（机械电子工程专业论文）数控花键滚压机液压系统动态特性研究.pdf

1 中文摘要 中文摘要 利用塑性成形原理滚轧加工花键时，因负载变化范围大，冲击加载，为保证加 工出高精度的花键，进给系统的定位精度要求很高，高档滚压机一般都采用电液比 例系统来实现机床的径向进给。滚压机液压系统的动态性能的好坏或工作是否正常 是决定花键质量和产量的关键。论文基于a m e s i m 对数控花键滚压机电液比例系统 进行了建模和仿真研究，并结合实验进行参数识别，研究了数控花键滚压机液压系 统的动态特性，研究的结果应用于我校研制的数控花键滚压机样机这一实际对象中。 主要完成的工作如下： 论述了国内外数控花键滚压机的研究现状，根据数控花键冷滚轧加工工艺过程 的动作要求和负载特征，运用液压机械系统建模、仿真及动力学分析软件a m e s i m 对数控花键滚压机液压系统进行建模，建立了比例方向阀的阀芯运动、液压缸动力 机构的数学模型，得出了位置控制系统的传递函数。根据所建立的模型，对不考虑 负载特性和考虑负载特性两种情况下液压缸的位置精度分别进行了仿真研究，并对 仿真结果进行了详细的分析，利用a m e s i m 软件中的模念分析工具计算出滚压机液 压系统的固有频率和阻尼比的范围。根据数控花键滚压机的特殊性，设计p i d 控制 器，并运用a m e s i m 中的遗传算法对p i d 参数进行优化研究。为了检验上述的仿真 结果，基于t c g y 0 3 型智能化液压传动综合测控系统建立了数控花键滚压机的电液 比例控制模拟试验系统，设计了电液比例位置控制试验方案，接着搭建了试验系统。 试验结果表明，控制具有稳定性强、精度高的特点，能够满足花键滚压机液压系统 控制性能的需要，同时也验证了模拟仿真的f 确性。将仿真研究所得到的合理结构 参数运用到实际项目中，收到良好的效果，证明了所采用的控制策略的正确性和有 效性。 论文所做工作主要是针对数控花键滚压机这种专用机床，对花键滚轧加工工艺 过程中，负载特殊的情况下，通过对液压系统进行参数辩识及建模仿真研究其动态 特性，为数控花键滚压机液压系统的设计和控制提供理论支持。本文所采用的研究 方法对于各种采用电液比例控制的位置控制系统都具有一定的参考价值。 关键词：花键滚压机；液压系统；a m e s i m ；建模仿真；模拟试验 a b s t r a c t a b s i r a c l w h e nu s i n gp l a s t i c i t yf o r m i n gp r o c e s st h es p l i n er o l l i n g ，b e c a u s et h e l a r g er a n g eo fl o a dc h a n g e s ，s h o c kl o a d i n g ，h i g h p r e c i s i o n m a c h i n e dt o e n s u r et h es p li n e ，p o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h ef e e ds y s t e md e m a n d i n g ，s o g e n e r a l l yh i g h - - g r a d er o l l i n gm a c h i n e i su s e de l e c t r o - - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt o r e a l i z er a d i a lf e e do ft h em a c h i n e w h e t h e rw o r kn o r m a lo rb a do fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f r o l l i n gm a c h i n eh y d r a u l i cs y s t e mw a sd e t e r m i n e dt h ek e yo f s p l i n eq u a l i t y a n do u t p u t t h ep a p e rw a sm o d e l e da n ds i m u l a t e df o r e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e mo fn cs p l i n er o l l i n gm a c h i n e t ob a s eo n a m e s i ms o f t w a r e ，a n dc o m b i n e dw i t h e x p e r i m e n t o f p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ，s