提升設備、海洋工程、工程機械等）。設備運行中外負載總處于不平衡和隨機變化狀態，所以對長行程油缸的同步要求高，否則造成設備性能低劣，甚至嚴重損壞、崩潰失效。對長行程多油缸，如采用傳統的方法進行位移量檢測，則必須用大量程的位移傳感器，顯然既不經濟，安裝也十分困難，不適應模擬測試及現場檢測的需要。經多年研究與實踐，本文提出用相對法進行長行程多油缸的同步運行狀態在線檢測，目前在科研和生產實踐中取得良好的效果，扼要敘述如下。

　　2　測試工作原理

　　同步測試系統傳感器與同步油缸連接布置工作原理如圖1所示。本系統相對位移測試采用短小行程的光柵傳感器作為檢測元件。光柵位移傳感器由定尺7和滑尺8 （讀數頭）組成，定尺和滑尺分別安裝在不同油缸活塞桿上，系統工作時，定尺和滑尺隨同活塞桿一起移動。當兩個油缸活塞桿同步運動時，定尺和滑尺之間沒有相對運動，讀數頭沒有信號輸出；當兩個油缸活塞桿不同步運行時，定尺和滑尺之間有相對運動，讀數頭有位移誤差信號輸出。

圖1

　　運行過程中，為保護光柵副由于意外原因不致于損壞，設計了光柵的安全保護結構。圖1中，1為缸筒，磁鐵4、連接板3與活塞桿2固定聯結，定尺7則與活塞桿9固定連接，由于磁鐵4與導磁板5產生的磁吸力，滑尺8將隨活塞桿2運動。當意外原因使得兩個油缸活塞桿相對位移較大時，導磁板5（滑尺）碰到擋鐵6而不能繼續移動，而磁鐵4、連接板3、活塞桿2因固定聯結則繼續移動致使磁鐵4與導磁板5脫離接觸，保護了光柵副的安全。

　　在測試中，兩油缸活塞桿運行狀態一致性程度是zui感興趣的，也是zui本質的問題，上述方法能完善長行程多油缸的同步測試系統測試要求。

　　3　信號的交換

　　圖2是信號變換及計算機檢測原理框圖。讀數頭輸出的位移信號是正弦波，且信號較弱，檢測裝置變換電路依實際應用需要，應具備如下基本信號處理功能：微弱信號的放大處理、提高分辯率的細分電路、區分光柵尺正反方向位移的辯向電路、實時觀察的記數顯示電路、改善系統可靠性和信號保護功能的零電位等電路。現就光柵信號處理有關技術要點論述如下：

　　圖2

　　細分辯向與脈沖形成電路：

　　光柵尺有很高的刻線密度，如本系統采用的25線/mm，要求獲得檢測更高的分辯率，采用小柵距，顯然技術難度和經濟上都是不合算的。采用電子細分技術來提高分辯率是目前采用zui廣的方法，常用的有四倍頻、電橋、相位調制、鎖相頻等細分方法。本系統采用四倍頻直接細分法，它是通過光柵傳感器輸出的兩路相位差為90°的信號，經過微分，得到四路相位差依次為90°的脈沖信號，實現提高分辯率。對于25線/mm的光柵可得到數字讀數10μm的分辯率，可滿足同步精度測試的要求。

　　在同步系統運行中，油缸兩活塞桿移動方向相對于零位是變化的，為判別移動方向（誤差的符號），必須利用光柵傳感器的兩路的相位差90°的輸出信號。圖中S和C就是輸出的相位差為90°的兩路正弦和余弦信號，當骨尺作某一方向移動時，C超前S π/2，S信號經微分電路產生的脈沖與C信號的高電平在與門1中相與而獲得脈沖輸出；而S的反相信號所產生的脈沖與C信號的低電平在與門2相與，輸出低電平。同理，當滑尺作反向移動時，S超前C π/2，與門2輸出脈沖，與門1輸出低電平，與門1或與門2輸出的脈沖信號分別控制計數器的加減計數脈沖，計數器的輸出狀態就可以正確反映光柵副即油缸兩活塞桿移動方向。

