專利名稱：一種基于虛擬原型技術(shù)的液壓伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液壓伺服裝置及虛擬原型技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于虛擬原型的新型液壓伺服裝置，可以實現(xiàn)液壓伺服裝置虛擬原型與物理原型的同步仿真。適用于實現(xiàn)高精度的液壓伺服控制及虛擬原型與物理原型同步仿真設(shè)計，也可用于實現(xiàn)裝置仿真并創(chuàng)建一個虛擬原型裝置。
背景技術(shù)：
由于液壓伺服裝置有液壓元件的功率-重量比和力矩-慣量比大，傳遞的力矩和功率很大；液壓執(zhí)行元件響應(yīng)速度快，在伺服控制中采用校正裝置可以使回路增益提高、頻帶加寬等優(yōu)點，隨著自動控制理論的發(fā)展和各行各業(yè)自動化程度越來越高，液壓伺服裝置在國防、冶金工業(yè)、航空航天業(yè)和機器人中也得到越來越廣泛的應(yīng)用。液壓伺服控制的研究顯得更加重要。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展的要求，希望有高精度高響應(yīng)的液壓伺服裝置。伴 隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展，在軍工產(chǎn)品上首先發(fā)展起來的液壓控制技術(shù)逐步推廣到各個工業(yè)生產(chǎn)部門。目前，大多數(shù)飛機的控制與操作裝置都采用液壓裝置，在導(dǎo)彈方面、地面武器、民用工業(yè)也都大量應(yīng)用了液壓控制。隨著自動控制理論的發(fā)展和各行各業(yè)自動化程度越來越高，液壓伺服裝置也應(yīng)用得越來越廣泛。現(xiàn)在，面對現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品的設(shè)計復(fù)雜性障礙和激烈的市場競爭，產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)部門非常需要能有效地提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期、降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)成本的新技術(shù)的支持。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計與制造過程中，為了驗證產(chǎn)品的整體性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)方法,但是這種方法生產(chǎn)周期長,成本高.進入90年代后，隨著計算機技術(shù)和CIMS技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬原型(Virtual Prototype)在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中起到越來越大的作用.虛擬原型是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計信息或產(chǎn)品概念產(chǎn)生的在功能、行為以及感官(視覺、聽覺、觸覺等)特性方面與實際產(chǎn)品盡可能相似的可仿真數(shù)字模型.2009年8月，美國國家儀器有限公司(National Instruments,簡稱NI)推出最新LabVIEff NI SoftMotion模塊，有效簡化了高級單軸和多軸運動的應(yīng)用的開發(fā)過程。其中NI SoftMotion for Solidfforks能夠使機械，電氣和控制工程師們合作創(chuàng)造一個運動控制裝置的虛擬原型，其融合了機械仿真，運動控制軟件和傳感器反饋。只要你有CAD制圖，就可以早在花費建造實體機器的費用前，開始機器設(shè)計的原型的設(shè)計和研究。