（机械电子工程专业论文）轧机伺服油缸测试系统研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 轧机伺服油缸是轧机液压厚度自动控制系统( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l a g c ) 系统的 关键部件，具有轧制力大、行程短、频率响应高等特点，其性能的好坏直接影响到液压a g c 系统的可靠性。同时，轧机伺服油缸的静、动态性能参数也是液压a g c 系统故障诊断和检 测时的重要参考依据。但是对于轧机伺服油缸性能的测试目前国内还缺乏成熟的测试系统 与测试方法。为了更好的完成轧机伺服油缸性能的测试，本论文根据轧机伺服油缸的实际 使用情况，参考国家和行业相关的液压测试标准，针对轧机伺服油缸测试系统，进行了以 下几个方面的研究。 ( 1 ) 对现有的轧机伺服油缸静、动态性能的测试方法及原理进行了分析，重点对轧机 伺服油缸的摩擦力测试方法进行了研究，并在此基础上，提出了背压模拟加载的测试方法。 ( 2 ) 设计了带有p i d 控制功能的伺服放大器，通过电路仿真软件m u l t i s i m 对该放大器 进行了特性仿真，确认了设计方案的可行性，并通过实验验证该放大器性能满足设计要求。 ( 3 ) 建立轧机伺服油缸测试系统的数学模型，利用仿真软件m a t l a b 对轧机伺服油缸测 试系统进行频域、时域的仿真分析，以确定系统的稳定性、快速性，并通过p i d 参数调节， 提高系统的动态性能；同时，对影响轧机伺服油缸测试系统动态性能的因素进行了分析。 为轧机伺服油缸测试系统性能的进一步提高提供了理论参考。 关键词：轧机伺服油缸，测试方法，伺服放大器，计算机辅助测试 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r o l l i n gs e r v oc y l i n d e r st h ek e ye q u i p m e n to ft h eh y d r a u l i ca u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l s y s t e mo fr o l l i n gm i l l t h er o l l i n gm i l ls e r v oc y l i n d e r sr o l l i n gf o r c ei sg r e a t ，s t r o k ei ss h o r t ， f r e q u e n c yr e s p o n s ei sf a s ta n dt e s t i n gi sd i f f i c u l t t h er o l l i n gm i l ls e t v oc y l i n d e r sp e r f o r m a n c e h a sad i r e c ti m p a c to nt h eh y d r a u l i ca g cs y s t e m t h e r e f o r e ，a c c e s st ot h er o l l i n gm i l ls e r v o c y l i n d e r ss t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ew i l lh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rm a n u f a c t u r e r s t h et e s tm e t h o do ft h er o l l i n gm i l ls e r v oc y l i n d e ri sa l s ol a c ko fu n i f i e ds t a n d a r d sa n dt e s t s y s t e m i t sb r o u g h ts o m ed i f f i c u l t i e si nt h et e s to ft h er o l l i n gm i l ls e i v oc y l i n d e r i no r d e rt o c o m p l e t et h et e s tm e t h o do ft h er o l l i n gm i l ls d v oc y l i n d e r i t sr e f e r r e dt o t h en a t i o n a la n d i n d u s t r i a lt e s ts t a n d a r d s c o n d u c e dt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so ft h es t u d y ： f i r s t l y t h i sp a p e rs t u d i e st h es m i l ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er o l l i n gm i l ls e r v o c y l i n d e r i t sf o c u so nt h ef r i c t i o nt e s t i n gm o h o