（机械工程专业论文）精校机气压与液压传动系统设计计算及动态性能分析研究.pdfVIP

精校机气压与液压传动系统设计计算及动态性能分析研究 摘要 精密校直液压机( 精校机) 液压伺服系统是精校机的执行环节，是保证工 件加工精度的关键；自动送料机构是全自动精密校直液压机的重要组成部分， 它采用气压传动系统进行驱动。文章主要从以下几方面对精校机进行了设计和 研究： 1 对精校机液压伺服系统进行了总体研究，分析了系统的组成、特点； 2 设计了精校机电液位置伺服系统原理图和动力元件参数，并进行了系 统元件的选择； 3 根据液压伺服系统的基本理论，对四通阀控不对称液压缸的数学模型 进行了深入研究，推导了四通阀控不对称液压缸的的传递函数； 4 建立了不同负载时精校机电液位置伺服系统的数学模型并对其动态性 能进行了深入分析； 5 设计了精校机自动送料机构气动系统原理图，并进行了系统的设计计 算和气动元件的选择。 本文的研究内容为国产自动精密校直液压机的设计和制造提供了理论依 据。 关键词：精密校直液压机电液位置伺服系统自动送料机构气动系统 系统参数设计动态特性 d e s i g ha n dr e s e a r c ho nt h ep n e u m a t i c & h y d r a u l i cs y s t e m o ft h e p r e c i s es t r a i g h t e n i n gp r e s s a b s t r a c t t h eh y d r a u l i c s e r v os y s t e mo f 也ep r e c i s es t m i 曲t e l l i n gp r e s si st h ee x e c u t i v eb o d y a n di st 1 1 e k e yu n i t t oe n s u r et h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o no ft h ew o r k p i e c e a u t o m a t i c 、o r k 巾i e c ec a r r y i n gm e c h a n i s mi sa l s ot l l ei m p o r t a n tp a no fm ep r e s s ，a 1 1 d i ti sd r i v e db y t h ep n e u m a t i cs y s t e m t h em a i l lc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： “ 1 r e s e a r c ht h eh y d r a u l i c - s e r v os y s t e mo f t h ep r e c i s es 订a i 曲t e n j n gp f e s st o t a l l ya 1 1 d a i l a l y s et h es t n l c t l l r ea n dc h a r a c t e ro f t h es y s t e m 2 d e s i g nt h ep r i n c i p l eo f t h ee l e c t r o - h y d r a u 】i cp o s i t i o ns e r v os y s t e ma n dt 1 1 ed a 协o f d y n 锄i ce l e m e n t so f t h ep r e s s s e l e c tt l l es i z ea n dt y p eo f t h eh y d r a l l l i ce l e m e m s 3 a c c o r d i n gt o t 1 1 eb a s i ct 1 1 e o r yo fh y d r a u l i c - s e os y s t e m ，r e s e a r c hd e 印l ym e m a t h e m a t i c a lm o d a lo ff o u r - c o 肌e c t i o nv a l v e c o n t r 0 1 1 e dh y d r a u l i cc y l i n d e r ，b l 】i l tu pm e t r a n s f e r 矗m c t i o no ff o u r - c o n n e c t i o nv a l v e - c o n 廿o l l e dh y d r a u l i cc y l i n d e l 4 e s t a b l i s hm em a m e m a t i c a lm o d a lo ft h ee l e c 打o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e os y s t e m u n d e rd i f i e r e m1 0 a da n da n a l y s ed y m m i cc 王l a 珀c t e r so fs y s t e md e e p l y 5 d e s i g nt h ep r i n c i p l eo fm ep n e u m a 廿cs y s t e mo fa u t o m a t i cw o r k 。