（机械制造及其自动化专业论文）数控高速冲床液压系统的动静态特性及控制方法研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e dt os h a n d o n gu n i v e r s i t yf o r t h em a s t e r sd e g r e e s t u d yo nt h ec o n t r o lm e t h o d sa n dd y n a m i ca n ds t a t i c p r o p e r t i e so fh y d r a u l i cs y s t e mf o rc n ch i g h s p e e dp u n c h c a n d i d a t e ：z h uc h u a n t o n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f l i uy a n j a n s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：糊日期：型! 二苎：甲 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拯习 导师签名 目录 目j 录i c o n t e n t s v 摘要兽i x a j ；s t r a c t x i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及研究意义1 1 1 1 课题研究背景。l 1 1 2 课题研究意义1 1 2 数控冲床的研究现状和发展趋势2 1 2 1 数控冲床概述2 1 2 2 国外数控冲床研究现状和发展趋势2 1 2 3 国内数控冲床研究现状和发展趋势3 1 3 电液比例控制技术的发展应用4 1 3 1 电液比例控制技术的含义4 1 3 2 电液比例技术的发展5 1 4 液压仿真技术的发展与应用6 1 4 1 国外液压仿真技术的发展与应用7 1 4 2 国内液压仿真技术的发展与应用。8 1 5 智能控制理论及其应用9 1 6 课题的提出和主要研究内容1 0 1 6 1 课题的提出lo 1 6 2 课题的主要研究内容1 1 第2 章数控高速冲床液压系统分析1 3 2 1 数控高速冲床的组成及技术参数1 3 2 1 1 数控冲床的结构组成1 3 2 1 2 数控冲床的技术参数1 4 山东大学硕士学位论文 2 2 数控高速冲床的工况分析1 4 2 2 1 高速冲床工作循环过程1 4 2 2 2 系统的周期和行程1 5 2 2 3 最大冲孔直径和板厚1 5 2 3 数控高速冲床的液压系统工作原理1 6 2 4 系统基本工作参数及校验1 9 2 4 1 系统元件工作参数1 9 2 4 2 系统技术参数验算校核2 0 2 5 本章小结2 2 第3 章数控高速冲床液压系统的数学建模2 3 3 1 阀控非对称缸数学模型的建立2 3 3 1 1 阀控非对称缸的负载压力和负载流量2 4 3 1 2 伺服阀的负载压力一流量特性方程2 5 3 1 3 非对称缸的流量连续性方程2 8 3 1 4 液压缸和负载的力平衡方程3 0 3 1 5 阀控非对称缸的数学模型3 1 3 2 伺服阀数学模型的建立3 4 3 3 位移传感器的数学模型3 6 3 4 比例放大器的数学模型3 6 3 5 高速冲床液压系统的数学模型3 7 3 6 液压系统参数的确定与分析3 7 3 7 系统的传递函数4 0 3 8 本章小结4 0 第4 章基于a m e s i m 的数控高速冲床液压系统建模与仿真4 l 4 1a m e s i m 仿真软件4 l 4 2 数控高速冲床液压系统建模及仿真参数4 2 4 2 1 液压缸的模型4 3 4 2 2 液控换向阀的建模4 4 目录 4 2 3 高速冲床液压系统的a m e s i m 模型。4 4 4 2 4 高速冲床液压系统的a m e s i m 子模型参数设置4 5 4 3 高速冲床液压系统的a m e s i m 仿真4 6 4 3 1 行程为5 0 m m 时的系统的仿真4 6 4 3 2 行程为10 m m 时的系统的仿真4 7 4 4 本章小结5 l 第5 章高速冲床液压系统p i d 控制研究5 3 5 1p i d 控制方法5 3 5 1 1p i d 控制原理5 3 5 1 2 位置式p i d 控制算法5 4 5 2 数控高速冲床液压系统p i d 控制器的设计5 5 5 2 1p i d 控制器的结构5 5 5 2 2p i d 控制器参数的整定5 6 5 3 高速冲床液压系统p i d 控制器的仿真5 7 5 3 1s i m u l i n k 简介5 7 5 3 2 高速冲床液压系统p i d 控制器的仿真与分析5 8 5 3 3 系统p i d 控制稳定性分析6 1 5 3 4p i d 控制系统的a m e s i m 仿真6 2 5 4 本章小结6 4 第6 章高速冲床液压系统模糊控制研究6 5 6 1 模糊控制6 5 6 1 1 模糊控制的基本原理6 5 6 1 2 模糊控制器6 6 6 2 模糊控制器的设计6 8 6 2 1 输入输出语言变量及其隶属度函数的确定6 9 6 2 2 精确量的模糊化方法7 1 6 2 3 模糊控制规则的设计7 2 6 2 4 模糊推理计算与去模糊化方法7 4 山东大学硕一l - 学位论文 6 2 5 论域、量化因子、比例因子的选择7 4 6 3 模糊控制系统的仿真7 6 6 3 1 模糊逻辑工具箱7 6 6 3 2 模糊控制仿真7 7 6 4 本章小结7 9 结论与展望8 l 参考文献8 3 攻读学位期间发表的学术论文8 7 致谢。8 9 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t x i 1i n t r o d u c t i o n l 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 2r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e 1 1 2r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ec n cp u n c h 2 1 2 1i n t r o d u c t i o no f t h ec n cp u n c h 。