d a n dd e s i g no ft h el o a dm e t h o d o ns i m u l a t i o n o f b a c kp r e s s u r e s e c o n d l y , d e s i g no fs e r v oa m p l i f i e rw i t hp i dc o n t r o l l e r b a s e d o nt h es i m u l a t i o n s o f t w a r e m u l t i s i m ，t h ef u n c t i o n so fe v e r yc i r c u i ta r es i m u l a t e da n dt h ep r i o rp a r a m e t e r so fe a c h e l e m e n ta lev a l i d a t e d 1 1 1 er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v et h a tt h ec i r c u i tc a nf i l lt h er e q u i r e m e n t s t h i r d l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h et e s tc y l i n d e ri se s t a b l i s h e d t h ep o p u l a rs i m u l a t i o n s o f i w a r e - m a t l a bi su t i l i z e dt oc a r r yo u tt h es i m u l a t i o n so ft h es y s t e m a t i c a lp r o p e r t i e sb o t hi nt h e t i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yd o m a i n t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h er e s p o n s es p e e d o ft h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mc a nb ei m p r o v e db yo p t i m i z i n gp a r a m e t e r si np i dm o d u l a t o r a t t h es a m et i m e ，t h ea n a l y s i s o ft h ep a r a m e t e r so ft h es y s t e mc o m p o n e n t si m p a c to nt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c e i t sg i v ear e f e r e n c et of u r t h e ri m p r o v et h ed e v e l o p m e n to ft h er o l l i n gs e l v o c y l i n d e rt e s ts y s t e m k e yw o r d s ：r o l l i n gm i l ls a r 、，oc y l i n d e r ，t e s tm e t h o d ，s a v oa m p l i f i e r ，c o m p u t e r - a i d e dt e s t 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所星交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究厥取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成暴。 对本文的研究做啦重要贾献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承摆一切相关责任 1 论文作者签名：点兰生日期：碰垒丑l 量 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，英研究肉客不得以其它单位 的名义发袭。术人完全了鳃武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并囱有关部门遂交论文的复帮件和电子版本，允许论交被查 阅和借阀，同意学校将本论交的全部残部分内容编入有关数据库进行检索。 论文俸者签名：生兰盘。 指导教蟀签名_ 。隘迸堑 嚣 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究意义 板带轧机是使轧件通过具有一定辊缝的轧辊从而轧制出预期厚度带材的一种金属力 加工设备，是轧钢的重要设备之一。板带材的质量和产量能够衡量一个国家钢铁企业的实 力和水平。随着经济的发展，我国钢材需求量不断增大，尤其是板带材的市场需求持续增 长，板带轧机的发展空间依然较大。发展我国板带材生产，不但是市场需要，也是优化我 国钢铁产业结构的需要。 