（机械电子工程专业论文）钢管倒棱机电液伺服系统研究与设计.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 钢管倒棱机电液伺服系统研究与设计 专业：机械电子工程 硕士生：张超 指导教师：谷立臣教授 捅斐 倒棱机是一种专用机床，主要用于对钢管端部进行平头及倒棱加工处理。由于钢管倒 棱加工精度依照标准要求越来越严格，所以对倒棱机控制精度、控制水平提出了更高的要 求。本文研究、设计了倒棱机刀盘轴向切削进给的位置闭环电液伺服控制系统，给出了伺 服系统控制算法并根据算法对系统作了模拟，最后设计了电液伺服控制的计算机系统。 根据倒棱机对伺服控制系统的要求，通过分析及与其它控制系统的比较，设计了电液 伺服系统的伺服油缸，确定了电液伺服系统控制及反馈元件性能参数，最后建立了位置控 制闭环反馈系统的各个环节数学模型，并在此基础上绘出了伺服系统传递函数框图。 设计了电液伺服系统数字p i d 控制器。通过程序设计、数值计算和系统仿真，对该伺 服系统动态响应特性、系统误差作了分析。针对伺服控制器，讨论了几种先进数字p i d 控 制策略及其算法，并对算法作了仿真以验证其性能。 从硬件和软件方面构建了计算机系统来完成对伺服系统的控制。讨论了在w i n d o w s 操 作环境下，计算机控制系统的软件编程实现方法。 关键词：倒棱机电液伺服系统p i d 控制仿真 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t & a p p r o a c ho ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v os y s t e mf o rc h a m f e r i n gm a c h i n e s s p e c i a l i t y ： m e c h a t r o n i c s p o s t g r a d u a t e ：z h a n gc h a o i n s t r u c t o r ：p r o f g ul i c h e n a b s t r a c t t h ec h a m f o f i n gm a c h i n ei sak i n do fs p e c i a lm a c h i n et h a tm a i n l yu s e dt oc h a m f e rt h e e n do fp i p e & t u b e b e c a u s eo ft h em o r ea n dm o r eh i g h e rc h a m f e r i n gp r e c i s i o nt h ep i p e & t u b ed e m a n d ，t h eh i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o na n dc o n t r o ll e v e lt h ec h a m f e r i n gm a c h i n e sm u s t r e a c h i i lt h i sp a p e r , ak i n do fp o s i t i o n - a d j u s t i n gs e r v os y s t e mw a sa p p r o a c h e d a c c o r d i n gt o t h es y s t e m ，i t sa r i t h m e t i cw a so f f e r e da n dt h es i m u l a t i o nw a sm a d e ，n n a i l y ，c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e ma p p l i e df o ri t sc o n t r o lw a sd e s i g n e d b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i n gw i t ho t h e rk i n do fc o n t r o ls y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d s o ft h es e r v os y s t e mf o r t h ec h a i n 【f o r i n gm a c h i n e s ，t h es e r v oc y l i n d e ro ft h es y s t e mw a s d e s i g n e d ，t h ep a r a m e t e r so ft h eo p p o n e n t st h a tw a su s e df o rc o n t r o la n df e e d b a c ki nt h e s y s t e mw a sc a l c u l a t e d f i n a l l y ，t h em a t h e m a t i c gm o d e lo ft h ep o s i t i o n f e e d b a c ks y s t e mw