t u d i e dd y n a m i cc h a r a c t e r i z e so fn cs p l i n er o l l i n gm a c h i n e ， r e s u l t sa p p l i e dt on cs p l i n er o l l i n gm a c h i n ep r o t o t y p eo fo u ru n i v e r s i t y d e v e l o p m e n t t h em a jo rw o r kc o m p l e t e da sf o l l o w s ：d is c u s s e dr e s e a r c hs t a t u so fs p l i n e r o l l i n g m a c h i n ed o m e s t i ca n d a b r o a d ，a c c o r d i n g t ot h em o v e m e n t r e q u i r e m e n ta n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c si ns p l i n ec o l dr o l l i n gm a c h i n e ，m o d e l i n g h y d r a u l i cs y s t e mo fs p l i n er o l l i n gm a c h i n ei na m e s i m w h i c hi sc o n c e r n i n g h y d r a u l i c m e c h a n i c a ls y s t e mm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o na n dd y n a m i c s a n a l y s i s ，a n d b u i l tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f s p o o l m o v e m e n to f p r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nv a l v ea n dp o w e rs t r u c t u r eo fh y d r a u l i cc y l i n d e r , a n d o b t a i n e dt h et r a n s f e rf u n c t i o no fp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h e m o d e l ，t h ep o s i t i o na c c u r a c yo fh y d r a u l i cc y l i n d e ri s s i m u l a t e da n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e di nd e t a i lu n d e rt h et w oc o n d i t i o n st h a tw i t h o u t c o n s i d e r i n gt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s i d e r i n gt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c s o n eo ft h ei n n o v a t i o n so ft h et h e s i sl i e si na p p l y i n gt h em o d a la n a l y s i st o o l s i na m e s i mt oc a l c u l a t i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h ed a m p i n gr a t i or a n g e o f h y d r a u l i cs y s t e mo fs p l i n er o l l i n gm a c h i n e a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls p l i n e r o l l i n gm a c h i n e ，d e s i g n e dt h ep i dc o n t r o l l e ra n du s eo fg e n e t i ca l g o r i t h mi n a m e s i mt oo p t