液压厚度自动控制系统( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 a g c ) 是现代板带轧机的关键技术。现 代冶金行业，伴随高精度液压a g c 控制系统在轧钢生产线上的广泛使用，液压a g c 控制技 术的应用也就越来越引起大家的关注。我国的现代化板带轧机生产线上基本上都配有液压 a g c 控制系统，其中轧机伺服油缸的性能是液压 g c 控制系统中最重要的一个环节，它关 系到钢板的成材率。轧机伺服油缸载荷大、频率响应高、行程短、结构复杂、调试及故障 诊断难度很大，常常因无法预测故障或不能判断故障部位而被迫停产检修。因此，我们有 必要对轧机伺服油缸进行详细的检测。 其次，轧机伺服油缸是工业生产设备中的重要液压元件，价格昂贵，为了降低企业成 本，对故障油缸必须采取修复后重复使用的原则。伺服油缸在出厂及修复时，必须附上其 性能参数的试验报告，只有其性能参数达到规定的要求，它才可获准使用。但是对于轧机 伺服油缸，目前还没有统一的测试方法与标准。因此，无论从科学性还是从实用性出发， 开展轧机伺服油缸测试技术与设备的研究工作都具有重要意义。 再次，在轧机伺服油缸的应用中，不仅要求有高的静态性能，而且对动态性能也提出 很高的要求。在对轧机伺服油缸的研制、生产、检测过程中，油缸的静、动态性能也是检 验油缸质量的重要指标。同时，国内对于伺服油缸的摩擦力特性测试方面，一般沿用普通 液压缸测试启动压差来测试其摩擦力的方法，而且试验方法与计算方法都没有统一的规 定，这就使测试结果缺乏可比性。因此尽快研制出高精度的轧机伺服油缸测试系统以及实 现对轧机伺服油缸进行高精度的静、动态特性测试，具有极其重要的意义。 1 2 轧机伺服油缸的功能和特点 伺服油缸是电液伺服系统或比例系统中的执行元件，其作用十分重要，通过伺服油缸， 可对负载施加可控的推、拉、压、扭等作用力，从而实现对该负载的运动方向、位置、速 度等随意控制。为了简化机构，通常将信号检测和反馈装置、伺服阀或比例阀直接安装在 伺服油缸上，还有的将步进电机、液压滑阀、闭环位置反馈设计组合在液压油缸内部，以 便更好的实现对油缸的精确控制。 由于伺服油缸是工作在电液伺服系统的闭环回路中，是回路中的一个关键环节，其性 能指标直接影响系统的精度和动、静态品质，所以它与一般的液压传动系统用的普通油缸 在功能上有很大不同( 表1 1 ) 。 轧机伺服油缸与普通伺服油缸相比具有低摩擦、无爬行、低启动压力、高响应、快速 性等优点，但是由于工况差距较大，又具有自身特点。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 工作有效行程范围差距大：轧机伺服油缸工作有效行程一般为5 m m 内，普通伺服 油缸工作有效行程视工况而定，一般较大； ( 2 ) 负载特性不同：轧机伺服油缸负载一般为变负载，普通伺服油缸负载视工况而定， 一般为稳定负载； ( 3 ) 负载一位移特性不同：轧机伺服油缸负载随活塞杆位移增大而增大，普通伺服油 缸负载一般不随活塞杆位移变化而改变： 表1 1 普通油缸与伺服油缸比较 比较普通油缸伺服油缸 功能作为传动执行器，用丁驱动：l ：作负载，实现j i ：作为传动执行器，用于高频卜驱动i ：作 作循环运动，满足常规运动速度及平稳性要负载，实现高精度，高响应伺服控制。 求。 性能启动压力要求较小启动压力和运动阻力要求很低 不允许外泄漏，内泄漏较小不允许外泄漏，内泄漏很小 要求较高工作寿命要求高寿命 要求较高清沽度要求很高的清洁度 1 3 伺服油缸的研究现状分析 国外轧机伺服油缸的工作压力大于2 4 m p a ，设计系统压力大于3 4 m p a ，在1 5 倍条件 下作耐压与泄漏试验，密封工作保证寿命3 6 个月。在油缸的表面处理、镀青铜、密封、 减少摩擦等制作工艺方面采用了确保质量的高技术措施。目前，国内的油缸工作压力为 2 0 m p a 左右，密封、摩擦等几方面性能均不能达到较高要求。油缸的主要性能指标是动态 频响、定位精度、响应时间和可靠性。国外有专用油缸测试系统对油缸进行综合测试，油 缸的测试频响大于1 8 h z ，实际轧钢时的频响可确保1 1 1 5 h z ，而保证钢板精度的最低要求 应大于1 0 h z 。国内油缸设计频响1 0 h z ，轧钢时的实测频响只有3 - 5 h z ，油缸的频响直接 影响油缸的控制性能，。 我国轧机伺服油缸的测试与诊断技术一直未能很好地解决。当遇到故障或系统需要鉴 定时，往往依靠外国专家调试，并将关键元件送往国外检测与维护。如果时间紧迫，一些 厂家就利用现有的普通液压测试系统进行试验检测。由于原有的各种液压测试系统不适用 于轧机液压a g c 系统及关键元件的试验测试，特别是对于轧机伺服油缸，国内还缺少统一 的试验方法、标准及相关技术，往往无法准确判断故障部位，盲目更换零备件，会造成备 件和人力的大量浪费，常常影响生产。因此，国内急需能够对轧机伺服油缸进行动态和静 态性能测试的技术与设备，以解决事故停产、检修过多的问题。 根据g b t 1 5 6 2 2 1 9 9 5 的要求，对液压缸产品的测试项目有内、外泄漏测试、耐压测试、 全行程检查测试、高温测试、耐久性测试、最低启动压力等，液压缸测试系统应能完成各 项项目的测试。 大连理工大学按照“j b z q 3 7 7 4 8 6 工程机械液压缸检验规则的要求为鞍山第一工程 机械有限公司研制了一台大型液压缸测试系统，用于推土机、装载机等七个系列二十一种 不同结构型式的液压缸测试。