a s e s t a b l i s h e d ，a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h es i m u l a t i o nf l a m ew a sp r o v i d e d n e x t ，t h es e r v os y s t e m sp i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d b yp r o g r a m m i n g 、c a l c u l a t i n g 、 s i m u l a t i o n ，a n a l y s i s ，c h a r a c t e ro f t h es y s t e ma n di t sp e r f o r m a n c ei nf r e q u e n c yf i l e da n dt i m e f i l e d 、d i f f e r e n c eo ft h es y s t e mw a sa n a l y s i s e d a st ot h ec o n t r o l l e r , t h ep a p e rd i s c u s s e d s e v e r a lk i n d so fa d v a n c e dd i g i t a lp dc o n t r o lm e t h o da sw e l la st h er u l e sa n d e v a l u a t i o n b y s i m u l a t i o n ，t h ef u n c t i o no fr u l e sa n de v a l u a t i o no ft h ea d v a n c e dp i dc o n t r o l l e rw a s v e r i f i c a t e d c o n s t r u c tt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i ti su s e dt oc o n t r o lt h e s e r v os y s t e m b yu s i n gw i n d o w sa st h eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h em e t h o do ft h ec o m p u t e r s s o f t w a r ep r o g r a m m i n gw a sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：c h a m f e r i n gm a c h i n ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m p i dc o n t r o l s i m u l a t i o n t h e s i st y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：知。登6 瑚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：3 气包导师签名彦争乃日期：柳莎刁 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 精整是钢管生产线的最后工序，其生产设备及工艺水平直接关系到产品的最终质量。 倒棱机是钢管精整线中不可缺少的深加工设备，它属于一种专用机床，主要用于对钢管( 无 缝钢管、直缝焊管及螺旋焊管) 进行管端倒坡口，平端面、去毛刺加工。目前国内大多数 无缝钢管及焊管生产线都配备了钢管倒棱机。 1 1 国内外目前技术发展现状 钢管可分为焊接管和无缝钢管，不同类型钢管对倒棱机要求也有区别。 ( 1 ) 焊管钢管倒棱机 焊接钢管主要分为螺旋焊管、直缝焊管。受焊缝的影响，焊接钢管倒棱时经常出现“崩 刀”现象，且由于生产率较低，对端面倒棱要求不严格，所以焊管倒棱机普遍装机水平较 低。在焊管倒棱机中刀具旋转主传般由电机、齿轮变速箱组成，刀具进给由普通液压缸 推进或普通电机带动丝杠实现。许多私营企业、民营企业以及乡镇企业甚至采用人工方式 对内焊缝进行打磨及倒棱处理。水平较高的倒棱机只是把的主传动改为变频电机传动，进 给控制由一般的节流阎单元结合液压缸型式改为比例阎元结合液压缸滑动导轨型式或由 普通电机带动减速箱进给改为变频调速电机带滚珠丝杠进给。 国外生产焊管钢管倒棱机的代表生产企业有日本日下部、德国a e 公司，国内生产厂家较 多，焊管倒棱机机型种类也相应较多，但主要是中1 4 0 以下倒棱机为主，装机水平普遍较低； 较大规格的焊管生产线，如d ) 4 0 6 、0 5 0 8 及中6 1 0 倒棱机主要采用国外设备或技术。 随着焊管向着大口径方向的发展( 如宝山钢铁公司的1 4 2 0 e r w 直缝焊管生产线) ，钢管 内、外表面焊缝焊渣清除设备技术日趋成熟，焊管生产线也需要装备高水平的自动化钢管 倒棱机。 ( 2 ) 无缝钢管倒棱机 无缝钢管由于壁厚与直径比值较大，且壁厚不均匀，生产率要求高等特点，倒棱加工 时尤其需要解决因壁厚不均而引起的钝边尺寸不均匀等钝边质量问题。 