i m i z i n gt h ep i dp a r a m e t e r t ot e s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， d e s i g n e de l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o lp i l o ts c h e m e ，b u i l t e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls i m u l a t i o n t e s ts y s t e mf o rs p l i n er o l l i n g m a c h i n e sb a s e do nt c g y 0 3 ，a ni n t e l l i g e n th y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ni n t e g r a t e d t e s tc o n t r o ls v s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o li s o fh i g hs t a b i l i t ya n d a c c u r a c va n dc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so fc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i c s v s t e mo fs p l i n er o l l i n gm a c h i n e ，v e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s s o fs i m u l a t i o n lh e r e a s o n a b l es t r u c t u r a lp a r a m e t e r st h r o u g hs i m u l a t i n gb e i n ga p p l i e dt o t h e a c t u a lp r o je c th a v ep r o v e dac o r r e c ta n de f f e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y t h e s l sw o r ki sm a i n l yd i r e c t e da g a i n s tt h es p l i n er o l l i n gm a c h i n e st h i s s p e c i a lm a c h i n e ，t h ep u r p o s e o ft h i sp a p e ri st op r o v i d eat h e o r e t i cs u p p o r t t o r t h ed e s i 明a n dc o n t r o lo fh y d r a u l i cs y s t e mo fs p l i n er o l l i n gm a c h i n e u n d e r s p e c i a ll o a d i n g si nt h es p l i n er o l l i n gp r o c e s sp r o c e s s i n gb y s t u d y i n gi t s d y n a m i cp r o p e r t i e s t h r o u g hp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n a n dm o d e l i n g t h e r e s e a r c ha p p r o a c hu s e di nt h i sp a p e rh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o r v a r l o u s u s e se l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lo fp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m k e vw o r d s ：s p l i n er o l l i n gm a c h i n e ；h y d r a u l i cs y s t e m ；a m e s i m ； m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n ；s i m u l a t i o nt e s t 1 v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及目的1 1 2 论文研究内容、方法及结构安排3 第二章数控花键滚压机液压系统分析5 2 1 花键冷滚压机工作原理5 2 2 液压系统分析6 2 2 1 液压系统分析6 2 2 2 液压系统原理图6 2 3 液压系统工况分析8 第三章液压系统建模与参数辨识1 0 3 1 引言10 3 2 液压系统常用建模方法1 0 3 3 花键冷滚压机液压系统建模11 3 4 基与a m e s i m 的液压系统仿真模型建立1 7 3 4 1 液压系统仿真模型的建立一1 7 3 4 2 液压系统元件参数辨识19 3 5 负载特性分析2 0 3 6 液压缸复杂模型创建2 3 3 6 1a m e s i m 软件中基本元素方法建模简介2 3 3 6 2 液压缸a m e s i m 模型的创建2 3 3 7 考虑负载特性花键滚压机液压系统模型的创建2 4 第四章液压系统动态特性研究2 6 4 1 仿真的目的2 6 4 2 不考虑负载特性仿真研究2 6 4 2 1 无负载动态特性仿真2 6 4 2 2 负载条件下的仿真研究2 7 4 2 3 滚压时载荷的影响2 9 4 3 考虑负载特性仿真研究3 0 4 3 1 控制参数确定3 0 4 3 2 结构参数仿真研究31 l 目录 4 3 3 负载力对系统动态特性的影响3 4 4 - 3 4 系统阻尼比与固有频率仿真研究3 9 4 4 液压系统p i d 控制器设计4 2 4 4 1p i d 控制原理4 3 4 4 2 基于遗传算法的p i d 整定原理4 3 4 4 3 基于遗传算法的p i d 参数优化4 4 第五章数控花键滚压机液压系统实验研究4 9 5 1 模拟实验的方案设计4 9 5 1 1 实验系统设计4 9 5 1 2 阀控缸位置控制系统4 9 5 2 电液比例控制模拟系统的硬件设计5 0 5 2 1 试验台的布置5 0 5 2 2 试验台的主要仪器设备5 0 5 3 电液比例控制模拟系统的软件设计5 2 5 3 1l a b v i e w 软件5 2 5 3 2 数据采集一5 2 5 3 3实验系统的控制软件5 2 5 4 系统实验结果与分析5 3 5 5 数控花键滚压机的结构5 5 第六章结论与展望5 8 6 1 研究工作总结5 8 6 2 研究工作展望5 9 参考文献6 1 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录6 5 致谢6 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及目的 随着少无切f fj j 矛u 精密成形j hq - 技术的不断发展和完善，冷滚压成形技术以其优 异的产品成形性能，越来越受到业界的关注。北京第6 届中国国际机床展览会上， 德国巴德杜本公司( b a d d u b e n ) 展出的一台r o l l e x 数控冷滚压机床颇受关注。 这台机床是专门为冷滚轧高精度渐开线花键而研制丌发并已申请专利的新型设备， 还可适用于啮合齿轮铣削后的表面精整。该机床采用屏幕曲线显示加工过程，微机 储存冷滚轧工艺参数，并支持操作提示和故障诊断功能【l 】。美国c o l o n i a l 公司在花键 冷滚压机床的研究方面己有4 0 多年的经验，生产的冷滚压机床达到世界水平 2 1 。 我国在冷滚压机床的设计和制造方面也有一定成绩，天津市汽车传动轴厂于 1 9 7 2 年研制出一台l d y 7 0 0 型花键轴冷滚压机床【3 】。由于该型号的滚压机床仿制比重 较大，技术人员还没有完全掌握其关键技术，而且设备从分度传动链到结构均存在 问题，因此生产出的设备稳定性差，致使其在应用推广方面比较迟慢。为赶上与发 达国家的距离，国内一些生产厂家和研究所对冷滚压机床的研究一直做着不懈的努 力。由于机床的刚性和精度对花键精度的影响比较大，因此他们通过试验的方法来 考验其可靠性。并指出在机床设计或生产过程中，应对传动链的关键环节给予足够 重视【4 1 。 目前，国内有多所大学对花键滚压机进行了研究。燕山大学的富壮针对板式冷 搓花键机床机架结构及承载特性，研制了结构优化设计程序o p tx p 4 ，对机架进行优 化计算，并得出各设计变量对机架刚度影响的一般规律；以大型非线性有限元软件 m a r c 作为分析工具，对优化后的机架、滑台及垫板进行三维接触计算，对机床的三 维变形分布进行了定量分析，并根据分析结果提出了相应的改进方案及合理化建议 1 5 1 。华中科技大学的李建华首先分析了l i n u x 操作系统的内核结构、进程调度和模块 机制，讨论了实时扩展部件r t l i n u x 和r t a i 的结构以及多任务调度的实现原理。