测试系统备有冷却、加热装置，可实现油温控制。测试实验 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 台拆装试件方便，通用性强。被测液压缸和加载缸供油回路分开。采用被动加载的方式， 使一个高压系统处在低压下工作，节省能源、降低成本，使系统工作安全可靠。被测液压 缸回路中采用变量泵和节流阀调速，调速范围大口1 。 武汉科技大学的许益民根据测试以水一乙二醇为介质的液压系统执行器的需要，研制 了水一乙二醇液压缸( 马达) 测试系统，采用增压缸提供高压油源的办法解决了水一乙二 醇液压缸( 马达) 耐压测试中的高压油源问题。系统采用比例调压，实现系统压力的精确 递增 。 浙江华昌液压机械有限公司在伺服油缸内泄漏测试方面以砝码直接加载，将直线位移 传感器或角位移传感器所采集到的数据通过计算机的处理直接变成内泄漏量1 。 武汉科技大学根据液压缸( 马达) 试验方法标g b t 1 5 6 2 2 1 9 9 5 j b z q 3 7 7 4 8 6 以及参照 美国s a e j 2 1 4 m a r 8 6 试验标准的要求，设计研制了液压缸( 马达) 测试系统。试验台采用比 例压力控制技术结合现代传感器技术、微电子技术、虚拟仪器技术以及计算机辅助测试技 术，能对油缸直径2 8 0 m m 以下的各类油缸进行检验测试( 包括试运行、全行程、内外泄漏、 启动压力特性、耐压测试以及耐久性测试等) 嘲。 可以看出，在普通油缸测试系统的研制方面已经投入了很大力量，但是这些系统只能 针对普通伺服油缸的一些静态特性进行，对于轧机伺服油缸的测试还缺乏较为全面的测试 方法和系统。 哈尔滨工业大学的于慈远提出的电液负载模拟器是一种较为精确的轧机伺服油缸性 能测试系统，系统主要由伺服阀和液压缸组成的加载系统、力传感器，函数发生器、加载 系统控制器等组成。该系统测试方法简单方便，不需任何采集卡，就可进行油缸动态性能 测试。缺点是易受噪声干扰，测试精度很难保证，摩擦力的大小也无法测得h 1 。 上海宝冶机装公司原有的轧机伺服油缸静态特性测试系统，能为上海各钢厂完成了大 量的轧机伺服油缸检测工作，解决了伺服油缸修复、测试的急需。但该测试系统是一个简 易的测试系统，无法完成动态特性试验项目，测试系统中无力闭环系统，不能进行摩擦力 测试。 为了满足轧机伺服油缸的摩擦力和动态性能测试，宝冶机装委托武汉科技大学在其原 有测试系统的基础上设计了新的测试系统。该系统能够完成轧机伺服油缸的内泄漏、外泄 漏、耐压、爬行等项目的测试。摩擦力测试通过摩擦力加载油缸间接测试被测油缸的静摩 擦力及动摩擦力：在动态指标方面，采用动态加载油缸完成轧机伺服油缸的频率响应特性 的测试砸1 。该测试系统测试精度达到了国家b 级精度，测试软件采用了基于虚拟仪器的设 计方法，使得系统操作更加方便。 北京科技大学设计了一套轧机伺服油缸测试系统。该系统采用闭式机架，加载缸加载 的方式，能够完成轧机伺服油缸的动态响应特性和静态特性的测试。 可见，国内在普通油缸的测试技术已同渐成熟，但对轧机伺服油缸的测试系统的研究 却远没有普通油缸这样深入。因此，开展对轧机伺服油缸测试系统及其测试方法的研究还 需要进一步深入。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 ( 1 ) 研究分析轧机伺服油缸的静、动态性能测试方法。通过对现有的轧机伺服油缸性 能测试方法的分析，提出了新的摩擦力测试方法。 ( 2 ) 设计并制作伺服放大器，应用于该轧机伺服油缸测试系统中。 设计了带有p i d 控制的伺服放大器，输出范围调节方便，可以应用于多种伺服阀的驱 动控制，并利用电路分析软件对其进行特性分析。 ( 3 ) 轧机伺服油缸测试系统的特性分析。 建立轧机伺服油缸测试系统各部分的数学模型，并利用m a t l a b 对该系统进行仿真。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章轧机伺服油缸测试方法研究 2 1 轧机伺服油缸主要测试内容 轧机伺服油缸轧制力大、行程短、频率响应高，检测方法、检测项目及测试方法均应 与普通油缸不同。 结合相关的国家标准，以及液压a g c 系统的特殊要求，轧机伺服油缸测试系统应能完 成以下主要测试内容： ( 1 ) 轧机伺服油缸的静态特性测试：静态性能要求油缸具有足够的机械强度和刚度以及 良好的密封性，在j 下常使用的压力范围内能长期可靠的工作。包括内、外泄漏测试、耐压 测试、最低启动压力测试、爬行测试、摩擦力特性测试等，并绘制相关曲线。 ( 2 ) 轧机伺服油缸的动态特性测试：动态性能要求油缸运动时响应要高，摩擦力要小， 以及动静摩擦力的差值要小。一般摩擦力在最大轧制力的1 以内，轧机a g c 系统才能在比 较理想的频宽内稳定地控制油缸做动态微量调整。频率响应测试( 主要测试工作频带以内 的频率特性) 的范围达至l j l 0 h z 以上，测试精度符合国家有关标准，绘制幅频特性与相频特 性b o d e 图。 2 2 轧机伺服油缸测试方法及评价标准 目前轧机伺服缸测试方法没有统一的标准，但有相关的普通油缸的测试标准，因此， 可以参考普通伺服油缸测试方法进行轧机伺服油缸的常规测试。对于轧机伺服油缸来说， 常规测试项目主要包括内泄漏测试、外泄漏测试、耐压测试、最低启动压力测试、爬行等 静态项目的测试。