目前国内许多中小型无缝钢管厂尚无倒棱机，而大中型无缝钢管厂大都配置了进口倒棱 机，如宝钢从美国p m c 公司引进的中1 4 0 倒棱机，天津无缝钢管公司从美国p m c 公司引进 的中2 7 3 倒棱机，衡阳华菱钢管有限公司从德国r e i k aw e r k 公司进口的中1 3 3 倒棱机等。 在这些引进的倒棱机中，主轴箱及刀盘进行切削加工时轴向进给导轨轴承都采用带有预 紧系统的滚柱直线轴承，保证切削时系统稳定，承载能力大。不同的是美国p m c 公司的倒棱 机进给采用了液压伺服系统来实现，德国的倒棱机进给采用了电机伺服系统来现实。在电 气控制方面，这些高控制水平的倒棱机普遍采用计算机控制，并与可编程控制器p l c 通过 西安建筑科技大学硕士学位论文 通讯形成机、电、液一体化自动化网络控制系统。 1 2 课题背景及来源 近年来，随着国内石油、机械等行业的快速发展，无缝钢管需求量大幅增加，尤其是 大口径、高钢级、高精度的无缝钢管具有更高的附加值。出于产品质量的考虑，国内许多 无缝管生产厂新建的钢管生产线，尤其是大型无缝管生产线，则要求倒棱机系统具备良好 的稳定性、高进给精度、高自动化程度及快的生产节奏，经过倒棱后的管材须端面光滑、 平整，符合a p i 、d i n 、a n s i 等国际标准的要求。所以高控制精度、高控制水平及高生产 率已成为该类设备的发展趋势。 我国钢管倒棱机经过近二十年的发展，己逐步由单一机型的低技术水平向多机型的方 向过渡，但整体控制水平及精度与国外有较大的差距，在生产中难以满足要求，尤其是坡 口尺寸达不到a p i 等国际标准的要求。虽然国内众多无缝钢管厂对高精度钢管倒棱设备需 求迫切，但国外进口设备价格很高，而且对使用的电液伺服控制系统技术保密，给用户产 品更新、设备维护带来很大不便。因此开发高精度钢管倒棱设备具有广阔的市场前景及较 大社会价值。 钢管倒棱机是集机械、电气、液压、传动、控制于一体的复杂设备。其旋转的切削刀 具固定在刀盘上，刀盘及旋转主轴箱、电机固定在一起，由进给机构驱动沿轴向进给从而 完成对钢管的平端面及倒棱加工。轴向进给机构在进给切削时工作的稳定性、进给位置控 制的精度直接影响着钢管端面质量、刀具使用寿命及生产率，从而决定了整个钢管倒棱机 的装机水平，因此轴向进给机构的控制是高精度钢管倒棱机设备需要解决的核心问题。我 国目前生产及使用的倒棱设备的轴向进给机构普遍采用普通液压缸或电机减速机驱动，属 于开环控制，控制精度低，稳定性差。本课题主要针对国内某钢管厂对高水平钢管倒棱机 的要求，研究开发其核心的轴向进给机构电液伺服控制系统，并根据伺服系统的控制要求 建立伺服控制的计算机系统。 l - 3 研究内容及意义 本课题主要针对国内某钢管厂对高精度钢管倒棱机提出的快节奏( 1 0 根分) 、精定位 ( 0 o s m ) 等技术要求，通过对倒棱机结构及工作原理的分析，参照国际上具有先进技术水 平的该类设备技术特点，研究采用电液伺服系统实现切削刀具的轴向进给，完成刀具沿轴 向的快进一粗进给一精进给一快退等动作。针对该电液伺服系统： ( 1 ) 首先依照系统要求，进行了伺服油缸的设计、确定了伺服阀等元件的设计参数， 完成了倒棱机进给电液伺服系统硬件配置。 ( 2 ) 通过对所研究的电液伺服系统的分析，建立了伺服系统各环节的数学模型，据 西安建筑科技大学硕士学位论文 此给出了系统的传递函数，分析了系统中各参数对物理意义极其对系统性能的影响。 ( 3 )根据系统要求通过仿真设计出电液伺服系统的p i d 控制器，完成p i d 参数整定， 分析了p i d 控制起作用下的伺服系统时域及频域性能。 ( 4 )针对计算机控制系统的特点，讨论了几种改进的数字型p i d 控制器的控制算 法，通过仿真对其控制性能做了验证。 ( 5 ) 构建电液伺服系统的计算机控制，完成了系统的硬件构架，给出软件实现方法。 钢管倒棱机轴向进给电液伺服控制系统的研究及伺服控制的计算机控制系统构建是 提高倒棱机技术性能的关键。国内对倒棱机轴向进给电液伺服系统研究几乎是空白，随着 市场对高精度钢管倒棱设备需求的增加，该研究具有重要的应用价值及广阔的市场前景。 1 4 小结 首先介绍了倒棱机国内外目前的发展状况及特点，针对使用中的问题提出了课题背景 及来源，最后阐述了课题研究的主要内容及意义。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第2 章钢管倒棱机电液伺服系统的设计 钢管倒棱机是集机械、电气、液压、传动、控制于一体的钢管精整加工设备。倒棱机 的切削加工精度、控制水平是一系列因素综合作用的结果，例如设备加工及安装精度、进 给导轨形式、控制水平等，但刀具进给系统的控制精度无疑是其中最为重要的一个因素， 它直接影响着倒棱机切削加工进给的精度、稳定性及动态响应特性，从而决定了钢管端面 质量、刀具使用寿命、生产率及整个钢管倒棱机的装机水平。因此刀具轴向进给机构的控 制是钢管倒棱机的核心技术。 2 1 钢管倒棱机的工作原理及工作过程 钢管倒棱机主机主要由刀盘旋转驱动装置、刀盘进给驱动装置及机架等组成，辅助设 备包括钢管夹紧装置、对齐辊道及管端定位装置、步进输送装置、钢管支撑装置等，另外 还有液压系统、电气系统、润滑系统等。 