防止工件轴向窜动焊接滚轮架控制机理研究.pdf

一引第32卷第2期西安交通大学学报1998年2月JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYVoI322Fleb1998防止工件轴向窜动焊接滚轮架控制机理研究沈风刚薛锦(聂瓦)Tf摘要依据焊接滚轮架上工件轴向运动的理论基础，分析了防止工件轴向窜动的一种调节方式结果表明：工件在焊接滚轮架上螺旋运动的螺旋率为所有滚轮与工件之间螺旋角正切的平均值；调节从动滚轮的位置，可以改变工件和滚轮的相对位置，产生附加螺旋角，从而能有效控制工件的轴向运动同时提出了具有位移、速度负反馈的非线性控制方案并通过相平面法对系统稳定性进行了分析，分析结果与模型实测结果相符此方案可用于焊接滚轮架的防轴窜控制StudyontheControllingMechanismfortheAnti-DriftingWeldingRollerBedShenFenggangXueJin(xJiaotongUniversity710049，Xian)AtractOnetypeofadjustingmethodsfortheantidriftingofthecylinderisanalysedinthepaper，basedonthebasictheoryoftheaxia1driftingofthecylideronaweldingrollerbedItisshownthatthespiralratioofthecylinderaxialmotionisequaltothemeanvalueofthetangentofthespiralanglebetweenthecylinderandrollers，andifadjustingthepositionofadrivenldkrproperly，therelativepositionbetweenthecylinderandtherollerwillbechangedsothatanadditionalspiralanglewillbeproducedfortherelativeaxialmotionofthecylindertohecontrolledeffectivelyAttheSLrfietime，anonlinearcontrolmethodwithdisplacementandvelocitynegativefeedbackispresentedThesystemstabilityisanalysedwiththephaseplanemethodandtheresultsofanalysisareinagreementwithth08eobtainedbythemodelexperimentThereforeitisapplicabletocontrolsystemofantidriftingweldingrollerbed，Keywordseldingmilerbedaxialmotionadjustingmechanismnonlinearcontrol工业上，电站锅炉的汽包、集箱和化工压力容器等回转体工件的装配与环缝焊接都是在焊接滚轮架上进行的由于焊接滚轮架的制造、安装误差以及工件几何形状的不规则等原因，工件在回转时会不可避免地沿其轴向发生窜动，从而影响焊接过程的正常进行因此，为解决这一问题，需对工件在焊接收到日期1996-0924沈风刚男，1970年l0月生机械工程学院焊接研究所，博士生维普资讯第2期沈风刚等：防止工件轴向窜动焊接蒗轮架控制机理研究滚轮架上的轴向窜动提出有效的调节方法。