2 1 2 2r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ec n cp u n c ha b r o a d 2 1 2 3r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ec n cp u n c ha th o m e 3 1 3a p p l i c a t i o no fe 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 lt e c h n o l o g y 4 1 3 1m e a n i n go f t h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y 4 1 3 2d e v e l o p m e n to ft h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y 5 1 4d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f h y d r a u l i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 6 1 4 1d e v e l o m e n to fh y d r a u l i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya b r o a d 7 1 4 2d e v e l o m e n to f h y d r a u l i cs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y a th o m e 8 1 5c o n t r o lt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o n 9 1 6p r e s e n t i n ga n ds t u d yc o n t e n t so f t h es u b j e c t 1 0 1 6 1p r e s e n t i n g 10 1 6 2s t u d yc o n t e n t s 11 2a n a l y s l so ft h eh i g n s p e e dp u n c hh y d r a u l i cs y s t e m 1 3 2 1c o m p o s i t i o na n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc n c h i g h s p e e dp u n c h 13 2 1 1c o m p o s i t i o no f c n ch i g h s p e e dp u n c h 1 3 2 1 2t e c h n i c a lp a r a m e t e r so f c n c h i g h s p e e dp u n c h 1 4 2 2w o r k i n gc o n d i t i o no f c n ch i g h s p e e dp u n c h 1 4 2 2 1w o r k i n gp r o c e s so f c n ch i g h s p e e dp u n c h 一1 4 2 2 2s y s t e mc y c l ea n ds t r o k e 15 v 山东大学硕士学位论文 2 2 3m a x i m u mp u n c hd i a m e t e ra n dt h i c k n e s s 15 2 3o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f c n ch i g h - s p e e dp u n c hh y d r a u l i cs y s t e m 1 6 2 4p a r a m e t e r sa n dc h e c k a n a l y s i so f t h eh y d r a u l i cs y s t e m 19 2 4 1p a r a m e t e r so f t h eh y d r a u l i cs y s t e m 1 9 2 4 2c h e c ka n a l y s i so f t h eh y d r a u l i cs y s t e m 2 0 2 5s u m m a r y 2 2 3m o d e lo ft h eh i g h s p e e dp u n c hh y d r a u l i cs y s t e m 。2 3 3 1m o d e lo f v a l v e c o n t r o l l e dc y l i n d e rs y s t e m 2 3 3 1 1i n d u c e dp r e s s u r ea n di n d u c e df l o w 2 4 3 1 2p r e s s u r e - f l o we q u a t i o no f p r o p o r t i o n a lv a l v e 2 5 ：；1 3f l o wc o n t i n u i t ye q u a t i o n 2 8 3 1 4p r e s s u r eb a l a n c ee q u a t i o no f h y d r a u l i cc y l i n d e rp l u n g e r 3 0 3 1 5m a t h m a t i c a lm o d e lo f v a l v e c o n t r o l l e dc y l i n d e rs y s t e m 31 ：；2m a t h m a t i c a lm o d e lo f p r o p o r t i o n a lv a l v e 3 4 3 3m a t h m a t i c a lm o d e lo fd i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r 3 6 ：；4m a t h m a t i c a lm o d e lo f p r o p o r t i o n a la m p l i f i e r 3 6 3 5m o d e lo f t h eh y d r a u l i cs y s t e mf o rt h eh i g h s p e e dp u n c h 3 7 3 6p a r a m e t e r so f t h es y s t e mm o d e l 3 7 ：；7t r a n s f e rf u n c t i o no f t h ew h o l es y s t e m 4 0 3 8s u m m a r y 4 0 4s y s t e