但是为了保证液压a g c 系统可靠工作，仅仅按照以上测试方法及评价 标准很难达到满意的结果，必须新增许多测试内容，研究其测试方法，特别是要讨论轧机 伺服油缸新的评价标准，从而实现对液压a g c 系统全面而准确的性能评估，为设备故障 诊断打下基础。 根据轧机伺服油缸测试需要，可以参考以下测试方法和评价标准阳1 。 表2 1 轧机伺服油缸测试系统的测试方法及评价标准 类型测试项目测试方法及特点评价标准 轧机伺服 双方向、采用加载缸伺服控制施力，施力精度人丁0 5 ； 双方向、全行程摩擦 油缸，摩 全行程摩通过加载伺服缸下压和上拉实现双向全行程测 力均小于车l $ j j 力的 擦力、静试； 擦力测试0 3 ，动、静摩擦力 摩擦力特在被测缸两端和中间位置测试摩擦力。 性测试 之差小于3 0 轧机伺服油缸频率用伺服油缸和伺服阀等现场液压元件构造现场原频率响应不低于 油缸动态特性测试型试验系统；4 8 h z 性能测试采用动态对顶伺服加载，模拟负载加载控制精度4 h z 以内波形奇变 要求达到l ；小丁1 0 波形的频率精度l ，幅值精度0 5 ；在频率切换时无 油源动态稳压精度控制在5 以内自激现象 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 动态特性测试方法研究 液压a g c 系统中，与伺服阀、伺服放大器和检测环节相比，伺服油缸是控制系统各环 节中动态响应最低的环节。因此，轧机伺服油缸的固有频率往往成为系统响应速度的上限。 为提高系统响应速度就要设法加大伺服油缸的固有频率。然而，伺服油缸的固有频率取决 于伺服油缸本身的结构参数、相关的连接管道参数以及油液的压缩性等因素。因此，对于 实际使用中( 或检修后) 的轧机伺服油缸必须要求其频率响应能满足系统所要求的频宽。如 果轧机伺服油缸的频率响应达不到系统所要求的频宽指标，则认为该伺服油缸是不合格 的。这是动态测试的依据。 对系统的动态特性进行测试的方法有阶跃响应法和频率响应法。阶跃响应法是一种时 域测试动态特性的方法，频率响应法是一种频域测试动态特性的方法。 ( 1 ) 阶跃响应法的基本原理是：考察系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间的 变化状况的指标。一般认为，阶跃输入对系统来说是最严峻的工作状态，如果在阶跃函数 作用下的动态性能满足要求，则系统在其它形式的函数作用下，其动态性能也是令人满意 的。 在测试时是在被测油缸有杆腔位置闭环控制，无杆腔比例背压模拟加载工况条件下， 附加一个阶跃给定值，实时测量阶跃给定值和被测油缸活塞位置的反馈值随时间的变化过 程，并绘制成阶跃响应特性曲线。 ( 2 ) 频率响应法的基本原理是：依次用不同频率c o l 的简谐信号激励被测系统，同时测 出激励和系统的稳态输出幅值x o i ，y o i 及相位差嘶。根据定常线性系统的频率特性，系统 在简谐信号x ( f ) = 3 ( o s i n c o t 的激励下，产生的稳态输出也是简谐信号】，( f ) = y o s i n ( c o t + ) 。 此时输入与输出量虽为同频率的简谐信号，但是两者的幅值并不一样，其幅值比a = y o x o 随频率彩而变，是c o 的函数，相位差也是频率功的函数“引。 记系统稳态输出信号和输入信号的幅值比为彳细) = y o i x o i ，它被称为该系统的幅频特 性；同样，记系统稳态输出信号和输入信号的相位差为m ，它被称为该系统的相频特性， 两者统称为系统的频率特性。 一般规定，当输出对输入相角滞后9 0 0 时，系统频率为该系统的相频宽；a ( c o ) 由彳( 0 ) 下降3 d b 时，系统频率为该系统的幅频宽。因此，可通过b o d e 图中9 0 0 与相频特性曲线的 交点的横坐标来求得相频宽，通过3 d b 与幅频特性曲线的交点的横坐标来求得幅频宽。 在动态测试软件下，通过数据采集卡的d a 通道给出一组谐波电压信号u i = s i n m t ， 然后经伺服放大器转换为相应的谐波电流信号，送人伺服阀线圈。控制阀芯产生位移，从 而控制进入伺服缸的流量大小，伺服缸将流量转化为位移输出，再通过位移传感器进行检 测，由数据采集卡的a d 通道进入计算机，通过对位移信号进行转换与计算，可获得系统 的稳态输出u d = u o s i n ( m t + 细) ) 。根据输入与输出两组谐波信号进行比较。可得到测试系 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 统的幅频特性彳( 缈) = v o a 和相频特性矽( 缈) ，因为测试系统频宽最低的设备就是伺服缸， 因此可近似的用测试系统的频率特性代表伺服缸的频率特性。 动态测试时由c a t 软件产生0 1 1 0 h z 的扫频正弦信号，信号幅值可根据被测缸的不同 而输入不同的值，幅值的上限设嚣为了防止信号幅值超过系统“速度限”而产生畸变的正 弦波响应。此扫频j 下弦信号通过伺服放大器驱动电液伺服阀，从而使被测缸作相应运动。 由c a t 测试系统采集被测缸活塞的位移信号，对数据进行分析，即可得到被测缸的频率特 性，绘f 1 l j b o d e 图u 。 2 4 摩擦力测试方法研究 轧机伺服油缸摩擦力的大小对液压a g c 系统的性能有很大的影响。非线性的摩擦力不 仅要带来静态死区和动态死区，而且对稳定性和频宽也要带来不利的影响。 