使工件的轴向窜动控制在焊接要求所允许的范围内，以保证焊接过程的顺利实施，从而为研制和生产防轴向窜动焊接滚轮架直接提供理论和实际指导1焊接滚轮架上工件的向辱动滚轮架一般由4只滚轮组成，工件在主动滚轮带动下绕自身轴线作匀速圆周旋转运动，完成焊接过程由于制造、安装等原因，如果滚轮相对于理想位置偏转了某个角度，使得工件轴线与滚轮轴线不平行而成为异面直线，工件在回转时必然产生轴向运动设滚轮与工件圆柱面相切于P点(图1)，工件轴线与工件柱面上切点母线所在的平面为工件法平面A过P点做工件的切平面，则工件法平面图1工件与壤轮的空间几何关系A垂直于工件切平面B过P点的工件切线为，它在工件切平面B内过P点的滚轮切线为z，它亦在工件切平面B内在一般情况下，滚轮轴线与工件轴线(即滚轮切点母线与工件切点母线)之间有夹角e，定义为轴偏角；滚轮切点母线m在工件切平面B上的投影线与工件切点母线之间有夹角口，定义为螺旋角；滚轮切点母线在工件法平面A上的投影线与工件切点母线之问有夹角7，定义为投影角2j3个角度的关系为(图2)tanZfl=tan20一tan2(1)图2中，sp、Se、Sr分别称为螺旋位移矢量、轴偏位移矢量、投影位移矢量，其关系为s；=si一(2)由于滚轮轴线与工件轴线不平行而成为异面直线，滚轮切线与工件工线之间有螺旋角岛(图1)当滚轮与工件绕各自轴线作同步回转运动时，滚轮与图2角度与位移矢量的关系工件在切点P的线速度方向将不同，这样工件在切向摩擦力的作用下产生螺旋效应在轴向有分速度，=Vtan(3)式中：v。为工件圆周旋转线速度；，为单个滚轮对工件产生的轴向分速度，下标j取1，2，3，4，分别代表4只滚轮一般情况下，很明显4只滚轮与工件的几何关系不完全一致，即工件相对于4只滚轮的4个轴向分速度V，tanflj不完全相同但由于工件整体上可看作是刚体，其轴向速度只能有一个，即其相对于4只滚轮的4个轴向分速度V。tan岛应相等这样对于某一只滚轮，其Vtanflj和工件的实际轴向速度可能会不相同，则此滚轮和工件之间一定会产生轴向摩擦力分量当工件和某个滚轮产生的轴向摩擦力大于两者之间的最大轴向摩擦力时，工件相对于此滚轮发生摩擦滑动；而当每个滚轮与工件产生的轴向摩擦力都小于最大轴向摩擦力时，工件相对于滚轮发生弹性滑动单个滚轮和工件之间的轴向运动通过弹性滑动来加以协调，即V=V。ta蚂+=荠(4)式中e为弹性滑动摩擦系数工件的轴向速度恒定时，若忽略重力的轴向分量，4只滚轮对工件的轴向力代数和应等于0，即F，=0又由于去向正压力N对4只滚轮相差不大，可近拟看成相同。所以有妻j=l警=fsj高0(5)一一由上两式得出工件的轴向窜动速度为1r41V=1Vtan岛(6)#】式中，寺tan晟反映了在工件相对于滚轮仅发生弹性滑动的条件下焊接滚轮架的固有特性。定义为工件螺旋运动的螺旋率2维普资讯西安交通大学学报第32卷2工件轴向运动的调节当工件为理想圆柱体时，对于某一特定的焊接滚轮架总有确定的轴向运动速度y。来反映该滚轮架的固有特性所谓工件轴向运动的调节，就是通过某种方式不断地调节工件与滚轮之间的螺旋角，使一段时间内工件的轴向位移之和为O图3中P点为滚轮圆周与工件圆柱面相切点，切点P处的滚轮直径尸Q定义为滚轮法轴，平面c为过Q点且垂直于PQ的滚轮切平面调节时，保持从动滚轮中心0的位置不变，使滚轮在切平面c上绕其法轴PQ偏转，从而直接改变螺旋角口来达到调节工件轴向窜动的目的2J从减小轴向力和调节的稳定性出发，最佳调节方式应使调节产生的协调运动速度尽可能地大，而非协调运动速度尽可能地减小显然，如果仅仅改变1只或2只从动滚轮的螺旋角调节只能产生非协调运动分量，这样不仅产生较大的轴向力，也将加剧滚轮和工件表面的磨损而只有当同步改变4只滚轮的螺旋角，才能达到协调调节的目的，此时非怫调运动分量为O，但这将导致滚轮架整体结构的复杂化，工程上一般不宜采用参见图3和图6由于各滚轮的初始螺旋角很小。