倒棱工艺过程如下：首先需要加工的钢管由步进输送装置送入第一排对齐传送辊道， 辊道转动将钢管移送到定位装置处定位；然后步进输送装置动作将已定位好的钢管送入辊 道支架，即1 # 倒棱机主轴中心线，接着夹紧装置夹进钢管，此时钢管管端距离切削刀盘具 有一定距离。 主机上的刀盘由交流电机通过齿型皮带驱动旋转，电机、主轴箱及刀盘整体安装在机 头上，机头通过直线轴承( 或滚珠丝杠) 与固定机架连接，可以沿直线方向运动。当需要 切削加工时，机头由与之相刚性联接的液压缸活塞( 或与电机相联接的滚珠丝杠) 驱动沿 轴向进给，完成钢管的管端切削加工。 完成一端加工的钢管再由步进输送装置送入与第一排作反向旋转的下排对齐传送 辊道，对钢管另一端进行定位，依照以上工序由2 # 倒棱机完成钢管另一端的切削加工。 1 1 # 倒棱机2 管端定位装置3 步进输送装置4 、 5 对齐辊道 6 夹紧装置7 钢管支撑装置8 2 # 倒棱机 图2 1 倒棱机工作原理图 4 闯 8 硼 ，伊睁虫：o剖 矧 l剥吲嘲川 西安建筑科技大学硕士学位论文 由钢管倒棱机的工作原理和工作过程可知，机头及旋转刀具轴向进给位置的控制精度 直接影响着所加工钢管的坡口尺寸精度。钢管倒棱机进给驱动有以下几种方式： ( 1 ) 采用普通液压缸进给或变频调速电机通过滚珠丝杠带动机头及刀盘进给。这种方 式为开环控制，控制精度低，稳定性差，但系统简单，造价低，易于维护。 ( 2 ) 采用伺服控制系统。根据管端加工要求，倒棱机进给伺服系统主要为位置伺服控 制系统，通过伺服系统参数的调节保证管端加工的尺寸精度。倒棱机进给位置伺服控制系 统的组成如图2 2 。 出 图2 2 倒棱机进给位置伺服控制系统 倒棱机根据进给位置伺服系统常用驱动装置的不同可分为电液伺服系统和电机伺服 系统。电液伺服系统具有结构紧凑、系统快速性好，响应快，伺服系统抗负载刚度大，低 速稳定性好等优点，并且伺服系统可以与计算机相结合，具有很大的灵活性和适应性。美 国p m c 公司的倒棱机就采用电液伺服系统控制刀盘轴向进给。图2 3 为由电液伺服系统控 制刀盘进给的钢管倒棱机主机结构图。 1 一伺服液压缸2 _ 旋转电机3 一机头及刀盘 4 一钢管 5 一底座 图2 3 由电液伺服系统控制进给的钢管倒棱机主机结构 西安建筑科技大学硕士学位论文 电机伺服系统由于其易于维护，远距离传输方便，噪音低等优点应用越来越广泛。伺 服电机分为直流电机和交流电机。广泛使用的直流调速系统有两类：可控硅( s r c ) 调速系 统和大功率晶体管脉宽调速( p _ l i m ) 系统。直流伺服电动机驱动器多采用p w m 伺服驱动器， 具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，所以应用较多。到 了7 0 年代末期交流伺服系统开始发展并逐步实用化，交流伺服电机可靠性最高，造价低， 基本不需要维护，随着控制技术的成熟，交流伺服电机正在逐步取代直流伺服电机。在国 外，德国r e i k aw e r k 公司的倒棱机采用电机伺服系统控制刀盘轴向进给。 2 2 钢管倒棱机伺服控制系统的要求 本文主要针对某钢管倒棱机的控制要求设计其刀盘轴向进给伺服控制系统。该伺服控 制系统在某种钢管加工批号、刀具的参数确定后要求： 位置控制精度：0 0 5 m m系统频宽：5 h z 最高速度：l o o m m s 最低速度：o 1 m m s 切削最大轴向负载：2 0 0 0 0 n 伺服缸最大行程：l o o m m 空载时液压缸及刀架等负载的重量：2 0 0 0 k g 幅值裕量：l o d b 相位裕量： 1 6 0 。 倒棱机伺服控制系统在完成伺服控制功能的同时，还要求能对伺服系统实施实时监 控、具有工艺参数的设定、参数存储、故障报警等功能，能与车间以太网之间的进行通讯、 数据传输、参数确认。 根据上述倒棱机的控制要求并结合其工作原理，考虑伺服电机系统造价相对昂贵，并 参考国外同类装置的控制方式和有关液压伺服控制系统的资料分析，选用典型的阀控缸位 置伺服控制系统来满足伺服控制设计要求。实现液压伺服系统控制方案的原理如图2 4 。 图2 4 倒棱机液压伺服控制系统原理图 液压伺服系统采用计算机控制。用一台计算机作为控制器完成数据采集卡数据采集、 控制信号输出：在w i n d o w s 平台下，用v c + + 实现控制算法的编程。另外设置一台上位机， 通过伺服控制器与上位机的数据交换在上位机上进行工艺参数设定、监控、过程数据的显 西安建筑科技大学硕士学位论文 示功能等。 2 3 液压伺服控制系统 液压伺服控制系统是在液压传动和自动控制理论基础上建立起来的液体自动控制系 统，是以液压动力元件为驱动装置组成的反馈控制系统。在这种系统中液压执行元件的运 动，也就是系统的输出量( 机构位移、速度、加速度或力) 能够自动、快速而准确地复现输 入量的变化规律。 凡是采用液压伺服元件和液压执行元件，根据液压传动原理建立起来的伺服系统，都 叫做液压伺服控制系统。 2 3 1 液压伺服控制系统的发展 液压伺服系统是一门新兴的科学技术，直到2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代以后才逐渐发 展起来。它不但是液压技术的一个重要分支，而且也是控制领域的一个重要组成部分。 早在第一次世界大战前，液压伺服控制已作为操舵装置开始应用于海军中。