在系统处于平衡位置时，伺服阀要频繁调节伺服油缸使其作往复微量运动。如果静摩 擦力过大，伺服油缸运动改变时，活塞从静止到运动，由于伺服油缸摩擦力的降落特性， 摩擦力突然减少( 静摩擦力大于动摩擦力) ，尽管此时伺服阀阀芯未动，但伺服油缸会发生 一次跳动，( 爬行) 而偏离平衡位置。系统在反向调节位置时也会出现同样的情况。由此可 能形成所谓的极限环振荡。因此，为了获得稳定的控制系统，应尽量减少伺服油缸的摩擦 力，使之等于或稍大于库仑摩擦力为了达到液压a g c 系统的高精度和高响应，通常要求 伺服油缸的摩擦力与机械摩擦力的总和应不大于l 的轧制力，而伺服油缸的摩擦力应小于 伺服油缸的最大推出力的3 ，因此，必须定期检测伺服油缸的摩擦力特性，对于检修时更 换密封的伺服油缸更需检侧n 3 1 。 轧机伺服油缸摩擦力测试主要是全行程摩擦力特性测试，包含静摩擦力及动摩擦力特 性测试。目前还没有轧机伺服油缸的试验标准，而普通油缸的摩擦力测试标准是采用启动 压差法，只能测量油缸在端部的摩擦力情况。而轧机伺服油缸最关心的摩擦力应该是在中 点附近。因此，研究轧机伺服油缸的全行程摩擦力的测试方法是完善轧机伺服油缸测试技 术的需要，也是保证现场正常生产的需要。 ( 1 ) 启动压差测试 启动压差测试法原理如图2 1 所示，通常的做法是被测缸有( 无) 杆腔通回油，无( 有) 杆腔供油，通过控制电液伺服阀调整被测缸进油压力，记录被测缸在启动时的最低压力。 j l l i 曲t 图2 1 试验方法原理图 么i r 兰 p l t i p l l b 夕 p 垃 k 。 o 图2 2 压力摩擦阻力曲线图 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 测试时，调整伺服阀控制信号，使活塞杆缓慢运动，记录活塞向左移动时被测缸有杆 腔压力尸l 左、无杆腔压力尸2 左，活塞向右移动时被测缸有杆腔压力a 右、无杆腔压力p 2 ；f i 的值( 如图2 2 ) 。 根据力平衡公式： p i a i = p 2 a 2 ( 2 1 ) 式中：p i 一被测缸有杆腔供油压力； p 2 一被测缸无杆腔供油压力； 彳l 一被测缸有杆腔的有效作用面积； a 2 一被测缸无杆腔的有效作用面积。 p 1 = 丝尸2 ：即2 a l k 面积比k ：垒 a i 启动压差a p l = 尸i 左一即2 左 同理z k p 2 ：p 2 右一竺p l 右 a 2 此公式从理论上讲是对的，但实际使用时误差很大， ( 2 4 ) 改为： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因此为了使用方便，可以将公式 a p = 【( p l 左一k p 2 左) 一( p l 右一k p 2 右) 2 ( 2 5 ) 此公式为计算油缸左右运动时两个方向的启动压差，然后取平均值。实际上，求启动 压差就是求a 左与即2 左的宽度和p 1 右与即2 右的宽度的平均值。这种算法最大的优点在 于消除了很多影响误差的因素，尤其是两压力表的相对误差引起的误差。使启动压差的数 值可信度增高n 引。 但是这种方法用于轧机伺服油缸摩擦力测试存在许多问题。 首先，大型轧机伺服油缸的轧制力一般均大于1 0 0 0 i i 屯，但摩擦力仅为最大轧制力的 0 2 - 0 4 9 6 以下。可见摩擦力相对于轧制力很小，对测试精度有很高要求。如果用上述方法 进行测试，由于轧机油缸的有效面积较大，其系统的启动压力远远大于所规定的摩擦力， 无法测量大型重载伺服油缸的摩擦力。 其次，伺服油缸的摩擦力与活塞所处的位置有关，因此必须要了解伺服油缸在全行程 范围内的摩擦力变化情况，特别是轧机伺服油缸往往在工作点( 在大多数情况下是油缸的 中间位置) 附近工作，在此点摩擦力值更具测量意义，而启动压差测量法不能做到这一点。 其三，油缸启动时存在惯性力，启动压差法测忽略了这一点，测试精度不高。 ( 2 ) 机架变形法钔 机架变形法测试原理图如图2 3 所示，在牌坊体内由下而上依次放置底座、伺服油缸和 变形仪。被测油缸的无杆腔连接稳定的动力油源，并有电液伺服阀调节进入无杆腔的油压。 测试过程包括升压和降压两个过程。先进行升压测试，由伺服阀微调无杆腔的油压从零丌 始缓慢上升，达到开启压力，即克服最大静摩擦力后，活塞开始向上运动，变形仪受压而 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 变形，通过安装在变形仪中的百分表读取变形量，即活塞的移动量。压力每增大一级，变 形量也相应增大，记录下每一级压力值与相应变形量。当测试压力升到最大允许值时，停 止加压，随后缓慢降压直到压力减小到零。压力每减小一级，变形量也相应减小，同样记 录下每一级压力值与相应变形量。每一对压力值和变形量构成一个坐标点，在直角坐标系 中用描点法作出压力值与变形量之间的函数图象，可以得到两条曲线，分别对应升压和降 压两个测试过程，如图2 4 所示。 皇 z h h l 一牌坊体2 一变形仪3 一被测油缸 4 一底座5 一压力表6 电液伺服阀 图2 3 摩擦力测试装置示意图图2 4 压力与变形量函数关系示意图 在测试过程中，适当保持活塞缓慢而均匀的运动，则活塞在任一位置的加速度都 可看作为零。这样，在任意位置上都可以把作用在活塞上的力系看作静力系。