主 要得出以下结论：( 1 ) 提出了滚压机数控系统的总体方案，并进一步研究和分析其软 硬件结构的实现；( 2 ) 论文采用了r t a i 提供的实时f i f o 和共享内存，并且详细论述了 各种实现机制。插补计算和位置控制是c n c 中的轨迹控制策略，其原理和流程得到 了具体的说明。不足之处是：没有进一步提高数控系统的开放性；所研究的系统中， 图形界面，i ：发工具选用的是k d e ，运行速度比较慢，所以应该选择一个小而快速的开 发j l j 具；没有充分利用系统的l i n u x x 操作系统【6 】。河南科技大学的胡向军根据弹塑性 有限元基本理论利用有限元数值模拟技术，借助于d e f o r m 软件，对花键冷滚轧进 数控滚乐机液压系统动态特性研究 行了动力学研究，讨论了冷滚轧过程中的应力波传播和动力响应问题。并进行了试 验验证。根据多刚体系统动力学理论应用a d a m s 软件，对花键冷滚轧加工过程中 机床的传动系统进行了动态仿真。主要得到以下结论：( 1 ) 分析了成形过程中应力波 对花键成形的影响；( 2 ) 从应力波的角度阐述了产生塑性变形的原因是由于应力波到 达的区域的应力值超过了材料的屈服极限，并说明了花键前端塌角形成的原因是由 于应力波在花键前端自由表面的反射引起了塑性变形【j 刀；( 3 ) 得出了花键轴材料4 0 c r 在常温下呈现瞬时应力随应变速率提高而提高的动力特性；( 4 ) 得出系统的灵敏性较 好而稳定性和准确性并非最佳，有待进一步改善【7 1 。河南科技大学王艳艳主要研究成 果：( 1 ) 分析了冷滚压机床的运动规律和运动形式，得出了保证冷滚压机床的三个主 要运动；提出采用交流伺服电机替代分度传动链的“零传动 设计方案，建立了零 传动数控冷滚压机床传动系统模型【8 】。( 2 ) 得出了基于平行式的零传动冷滚压机床同步 控制方式。( 3 ) 提出了将模型参考模糊自适应控制算法应用到冷滚压机床同步控制系 统中的控制策略。( 4 ) 设计了m s p 4 3 0 + h c t l 2 0 2 0 的运动控制方案。( 5 ) 建立了冷滚 压机床速度同步控制系统模型，得到的仿真结果与实验结果基本相符【8 】。 太原科技大学李永堂等，经过不断努力对花键冷滚压精密成形技术进行了许多 研究，主要研究了双圆轮式花键冷滚压工艺与设备，利用常温下金属材料具有一定 塑性的特点，用一对高速旋转的滚轧轮连续击打工件坯料，使金属材料塑性成形， 从而形成花键的一种塑性成型方法。通过理论计算和仿真研究，得出了冷滚压成形 过程中的模具与工件的接触面积计算、变形过程的单位平均压力计算，机床设计过 程中的力能参数选取规则等。 国内几所学校对滚压机相关领域也做过大量细致且富有成效的工作，取得了宝 贵的成果和经验。总结经验，该领域的研究工作还存在一些不足之处，如： ( 1 ) 目前国内对数控花键滚压机的液压系统进行动态特性研究，尚未见有公开报 道； ( 2 ) 在液压系统进行建模仿真研究时，其建模仿真计算过程大多忽略了介质本身 特性变化，影响了仿真结果的准确性； ( 3 ) 针对系统元件特性的仿真分析不多，缺少对元件分析设计的有效依据； ( 4 ) 液压系统“软参数”如流量系数c ，j 等对系统的影响考虑较少，影响系统建模 仿真的准确性。 本文针对太原科技大学研制的双圆轮式花键冷滚压加工机床进行研究。在冷滚 压加工花键过程中，对机床主轴的径向定位精度要求很高，在加工过程中变形抗力 2 第一章绪论 随着工件的转动周期性的增大和减小，且变化范围大，对液压系统有较大的扰动。 因此，花键滚压机的液压系统的动念特性对花键的j n t _ 精度有很大的影响。为保证 加工出合格的、精度高的花键，要求液压系统径向进给时速度恒定，精整阶段两主 轴中心距恒定，不受负载力影响，因此对机床液压系统的动态特性要求较高。对花 键滚压机的液压系统的动态特性研究，可以进一步完善花键冷滚轧成形技术，对于 缩小我国与发达国家在花键加工工艺方面的差距，提高花键的质量和性能，降低材 料矛i u 源的消耗都有十分重要的意义，对实际生产也具有重要的参考价值【8 】。 由于该液压系统采用电液比例控制系统，本文运用分析软件a m e s i m 对数控花键 滚压机液压系统进行建模仿真，对其动态特性进行仿真研究。 1 2 论文研究内容、方法及结构安排 花键冷滚压机床是一种专用花键加工设备，滚压轮的径向进给是由液压系统驱 动的。高档数控花键冷滚压机具有多种运动组合，有较高的柔性，一般采用电液位 置伺服系统作为花键冷滚压机床的进给装置，可以承受大负载，控制灵活，而且便 于实现自动控制，这些优点对于数控设备都是非常有利的。 本论文以实现比例阀控液压缸进给位置精确定位为目的。首先介绍了花键滚压 机液压系统的结构组成、工作原理和液压系统的元件参数的辨识，然后用a m e s i m 软 件对此液压系统进行了建模仿真，对仿真结果进行分析，根据仿真结果设计了p i d 控 制器，并用a m e s i m 软件对p i d 参数进行优化，最后对仿真结果与实验结果进行分析 比较。