mm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nb a s e do na m e s l m 4 l 4 1i n t r o d u c t i o no f a m e s i m 4 1 4 2a m e s i mm o d e la n ds i m u l a t i o np a r a m e t e r so ft h es y s t e m 4 2 4 2 1a m e s i mm o d e lo f h y d r a u l i cc y l i n d e r 4 3 4 2 2a m e s i mm o d e lo f t h ep i l o t c o n t r o l l e dd i r e c t i o n a lv a l v e 4 4 4 2 3a m e s i mm o d e lo f t h e h y d r a u l i cs y s t e m 4 4 4 2 4s i m u l a t i o np a r a m e t e r so ft h ea m e s i mm o d e l 4 5 4 3s i m u l a t i o no f t h eh i g h - s p e e dp u n c hb a s e do na m e s i m 4 6 c o n t e n t s 4 3 1s i m u l a t i o no f t h es y s t e mw h e nt h es t r o k ei s5 0 r a m 4 6 4 3 2s i m u l a t i o no ft h es y s t e mw h e nt h es t r o k ei s10 m m 4 7 4 4s u m m a r y 5 1 5s t u d yo np i dc o n t r o lo fh y d r a u l i cs y e t e m 5 3 5 1p i dc o n t r o lm e t h o d 5 3 5 1 1p i dc o n t r o lp r i n c i p l e 5 3 5 1 2l o c a t i o n - t y p ep i dc o n t r o l 5 4 5 2d e s i g no f p i dc o n t r o l l e r 5 5 5 2 1s t r u c t u r eo f t h ep i dc o n t r o ls y s t e m 5 5 5 2 2c h o i c eo f p a r a m e t e r s 5 6 5 3s i m u l a t i o no f p i dc o n t r o ls y s t e m 5 7 5 3 1i n t r o d u c t i o no f s i m u l i n k 5 7 5 3 2s i m u l a t i o no f p i dc o n t r o ls y s t e ma n da n a l y s i s 5 8 5 3 3s t a b i l i t y a n a l y s i so f t h ep i dc o n t r o ls y s t e m 6 1 5 3 4s i m u l a t i o no f p i dc o n t r o ls y s t e mb a s e do na m e s i m 6 2 5 4s u m m a r y 6 4 6s t u d y o n f u z z yc o n t r o lo fh y d r a u l i cs y s t e m 。6 5 6 1f u z z yc o n t r o l 6 5 6 1 1p r i n c i p l e so f f u z z yc o n t r o l 一6 5 6 1 2f u z z yc o n t r o l l e r 6 6 6 2d e s i g no f f u z z yc o n t r o l l e r 6 8 6 2 1i ol a n g u a g ev a r i a b l e sa n dc o n f i r m a t i o no fg r a d ef u n c t i o n 6 9 6 2 2f u z z i f i c a t i o nm e t h o d so f a c c u r a c y 71 6 2 3d e s i g no f f u z z yc o n t r o lr u l e s 7 2 6 2 4f u z z yc a l c u l a t i o n sa n df u z z yr e m o v em e t h o d s 一7 4 6 2 5c h o i c eo fb o u n d ，q u a n t i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t ，s c a l ec o e f f i c i e n t 7 4 6 3s i m u l a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nf u z z yc o n t r o l 7 6 6 3 1t o o l b o xo f f u z z yl o g i c 7 6 山东火学硕l ：学位论文 6 3 2s i m u l a t i o nb a s e do nf u z z yc o n t r o l 7 7 6 4s u m m a r y 7 9 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 8 1 r e f e r e n c e s 8 3 p u b l i s h e dp a p e r s 。8 7 t h a n k s 8 9 摘要 摘要 数控高速冲床具有冲压频率高、噪声小、冲压稳定、行程速度可调、冲压力 可控以及适合多种冲压工艺等特点，在汽车制造业、金属加工业以及航空航天工 业得到了广泛的应用。高速冲床液压系统是数控冲床的重要组成部分，必须具有 良好的稳定性和动态性能。但是高速冲床液压系统在启动、换向时往往存在振动 或液压冲击，或者因为受到外来干扰出现冲压不稳定等问题，影响冲床的冲压精 度。本文针对这些问题，对数控高速冲床液压伺服控制系统进行了研究。 文中综述了数控冲床以及液压仿真技术的国内外发展现状和趋势，介绍了比 例伺服技术的发展与应用；然后详细分析了3 0 0 k n 数控高速冲床的结构组成和液 压系统工作原理，并着重分析了快速下行、慢速冲压、快速返回等工作状况；介 绍了液压系统中液压元件的参数，对系统进行了静态校核。