p i e c ec a i t y i n g m e c h a n i s mo f 血e p r e c i s es 订a i g h t e i l i n gp r e s s c a l c u i a t ea n ds e l e c tt h es i z ea 1 1 dt y p eo ft h e p n e u m a t i c s t h er e s e a r c hc o n t e m si n 也ed i s s e r t a t i o np r o v i d e 血et 1 1 e o r ys u p p o ni nd e s i g n i n ga n d m a n u f h c t u r i n gt h ep r e c i s es t r a i g h t e n i n gp r e s s k e yw o r d ：p r e c i s es t m i 曲t e n j n gp r e s s ；e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o n s e r v o s y s t e m ； a u t o m a t i cw o r k p i e c ec 蜘了i n gm e c h a i l i s m ；p n e u m a t i cs y s t e m ；d e s i g no f s y s t e md a 曲；d y n a i 】1 i cc h a r a c t e r s 插图渍单 图1 1 液压伺服控制系统的组成1 图2 1 计算规控铡的糖梭规电液使置惘联系统8 图2 2 赶液伺服阀的基本构成9 图3 1 臌头动作循环示意图1 2 爨3 。2y 4 0 1 0 型精校机电液位置穗照系统灏理耍控 豳3 3 一个动僚循环的负载速度溺1 5 图3 4 一个工作循环的负载力图。1 7 溷3 。5 荸蠹较机的负载孰遴圈，l s 涵3 6 动力元件、液压麓源与负载的匹配1 s 图3 7 阀控液压缸输出特性的变化1 9 图3 t 8 润控渡联缸推荐的工作区2 0 图4 1豳通阕掇不对称液压缸原醺图2 5 图4 2 阀控不对称液压缸的方块圈2 9 图4 1 3 糖校规电液位置饲驻系统的方块图，3 3 图4 4k = l 时系统的开环b o d e 圈。3 6 图4 5 篷4 6 图4 7 凰4 8 瞄4 9 图4 1 0 霜4 ，1 l 图4 1 2 阁4 1 3 醚 刚 强 闰 1 4 1 2 - 3 k ，= 1 3 3 6 6 时系统的开环b o d e 图3 7 熊载鸯嚣工作受载嚣事系统豹方块图3 7 系统的闭环b o d e 图3 8 挺，= l 时系统的歼环b o d e 圈4 l 甏。= 6 9 6 6 时系统的开环毽o d e 匿4 l 负载为弹性工作负载时系统的方块豳4 2 系统豹 l l 巧8 0 d e 图4 2 已不同时，系统的阶跃响应。4 5 轨不同时，系统l ；i 勺阶跃响应4 5 墨。不同辩，系统的阶跃响应4 6 精校机自勘送料机构4 7 精校规爨旗送精瓿螅动孛# 缀嚣图，4 s 精校杌自动送料机构气动系统原理豳4 9 表格清单 表3 - l负载力一时间的对应关系表，1 7 表3 2 液压伺服油源的类型、特点及应用2 2 表3 _ 3w 0 一l 。黧精校辊电液位置饲服系统党律明缨袭。2 3 表4 - ly 4 0 一1 0 型精校机相关参数的数值3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金魍工业太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 峙c 学位论文作者签字：备中甲签字日期：弘。眸l f 月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅或借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分论 文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 莓争争 签字目期：加亏年l7 月中日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 翩虢撇 签字日期：对年f f 月日 电话 邮编 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，并 衷心地感谢导师柯尊忠教授在我学习和论文写作过程中给予的关怀和帮助。从 论文题目的确定和实施方案的制定，到具体工作的进展以及最后论文的撰写与 修改，无不渗透着导师的智慧和心血。