本课题根据数控花键滚压机的工作原理与工艺流程，主要对滚压机的液压系 统进行动态特性研究。 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 通过文献检索工具，及时跟踪，了解花键滚压机液压技术与液压控制技术的 国内外最新发展情况，对花键滚压机液压操纵系统所涉及到的液压元件、控制策略 进行分析，确定本文的研究内容和方法；针对花键滚压机的液压系统如何建立合理 的仿真模型；介绍课题来源、背景及研究的目的和意义，并介绍本文的研究内容、 方法和结构安排。 ( 2 ) 对花键滚压机的液压系统及其工况进行详细分析。根据花键滚压机工艺流程 及设计要求，绘制液压原理图。通过对液压系统工况的分析，可以明确负载情况、 控制对象、控制内容及控制要求，为液压系统功能的合理设计提供依据。 ( 3 ) 在对l l 侈, j 伺服阀及其他系统元件性能进行分析后，对系统各元件建立数学方 程、运动学方程和动力学方程，进而建立系统的数学模型。根据花键滚压机液压系 3 数控滚压机液压系统动态特性研究 统原理图，使用a m e s i m 软件建立合理的液压系统仿真模型，经实验辩识了系统的主 要工作参数，并对仿真模型进行参数设置，分析影响液压系统动态特性的主要参数。 ( 4 ) 动态特性研究。通过a m e s i m 软件建立合理的液压系统仿真模型，对液压系 统在不考虑负载特性和考虑负载特性两种情况下分别进行动态特性研究，并对仿真 结果进行分析，得出影响液压系统位移精度、稳定性、快速性的主要参数。利用 a m e s i m 软件中的模态分析工具计算出液压系统的固有频率和阻尼比的大致范围，具 有一定的创新性。 ( 5 ) 根据仿真结果设计了p i d 控制器，通过具体分析各参数对系统稳念特性和动 态响应的影响，建立适当的控制规则及参数，以提高系统的响应速度和精度，同时 使系统具有良好的稳定性和鲁棒性。并用a m e s i m 软件对p i d 参数进行优化，确定p i d 的最优参数。 ( 6 ) 实验研究。基于t c g y 0 3 型智能化液压传动综合测控系统建立模拟电液比例 实验系统，包括电液控制部分，微机控制部分的硬件和软件设计。用l a b v i e w 软件 编写数据采集和实时控制程序，建立人机控制界面，对实验用位移传感器进行标定， 并对主要实验设备进行测试。在实验系统上实现电液比例位置控制的数字控制，分 析实验得到的数据结果，同仿真结果进行比较，修正与验证仿真模型。 ( 7 ) 总结全文的主要结论，并对需要进一步深入研究的问题进行展望。 4 第二章数控花键滚压机液压系统分析 第二章数控花键滚压机液压系统分析 2 1 花键冷滚压机工作原理 花键冷压成形原理为：通过一对具有一定现状的滚压轮对花键毛坯进行连续滚 压，使毛坯产生塑性变形，从而在工件上形成合格的花键齿。冷滚压机床采用双滚 轮，两个参数相同的滚压轮分别安装在两根高速旋转轴上，在传动机构驱动下同方 向同步旋转，同时在液压系统提供的水平力的作用下，两滚轮以恒定的速度或恒定 的滚压力作径向进给运动，滚轮连续径向进给滚压，直至花键成形1 6 j 。 滚压机的结构如图2 1 ，两个主轴通过球笼万向节同一个伺服电机相连，用于工 件的滚轧，一个滑台可通过液压缸左右移动，用于控制滚轧中心距。工件包括三个 工位，由中心支架推进控制工位。机床接通动力电源和控制电源后，系统进行自检 并启动液压系统，然后一个滑台返回参考点，中心支架退回到位，系统设置数据后 便可以开始工件的滚轧。 图2 1 数控花键滚压机结构图 f i g 2 1f r a m e w o r ko f n cc o l dr o l l i n gm a c h i n e 1 液压缸2 比例伺服阀3 导轨4 一滑台5 一主轴后支架 6 主轴7 主轴前支架8 滚轮9 。传动轴l0 一球笼万向节 5 数控滚压机液压系统动态特性研究 图2 2 花键滚压机加工原理 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo fc o l dr o l l i n g 2 2 液压系统分析 2 2 1 液压系统分析 数控花键冷滚压机滑台驱动采用高精度比例阀控制液压缸，花键滚压机加工原理 如图2 2 所示。液压缸带动两滑台运动，两滑台定义为c 滑台和d 滑台，其中一个 滑台c 固定，另一个滑台d 与油缸固定在一起，以液压为动力，其中滑台d 由比例 换向阀、比例换向阀控制器及其附件各一台( 件) 控制其进给方向、进给速度和停止的 位置，滑台d 安装光栅尺用于检测位移。在液压力的作用下，液压缸推动主轴滑台 作直线运动。其行程由数控系统设定并控制。 液压系统的最高工作压力通过溢流阀来调节，油缸左右腔各安装一个压力传感 器，对系统压力进行检测。 2 2 2 液压系统原理图 根据机床动作要求，设计数控花键滚压机驱动滑台的液压系统原理，如图2 3 所 示。