基于物理模型进行图 形化建模，通过a m e s i m 仿真软件建立高速冲床液压系统的仿真模型，在行程为 1 0 m m 、5 0 m m 两种工作状况下，分别对系统进行了动态仿真。仿真结果表明冲压 频率能够满足技术要求，但液压系统在启动或换向时存在压力突变和液压冲击， 影响系统稳定性。 通过分析伺服阀的流量方程、液压缸连续性方程和液压缸的力平衡方程，建 立了比例伺服阀控制非对称缸的理论数学模型。在阀控缸建模中充分考虑不同工 作状况对液压系统参数的影响，确定了快速下行、慢速冲压和快速返回三种工况 下系统的传递函数。 在获得传递函数基础上，研究了不同工作状况下系统的控制策略。将p i d 控 制方法应用到高速冲液压系统并设计了p i d 控制器，通过临界比例度法确定了p i d 控制参数。将p i d 控制器的前后仿真曲线进行比较，结果显示，加入p i d 控制器 后，液压缸的运动速度更加平稳，压力突变和液压冲击减轻，系统的动态性能得 到了提高。 最后，对数控高速冲床液压系统的模糊控制策略进行了研究，通过反复试验 建立模糊控制规则，设计了模糊控制器，并利用s i m u l i n k 工具对加入模糊控制器 的液压系统进行仿真分析。结果显示，模糊控制能够提高系统的稳定性、响应速 度以及抗干扰能力。 山东大学硕上学位论文 关键字高速冲床；阀控非对称缸；a m e s i m 仿真；p i d 控制；模糊控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh i g h s p e e dc n c p u n c hp r e s sh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , t h ef a b r i c a t e dm e t a lp r o d u c t sa n da e r o s p a c ei n d u s t r y , w h i c hh a sg r e a ta d v a n t a g e so f h i g hf r e q u e n c y , l o wn o i s e s ，g o o ds t a b i l i z a t i o n ，a d j u s t a b l es p e e da n ds 仃o k e ，a l t e r a b l e s t a m p i n gf o r c e ，a d a p t i n gt om a n ys t a m p i n gt e c h n i q u ea n ds oo n a sa ni m p o r t a n tp a r to f t h ec n cp u n c hp r e s s ，t h eh i g h s p e e dp u n c hp r e s sh y d r a u l i cs y s t e mm u s th a v eg o o d s t a b i l i t ya n dn i c es t a t i ca n dd y n a m i cr e s p o n s ep r o p e r t y h o w e v e r , t h e r ea r em a n y p r o b l e m ss u c ha st h ev i b r a t i o na n dh y d r a u l i cs h o c kw h i l et h eh y d r a u l i cs y s t e mh a s b e i n gs t a r t e da n dr e v e r s e d ，i n s t a b i l i t yd u et ot h ee x t e r n a ld i s t u r b a n c e ，w h i c hg r e a t l y a f f e c t e dt h es t a m p i n ga c c u r a c yo ft h ep u n c hp r e s s i nv i e wo ft h e s ep r o b l e m s ，t h e h y d r a u l i cs e r v o c o n t r o ls y s t e mo fh i g h s p e e dc n cp u n c hp r e s sh a sb e e ns t u d i e d f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o nr e v i e w st h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so ft h e c n c p u n c hp r e s sa n dh y d r a u l i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，i n t r o d u c e s p r o p o r t i o n a l s e r v o c o n t r o l t e c h n o l o g ya n d i t s a p p l i c a t i o n t h e n ，e x p o u n d st h e c o m p o s i t i o na n dh y d r a u l i cs y s t e mw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e3 0 0 k nc n ch i g h - s p e e d p u n c h ，a n a l y z e ss i t u a t i o no ft h er a p i da d v a n c ep h a s e ，t h ew o r k i n gp h a s ea n dt h er a p i d r e t u r np h a s e a l s o ，t h ep a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t sh a sb e e ni n t r o d u c e da n d c h e c k e d b a s e do nt h ea m e s i ms o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fh i g h - s p e e dp u n c h h y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ti nt w ow o r k i n g c o n d i t i o n sw