老师渊博的知识、开阔的视野、分析洞 察问题的能力，严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，都使 我受益匪浅，也必将激励我勇往直前。 同时，要借此机会向合肥工业大学多年来对我悉心教诲的各位老师表示深 深的敬意，感谢他们在我研究生学习阶段给予我的无私指导和关怀。此外论文 工作得以顺利完成还要感谢合肥学院的领导和同事对我工作上的关照和帮助。 在整个学习阶段，我的家人给予了我无微不至的照顾，在此对他们表示诚 挚的谢意和最深的感激! 作者：蒙争争 2 0 0 5 年9 月 第一章绪论 1 1液压伺服控制系统 1 1 1液压伺服控制系统概述 液压伺服控制系统是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统。 在这种系统中，输出量( 位移、速度、力等) 能够自动地、快速而准确地复现 输入量的变化规律。与此同时，还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功 率放大装置。 液压伺服控制系统可以对被控量进行检测并加以反馈，是一种闭环控制系 统。系统按偏差调节原理工作，并按偏差信号的方向和大小进行自动调整，即 不管系统的扰动量和主路元件的参数如何变化，只要被控制量的实际值偏离希 望值，系统便按偏差信号的方向和大小进行自动调整。控制系统具有抗干扰能 力，因而控制精度高。 1 1 2 液压伺服控制系统的组成和分类 1 液压伺服控制系统的组成 实际的液压伺服控制系统无论多么复杂，都是由一些基本元件组成的。根 据元件的功能，系统的组成可用图1 1 表示。 液压能源 图1 1 液压伺服控制系统的组成 1 ) 输入元件也称指令元件，它给出输入信号( 指令信号) 加于系统的输 入端。例如靠模、指令电位器等。 2 ) 反馈测量元件测量系统的输出量，并转换成反馈信号。如缸体与阀 体的机械连接、反馈电位器、测速发电机等。 3 ) 比较元件将反馈信号与输入信号进行比较，给出偏差信号。输入信 号与反馈信号应是相同形式的物理量，以便进行比较。比较元件有时并不单独 存在，而是与输入元件、反馈测量元件或放大元件一起由同一结构元件完成。 例如伺服阀，同时完成比较和放大两种功能。在伺服系统中，输入信号、反馈 测量元件和比较元件经常组合在一起，称之为偏差( 误差) 检测器。 4 ) 放大转换装置将偏差信号放大并进行能量形式的转换。如放大器、 电液伺服阀、滑阀等。放大转换装置的输出级是液压的，前置级可以是电的、 液压的、气动的、机械的或它们的组合形式。 5 ) 执行元件产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。在液压伺 服系统中，执行元件是液压缸、液压马达或摆动液压缸。 6 ) 控制对象被控制的机器设备或物体，即负载。 2 液压伺服控制系统的分类 1 ) 按系统输出的物理量的名称分：液压位置伺服系统、液压速度伺服系 统、液压力( 压力) 伺服系统； 2 ) 按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分：阀控式液压伺服 系统、泵控式液压伺服系统； 其中阀控式系统又可分为阀控液压缸式系统和阀控液压马达式系统；泵控 式系统又可分为伺服变量泵系统和伺服变量马达系统； 3 ) 按信号传递介质的形式分：机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系 统： 4 ) 按检测元件的输出量形式及信号处理手段分：模拟式液压伺服系统、数 字式液压伺服系统。 1 1 3液压伺服系统的特点 与其他控制系统相比，液压伺服系统有如下主要优点： 1 ) 液压元件的功率一质量比和力矩一惯量比( 力一质量比) 大，因而可以 组成体积小、重量轻、加速能力强和快速反应的伺服系统来控制大功率和大负 载。 2 ) 液压执行元件快速性好，系统响应速度快。 3 ) 液压伺服系统抗负载的刚度大，即输出位移受外负载的影响小，控制精 度高。这一点是电气和气动控制所不能比拟的。 此外，液压伺服系统还有一些优点：元件的润滑性好、寿命长；调速范围 宽、低速稳定性好；借助油管，动力传输方便：借助蓄能器，能量储存方便； 借助泵和阀，液压执行元件的开环和闭环控制很简单；液压执行元件有直线位 移式和旋转式两种，提高了系统的适应性：过载保护容易等。 虽然液压伺服系统具有一系列优点，但也存在着一些缺点： 1 ) 液压元件，特别是精密的控制元件( 如电液伺服阀) 抗油污能力差，对 工作油液的清洁度要求高。 2 ) 液体的体积弹性模量随温度和混入油中的空气含量而变。因此液压系统 的参数随环境的变化可能不固定，系统的性能受环境的影响。 3 ) 当液压元件的密封装置设计、制造或使用维修不当时，容易引起外泄， 造成环境污染。 4 ) 液压元件制造精度高，成本较高。 5 ) 液压能源的获得不象电能那样方便，也不象气源那样易于储存。 6 ) 如果液压能源与执行机构的距离较远，使用长管道连接会使系统的响应 速度降低，甚至引起系统不稳定。 