在液压系统中，系统由柱塞泵供油，实现下述各种循环，其原理图如下所示： 6 第二章数控花键滚乐机液压系统分析 4 3 p 4 图2 3 液压系统原理图 f i g 2 3 t h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs y s t e m 1 吸油滤油器2 柱塞泵3 电动机4 压力管路滤油器 5 一直通单向阀6 减压阀7 溢流阀8 直通单向阀9 一比例伺服阀l o 液压缸 11 一多路压力表开关1 2 叠加式减压阀1 3 叠加式单向阀1 4 电磁换向阀1 5 ，背压阀 该液压系统主要分驱动滑台和阻尼两个部分，阻尼主要是给液压缸施加一个轴向 摩擦力，使得主轴向一个方向旋转。背压阀1 5 的作用是防止液压系统的压力降为零。 花键冷滚压机在加工花键过程中，为保证滑台驱动液压系统的工作压力不受到 阻尼回路的影响，在滑台驱动回路中设置了减压阀6 ，系统供液经过减压阀6 和比例 伺服阀9 进入液压缸1 0 ，推动活塞移动。光栅尺实时检测滑台的位移，经数控系统， 比例伺服阀控制器的处理后，将信号输出给比例伺服阀，确定比例的开口量，控制 液压缸的前进和后退，从而控制滑台的移动方向和位移量。 驱动滑台部分液压系统如图2 4 所示，该系统是阀控缸伺服系统，是本文研究的 重点，其具体动作如下： ( 1 ) 快速进给 当电磁铁通电后，电液比例换向阀9 的左位接入系统。 系统的主油路走向为： 进油路：液压泵2 一单向阀5 一比例伺服阀9 左位一液压缸1 0 的左腔。 回油路：液压缸1 0 的左腔一单向阀8 一主油箱 ( 2 ) 滚压 7 数控滚压机液乐系统动态特性研究 当液压缸到达指定位移，即滚轮接触工件时，开始滚压花键，此时通过比例伺 服阀动态调整，使得液压缸的位置保持不变。 ( 3 ) 快速返回 在保压结束后，电磁铁通电，比例伺服阀9 的右位接入系统。这时，其主油路走 向为： 进油路：液压泵2 一单向阀5 一比例伺服阀9 右位一液压缸l o 的右腔。 回油路：液压缸l o 的右腔一单向阀一主油箱 这时液压缸快速返回，返回的速度由控制比例伺服阀的电压来控制。 1 1 图2 4 驱动滑台液压系统原理图 f i g 2 4t h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs y s t e md r i v es l i d e 1 吸油滤油器2 柱塞泵3 电动机4 压力管路滤油器5 - 直通单向阀 6 一减压阀7 溢流阀8 直通单向阀9 一比例伺服阀1 0 一液压缸11 一光栅尺 2 3 液压系统工况分析 数控花键滚压机的液压系统是其重要的控制部分，准确分析其液压系统工况是 液压系统功能设计的前提。通过对液压系统工况的分析，可以明确负载情况、控制 8 数控滚压机液压系统动态特性研究 第三章液压系统建模与参数辨识 3 1 引言 液压系统动态特性是指在失去原来平衡状态达到另一个新的平衡状态这一过程 中，所表现出来的特性【1 0 l 。花键冷滚压过程中，由于负载力的特殊性，在不断地变 化，使得系统不断地有扰动产生，液压系统的平衡在不断地被破坏，系统能够寻找 到正确的控制作用，使被控制对象偏离原来的设定位置最小，并尽可能地使被控对 象迅速地回复到设定的位置。 一个比较完善的液压系统不仅应具有良好的静态特性，而且还应具有良好的动 态特性。由于系统中执行元件的速度、动作以及外晃载荷经常在不断变化，假如系 统的动态特性不好，则反馈信号就无法被系统很快执行，造成系统灵敏度不高，这 样被加工出来的零件精度就会降低，不能满足加工要求1 0 1 。 随着机电液一体化技术在现代设备中的应用，液压装置在机械很多领域得到广 泛的应用。分析液压系统动静态特性时，运用计算机仿真技术就具有十分重要的意 义。不仅可以在设计中预测系统性能，缩短设计时间，而且还可以通过仿真对所设 计的系统的性能进行整体分析和评估，从而实现缩短设计周期、优化系统和提高系 统稳定性、提高系统位置精度的目的】。 3 2 液压系统常用建模方法 目前液压系统建模的方法，主要有三种：解析法建模；状态空间法建模 功率键合图建模；计算机辅助建模方法。 ( 1 ) 解析法建模 解析法建模即建立液压系统的数学模型，对液压系统特性进行分析。用解析法 建模时，要应用流体力学、物理学、动力学、运动学或热力学定律和方程对元件及 其组成的系统进行分析，同时要考虑到液体压缩性、摩擦性和黏性阻尼的影响【1 0 】。 ( 2 ) 状态空间法建模 状态空间法建模主要是建立状态方程和输出方程。有两个步骤：一是确定系统 状态变量；二是根据系统的状态变量求出系统的输出。状态变量模型从理论上解决 了多输入、多输出和非线性时变系统动态分析问题1 0 】。 ( 3 ) 功率键合图法建模 功率键合图法主要用于建立动力学系统数学模型。键合图是用图形方法来描述 系统中各个元件之间的相互关系，能反映系统中功率流动的情况和系统各个元件之 问的负载效应【10 1 。 