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1、齿轮泵信息化智能测试系统的研制 徐其俊 曹剑 合肥长源液压股份有限公司 合肥工业大学 摘 要： 研制了基于数据库和计算机处理的集性能测试、流程管理、数据储存、结果分析、图表输出和智能判断等多功能为一体的齿轮泵信息化智能测试系统。介绍了该系统的硬件组成, 设计了实现自动化流程测试与信息化数据处理的软件模块, 提出了液压系统被测状态量在较高波动与较大背景噪声下的数据采集与有效值确认等方法, 并给出了齿轮泵出厂测试的实际测试结果。此智能测试系统可为企业销售、设计、维保、生产管理与人力资源管理等多个环节服务, 实现产品的出厂试验全检与可追溯, 提高了测试效率, 降低了维保成本。关键词： 齿轮泵; 计算
2、机辅助测试; 数据采集; 智能; 信息化; 数据库; 作者简介：徐其俊 (1964) , 男, 安徽巢湖人, 高级工程师, 学士, 主要从事液压产品的开发及研究工作。收稿日期：2017-05-10Development of Intelligent Testing System for Gear PumpXU Qi-jun CAO Jian Hefei Changyuan Hydraulic Co., Ltd.; Hefei University of Technology; Abstract： An intelligent testing system of gear pump is pro
3、posed to realize multi-functions such as performance test, procedure management, data storage, result analysis, chart output and intelligent judgment based on the database and computer processing. The hardware components and software of this system are introduced and the actual testing results of de
4、livery test are given. This system is served for sale, design, maintenance, production management and human resource management, and can realize the full delivery test and the traceability of products and therefore improves the initial performance of domestic hydraulic components in a short time, wh
5、ich increases the testing efficiency and reduces the maintenance cost.Keyword： gear pump; hydraulic CAT; data collection; intelligent analysis; informatization; database; Received： 2017-05-10引言液压元件已广泛应用于国民经济生产领域的各个环节, 其质量直接影响机器的性能高低与寿命长短。目前提高国产液压元件性能的主要途径有: (1) 着重研究液压元件的材料与工艺, 通过研制适合所用材料的工艺来提高阀孔和阀芯的
6、加工精度与形位公差, 这需要高精度机床和长时间的实践积累来保证; (2) 着重研究液压元件的出厂试验方法和管理流程, 确保客户拿到的液压元件初次使用性能符合国家标准并满足性能需求。其中, 第二种途径可以在短时间提高国内液压元件的口碑, 降低维保成本。将计算机辅助测试技术 (简称 CAT) 应用于液压测试系统中, 用计算机实现液压系统的数字控制和数据自动采集、分析处理并输出结果, 达到高精度、高效率测控的目的, 是液压测试系统发展的趋势1-2。目前, 国内外已有不少企业和科研院所开发了计算机辅助液压泵性能测试系统, 如山东大学3、广东工业大学4、浙江大学5、广东伊之密精密机械股份公司6、广州机械
7、科学研究院7等。基于 CAT 的测试系统在硬件设计上一般以 PLC、单片机为下位机作为控制核心, 以 PC 机为上位机进行可视化编程, 实现多样化的液压元件性能测试8, 或直接采用结合数据采集系统的工控机系统设计7。在软件开发上多采用 VB 或 VC 语言进行多功能编程7或直接基于虚拟仪器技术设计, 以方便图形界面设计、与外设和网络及其他应用连接3-5,9。在综合设计上, 较多考虑软件模块化设计思想, 以提高程序的利用率10。当前, 液压测试系统正朝着执行器件电控化、测试工艺自动化、产品装夹自动化、设备故障自诊断等智能化方向发展11。在充分了解企业实施全检, 保障出厂性能需求的基础上, 发现现
8、有齿轮泵测试的不足之处:(1) 出厂测试要求实现产品的自动辨识和测试信息的智能判断以及分类管理;(2) 出厂测试数据容量大, 且需要在多环节中按权限实现共享。测试数据不仅为技术研发部门所用, 更是为销售、设计、维保、生产管理与人事管理等多个环节服务, 实现产品性能的全检和出厂后的可追溯。为此, 基于工业 4.0, 本研究提出一种齿轮泵信息化智能测试系统, 通过引入二维码身份识别系统, 设计基于计算机处理的流程管理、数据储存、结果分析、图表输出和智能判断等功能, 实现齿轮泵的出厂性能测试。该测试系统将不仅可以为产品的检测环节服务, 还可以为销售、设计、维保、生产管理与人事管理等多个环节服务。如果