液压伺服系统的研究任务就是要扬长避短，充分发挥其优点，克服其缺 点。可以通过改进设计和采用先进的工艺措旌解决一些存在的问题。因此，将 一些新材料和新技术应用于液压伺服系统中，运用新的控制策略不断改善系统 的性能，将是一项十分有意义的工作。 1 1 4 液压伺服系统的发展与应用 液压伺服控制技术是门新兴的科学技术。它不但是液压技术中的一个分 支，也是控制领域的一个重要组成部分。 远在第一次世界大战前，液压伺服系统作为海军舰船的操舵装置已开始使 用。近几年来，由于整个工业技术的发展，尤其是在军事与航天技术上所应用 的伺服系统逐步向快速、大功率、高精度的方向发展，液压伺服控制所具有的 反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚度大等优点，特别受到了重视。实践的需 要也推动了理论研究工作，4 0 年代开始了滑阀特性和液压伺服理论的研究。 机械液压伺服控制出现校早，用于飞机上的液压助力器。1 9 4 0 年底，首先在 飞机上出现了电液伺服系统。但该系统中的滑阀由伺服电机驱动，作为电液转 换器。由于伺服电机惯量大，使电液转换器成为系统中时间常数最大的环节， 限制了电液伺服系统的响应速度。直到5 0 年代初，才出现了快速响应的永磁 力矩马达，形成了电液伺服阀的雏形。5 0 年代末，又出现了以喷嘴挡板阀作 为第一级的电液伺服阀，进一步提高了伺服阀的快速性。6 0 年代，各种结构 的电液伺服阀相继出现，特别是干式力矩马达的出现，使得电液伺服阀的性能 日趋完善。由于电液伺服阀和电子技术的不断进步，使电液伺服系统得到了迅 速的发展。随着加工能力的提高和电液伺服阀工艺的改善，是电液伺服阀的价 格不断降低，出现了抗污染和工作可靠的工业用廉价电液伺服阀，电液伺服系 统开始向一般工业中推广。 目前，液压伺服系统，特别是电液伺服系统已成为武器自动化和工业自动 化的一个重要方面，应用非常广泛。在国防工业中，用于飞机的操纵系统、导 弹的自动控制系统、火炮操纵系统、坦克火炮稳定装置、雷达跟踪系统和舰艇 的操舵装置等。在民用工业中，用于仿形机床、数控机床、电火花加工机床； 船舶上的舵机操纵和消摆系统；冶金方面的电炉电极自动升降恒功率系统；实 验装置方面的振动实验台、材料实验机；锻压设备中的挤压机速度伺服、油压 机的位置伺服：机器人技术也大量采用了液压控制技术【2 j 。 1 1 5液压伺服系统的发展趋势 液压伺服系统今后的发展大体可以有以下几个方面： 1 高压大功率高压的目的是为了减轻系统的重量及结构尺寸，大功率 是为了解决大惯量与重负载的拖动问题。 2 高的可靠性为了提高可靠性，除了加强对机器本身的研究与改进以 及增加监测与诊断技术外，目前正在采用余度技术与重构技术，采用了三或四 通道的余度构成系统。 3 理论解析与特性补偿近期的研究倾向是利用计算机对复杂系统( 如 多变数液压伺服系统) ，对复杂因素( 非线性及时变等) 进行仿真分析的研究。 4 同微型机的结合电液伺服控制与计算机的结合，提供了计算机与大 功率液压伺服控制之间牢固的、精确的、高性能的联系，产生了各种智能化的 电气液压伺服控制系统。 5 液压伺服控制普遍的工业应用阶段。 1 2精校机的研究现状 自动校直技术是一种先进制造技术，通过自动校直设备一一精密校直液压 机( 简称精校机) 完成对轴、管、棒等类零件的校直，是机械加工过程中保证 产品质量的重要工序，广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、纺织机械及军工 机械等机械制造行业。零件校直后可直接达到设计精度，或者可减少后续加工 量，节约材料，提高了生产效率。 1 2 1国外精校机的研究现状 由于自动校直技术能有效提高产品质量，发达国家十分重视此项技术，并 投入了大量的人力、物力开展此项技术的研究工作。意大利、美国、德国和日 本先后开发出具有本国特色的自动校直设备产品，其中意大利g a l d a b i n i 公 司开发研制的自动校直设备技术水平最高，g a l d a b i n i 公司从1 9 4 0 年开始向 世界各主要汽车制造商提供手动精校机，1 9 7 0 年研制出世界上第一台自动精 校机，主要向菲亚特、福特、雷诺、克莱斯勒、标致、雪铁龙、沃尔沃等汽车 制造商供货。同时还向纺织企业和有关机电企业提供相应的校直设备。其设备 有如下几个特点： 1 ) 采用“c ”型机身，使其具有很好的易接近性和灵活性，通过使用单一 压头和移动工作台，可达到很高的校直速度。 2 1 设备采用配有电子控制单元的专用可编程控制系统( p l c ) ，由该电子 控制单元控制整个校直工艺过程，使其可达到如下加工性能指标： 校直精度：0 叭m m ： 小型件的最大生产产量：4 0 0 件，j 、时。 p l c 与可视触摸屏和可编程开关相连，还可实现： 人机对话功能； 故障显示、帮助功能； 通过r s 2 3 2 接口，可使p l c 与外单元相连，用来存储9 9 种轴类零件的校 直程序。 3 ) 设备配备有专用的自动检测系统，能检测出与外表面形状误差无关、只 因弯曲变形产生的零件径向跳动误差。