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)背景技術(shù)所述，本發(fā)明的目的在于提供一種利用Solidworks的強大3D建模功能，創(chuàng)建了與實際液壓伺服裝置接近的虛擬原型；基于LabVIEW建立了虛擬儀器平臺，省去了 PID及數(shù)字表硬件設(shè)施，并能夠能得到更精確的測量結(jié)果；采用NI公司新技術(shù)Softmotion For Solidworks實現(xiàn)了 Solidworks和LabVIEW之間的通信，實現(xiàn)虛擬原型和物理原型同步仿真，即當給裝置輸入一個位移值后，虛擬原型和物理原型可以同時移動，并在指定位置停下的一種基于虛擬原型技術(shù)的新型液壓伺服裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種新型液壓伺服裝置，主要由液壓伺服裝置物理原型(I)、液壓伺服裝置虛擬原型
(2)、信號采集處理裝置(3)和同步仿真模塊(4)組成，其中液壓伺服裝置物理原型(I)由油箱(11)、節(jié)流閥(12)、溢流閥(12A)、單向閥(12B)、濾油閥(12C)、伺服閥(13)、液壓泵
(14)、壓力傳感器(15A)、位移傳感器(15B)、流量測量裝置(16)、24V直流電源(17)、工作臺(18)和信號采集處理裝置(19)組成，液壓伺服裝置物理原型(I)能源為液壓泵(14)，伺服閥(13 )將電氣一機械轉(zhuǎn)換器給出的機械信號轉(zhuǎn)換成液壓信號輸出并加以功率放大，工作臺(18)為執(zhí)行器，與工作臺(18)左端相連的位移傳感器用于檢測工作臺的位置，從而構(gòu)成反饋控制；利用Solidworks的3D建模功能，建立與實際液壓伺服裝置接近的液壓伺服裝置虛擬原型(2)，主要由油箱(21)、溢流閥(22)、液壓泵(23)、伺服閥(24)、工作臺(25)、Solidworks模塊(26)和線性馬達(27)組成；信號采集處理裝置(3)基于LabVIEW設(shè)計，由PID模塊、信號采集和輸出及信號處理組成；同步仿真裝置(4)基于LabVIEW SoftMotion 模塊設(shè)計。信號采集處理裝置(3)采集位置、壓力、流量信號；輸出位移電壓信號通過PID模塊實現(xiàn)物理原型位移及速度負反饋控制；采集的位置、壓力、流量信號進行濾波處理并保存處理數(shù)據(jù)。同步仿真模塊(4)中的LabVIEW SoftMotion模塊控制虛擬原型中線性馬達的位置和速度參數(shù)。由液壓伺服裝置物理原型(I)與信號采集處理裝置(3)組成液壓伺服裝置，即現(xiàn)實的基于LabVIEW的液壓伺服裝置。由液壓伺服裝置虛擬原型(2)與信號采集處理裝置(3)可以組成一個液壓伺服裝置，即虛擬的基于LabVIEW的液壓伺服裝置。通過輸入給定位移值可以實現(xiàn)虛擬原型與物理模型位移和速度同步。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果
1、本發(fā)明是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計信息或產(chǎn)品概念產(chǎn)生的功能、行為以及感官特性方面建造一個與實際產(chǎn)品盡可能相似的仿真數(shù)字虛擬模型，可以早在生產(chǎn)設(shè)計實體產(chǎn)品時就可以對產(chǎn)品設(shè)計的原型進行研究，而且可以重復(fù)演示設(shè)計過程；
2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)組成緊湊，操作方便，工作可靠，易于推廣。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)組成示意圖