当活塞 上升或下降到某一位置( = 皮) 时，其静力平衡方程如下： 上升时：a p l i = 蛔+ g + f u ( 2 6 ) 下降时：d p 2 i = 妇+ g f 2 i ( 2 7 ) 式中：么一油缸活塞面积； p l i 一活塞上升到& 处无杆腔的压力； p 2 f 一活塞下降到& 处无杆腔的压力： f u 一变形量& 处活塞所受向下的摩擦力； ，2 f 一变形量& 处活塞所受向上的摩擦力； k 一变形仪弹性系数； g 一活塞及变形仪总重。 因为油缸向上和向下的摩擦力基本相等，因此用f u 和f 2 i 的平均值表示任一窃处的平 均摩擦力： r = f u + f 2 i a ( p i i p 2 i ) 一= = 一 22 ( 2 8 ) 在区间【a ，b 】内选取n 组数值，然后求平均值，作为油缸在整个工作过程上的平均摩擦力 f 。用平均摩擦力f 除以额定工作压力下的推力，得出一个比例系数： ；三羔( 学) 厂= 去= 堕 l ( 2 9 ) 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 式中：n 一油缸额定j i ：作压力。 根据厂的大小判断油缸是否满足工作要求，通常轧机伺服油缸的要求是厂l 。 这种方法的数据处理过程比较复杂，要求得精确的结果就必须增加取值的密度，需要 处理大量的数据，计算复杂。并且系统是开环系统，很难保证油缸的匀速运动。 ( 3 ) 油缸加载法n 钉 为了更有效的测试伺服油缸的摩擦力，可以采用一小伺服油缸作为加载缸，对被测油 缸进行缓慢加载( 上拉或下压) 的间接测试法，其原理如图2 5 所示。 图2 5 摩擦力测试系统示意图 摩擦力测试系统由伺服阀、伺服放大器、位移传感器、力传感器及变送器、加载缸、 被试缸、计算机测试仪、数据采集系统、工作站等构成。加载缸是一小的伺服缸，对被测 伺服缸进行缓慢加载( 能上拉或下压) 。力传感器作为力闭环的反馈元件：压力传感器的作 用是在力闭环的内部构成力局部反馈，形成串级控制，以提高施力精度。位移传感器用来 测量被测缸是否动作，并经工作站处理后变成速度信号，构成速度闭环控制系统。测试前， 预先将被试缸的有杆腔和无杆腔接回油箱，并用高准确度的低压传感器监测，确认没有背 压。开始测试时，由计算机给出施力信号，由电液伺服阀控制加载缸输出一个推力，并通 过力传感器驱动被测缸，使被测缸产生一从静止开始运动的过程。加载缸向被测缸加载， 使被测试缸向上或向下运动，由位移传感器检测位移，由两个压力变送器测出摩擦力的负 载压差，然后由计算机进行计算处理，获得精确的被测缸的静摩擦力及动摩擦力。 被测缸活塞的摩擦力计算表达式如下。 若被试缸为下压工况： f i r = f l m 姿+ g ( 2 1 0 ) d t 2 ，l ，被测油缸向上的摩擦力； ，i 一压下时力传感器输出力； 肘一被测油缸活塞的惯性质晕； g 一被测油缸活塞的白重： 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 x 一被测油缸的位移： t 一时间。 若被试缸为上拉工况： ，2 f 2 厂= f 2 一m 等一g ( 2 1 1 ) d t 2 f 2 一被测油缸向下的摩擦力； f 2 一上拉时力传感器输出力。 在实际运用中，由于采用了速度闭环控制回路，使加载缸作匀速运动，因而在计算毋 时，不考虑惯性力。 1 ) 静摩擦力测试阶段 在静摩擦力测试阶段，c a t 软件将力传感器测量到的加载力信号作为负反馈信号，与 给定信号叠加，再通过数字p i d 运算，作为输出指令信号，驱动加载缸，以保证加载缸加 载力均匀增加。在静摩擦力测试阶段完毕时，c a t 软件自动断丌此数字闭环。 2 ) 动摩擦力测试阶段 在动摩擦力测试阶段，c a t 软件将位移传感器测量到的加载缸活塞位移值进行数字微 分作为负反馈信号，与给定信号叠加，再通过数字p i d 运算作为输出指令，驱动加载缸， 以保证加载缸活塞匀速运动。在静摩擦力测试阶段完毕后，c a t 软件自动接通此数字闭环。 3 ) 静摩擦力特性测试原理 由a g c 下位控制计算机通过数据采集卡d a 通道给出斜坡指令信号，由伺服放大器将 指令电压转化为相应的电流信号，经功率放大，驱动伺服阀，控制加载油缸对被试轧机油 缸加载。加载时，加载力由力传感器测量，活塞杆的位移由位移传感器s l 和s 2 测量。在静 摩擦力测试阶段，通过数字力闭环保证加载缸所施力是均匀增加的，同时，a g c 下位计算 机对位移信号循环监测，当位移量从“零 变化为“非零 瞬时，力传感器测量到的加载 力的值即为被测轧机油缸的静摩擦力。 4 ) 动摩擦力特性测试原理 由a g c 下位控制计算机通过数据采集卡d h 通道给出斜坡指令信号，由伺服放大器将 指令电压转化为相应的电流信号，经功率放大，驱动伺服阀，控制加载油缸对被测轧机油 缸加载。加载时，加载力由力传感器测量，活塞杆的位移由位移传感器s l 和s 2 测量。在静 摩擦力测试的同时，a g c 下位计算机对活塞位移信号循环监测，当位移量从“零 变化为 “非零”瞬时，测试软件将自动断开数字力闭环，接通数字速度闭环，控制加载缸，使其 匀速运动。根据运动学原理，此时，力传感器测量的加载力即为轧机油缸动摩擦力。 5 ) 全行程摩擦力测试 轧机油缸活塞或柱塞所处位置不同，其摩擦力的大小是不同的。为了使轧机伺服油缸 的活塞或柱塞能停留在任意位置，借用轧机油缸动态测试的三级电反馈电液位置伺服系统 驱动被测轧机油缸，实现精确定位：然后采用上述方法进行摩擦力测试，从而获得在全行 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 程范围内任意位置的摩擦力大小。