i t ht h ew o r k i n gs t r o k ea r e10 m m ，5 0 m mr e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ef r e q u e n c yo ft h es y s t e mc a ns a t i s f yt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s o t h e r ea r eh y d r a u l i cs h o c ka n d p r e s s u r ej u m pw h i l et h es y s t e mi ss t a r t e da n d r e v e r s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r o p o r t i o n a ls e r v o - v a l v ec o n t r o l l i n ga s y m m e t r i c a l c y l i n d e rh y d r a u l i cs y s t e mi sb u i l t ，b a s i n go nt h es e r v o v a l v ef l o we q u a t i o n ，t h ef l o w c o n t i n u i t ye q u a t i o no fh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dt h ef o r c eb a l a n c ee q u a t i o no fh y d r a u l i c c y l i n d e ra n dl o a d s c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c et h a td i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o nt o t h e h y d r a u l i cs y s t e mp a r a m e t e r , t h et r a n s f e rf u n c t i o ni sr e s p e c t i v e l yi d e n t i f i e d i nt h e 山东大学硕士学位论文 s i t u a t i o no ft h ef a s td o w np h a s e ，t h ew o r k i n gp h a s ea n dt h er a p i dr e t u r np h a s e t h ec o n t r o ls t r a t e g yi nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n si ss t u d i e da f t e ro b t a i n i n gt h e s y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o n t h ep i dc o n t r o lt h e o r yi su s e dt ot h eh y d r a u l i cs y s t e m a l s o t h ep i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d a n dt h ep i dp a r a m e t e ri sr e c e i v e db yc r i t i c a l p r o p o r t i o n i n gm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t so f t h ep i dc o n t r o li n d i c a t et h a tt h ev e l o c i t yo f t h eh y d r a u l i cc y l i n d e ri ss t e a d i e r , t h es h o c ka n dv i b r a t i o no ft h es y s t e mi sr e d u c e d ，t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi si m p r o v e d a l s o ，t h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h eh y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e ns t u d i e d t h e f u z z yr u l e sh a v eb e e nb u i l ta n dt h ef u z z yc o n t r o l l e r sh a v eb e e nd e s i g n e d b ya p p l yo f s i m u l i n kt o o l s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tf u z z yc o n t r o lc a ni n c r e a s es t a b i l i t ya n d a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yo f t h es y s t e m k e yw o r d sh i g l l - s p e e dp u n c hp r e s s ；v a l v e c o n t r o l l e da s y m m e t r i c a lc y l i n d e r ；a m e s i m s i m u l a t i o n ；p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l x n 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 1 1 1 课题研究背景 冲压技术是现代先进制造业中快速发展的一项重要技术，目前已经广泛应用 于汽车制造业、航空航天工业、金属制品业及仪器仪表等产业，是汽车制造加工 行业与金属制造业的先进金属加工方法之一【i 】。近5 年来，国内汽车制造业发展迅 速，2 0 0 6 年国内销售总量达到7 0 0 万辆，已经超过日本跃居世界第二位，而国内 需求总量仍以每年5 的速度增长【2