圖2為本發(fā)明液壓伺服裝置的物理原型結(jié)構(gòu)示意圖 圖3為本發(fā)明液壓伺服裝置的虛擬原型結(jié)構(gòu)示意圖 圖4為本發(fā)明液壓伺服裝置的控制程序示意圖 圖5為本發(fā)明液壓伺服裝置的操作界面示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明可以根據(jù)附圖進行實施，下面結(jié)合附圖作進一步詳細的說明。由圖I示出一種基于虛擬原型技術(shù)的新型液壓伺服裝置，主要由液壓伺服裝置物理原型I、液壓伺服裝置虛擬原型2、信號采集處理裝置3和同步仿真模塊4組成。由圖2示出液壓伺服裝置物理原型結(jié)構(gòu)示意圖，液壓伺服裝置物理原型I由油箱
11、節(jié)流閥12、溢流閥12A、單向閥12B、濾油閥12C、伺服閥13、液壓泵14、壓力傳感器15A、位移傳感器15B、流量測量裝置16、24V直流電源17、工作臺18和信號采集處理裝置19組成，油箱11用來盛油以便油液循環(huán)利用，裝置的能源為液壓泵14，它以由溢流閥12A設(shè)定恒定的壓力向裝置供油，伺服閥13是一個轉(zhuǎn)換放大元件，它將電氣一機械轉(zhuǎn)換器給出的機械信號轉(zhuǎn)換成液壓信號(流量、壓力)輸出并加以功率放大，工作臺18為執(zhí)行器，其輸入的是壓力油的流量，輸出的是拖動負載工作臺18的運動速度或位移，與工作臺18左端相連的位移傳感器15 B用于檢測工作臺的位置，從而構(gòu)成反饋控制，壓力傳感器15A和流量測量裝置16采集裝置中壓力和流量信號；液壓伺服裝置物理原型I中輸入變量為信號采集處理裝置3提供的位移電壓信號，輸出變量為該裝置的位移、壓力、流量的電壓信號。圖3為本發(fā)明液壓伺服裝置的虛擬原型結(jié)構(gòu)示意圖，液壓伺服裝置虛擬原型2主 要由油箱21、溢流閥22、液壓泵23、伺服閥24、工作臺25、Solidworks模塊26和線性馬達27組成，使用Solidworks的3D繪圖功能繪制液壓伺服裝置虛擬原型，工作臺25作為主要運動部件采用1:1繪圖，溢流閥22、液壓泵23、伺服閥24等靜止部件采用近似比例繪制。由于此裝置中工作臺的運動可以由線性運動近似模擬，所以在工作臺上添加線性馬達27模擬工作臺，當給裝置輸入指定位移值后，由Softmotion模塊26將采集的裝置速度和位移傳遞給線性馬達27，通過線性馬達27帶動工作臺25運動。另外，使用LabVIEW建立信號采集處理裝置3，其中PID模塊基于LabVIEW中PID插件組成，實現(xiàn)采集位置、壓力、流量信號，輸出位移電壓信號通過PID模塊實現(xiàn)物理原型位移及速度負反饋控制；信號采集和輸出部分由數(shù)據(jù)采集裝置和DAQ組成，可以將物理原型中位移、壓力和流量模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號及輸出給定的位移電壓信號；信號處理部分使用低通濾波器處理采集信號，并將處理后的信號以文本形式保存，采集的位置、壓力、流量信號進行濾波處理并保存處理數(shù)據(jù)。使用LabVIEW SoftMotion模塊建立同步仿真模塊4，其中直線運動模塊控制虛擬原型中線性馬達的位移和速度；當給裝置輸入指定的位移值后，信號采集處理裝置將這個位移信號同步傳送給直線運動模塊和PID模塊，實現(xiàn)虛擬原型和物理原型位移的同步；對流量測量裝置采集的流量電壓信號進行處理可得到工作臺的速度，將其反饋給直線運動模塊，實現(xiàn)虛擬原型與物理原型速度的同步。由液壓伺服裝置物理原型I與信號采集處理裝置3組成液壓伺服裝置，即現(xiàn)實的基于LabVIEW的液壓伺服裝置。由液壓伺服裝置虛擬原型2與信號采集處理裝置3組成液壓伺服裝置，即虛擬的基于LabVIEW的液壓伺服裝置。通過輸入給定位移值可以實現(xiàn)虛擬原型與物理模型位移和速度同步。圖4為本發(fā)明液壓伺服裝置的控制程序示意圖，主要由Softmotion模塊41、信號采集部分42、PID模塊43、信號輸出部分44和信號處理部分45組成，其中信號采集部分42將物理原型裝置中的位移、流量和壓力信號采集進來，并傳遞給信號處理部分45進行處理，通過流量公式將流量轉(zhuǎn)化成工作臺速度，并將其傳遞給Softmotion模塊41，通過PID模塊43將采集的位移信號和輸入的位移值進行PID控制，并傳遞給信號輸出部分44。