到第二次 世界大战期间及以后，由于军事的刺激，自动控制特别是武器和飞行器控制系统的研究得 到进一步的发展。随后液压伺服控制因响应快、精度高、功率一重量比大等特点而受到特 别的重视并得以迅速发展。近几十年，由于整个工业技术，尤其是军事和航空航天技术的 发展，使这门技术无论在元件和系统方面，还是在理论与应用方面都日趋成熟、完善。 机械液压伺服控制出现较早，它是阀控式液压伺服系统的一种，结构简单、工作可靠、 易于维护。4 0 年代，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。由于伺服电机时间常数较大，限制了电液伺服系统的响应速度。5 0 年 代初，出现了快速响应的永磁力矩马达，它是一个电气一机械转换装置，力矩马达与滑阎 结合，形成了电液伺服阀。5 0 年代末，又出现了力矩马达、喷嘴挡板阀、滑阀组成两级的 电液伺服阀，进一步提高了电液伺服阀的快速性。6 0 年代，各种结构的电液伺服阀相继出 现，其性能也日趋完善。相应电液转换装置的发展，带有蓉反应的伺服阀电液伺服控翎 系统，因其性能优越而被广泛应用于飞机的操纵系统、弹道导弹的摇摆发动机控制系统等。 7 0 年代末8 0 年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术为电子技术和液压技术的结合 奠定了基础，大大提高了液压控制系统的功能和完成复杂控制的能力。 现在，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。凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都已经有了应用。在国防工业中， 用于如飞机的操纵系统、导弹的控制系统、雷达跟踪系统等；在一般工业中，用于机床、 轧钢、船舶、铸锻、建筑机械等系统中。 对于直线运动的控制对象，特别是大功率的直线运动对象，液压伺服控制有其独特的 优势。6 0 年代以来，液压伺服控制在冶金工业中得到广泛的应用，它也成为衡量冶金设备 是否先进的一个重要标志。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 3 2 液压伺服控制系统的组成及特点 液压伺服控制系统是将输入信号( 一般为机械位移或电压) 与被控装置的反馈信号进 行比较，将其差值传递给控制装置，以变更液压执行元件的输入压力或流量，使被控对象 向着减小信号偏差的方向动作。液压伺服控制系统由以下一些基本元件组成： ( 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。该元 件可以是机械的、电气的、气动的等。如靠模、指令电位器或计算机等。 ( 2 ) 反馈测量元件测量系统输出并转换为反馈信号。各种传感器常作为反馈测量元 件。 ( 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。 ( 4 ) 放大转换元件将偏差信号放大，转换成液压信号( 流量或压力) 。如伺服放大器、 电液伺服阀等。 ( 5 ) 液压执行元件产生调节动作加于控制对象上实现调节任务。如液压缸和液压马 达等。 ( 6 ) 控制对象被控制的机器或物体，如工作台及其它负载。 ( 7 ) 其它元件如供液压介质的液压能源装置及改善系统性能的矫正装置，以及其他 辅助装置。液压伺服控制系统组成如图所示： 图2 5 液压伺服控制系统组成 根据液压伺服控制系统工作原理，其具有下列基本特点： ( 1 ) 输出量能够自动地跟随输入量变化规律而变化，所以，液压伺服系统是一个自动 跟踪系统( 或随动系统) 。 ( 2 ) 当系统输入信号与被控装置的反馈信号不存在偏差时，控制滑阀处于零位，从而 系统的控制对象处于静止状态，要使系统有输出信号，首先必须保证控制滑阀具有一个开 口量。因此系统的输出信号和输入信号之间存在偏差是液压伺服系统工作的必要条件，也 可以说液压伺服系统是靠偏差信号进行工作的，即液压伺服系统是一个有差系统。 ( 3 ) 输出信号之所以能够自动复现输入信号的变化，是因为控制阀体、液压缸与测量 元件共同构成了一个反馈控制回路。所以，液压伺服系统是一个反馈系统。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 移动滑阀所需信号功率是很小的，而系统的输出功率( 液压缸的输出速度和力) 却 可以很大，故液压伺服系统是一个功率( 或力) 放大系统。 2 3 3 液压伺服控制的优缺点 液压伺服系统因其自身特点，与其它类型的伺服系统相比具有以下的优点： ( 1 ) 液压元件的功率一重量比和力矩一惯性比( 或力一质量比) 大。液压元件受功率损耗所 产生热量的限制较小，它的主要尺寸主要取决于最大工作压力。由于最大工作压力可以很 高( 目前一般可达3 2 m p a ) ，所以液压元件体积小、重量轻，而输出力或力矩却很大，可以 组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好的伺服系统，对于中、大功率的伺服系统，这 一优点更为突出。但是，同样在电气元件中，由于受有效磁通密度和功率损耗所产生的热 量( 与电流有关) 的限制，电器元件结构尺寸较大。