因此表面仅经粗车的零件、以及截面具 有较大椭圆度的零件均可获得很好的校直精度。 上世纪八十年代末，发达国家先后研制出本国的自动精密校直液压机，技 术水平提高很快，总的发展趋势如下： 1 ) 系列完善，品种规格齐全 德国d u n k e s 公司，m u l l e r 公司和m a e 公司以及日本东和精机株式会 社的产品系列划分基本一致，即从6 0 k n 到2 5 0 0 k n 共1 0 个规格。 2 ) 行程精度高，检测、显示手段完善 校直滑块定位精度达0 0 1 m m ，可满足精密校直工艺的要求。轴心线检测 后可用百分表量，可用光柱、也可用计算机系统对工件进行在线检测、记录， 并进行质量分析。测量结果在视屏上显示，能及时反映零件的弯曲状况。测量 结果能自动保存，满足多点校直工艺的所有要求。有的自动校直机上配有裂纹 检测装置，可及时发现加工过程中工件产生的裂纹，并能显示和自动停机。 3 ) 附件齐全，校直工艺范围不断扩大 品种多样的附件与校直机配合可满足任何轴类零件校直工艺的需要。目前 开发出的附件可满足光轴、台阶轴、齿轮轴、花键轴、凸轮轴和曲轴的校直工 艺需要，而且还可以对板料进行扭曲校直。由于新的附件不断出现，校直工艺 范围也在不断扩大。 4 ) 向数控化、柔性化、自动化方向发展 上述生产自动校直机的公司都发展了适合大、中批量生产的全自动校直 机，这些设备均配备有专用数控系统、校直工艺决策系统、轴类零件数据库、 自动检测系统和质量分析系统，有良好的人机对话功能和故障检测功能。 1 2 2 国内精校机的研究现状 国内在自动校直设备的研究方面落后于发达国家。最早研究自动校直技术 的单位是合肥工业大学自动校直技术研究所。该所自上世纪八十年代末期开始 跟踪国外自动校直技术的发展趋势，于九十年代初期，成功研究开发出手动系 列伺服校直液压机，为研究开发自动精密校直液压机做好了理论和实践的准 备，并于2 0 0 1 年成功研制出国内首台具有知识产权的自动精密校直设备一一 y h 4 0 2 5 精密校直液压机。该设备己通过鉴定，达到国际九十年代水平，可替 代进口。该机主要特点如下： 1 ) 采用框架机身配以贯通式送料机构，使校直机具有良好的刚性、可操作 性和自动生产线布置的灵活性。 2 ) 控制系统采用主从式多c p u 开放式结构。c p u 通过与p l c 、液压伺服 系统、自动检测系统之间实现数据交换，完成多智能模块之间的协调动作，系 统的维护与升级简便容易。 3 ) 自动检测系统结构设计合理，设定基准方便，具有快速灵活的调整特 性，检测算法程序正确、实用，检测系统可配有多组传感器。 4 ) 校直工艺的执行部件一一电液伺服系统保证了系统的控制精度、稳定性 和快速性。 1 3论文的主要内容及意义 自动精校机的研制项目主要包括两方面的研究内容：一是校直工艺理论的 研究：二是自动校直设备的研制开发，自动校直设备由液压校直机、自动送料 系统、控制系统和自动检测系统组成。校直工艺理论是实现轴类等零件校直的 理论基础，自动校直设备是实现轴类等零件精密校直工艺的专用设备。这两个 研究内容之间是相辅相成的：校直工艺理论的研究必须考虑校直设备的方便实 现，需要通过校直设备应用于实际；校直设备的研制开发则在生产成本和生产 效率的前提下，满足校直工艺动作要求，保证零件校直的精密性。 1 3 1自动精校机研制项目的主要技术内容 该项目具体可以分为以下几项主要技术内容： 1 校直工艺理论及其数据库和校直决策系统 校直工艺理论是实现精密校直的关键。由于轴类零件的种类繁多，必须通 过大量的实验研究，获取被校直工件的形变、材料、尺寸与形状等多种因素之 间的关系，在此基础上，建立数据库，为校直决策系统提供决策依据。 2 在线自动检测系统 工件的圆跳动是校直决策的重要依据，因此可靠、精确、高速地获取工件 的圆跳动是检测系统的重要任务。 3 控制系统 控制系统以校直决策系统为基础，保障自动校直机正常、有序地工作。需 要分别对自动送料系统、工件定位、夹紧与旋转、压头行程等动作实旋控制。 4 高精度液压伺服控制系统 液压伺服控制系统是校直工艺的执行部件，保证液压伺服控制系统的控制 精度、稳定性和快速性，是完成校直工艺的必要条件。精校机电液伺服系统不 同于一般机床的电液伺服系统，系统作用有弹性负载、冲击负载，而且负载刚 度可能不断变化，因此系统的动态特性也在不断发生变化，系统的稳定性变 差，响应速度变慢，系统的控制精度受影响。所以，要保证系统性能指标的实 现，必须对精校机电液伺服系统的动态特性、系统的控制方法等进行深入的研 究。 5 自动送料系统 机械手上下料、物料传输系统是提高自动化水平和生产效率的有利保障， 采用何种传动形式以及传动系统的设计，也是保证精校机正常、可靠工作的主 要工作内容。 1 3 2 本论文的主要研究内容 本论文的研究内容为1 3 1 节项目技术内容中的第4 、5 项： 1 进行精校机的电液位置伺服系统设计及其动态性能分析 1 ) 研究精校机电液位置伺服系统的构成、特点； 2 ) 在深入分析精校机工况的基础上，设计精校机电液位置伺服系统原理 图： 3 ) 进行精校机电液位置伺服系统动力元件参数设计； 4 ) 进行精校机电液位置伺服系统的元件选择； 5 ) 建立精校机电液位置伺服系统的数学模型并进行动态性能分析。 