1 0 第二章数控花键滚压机液压系统分析 对象、控制内容及控制要求，为液压系统功能的合理设计提供依据。 滚压加工花键的过程中可分为四个阶段，第一阶段，为快速接近工件阶段，模 具与工件不接触。此阶段的力是克服机床的各种摩擦阻力，与滚压力无关。第二阶 段为压入段，滚压轮开始接触工件，并在滑台带动下连续进给，机床提供滚压力使 工件连续变形。第三阶段为精整段，滑台和模具不再进给，保持中心距不变，对压 出的齿形精整滚压。第四阶段为退出段，加工完毕，模具后退，与工件脱离接触。 冷滚压过程中第二、第三阶段，模具与工件接触，引起工件连续变形，存在变 形抗力。在压入段( 从滚压轮开始接触工件至滚压轮不再进给，达到最小中心距) ， 随着滑台进给量的加大，径向进给力和主轴的转矩逐渐加大，到进给结束时达到最 大值，滚压力的大小基本上与变形程度成正比。在此阶段，由于滚压轮连续进给， 压缩程度逐渐增加，滚压轮与工件的接触面积增加，滚压力矩的径向进给力都随着 增大。同时，由于滚压加工过程存在冷作硬化现象，每经过一次滚压，材料的屈服 应力也会相应地提高，测出的径向进给力和主轴转矩也就相应增加。在精整段( 两 滚压轮没有进给运动，保持最小中心距) ，径向进给力和主轴的转矩逐渐减小。在此 阶段，工件渐开线齿形形成，塑性变形逐渐减小，工件与滚压轮的运动相当于齿轮 啮合运动，成形的变形抗力逐渐变为齿轮传动的接触弹性力，随着工件齿形的完善， 径向进给力和主轴的转矩都由最大值减小至接触弹性力和机床上的摩擦力【9 】。 对数控花键滚压机液压系统的工况进行合理的分析，对于液压系统的动态特性 研究具有很重要的意义。 9 第二章液压系统建模与参数辨识 ( 4 ) 计算机辅助建模方法 现在，在每一个工程领域已经应用了许多仿真软件，比较通用的仿真软件是 m a t l a bs i m u l i n k ，也有很多针对于某个领域的二维可视化仿真软件。 ( 5 ) a m e s i m 软件仿真机理与其他软件没有太大的区别。该软件的主要特色是， a m e s i m 的求解器采用算法自适应积分器并对不连续点进行自动判断和处理，能够根 据系统的动态特性，在1 7 种可选中自动选择最佳积分算法，并具有精确的不连续性 处理能力，这是a m e s i m 独创的技术，保证了仿真的速度和精度【1 2 】。a m e s i m 软件所 建立的仿真模型可以直观地反映系统的工作原理。a m e s i m 与其他软件最大的区别在 于，可以在仿真过中监视方程特性的改变，并自动变换积分算法以获得最佳效果。 3 3 花键冷滚压机液压系统建模 冷滚压机液压系统的核心是一个阀控缸，阀控缸的原理图如图3 1 所示，由零开 口四边滑阀和非对称液压缸组成。其中托为液压缸的位移，e 为液压缸的负载力， 置，为阀的阀芯位移，4 和4 分别表示液压缸有杆腔和无杆腔的有效面积，异和只分 别表示液压缸两腔的压力，q 和q 分别表示液压缸进出1 2 1 的流量，只为供油压力，异 为回油压力。 p tp 。 舡 图3 1 阀控缸原理图 f i g 3 1 s c h e m a t i co f v a l v ec o n t r o lc y l i n d e r 由于油液本身的特性和液体流动的特性相当复杂，不可能了解和考虑到所有的 相关因素，因此必须对系统运行情况做一些假设。合理的假设和线性化处理对更好 地分析和研究液压系统的特性是非常有用的，作如下假设1 1 3 】： ( 1 ) 系统的供油只恒定，回油压力p o = 0 ； ( 2 )比例阀采用矩形阀口，阀口处流动为紊流； ( 3 ) 不考虑管道流量的损失及管道的动态特性； ( 4 ) 油的温度和密度都是常数； 1 1 数控滚压机液压系统动态特性研究 ( 5 ) 忽略库伦摩擦力和负载粘性阻尼系数； ( 6 )比例阀的位移流量死区对称。 本节对阀控缸位置伺服系统的主要元件，比例阀和液压缸的动态特性进行研究 分析，并基于动力学原理、流体力学、牛顿第二定律、质量守恒定律等原理，推导 出系统的线性数学模型，分析影响系统固有频率和阻尼比的因素1 4 1 1 1 5 】。 1 、比例阀流量一压力方程 如图3 1 ，设液压缸速度右移为正，比例阀两腔流量方程为： 式中： q 一液压缸无杆腔流量，m 3 s q 2 一液压缸有杆腔流量，m 3 s # 一液压缸无杆腔压力，p a 只一液压缸无杆腔压力，p a 只一供油压力，p a p 一系统液压油密度，k 咖3 缈一窗口面积函数，m 2 万一阀的阀芯移动位移，m c d 一流量系数 2 、液压缸流量连续方程 式中： q 一内泄漏系数，m 2 i n s 一外泄漏系数，m 2 n s k 一无杆腔容积，m 3 n k 一有杆腔容积，m 3 1 2 ，最 麟展 观 d v ， v 置 x ( l 肌 形 刚 q 盟衍巫以奶万堡班 丘尼堡孱 易 易 易 g 第三章液压系统建模与参数辨识 屈一油液体积弹性模量，n m 2 由( 3