例如，轴向柱塞泵每千瓦功率重量只有 0 1 5 0 2 k g ，而直流电机为1 5 - 2 k g ，前者仅为后者的1 0 2 0 ，前者尺寸仅为后者的1 2 - 1 3 。 液压装置的重量与功率比约为1 5 k g k w ，电气装置约为7 k g k w 。 ( 2 ) 液压动力元件快速性好，系统响应快。由于液压元件的功率一重量比和力矩一喷性 比( 或力一质量比) 大，所以加速能力强，液压传动与控制可在高速状态下起动、制动和换 向。例如电动机转动部件的惯量可达其输出转矩的5 0 ，而液压马达则不大于5 ，即加速 同等功率的液压马达所需时间只有电动机的1 1 0 左右。另外，由于液压系统中油液体积 弹性模量大，由油液压缩形成的液压弹簧刚度很大，而液压动力元件的惯量又比较小，故 由液压弹簧刚度和负载惯量耦合成的液压固有频率很高，系统的响应速度快。 ( 3 ) 液压伺服系统抗负载刚度大。由于液压系统固有频率高，允许液压伺服系统特别 是电液伺服系统有较大的开环放大系数，因此系统可获得较高的控制精度和响应速度。而 且由于液压系统中油液压缩性很小，同时泄漏小，故液压动力元件的速度刚度大，组成闭 环系统时其位置刚度也大。例如电动机的开环速度刚度约为液压马达的1 5 ，电动机的位 置刚度接近于零，在轧机中液压压下系统单侧压下力为1 1 0 l 1x1 0 n ，运动部件重量达 l 1 0 5 k g ，系统频宽可达1 5 h z ，运动加速度为电动压下的1 0 0 倍，板材成品厚差可控制在 1pm 内，而电动压下只能控制在( 1 0 2 0 ) l l m 。 另外，液压伺服系统还具有其它优点：液压元件润滑性好，寿命长；调速范围宽、低 速稳定性好；能量存储方便；过载保护容易；液压执行元件适应性强，可实现直线式和旋 转式运动的速度、位置和力控制。 液压伺服系统体积小、重量轻、控制精度高、响应速度快等优点对伺服系统是极其重 要的。液压伺服系统同时还存在缺点： ( 1 ) 液压元件，特别是精密液压控制元件抗污染能力差。多工作油液的清洁度要求高。 因此液压伺服系统必须采用精细过滤器。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 油液的体积弹性模量随油温和混入的空气含量而变化，对系统性能影响较大。 ( 3 ) 液压元件制造精度要求高，液压系统成本高。 ( 4 ) 液压能源的获得和远距离传输都不如电气系统方便。 2 3 4 液压伺服控制的分类 液压伺服控制系统可按不同的原则分类： ( 1 ) 按控制系统中信号传递介质分类 机液伺服系统系统中的输出、输入和反馈信号都是机械量的信号，其结构简单、 工作可靠、维护简便，但系统的矫正和调整不方便。如机床中的仿形刀架系统 电液伺服系统系统中的输入、比较和反馈信号都是电信号。由小功率电信号为 输入，以大功率的液压信号为输出，去拖动机械装置产生所要求位置、速度和力构成机电 液一体化闭环控制系统。 由于电液伺服系统中，电液的结合发挥了各自的优点，即电气检测元件检测信号简便、 快速、多样：电气信号便于测量、转换、放大、处理、校正；液压功率输出大、速度快、 惯性小，所以它具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑、 重量轻等优点，从而使电液伺服系统具有很大的灵活性和广泛的适应性，在大负载、高响 应速度的场合得到广泛应用。电液伺服系统与计算机相结合，可以充分的运用计算机的信 息处理能力，使系统具有更复杂的功能和更广泛的适应性。 气液伺服系统系统中的信号输入、检测及放大都采用气动元件完成。气动元件 工作可靠、可在恶略环境下( 高温、震动等) 工作，且结构简单，不污染环境。 ( 2 ) 按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类 节流式( 阀控式) 伺服系统利用伺服阀开口的变化来控制执行元件的速度和出力 的大小，其优点是控制精度高、响应速度快，但是效率低，在快速、高精度的中、小功率 伺服系统中应用广泛。阀控系统根据液压能源的形式不同又可分为恒压伺服系统和恒流伺 服系统。在恒压伺服系统中，液压能源以恒定的压力向系统供油；在恒流伺服系统中，液 压能源以恒定的流量向系统供油。恒流伺服系统结构简单、价格便宜、效率相对高，但阀 的线性度差，一般性能不如恒压伺服系统，所以恒压伺服系统应用较多，恒流伺服系统只 用在系统性能要求不高的场合。 容积式伺服系统利用伺服变量泵或伺服变量马达的容积变化来控制执行元件速 度，其优点是效率高、刚度大，但响应速度慢、控制精度低、结构复杂。容积式伺服系统 适用于大功率雨对响应速度要求不高的场合。 ( 3 ) 按被控物理量分类 位置伺服系统如带材轧钢机的液压压下的辊缝控制： 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 速度伺服系统如发电机的控制； 力伺服系统如材料试验机控制。 2 4 倒棱机电液伺服系统的设计 由以上分析可知倒棱机刀具轴向进给控制系统为位置控制、节流式、电液伺服控制系 统。伺服系统设计主要包括液压能源设计、动力元件参数选择、位移传感器选择等。 2 4 1 液压能源设计 在液压伺服系统中，由于伺服阀和液压缸对油源的晶质和油源压力的稳定性有严格的 要求，所以对液压能源设计也有特殊要求。 油源压力的波动来自负载流量的变化、油泵输出流量的脉动和系统调压阀工作不稳定 等因素“”。