2 进行精校机自动送料机构传动系统的设计 1 ) 在深入分析精校机工况的基础上，设计精校机自动送料机构气动原理 图； 2 ) 进行精校机自动送料机构气动系统主要参数的设计计算： 3 ) 进行精校机自动送料机构气动元件的选择。 1 3 3 论文研究的意义 我国汽车等行业每年都有几千万根轴须进行多次校直，为提高校直精度和 生产率，亟待研制开发全自动精密校直液压机以替代进口产品。高精度液压位 置伺服控制是精校机的关键技术之一，它保证了液压伺服控制系统的控制精 度、稳定性和快速性，是完成校直工艺的必要条件。因此精校机液压伺服控制 系统的分析和研究，为精校机产品的设计和制造提供了理论依据，对自动校直 技术及其成套设备的开发具有重大的意义。 第二章耩校规匙滚位覆镯照系统撅述 2 1精校机电液位置伺服系统的构成 电液伺服系统是蠡电气静信号处理部分秘液嚣豁功率输窭部分组成豹翅琢 控制系统。它综合了电气和液压两方面的特点，具肖控制精度高、响应速度 侠、信号处理灵活、辕舞功率太、结鹤紧凑帮重量较等霞点。由予毫检测撩豹 多样性，可以缎成许多物理嫩的闭环控制系统。最常见的魁电液位置伺服系 统、毫液速度羧麓系绞、邀滚力或垂力控裁系统。獒中毫滚位萋馋缀系绞灏位 鬣检测方便、控制灵活而得到了广泛的应用。 精校极滚援饲骚系统是典型敢计算极控铡戆阑控液压锻式电波位置饲服系 统，其构成如阉2 1 所示。 数 l 雌薹珥昏目h 强 i + k l 一 微型计算机 门。e = i 。 凹1 匕：j 二：= 二：r l 。，l 圈2 1 计算机控制的糖校机电液位澄伺服系统 组成计算机控制的精校机电液位置伺服系统的旗本元件有：微型计算机、 数模转捩器( d ，a ) 、保持器、放大器、电液伺服阀、液压缸、位移佟蓉瓣、 模数转换器( a d ) 等。 系统工 睾簿，位移传惑嚣实时德滗录歪头静位移量，遴遘a 国转换嚣转换 为数字蹩后输给计算机；计算机每隔定的时间r 对输入信号和反馈信号采样 一次( 辩闽阕隔r 称为采祥弱鹈) ，经毙鞍器褥窭镳差痿号，孬按控毒l 舅法逶 行运算，将算出的控制信号缝d ，a 转换器转换为模拟量送到液压伺服系统，即 透过控麓餐鼹瓣牙盈爨熬大，l 、寒实璐怼压头速凄熬控裁，驮瑟达爨最终控裁压 头位置的目的。 2 1 1敬大器 此处的放大器是指包含伺服放大器在内的总电控放大嚣，其作用是将电信 号放大。其中键缀敖大器霹将镶差纛莲基号羧大莠转换藏泡淀莹号去控利电菠 伺服阀，伺服放大器和伺服阀力矩马达线圈的传递函数与伺服放大器的形式有 关，当袋矮电滚受反馈放大器露，虫子力矩马达线辫豹转叛菝率缀裹t 峨 可忽略，于是伺服放大器的输出电流与输入电压近似成比例关系a g 2 1 2电液伺服阀 在电液伺服系统中，电液伺服阀将电气部分和液压部分连接起来，实现电 液信号的转换和放大。因此，电液伺服阀是电液伺服系统的核心，它既是电液 转换元件，又是功率放大元件，能够将小功率的电信号输入转换成大功率的液 压能输出。 电液伺服阀的类型和结构形式很多，但都是由电气一机械转换器和液压放 大器构成，如图2 2 所示。电气一机械转换器将小功率的电信号转变为阀芯的 运动，然后通过阀芯的运动又去控制液压流体动力( 流量与压力) ，常用的电 气一机械转换器为永磁动铁式力矩马达。电气一机械转换器的输出力或力矩很 小，在流量比较大的情况下，无法用它来直接驱动功率阀，此时，需要增加液 压前置放大级。将电气一机械转换器的输出加以放大，再来控制功率阀，这就 构成了多级电液伺服阀。前置级可以采用滑阀、喷嘴挡板阀或射流管阀。功率 级几乎都是采用滑阀。为了解决功率级滑阀的定位问题，可以采用各种形式的 级间反馈来消除两级液压放大器中的积分环节，并且使整个阀变成一个闭环控 制系统，从而具有闭环控制的全部优点，常见的反馈形式有滑阀位置力反馈等 形式。电液伺服阀具有极快的响应速度和很高的控制精度，所以可以用它来构 成快速高精度的闭环控制系统。 液压放大器 r 一一一一一一一： 输入信号一! 磊刮兰薹盐竺褂 ( 电信号) l堑堡墨j 位移i亟丑垤 兰 流量：i 压力 图2 2电液伺服阀的基本构成 电液伺服阀具有很高的控制性能，但由于其对流体介质的清洁度要求十分 苛刻，制造成本和维修费用比较高，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所 接受。因此，在这种情况下，出现了性能可靠，价格较低，且控制精度和响应 特性均能满足系统实际需要的电液比例阀。 电液比例阀是以传统工业用液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟式电一 机械转换器和与之相应的阀内结构设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相 同，阀内压力损失低，性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件。