甚至为O，再加上仅偏转1只从动滚轮(4号滚轮)来产生附加螺旋角凤又偏转量不大，所以滚轮和工件之间的轴向运动通过弹性滑动来加以协调即图3轴向运动的转动调节y=y(tan+tan)(7)由于螺旋角都很小，可认为tan=，tan=，故有y：y(+)(8)由转动调节机械执行机构(图6)可得出偏转电机转速(r)与偏转量成()的关系为反=K1(9)其中，Kl=36o，为偏转减速机构的总传动比由式(8)和(9)可得y=丢y4+f()d(10)。I。=扣=)其中，令K=Kly，设轴窜位移为，则由上式可写出偏转机构及滚轮架的传递函数为G=K(12)3控制系统分析控制系统的任务是减小工件的轴窜位移y，在规定时间内把轴窜位移控制在焊接生产所允许的范围内首先应选择合适的轴向位移传感器测量出的大小和方向，有了的大小和方向(反馈输入量)，再依据工件的轴向窜动规律来确定合适的控制规律控制系统主要是控制偏转电机的正反转、转动时间和暂停时间的长短本文遵循下面一种非线性控制规律，并且引进位移、速度负反馈3控制系统原理如图4所示1匡二二图4控制系统原理方块图非线性控制规律为：当O时fMN，efbz=O，一口efb(13)【一MN。ef一a当a=0，一befa(14)lMN，ef一b式中为偏转电机转速的绝对值；系数M取决于主动滚轮转动方向，正转时M：1，反转时M=一1；f=R一(+Td)；a、b、Td是关键的3个系统参数，由系统仿真优化确定线性系统的动态微分方程为；=Kx(15)维普资讯l爿第2期沈风刚等：防止工件轴向窜动焊接滚轮架控御机理研究当Rf=0时(Y+Td)，可将相平面分为3个区域，如图5所示I区内，线性系统方程为一KMN，+7|=口n，一一6I，=+7，一图5控制系统相图等倾线方程为=一KMNa；区内，线性系统方程为j：0，等倾线方程为d=O；区内，线性系统方程为j=KMN，等倾线方程为=Kfa在I、区域内，相轨迹为抛物线；在区域内，相轨迹为与水平轴平行的直线由上述分析可见，引A位移、速度负反馈，改变了开关转换线位置，使相轨迹提前转换，并趋向一个稳定的极限环，从而改变了系统的动态性能极限环的大小取决于n、b及值，系统的控制精度近似为n该控制方案虽使系统保持一定的自持振荡，但可以通过外加“窗口”电路使振幅控制在较小的范围内，这样仍能获得良好的控翩效果上述控制方案在模拟装置上进行了验证参见图6，工件在主动滚轮的驱动下旋转，其轴向窜动速度和轴向窜动量由轴向位移传感器采样检测输A谁l工件系统运算控制器图6模拟装置控制系统简图系统运算控制器，进行位移速度负反馈的非线性控翩运算，然后输出控制信号，控制直流偏转电机的正反转、暂停和转动时间，以驱动从动滚轮的偏转，同时系统对主动滚轮的转速和转向进行采样，及时调整控制参数，最终得到良好的控制效果图7为轴向位穆变化的实测结果，开始时轴向位移距0位移有较大的偏差(一36mm)，经过较短的调节时间(42s)达到稳定的自持振荡，振荡幅度为05mrs，此实测结果与相平面分析结论一致EE文上忏圆删职理压JUm13、_、V-02006080lO0120140160180200220fs图7轴向位移实测结果4结论(1)由于制造、安装等原因，滚轮和工件之间存在的螺旋角是工件产生轴向运动的主要原因当每个滚轮与工件产生的轴向摩擦力都小于最大轴向摩擦力时，滚轮与工件之间的轴向运动通过弹性滑动来加以协调在此条件下，工件在焊接滚轮架上螺旋运动的螺旋率为所有滚轮与工件之间螺旋角正切的平均值(2)调节从动滚轮的位置，可以改变工件和滚轮之间的相对位置，产生附加螺旋角，从而有效地控翩工件的轴向运动从减小轴向力和调节的稳定性出发，最佳调节方式是应使调节产生的协调运动速度尽可能地大，而非协调运动速度尽可能地减