9、进一步与 ERP 结合, 可以通过将测试管理模块作为 ERP 的子模块实现全流程管理。1 信息化智能测试系统的硬件设计齿轮泵信息化智能测试系统的硬件部分由液压系统和电气测试系统组成, 液压系统提供动力, 保持试验条件, 包含:(1) 齿轮泵液压台架:包括液压试验回路、被测元件安装座、溢流阀加载装置等, 主要作用是安装和加载被试元件;(2) 油源动力驱动:驱动液压台架系统;(3) 手动阀:手动调节液压试验回路中的溢流阀压力, 实现加载。电气测试系统主要实现测试控制和数据采集分析, 包含:(1) 计算机处理系统:采用工控机进行测试流程的自动化处理和测试过程以及信息的智能化管理;(2) 键盘与显示人
10、机交互系统:接收用户指令, 实时显示试验过程数据曲线和性能信息;(3) 二维码扫描系统:测试前, 扫描被测元件的二维码, 自动识别元件性能相关信息;(4) 数据采集控制器:传感器信号经研华公司 PCI-1711 板卡的 A/D 采样输入计算机处理系统;(5) 传感检测系统:液压试验回路中安装压力传感器、流量传感器、温度传感器、扭矩传感器检测被测多联齿轮泵的工作压力和流量、油液温度、电机转速和扭矩;(6) 二次仪表系统:压力流量等传感器信号直接送入二次仪表显示测试系统的实时状态量。同时, 计算后的功率信息经 PCI-1711 板卡的 D/A 模块转换并传递给二次仪表, 进行功率状态的有效显示;(
11、7) 报警提示系统:试验过程中如有异常或测试完毕后需提示产品性能合格与否时, 经 PCI-1711 板卡的 D/O 模块输出数字量, 进行报警提示;(8) 开关按钮组系统:具有启动、停止、急停、有效值确认、打印等按钮, 经PCI-1711 板卡的 D/I 模块输入数字量, 操控试验过程。整个系统的硬件结构框图如图 1 所示。图 1 缩套式超高压缸体 下载原图2 信息化智能测试系统的软件设计软件系统分为试验测试系统和试验管理系统两个独立部分, 软件原理框图如图2 所示。试验测试系统通过键盘显示人机交互和开关量输入输出实现对测试过程的操控和信息设置, 通过数据采集和输出板卡进行压力流量等状态量的实
12、时采集、滤波和计算处理, 处理后的相关测试数据保存至数据库系统。试验管理系统与试验测试系统之间共享数据库信息, 并经数据库配置表来协调设置测试过程中的参数, 实现用户和产品的信息管理、测试报告的查看和分类管理等。软件实现的功能如下:图 2 测试系统软件原理框图 下载原图(1) 试验测试人员身份的有效认证和管理;(2) 被检测液压元件的标识认证和管理;(3) 测试系统故障报警;(4) 产品检测流程智能化实现, 包括实时状态监测和自动数据记录;(5) 检测结果的自动分类与报告出具, 智能判断产品合格与否;(6) 相关文档存档和后续查询;(7) 试验文档的网络化传输和数据共享;(8) 检测环境的管理
13、设定。实现测试流程自动化的测试系统软件流程图如图 3所示, 研制的齿轮泵信息化智能测试系统设备如图 4 所示。图 3 测试系统软件流程图 下载原图图 4 齿轮泵信息化智能测试系统设备 下载原图3 信息化数据处理和性能计算3.1 实时数据滤波方法由于液压系统被测状态量存在较大波动, 且信号存在较大测量噪声, 在测试系统软件中对被测压力、流量等信号采用组合滤波方法以获得平稳的实时状态量。对原始采样数据, 先进行平均滤波, 去除最大最小值:式中, y 0 (i) 为在一次采样周期中获得的原始信号数据, i=1, 2, , n;y 0max为这批采样数据的最大值;y 0min为采样数据的最小值;n 为
14、采样数据的个数。为保证采样数据的平稳性, 同时也不降低实时性, 对于经式 (1) 处理后获得的采样数据进一步采用如下的二阶 butterworth 滤波:式中, y (k) 、y f (k) 分别为第 k 次采样周期的平均值滤波输出和butterworth 滤波输出;K a0、K a1、K a2、K b0、K b1、K b2为与设定的滤波器截止频率有关的 butterworth 滤波器系数。3.2 有效数据确认标准齿轮泵测试过程中, 人机界面系统一直显示压力、流量、转速、转矩、温度等实时数据曲线和当前数值。齿轮泵测试要从空载开始进行阶梯加载直至工作压力超过额定压力再回复至空载压力。每一次加载时
15、, 从计算机或二次仪表中观察工作压力显示值, 当工作压力达到阶梯目标值并稳定, 且流量值也趋于稳定后, 可按下电控柜操作面板上或液压试验台操作面板上的“有效确认”按钮, 经计算机判定此时数据是否有效。如数据有效, 则显示屏上会弹出提示框, 提示已记录系统此时的工作压力、流量、油液温度、泵的转矩和转速等信息。如数据无效, 会提示重新操作。试验员需待系统状态稳定后再次操作“有效确认”按钮, 以便记录有效数据。计算机判定数据是否有效要遵循以下要求:(1) 压力、流量等状态量的稳态工况值在零位死区值以下时, 不做波动范围检查;(2) 压力、流量等状态量的稳态工况值在零位死区值之上时, 其值波动范围要符
16、合设定的稳态量评判等级 (见表 1, 从 A 到 D 评判等级逐步降低) 。表 1 测量参数有效的稳态量评判等级 下载原表 如果数据无效, 原因可能为:(1) 测试员在系统状态未达到稳定时即取值, 造成数据稳态波动太大, 需要等系统状态稳定时再按“有效确认”按钮;(2) 系统状态已经相对稳定, 但因其本身干扰等影响导致状态量的稳态值波动较大, 难以达到设定的评价等级要求, 此时, 需要降低设定的稳态量评判等级。测试过程中实时采样数据和试验有效数据显示如图 5 所示。图 5 实时采样数据和试验有效数据显示 下载原图3.3 测试元件性能计算根据检测的齿轮泵进油口压力、出油口压力、出油口流量、齿轮泵轴转速、泵轴输入扭矩的有效数据值, 计算机自动计算各联齿轮泵 (最多为三联) 的排量、容积效率、机械效率、总效率等性能指标, 计算公式如下:式中, V t0为空载排量;n 为实际转速; v为容积效率; m为机械效率;Q 为额定压力下流量;Q 0为空载压力下的流量