　　零電位功能電路：

　　系統實際運作過程中，出現中斷運行、停機、停電等是不可避免的，這將導致丟失或錯誤的測量結果。所幸大多數光柵設計時均設置有零位標記，以在工作中提供零點稱為零點解決上述問題。為此，應有相應的零位電路，也即零位脈沖形成電路。為適應主光柵不同倍頻要求和保證零位脈沖與計數脈沖同步，不能直接采用光柵輸出的原始零位信號作為零位脈沖，而必須適當選取倍頻后的方波與原始零位信號調理后的方波相與，并以倍頻寬度相同的波形作為選通條件，由此取出的計數脈沖作為零位脈沖信號。

　　4　計算機在線檢測

　　光柵傳感器拾取的同步誤差信號，經過放大整形、細分判向等電路后變成脈沖信號進入計數器8253，控制邏輯中的數據放送寄存器和移位寄存器，并將數字信號傳送到芯片8250接口電路，通過RS-232總線與計算機進行通信，組成計算機同步誤差數據自動檢測系統。在計算機程序控制下，實時、準確、自動地檢測同步誤差數據并記錄，供數據分析處理使用。根據使用要求及測試研究，本系統程序具有如下基本功能：

　　（1）在顯示器屏幕上實時顯示同步運行數據；

　　（2）全行程或預置行程檢測同步運行數據；

　　（3）求平均誤差及誤差變動范圍；

　　（4）記錄繪制同步運行曲線及生成數據文件。

　　本程序用VB5.0語言編寫，利用專設的Mscomm控件實現儀表與計算機之間的串行數據通信，并采用函數過程和子例程實現數據采集、同步運行曲線繪制、數據處理等程序的調用。圖3是程序流程框圖。

圖3

　　5　同步運行的模擬試驗

　　兩油缸活塞桿的相對位移反映了同步系統性能，而分別安裝于兩油缸活塞桿上的定尺與滑尺作為檢測元件，通過上述檢測系統，實時顯示的數據，直接實時地反映了兩活塞桿之間的相對位移，即同步運行情況。所以，用相對法檢測兩活塞桿之間的位移*符合實際工況。同步運行的模擬試驗工作原理如圖4所示。將兩長行程試驗油缸置于模擬試驗臺上，摸擬工況加載油缸活塞桿與試驗長行程油缸活塞桿通過連接小車聯結構成“對頂油缸”，連接小車裝有帶軸承的滾輪，小車在導軌上滾動以保證加載油缸活塞桿和試驗長行程油缸活塞桿在很小摩擦力下沿直線運動。試驗長行程油缸的外負載是分別調整節流閥的開口度，形成一定的背壓產生不同的外負載，造成一定的負載差來模似長行程油缸的實際工作狀態。當長行程油缸因負載差或其它因素引起不同步時，裝在兩長行程油缸塞桿上的光柵位移傳感器就有信號輸出。信號經變換電路、計數、計算機系統采集、顯示、處理、打印數據，運行曲線繪制，生成數據文件并予存儲以及供后置分析處理等。整個模擬工況過程的不同步數據采集處理等在計算機程序控制下進行，自動完成運行狀態的在線檢測。

圖4

　　使用上述模擬試驗系統，對同步系統進行不同負載下模擬試驗，圖5是加載壓力為15MPa實時檢測的同步誤差曲線，同步zui大誤差為0.18mm，符合設計要求，表明同步系統具有較理想的同步性能。

　　上述模擬試驗系統，將形成背壓的閥開口度改用電控方式按某一規律變化或按隨機變化，產生變化的外負載，即可以進行動負載的同步試驗，研究同步系統的動態性能。

 

　　6　結束語

　　本文提出的長行程油缸的測試方法，成功取代傳統的位移測量，有顯著特點：

　　（1）以小量程傳感器代替大量程傳感器，實用性強，簡易可行，它解決了行程特別長的油缸（如2米以上）購置及安裝大量程傳感器時遇到的技術難題；

　　（2）經濟效益明顯，小量程傳感器是大量程傳感器費用的十幾分之一或更少，且以光柵傳感器作為檢測元件，用相對法測試同步誤差zui直接、直觀反映同步性能，而且可以節省一個光柵傳感器。

適應性強，亦可用于多個長行程油缸的同步運行測試；

　　（3）磁吸結構能夠方便地實現傳感器的安裝、調整，當系統出現故障時，對傳感器起安全保護作用；

　　（4）計算機檢測系統具有快速、處理功能完善的優點，為誤差的測試研究及現場同步性能在線監控提供了有效的工具。

　　目前，對長行程多油缸的測試研究尚屬基本空白的狀態，本項研究具有普遍性和實用性，并產生廣泛的應用前景。