在现场实施时，为了简化测试步骤，通常选取轧机伺服 油缸的两端和中间三处作为测试点进行摩擦力测试。 系统试验测试曲线如图2 6 所示。 图2 6 摩擦力及位移测试曲线 ( 4 ) 背压模拟加载法 为了更加合理的对伺服油缸的静、动态性能进行测试，本论文提出了背压模拟加载的 方法，其原理如图2 7 所示。 图2 7 背压模拟加载法原理图 此方法不设置机架和加载液压缸，而是通过在被测油缸有杆腔通过比例溢流阀控制背 压大小，模拟负载工况，通过控制比例溢流阀信号大小实现变( 恒) 负载加载。 测试系统采用位置伺服系统：伺服油缸位移信号通过计算机数据采集卡通过a d 转换 存贮于计算机，同时位移信号与计算机送给伺服控制系统的指令信号通过伺服放大器的 p i d 控制功能，可构成位置闭环，完成动摩擦力、阶跃响应、频率响应测试。 1 ) 启动摩擦力测试 将被测缸的无杆腔接到伺服阀控制1 2 1 a ，伺服阀控制1 2 1 b 堵上，被测缸的有杆腔放空或 接回油箱，通过计算机给伺服阀发出斜坡信号，随着控制信号的增大伺服阀控制液压缸从 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 静止到开始运动，当位移量从“零”变化为“非零”瞬时，无杆腔低压压力传感器测量到 的压力值即为被测油缸的启动摩擦力；同时计算机通过数据采集卡接收伺服缸的位移传感 器和无杆腔低压压力传感器信号，并绘制成位移压力曲线，即得到启动摩擦力和启动摩擦 力曲线。有杆腔启动摩擦力测试与无杆腔测试方法相同。 2 ) 动摩擦力测试 模拟轧制工况下动摩擦力测试：被测缸无杆腔由伺服阀a 口控制，通过计算机采集被 测缸活塞的位移信号，并通过伺服放大器、伺服阀构成位置闭环；有杆腔加载背压由计算 机根据被测缸活塞的位移信号操作比例溢流阀控制变背压( 与位移成线性) ，可实现恒负 载或变负载工况模拟，计算机同时采集位移信号、无、有杆腔压力信号，进行计算处理， 绘制出位移摩擦力曲线。 测试时，被测油缸有杆腔压力信号包括升压和降压两个过程，对应的位移反馈信号与 与有杆腔压力信号成线性，油缸分别对应向右先再向左做往复运动。对应同一位置有杆腔 加载的背压恒定。对应曲线分别如图2 8 、2 9 、2 1 0 、2 1 l 所示。 p 冀 n 时同t 图2 8 被测油缸有杆腔压力控制曲线 图2 9 被测油缸无杆腔位移控制曲线 时同l 图2 1 0 被测油缸右移时受力图图2 1 l 被测油缸左移时受力图 对于加工精度符合要求的油缸来说向左和向右的摩擦力是基本相等的。由图2 1 0 可知 油缸向右运动时，对应任一位置，可以建立力平衡方程： ，l = f 2 + 厂 ( 2 1 2 ) 式中：，l = p i a i 一被测缸有杆腔推力； f 2 = p 2 彳2 一被测缸无杆腔推力； p 1 一被测缸无杆腔供油压力； p 2 一有杆腔供油压力； 彳l 一被测缸无杆腔的有效作用面积； a 2 一被测缸有杆腔的有效作用面积 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 厂一摩擦力。 由图2 1 l 可知油缸向左运动时，对应任一位置，可以建立力平衡方程： f 2 = f 弋l 式中：f t - p l k 彳i 一油缸向左运行过程中，对应同一位置时无杆腔的推力； p i 一油缸向左运行过程中，对应同一位置时无杆腔供油压力。 由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 可得： f = ( f l f 1 ) 2 = ( p i p i 。) a i 2 f i l f l l s ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 1 2 动摩擦力特性曲线 对应可以绘出被测油缸一个往复运动过程中的动摩擦力特性曲线如图2 1 2 所示，实 际测试时，使活塞循环往复运动多次，绘出位移摩擦力曲线，取厂的最大值作为最大摩擦 力。 3 ) 阶跃响应测试 阶跃响应特性测试是在被测油缸有杆腔位置闭环控制，无杆腔比例背压模拟加载工况 条件下，附加一个阶跃给定值，实时测量阶跃给定值和被测油缸活塞位置的反馈值随时间 的变化过程，并绘制成阶跃响应特性曲线。 4 ) 频率响应测试 频率特性测试是在被测油缸有杆腔位置闭环控制，无杆腔比例背压模拟加载工况条件 下，由计算机向伺服阀发出0 1 h z 至1 0 h z 正弦波指令信号，伺服阀控制被试缸活塞产生 j 下弦振动，计算机同时检测被测油缸活塞位移反馈值，记录和存储位移反馈值与给定值的 幅值与相位差值，并根据检测的数据进行频率计算分析，绘制被测油缸的幅频与相频特性 曲线( b o d e 图) ，并计算相应的幅频和相频的截止频率。 2 5 本章小结 本章从主要针对轧机伺服油缸的性能特点，对现有的轧机伺服油缸的动态测试和摩擦 力测试方法进行了探讨，提出了背压模拟加载的测试方法，背压模拟加载方法充分利用了 计算机控制比例阀的高精确度特点，实现了模拟加载工况的精确控制。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 第三章伺服放大器设计及仿真 3 1 伺服放大器概述 3 1 1 伺服放大器的功能 伺服放大器是机电液伺服控制系统的重要组成部分，它与电一机械转