8 0 年 代以来，由于采用了更加完善的压力、流量、位移内反馈、动压反馈和电校正 等手段和优化设计，器件的稳定性除因制造成本所限，仍保留中位死区外，某 些性能如线性度、滞环、重复精度等稳态特性上已和伺服阀相当，阀的稳态精 度、动态响应和稳定性有了进一步的提高。近些年来，在比例阀的基础上又开 发出了闭式比例阀，通过不断地研制，达到了几乎不差于、部分超过伺服阀的 稳态和动态性能。与比例方向阀相比，闭式比例阀的最重要特征，是在阀中位 时为零遮盖，这是作为控制元件，用于闭环调节回路的前提条件。 2 1 3位移传感器 位移传感器是液压位置伺服系统中最重要的元件之一，是感受机械位移的 一种灵感元件，按工作原理分为电感型、电位计型、电容型和霍尔效应型。位 移传感器担负着感受与传送“第一手信息”的重要任务，其质量的好坏对整机 的性能有着举足轻重的影响。 2 2 精校机电液位置伺服系统的特点 精校机电液位置伺服系统具有以下特点： 1 位置控制系统：位移传感器对压头位置进行检测，实时传送给计算 机，计算机判断压头是否在指定位置并进行控制。 2 自动控制系统：系统引入计算机后，不再需要工人操作，机器自动对 工件进行校直。机器自动检测出工件弯曲量后，根据校直决策程序决定压头下 压量，并通过位移传感器实施闭环控制，工件校直后，通过自动送料机构送入 下一个工件。 3 实时控制系统：在工件加工过程中，通过自动检测系统周期地对工件 弯曲量进行检测，并将检测结果送到校直决策程序一决定工件是否合格。位移 传感器在每一个校直循环中对压头位移进行实时检测。 4 闭环控制系统：系统是通过误差来进行控制的，即系统首先根据工件 弯曲量决定压头的下压量，在压头下压过程中，通过位移传感器对其位置进行 检测，如果压头没有达到指定位置，则将两者的误差转换为控制信号继续控制 压头运动，直到压头定位在误差允许范围之内。 5 系统信号为离散信号与连续信号：系统中计算机处理的信号都是离散 信号，而执行机构接受和输出的信号都必须是连续信号。离散信号和连续信号 之问的转换是通过采样开关和保持器来实现的。当对系统进行分析时，由于计 算机的采样时间比执行机构的响应时间短得多，因此系统可近似作为连续系统 处理。 第三章y 4 0 1 0 型精校机电液位置伺服系统的设计计算 3 1 y 4 0 l o 型精校机电液位置伺服系统的设计要求 已知设备及工艺的主要参数和性能指标如下： 1 公称力：1 0 0 k n 2 最大工作行程：15 0 m m 3 生产效率：6 0 1 0 0 件，j 、时 4 压头位置控制精度：o 0 5 m m 5 工件最大直径：4 0 m m 6 工件最大长度：1 0 0 0 m m 3 2 y 4 0 一l o 型精校机电液位置伺服系统原理图设计 精校机采用行程控制，可保证工件不被压过头而造成报废，与传统压力型 校直液压机相比，具有校直精度高、生产效率高、工件无损伤等优点。其工作 过程为： 1 上料( 自动送料机构把工件送上工作台) ； 2 检测( 自动检测机构对工件进行变形测量) ： 3 确定支点、压点位置及压下量( 根据校直理论和校直工艺数据库，确定 支点、压点位置及压下量) ； 4 压头按指定压下量下压( 由位移传感器检测到位) ： 5 循环2 4 直至工件合格。 其中，第4 步由液压伺服系统完成。因此，为了准确地设计精校机液压伺 服系统，必须再进一步对压头动作进行分析。 3 2 1 压头的动作循环 压头的动作循环可细分为以下几个阶段，如图3 1 所示： 1 压头自上限位快速下行； 2 至暂停位时进入校直行程，同时位移传感器起作用； 3 压头继续下行接触工件进行压制； 4 压头到达指定位置后停止； 5 压头快速回程至暂停位停止； 6 压头接着进入下一次校直行程，循环3 5 步： 7 校直过程结束，压头快速回程至上限位。 图3 1 压头动作循环示意图 3 2 2拟定系统原理图 精校机的主要要求是压头行程可控，而且该机压头要求定位精度高、响应 速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于各种参量的反馈等特点，故采用阀 控液压缸式的闭环电液位置伺服系统作为控制系统。其系统原理图初步拟定如 图3 2 所示。 上限位 暂谆位 图3 2y 4 0 l o 型精校机电液位置伺服系统原理图 图中l 、7 、1 3 、15 一一过滤器，2 一一电动机，3 一一定量泵，4 一一单 向阀，5 一一电磁溢流阀，6 一一压力表，8 一一电液伺服阀，9 一一液压缸，1 0 一一液控单向阀，1 1 一一两位四通电磁换向阀，1 2 一一单向阀，1 4 一一空气 滤清器，1 6 一一冷却器，1 7 一一冷却泵，l8 一一行程开关，1 9 一一位移传感 器，2 0 一一油箱。 1 该系统的工作过程如下： 1 ) 快速下降 当比例电磁铁1 y a 失电时，伺服阀处于附加的第四切换位( 安全位) ，如 图3 2 所示。按下启动按钮后，1 y a 通电，伺服阀左位工作，定量泵输出的油 液经伺服阀左位进入液压缸上腔并驱动活塞带动压头从上限位下行，由于此时 位移传感器不起作用( 系统此时是开环控制) ，伺服阀开口最大，压头以最大 速度下降；液压缸下腔油液经伺服阀左位流回油箱。 