圖5為本發(fā)明的操作界面示意圖，主要有信號顯示面板51、位移輸入面板52、開始按鈕53、電源按鈕54、到達指示燈55和液壓伺服裝置虛擬原型56組成，其中；信號顯示面板51顯示位移、流量和壓力信號的曲線圖及具體數(shù)值，當按下電源按鈕54，裝置開始運行，在位移輸入面板52輸入指定位移值并按下開始按鈕53，液壓伺服裝置物理原型和虛擬原 型開始同步運行。
權(quán)利要求
1.一種新型液壓伺服裝置，主要由液壓伺服裝置物理原型(I)、液壓伺服裝置虛擬原型(2)、信號采集處理裝置(3)和同步仿真模塊(4)組成，當輸入指定位移信號后，通過信號采集處理裝置控制物理原型與虛擬原型的位移參數(shù)，并采集物理原型中的位置、壓力、流量信號，采集后的信號進行濾波處理并保存處理數(shù)據(jù)，同步仿真模塊建立了物理原型與虛擬原型之間的通信，將采集的物理原型的速度反饋給虛擬原型，實現(xiàn)了液壓伺服裝置物理原型與虛擬原型同步仿真。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型液壓伺服裝置，其特征在于液壓伺服裝置物理原型(I)由油箱(11)、節(jié)流閥(12)、溢流閥(12A)、單向閥(12B)、濾油閥(12C)、伺服閥(13)、液壓泵(14)、壓力傳感器(15A)、位移傳感器(15B)、流量測量裝置(16)、24V直流電源(17)、工作臺(18)和信號采集處理裝置(19)組成，液壓伺服裝置物理原型(I)能源為液壓泵(14)，伺服閥(13)將電氣一機械轉(zhuǎn)換器給出的機械信號轉(zhuǎn)換成液壓信號輸出并加以功率放大，工作臺(18)為執(zhí)行器，與工作臺(18)左端相連的位移傳感器用于檢測工作臺的位置，從而構(gòu)成反饋控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型液壓伺服裝置，其特征在于利用Solidworks的3D建模功能，建立與實際液壓伺服裝置接近的液壓伺服裝置虛擬原型(2)，主要由油箱(21)、溢流閥(22)、液壓泵(23)、伺服閥(24)、工作臺(25)、Solidworks模塊(26)和線性馬達(27)組成；信號采集處理裝置(3)基于LabVIEW設(shè)計，由PID模塊、信號采集和輸出及信號處理組成；同步仿真模塊(4)基于LabVIEW SoftMotion模塊設(shè)計。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型液壓伺服裝置，其特征在于同步仿真模塊(4)中的LabVIEff SoftMotion模塊控制虛擬原型中線性馬達的位置和速度參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型液壓伺服裝置，其特征在于由液壓伺服裝置物理原型(I)與信號采集處理裝置(3)組成液壓伺服裝置，即現(xiàn)實的基于LabVIEW的液壓伺服裝置；由液壓伺服裝置虛擬原型(2 )與信號采集處理裝置(3 )可以組成一個液壓伺服裝置，即虛擬的基于LabVIEW的液壓伺服裝置。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種可以實現(xiàn)液壓伺服裝置物理原型與虛擬原型同步仿真的裝置，主要由液壓伺服裝置物理原型(1)、液壓伺服裝置虛擬原型(2)、信號采集處理裝置(3)以及同步仿真模塊(4)組成。液壓伺服裝置物理原型主要由伺服閥和傳感器組成；液壓伺服裝置虛擬原型是基于Solidworks建立的3D數(shù)字模型；信號采集處理裝置是基于LabVIEW構(gòu)建的虛擬儀器平臺；同步仿真模塊LabVIEW SoftMotion模塊設(shè)計。當輸入指定位移信號后，通過信號采集處理裝置控制物理原型與虛擬原型運動，并采集和處理物理原型的運動參數(shù)，同步仿真模塊建立了物理原型與虛擬原型之間的通信，將物理原型的運動狀態(tài)反饋給虛擬原型，實現(xiàn)了液壓伺服裝置物理原型與虛擬原型同步仿真。
文檔編號F15B21/08GK102734274SQ201110083450
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者曹建樹, 李侖, 李楊 申請人:北京石油化工學(xué)院