油源压力波动将影响伺服系统各项系数的变化，从而影响系统的动态品质和 稳态精度。倒棱机伺服系统中采用恒压式变量泵一蓄能器恒压式能源。其中恒压变量泵由 变量泵和调节器组成，系统的压力由压力调节器调定。当系统所需流量发生变化时，系统 的压力则产生波动。压力的波动使压力调节器推动泵斜盘变位，从而改变泵的输出，维持 系统压力恒定。另外，在系统中设有皮囊式蓄能器以吸收油源的压力脉动和弥补泵流量的 不足，提高系统的响应速度。 油源系统油液污染等级应达到i s 0 4 4 0 6 标准的2 0 1 8 ，相当于美宇航局n a s l 6 3 85 6 级。所以在油源系统中设置两级过滤，伺服阀进口处设置精过滤器，过滤器精度要求小于 5 u m 。系统中采用加压油箱( 1 5 x 1 0 5 ) 防止空气混入。为了防止油温变化过大，使伺服阀 的零漂加大影响系统性能，用电加热器和水冷却系统保证又稳控制在3 5 。4 5 。之间。 对于供油压力，当液压系统供油压力较高时，在相同的功率条件下，液压缸面积较小， 因而液压源的容积小，设备结构紧凑。同时由于容腔的体积减小，混入油中的气体量也减 少，使系统的有效体积弹性模量提高( b 包括液体、混入油中的空气以及缸体、管道的机 械柔度，8 。理论值为1 4 0 0 0 1 0 5 n r a 2 ，油液工作过程中有气体混入使b 。降低，一般取7 0 0 0 1 0 5n m 2 。) ，有利于提高液体固有频率。但是随着压力的提高，受材料强度的限制，液 压元件的尺寸和重量随之增大，加工精度及系统的造价相应提高。同时高压下泄漏和发热 量增加，系统的功率损失、元件的噪音加大，维护要求提高。因此在条件允许睛况下，通 常选择较低的供油压力。一般工业的伺服系统中，供油压力等级为2 5 1 4 m p a 。初步选定 倒棱机电液伺服系统油源压力p s = l om p a 。 2 4 2 伺服控制系统动力元件参数设计及选择 液压动力元件是由液压控制元件( 液压放大元件) 和液压执行元件组成的。在本系统 中液压控制元件为液压伺服阀，液压执行元件指液压伺服缸。 1 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 伺服液压缸的设计计算 伺服液压缸是液压伺服系统的执行元件，一般须根据工艺要求、计算结果、设备结构 尺寸等因素进行非标设计。伺服缸结构及其动态特性直接影响了系统的性能和使用，它同 传统用液压缸在设计上主要有以下区别： ( 1 ) 伺服缸不仅要同普通缸一样满足各部分强度要求，其缸体、活塞杆、缸的固定更 应考虑加大刚度； ( 2 ) 活塞密封要求密封圈动、静摩擦系数相近，而且很小。摩擦力是非线性负载，不 但力的方向与运动相反，而且动、静摩擦力不同。当伺服阀调节液压缸作频繁往复而微量 运动时，如果摩擦力过大，缸由静止到运动，摩擦力突然减小，此时尽管伺服阀阀心未动， 但液压缸仍会发生一次跳动( 爬行) 而偏离平衡位置，系统反向调节液压缸位置时也会出现 同样的情况，由此产生极限振荡。这对于具有弹性负载的系统的稳定性将造成严重的影响， 所以为了获得稳定的控制系统，应尽量减小液压缸的静摩擦力和动摩擦力的差值。 普通缸根据密封与支撑导向形式及压力等级的不同，最低启动压力在0 。1 卿a 0 7 5 m p a 。伺服缸则要求低压启动，通常双向活塞杆的最低启动压力不高于0 2 m p a ，单向 活塞杆的最低启动压力不高于0 i m p a ，而只有密封与支撑导向的低摩擦才能保证无爬行、 无滞涩、高响应及无外泄。现在已有很多专门针对伺服缸成熟的密封产品既可保证低摩擦 又可保证密封效果。另外，活塞杆的有效导向长度应尽量长一些以减少由于液压缸轴向歪 斜产生的附加摩擦力，加工时要保证活塞及缸体尺寸及形位公差在允许范围内。 ( 3 ) 伺服缸设计时，要考虑传感器放置的位置，不必考虑缓冲装置( 由于缸的运行速度 由电气信号控制) ，伺服阀与伺服缸距离愈近愈好，一般伺服阀尽可能就装在缸上。 设计伺服缸时可根据负载特性和负载轨迹确定伺服缸有效面积“瑚。负载力与负载速 度之间的关系称为负载特性。以负载力为横坐标、负载速度为纵坐标所画出的曲线称为负 载轨迹。 由于切削机头运动采用直线导轨轴承，所以轴向摩擦力可以忽略不计。倒棱机轴向负 载受被加工管材材质、壁厚、切削刀具形状等因素影响，由最大负载由切削力的轴向分力 决定。由于各种条件变化比较复杂，所以轴向分力可以认为是一个随机的变量，在伺服缸 进给时，任意速度下都可能出现最大负载力。为了保证系统工作可靠，用切削时的最大轴 向负载2 0 0 0 0 n 来确定负载轨迹，即认为系统只承受恒定的负载力。因此，系统的负载轨 迹图可如图2 6 所示。 由于倒棱机伺服系统的负载轨迹比较简单，所以可以用式f 。= a p 、p 。直接求得动力元 件最佳负载匹配参数。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 6 倒棱机液压伺服系统负载轨迹图 式中：f 。：最大负载力，取f 。= 2 0 0 0 0 n 。：伺服缸有效面积，m 2 p 。：负载压力，对于零开口四边阀输出最大功率时，取p l = 喜a “2 1 所以，伺服缸有效面积a m ”u p l _ i 3 百f m l x = 争器_ 0 0 0 3 m 2 倒棱机负载是单向的，但空间位置并无限制，为了在提高活塞杆刚度同时不提高有效 面积而使伺服阀流量增大，所以伺服缸设计为双出轴活塞式液压缸，且活塞两边面积相等， 活塞运动时两个方向向也具有相同的动态品质。