2 ) 慢速下行 当压头到达暂停位后，位移传感器开始起作用，系统进入闭环控制阶段， 工控机根据校直决策工艺理论控制伺服阀阀芯开口逐渐减小，因此通过伺服阀 流量开始减小，从而进入液压缸上腔的油液减小，活塞带动压头的速度也开始 降低，实现了以较低速度接触工件的目的，避免了压头高速撞击工件所带来的 不安全。 3 ) 压制 当压头接触到工件之后，系统即进入压制阶段。随着压头下压量的增大， 系统的压力也逐渐升高，以满足克服工件弹性负载的需要。此时位移传感器继 续起作用，伺服阀阀芯开口继续减小，压头以更低的速度压制工件，直到压头 到达指定位置后，伺服阀阀芯完全关闭，压头准确地停在指定位置上。 4 ) 快速回程 此时2 y a 得电，伺服阀的右位及二位四通电磁换向阀的左位工作( 使液控 单向阀的控制口经二位四通阀左位与缸下腔的压力油接通，从而液控单向阀反 向开启) 。油液通过比例阀右位进入液压缸下腔，而液压缸上腔的油液通过伺 服阀右位及液控单向阀和油箱接通，因此压头快速回程。 5 ) 静止 l y a 和2 y a 断电，3 y a 得电，泵经过电磁溢流阀卸荷。 2 该系统的特点如下： 1 ) 电磁溢流阀、定量泵和电液伺服阀共同构成了进油节流调速回路，溢流 阀将泵输出的多余流量溢流回油箱，并保持泵出口和伺服阀p 口压力恒定。 2 ) 空行程和回程时压头速度较快，节约了运动时间，达到了提高系统效率 的目的。 3 ) 液控单向阀的使用使液压缸上腔的大部分油液不经过伺服阀而流回油 箱，避免了回程时大流量对伺服阀的损害，从而达到保护伺服阀、延长伺服阎 使用寿命的目的，提高了系统的可靠性。 3 3 y 4 0 l o 型精校机电液位置伺服系统动力元件的设计 本机的液压动力元件是由电液伺服阀和液压缸组成的阀控液压缸式动力元 件，在液压伺服系统中，液压动力元件是一个关键性的部件，它直接影响到系 统的动、静态品质。 伺服阀输出的负载流量q ，与负载压力p ，能否满足系统负载速度卿负载 力f 的需要，即根据负载速度和负载力来选择液压动力元件的参数( 指供油压 力p 。、伺服阀的最大空载流量吼。、液压缸的工作面积一。这三个参数) ，称之 为动力元件与负载的匹配，这是设计动力元件的基本方法。为此，我们需要首 先知道负载速度和负载力的情况。 3 _ 3 1精校机负载速度的确定 1 校直工艺过程的时间分析： 校直机最大加工能力是1 0 0 件j 、时，设计此参数时，是基于这样的加工 前提：工件为光轴或形状简单，单点校直，工件有5 0 为合格品，不需校直a 1 ) 校直一根工件所需时间： 根据系统检测和主机提供的参数知道：一次检测最大耗时为l s ，一次送 料最大耗时为9 s 。则一根合格工件耗时为1 0 s ( 一次送料，一次检测) ；设一 根不合格工件需校直的时间( 即压头一个动作循环所需时间) 为丁，则有： 1 0 0 5 0 ( 1 + 9 ) + 1 0 0 5 0 ( 1 2 + 9 + r ) = 3 6 0 0 ( s ) ( 注：每根不合格工件 平均需要检测2 次) 解得：r = 5 l ( s ) 加上送料和检测时间，从而校直一根工件所需时间为：l 2 十9 十丁= 6 2 ( s ) 2 ) 综合实际加工情况，我们设计压头的空行程为1o o m m ，校直行程为 5 0 m m 。 3 ) 根据校直决策系统，每点最大校直次数为1 0 次，设计时按1 0 次件计。 4 ) 考虑各种滞后影响，系统响应时间按o 1 s 计。 5 ) 压头回程时位移传感器不起作用。 2 负载速度的确定： 设空行程速度( 即快降速度) 为矿，回程速度为2 y ，校直行程速度( 即 工进速度) 平均为，从而有下式成立： 警刈劳+ 卜州州别划 解得：矿= 3 8 2 ( m m s ) 考虑实际加工过程的复杂性和我国压机的现有制造水平，此设计速度过于 保守，在参考国内外同类产品设计的基础上，我们提出快降速度按 矿= 5 0 m m s 、回程速度按1 0 0 m m ，s 来进行设计，这样即能满足生产效率的要 求，又能体现一定的制造水平。 由以上分析，我们可以作出压头一个动作循环的负载速度图，如图3 _ 3 。 训( m m ，s ) 5 d 口 图3 3 一个动作循环的负载速度图 压头在极短的时间内速度达到5 0 m m s ，在空行程内，位移传感器不起作 用，伺服阀阀芯开口不变，可认为压头以5 0 m m s 的匀速快降：压头进入校直 行程后，位移传感器的负反馈作用使伺服阀阀芯开口慢慢减小，压头速度也慢 慢减小( 为非线性变化) ，直到达到预定的位移，伺服阀阀芯完全关闭，此时 压头速度为零，压制过程结束：压头回程时，由于位移传感器不起作用，因此 压头基本以1 0 0 m m s 的匀速快速回程。 3 3 2 精校机负载特性的分析 1 负载及负载特性 所谓负载是指执行元件运动时所遇到的各种阻力：惯性力f 、粘性阻尼 力f ，、弹性力只、静摩擦力只、干摩擦力c 、重力和工作负载力五，因此 执行元件运动时所克服的阻力为： f = f l 七f u 七f d 七f ；七f c 斗f w f l 在这里，我们将惯性力e 、粘性阻尼力f 、弹