为了提高伺服缸位置检测精度，设计时把 位移传感器安装在液压缸内部直接检测活塞中心的位移。缸体材料选用3 5 c r m o ，活塞杆材 料选用3 5 c r m o ，并且缸体内壁及活塞秆镀铬处理，镀层厚度为2 0um 4 0l lm 。 液压缸的设计计算，一般均按经典的强度公式计算出厚度和直径等尺寸，然后圆整或 套用标准。因此最后结果往往大大超过计算值，偏于安全。所以根据位移传感器结构及伺 服缸的空间位置、密封圈标准系列，取活塞直径d = 1 4 5 m m ，活塞杆直径d = 7 0 m m ，以加强活 塞杆的刚度。则伺服缸有效面积a p ： a p = 万( d 2 一d 2 ) 4 = 3 1 4 ( 1 4 5 2 - 7 0 2 ) 4 = 1 2 6 6 4l l l l n 2 = 0 0 1 2 6 6m 2 缸体壁厚般按厚壁筒强度计算公式计算： s 爿辟鬻一t ( 2 ) 式中：6 缸体壁厚，m ； o 一缸体材料许用应力，p a ， 0 = o - _ _ l 玎 。广一材料抗拉强度极限，p a ，对3 5 c r m o 取o 。= 7 5 0 m p a n 一安全系数，一般取n = 5 ； 西安建筑科技大学硕士学位论文 p 一液压缸最大工作压力，p a ，计算时取p = p 。= 1 0m p a 。 将数值代入上式，得： 6 一0 1 4 5 i ，型旦掣型：坚业兰! 篓一1 | = 0 0 0 4 3 m 2 iv7 5 0 x 1 0 。5 1 3 1 0 1 0 6i 根据结构尺寸，取6 = 2 5 m e 。 活塞及活塞杆密封采用德国l _ 4 e r k e l 伺服油缸用密封圈。伺服缸如图2 7 所示。液压 缸采用螺栓连接的形式，活塞与活塞杆为一体，位移传感器置于活塞内部并设有保护套， 液压缸上留有与伺服阀联结的油孔，以便伺服阀直接装于油缸上，油缸自身固定采用法兰 螺栓连接，加强连接刚性。 液压伺服缸与伺服阀的装配图如图2 7 、2 8 所示。 d 抖抽 l 斟9 | 今：一 冬t 二彰 一。 图2 7 液压伺服缸与伺服阀装配图 厂 刊 如 桫 i 图2 8 液压伺服缸 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 电液伺服阀的选择 电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件，它能够把微小的电信号转换成大 功率的液压能( 流量和压力) 输出，其性能优劣对系统的影响很大。 伺服阀流量设计时应满足伺服系统最大工作速度l o o m m s 的要求，将活塞有效面积和 活塞最大工作速度相乘即为伺服阀输出的流量，根据负载轨迹图，此流量应是最大功率点 的流量：q = ap 【v = 1 2 6 6 4 帆2 xi 0 0 m m s = 7 5 9 8l m i n 系统在最大功率点的最大供油压力p 。，为： p 。f f m a x ! ! ! ! ! 盟；：1 5 8 m e a p l 0 0 1 2 6 6 m 此时伺服阀的压降： p 。= p 。一p 。= i 0 - i 5 8 = 8 4 2m r 考虑阀的泄漏和留有一定余量，通常可取1 5 左右的负载流量储备“。查阅p a r k e r 公 司伺服阀样本，根据压力流量曲线、额定流量下的压降曲线，如图2 9 所示： 图2 9p a r k e eb d 3 0 电液伺服阀压力流量曲线及额定流量下的压降曲线 选用b d 系列伺服阀中的b d 3 0 ，额定流量9 5 l p m ( 阀压降为6 8m p 。时的流量) ，供油压 力9 5 一1 3 3 b a r ，最高额定压力2 1 0 b a r ，电气输入为6 0 i 【l a ( 全流量) 。 b d 3 0 伺服阀为偏转板射流式伺服阀。偏转板射流式伺服阀由力矩马达、偏转板射流放 大器和滑阀组成，如图2 1 0 所示。 西安建筑科技大学硕士学位论文 oapbo 一 2 l 射流盘2 偏转板3 四通阀 图2 1 0 偏转板射流式伺服阀结构 偏转板射流放大器由射流盘、射流盘上压片、射流盘下压片和偏转板组成。在射流盘 下压片上有3 个孑l ，一个孑l 与射流盘供油通道相通，两个小孔一端与射流盘接收孔相通， 另一端通滑阀阀心两端的容腔，偏转板与力矩马达的反馈杆为一体。当线圈通电后衔铁受 一电磁力矩作用，由于衔铁与偏转板固定在起，当衔铁有一偏转角。时，偏转板也相 应的偏转。角，由于偏转板偏离中位，射流接收孔两腔压力不等，距射流孔近的接收孔 压力大，所以使主阀心两端受力不等而产生位移。反馈杆端部小球插在主阀心凹槽内进行 反馈，主阀心的运动使偏转板又向相反方向移动，使得两射流按收孔、射流孔与偏转板大 体对中，阀心两端的压力也大体相同，阀心即停止移动，但阀心已有了开e l 度x 。开口度 与输入信号电流成正比。当阀心有定开口度时就有一定流量输出，在阀腔内侧产生稳态 液流力，于是阀心两端产生较小的压差，此压差是克服使阀心关闭的稳态液流力。同样， 当线圈中的电流消失时，偏转板回到中位，主阀心处于阀套中间，开口度为零，流量为零。 由于偏转板射流