（机械制造及其自动化专业论文）液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究.pdf

摘要 随着世界经济的发展，特别是建筑、家庭装修、包装业的发展，整个世界对 木材的需求量越来越大，而木材的生长速度远远赶不上这一发展的要求。因此充 分利用这些有限的木材资源成为摆在我们面前当务之急的研究课题。 木材旋切机就是充分利用木材的一种很好的绿色加工和制造设备，目前在生 产线上采用的旋切机中，机械式无卡轴旋切机占市场的绝对优势。但是，机械式 木材旋切机有着结构上无法克服的缺点：丝杆机构在工作过程中容易磨损、寿命 短、噪音大、耗电量大等。因此迫切需要一种能够克服上述缺点的旋切机来取而 代之。液压旋切机用油缸代替丝杆机构，具有摩擦力小、噪音小、耗电量小等优 点。基于液压旋切机的优点，本文设计和研制了一种全新的比例控制液压无卡轴 木材旋切机。 本文重点研究液压无卡轴旋切机的控制系统。该系统采用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 为控制器控制旋切机液压系统的进给，用位移传感器检测圆木直径，采用流量控 制技术，提高旋切机的进给精度和工作效率。 本文的主要研究工作： 1 建立液压无卡轴旋切机旋切过程中刀具进给速度与圆木直径的数学模 型，推导出旋切时间的近似计算式。 2 建立液压无卡轴旋切机恒线速旋切的运动轨迹模型，推导出旋切机恒线速 旋切时间的精确计算式，并在此基础上提出了旋切时间简便的近似计算式。 3 设计了液压无卡轴旋切机的液压系统。 4 分析了液压无卡轴旋切机的自动控制系统的组成环节，并对控制系统的 传递函数进行了数学建模及仿真。 5 设计了液压控制系统的控制电路，选择了c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片作为控制系统 的c p u ，并对控制电路进行调试。 6 设计出液压无卡轴旋切机的自动控制系统的软件系统。 关键词：液压无卡轴旋切机；控制系统；单片机 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ew o r l de c o n o m y , p a r t i c u l a r l yt h ed e v e l o p i n go f c o n s t r u c t i o n , d e c o r a t i o n , a n dt h ep a c k a g i n gi n d u s t r y ，t h ew h o l ew o r l dd e m a n df o r t i m b e ri sr a p i d l yg r o w i n g h o w e v e r , t h eg r o w t hr a t eo ft h ef o r e s tc a nn o tc a t c hu pt h e r e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，h o wt om a k ef u l ll l s eo ft h e s el i m i t e dt i m b e rr e s o u r c e si sa n i m p o r t a n tc o r ep r o j e c tf o r 璐 t h ev e n e e rl a t h ei sag o o dg r e e np r o c e s s i n ga n dm a n u f a c t u r i n gm a c h i n e ，w h i c h c a nm a k ef u l lu s eo ft i m b e r a tp r e s e n t , i nt h ev e n b 毙l l a t h e su s e do nt h ep r o d u c t i o n l i n e ，t h em e c h a n i c a ll o g - c o r ev e n e e rl a t h e sa r ct a k e nu pt h eg r e a td e a lo fm a r k e t s h o w e v e r , t h ev e n e e rl a t h eh a ss m a c t u r a lw e a k n e s s e sw h i c ha r ed i 硒c u l tt oo v e r c o m e ： g u i d es c r e wc a ne a s i l yw e a ri nw o r k i n g ，b i gn o i s e ，s h o r tl i f e t i m eo fg u i d es c r e w , t h e p o w e rc o n s u m p t i o ni sl a r g e ，e t c h e n c eav e n e e rl a t h ei su r g e n tn e e d e dt or e p l a c et h e m e c h a n i c a ll o g - c o r ev e n e e rl a t h ed r i v e nb yg u i d es c r e w t h eh y d r a u l i cv e n e e rl a t h e u s ec y l i n d e ri n s t e a do fs c r e wa g e n c i e s ，t h ef r i c t i o ni ss m a l l ；l o wn o i s ea n dp o w e r c o n s u m p t i o n b a s e do nt h ea d v a n t a g eo ft h eh y d r a u l i cv e n rl a t h e ，an o v a lo f h y d r a u l i cv e n e e rl a t h e 丽t hp r o p o r t i o n a lf l o wc o n t r o li sd e s i g n e di nt h i st h e s i s a na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f h y d r a u l i cl o g - c o r ev e n e e rl a t h eb a s e do n c 8 0 51f 0 2 0i ss t u d i e di nt h i st h e s i s c 8 0 51 f 0 2 0c h i pi su s e dt oc o n t r o lt h eh y d r a u l i c s y s t e mf e e d i n g n ed i s p l a c e m e n ts e n s o ri su s e dt om e 粼t h ed i a m e t e ro ft h er o u n d l o g 1 f 1 圮e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t a t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nt h e l o g - c o r ev e n e e rl a t h e ；t h ep r e c i s i o no ft h ew o r k i n gv e n e e r , t h ew o r k i n ge f f i c i e n c y a n dt h el i f e t i m eo ft h el o g - c o r ev e n e e rl a t h ec a nb eh i g h l yi m p r o v e d d r i v e nb y h y d r a u l i cc y l i n d e r si n s t e a do fb yg u i d es c r e w s , t h el i f e t i m eo ft h el o g - c o r ev e n 铯l l a t h ei sl o n g e r , t h en o i s e sa r cl o w e r , t h ep r e c i s i o ni sh i g h e r , a n dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n i sa l s oi m p r o v e d n 砖m a i nr e s e a r c hi ss u m m a r i z e d 髂f o l l o w e d ： 1 t h em a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e nt h ec u t t e r - c a r r i a g ef e e d i n gs p e e da n dt h e d i a m e t e ro ft h el o gi se s t a b l i s h e d , i nt h em e a n t i m e ，t h ea p p r o x i m a t i o nc u t t i n g t i m ef o r m u l ai sa l s od e r i v e d 2 m o v i n gl o c u sm o d e lo fi n v a r i a b l e - s p e e dp e e l i n gi sa l s of o u n d e d ；p r e c i s i o n c a l c u l a t i n gf o r m u l ao fi n v a r i a b l e s p e e dp e e l i n gi sd e d u c e d i nt h es a m et i m e ， t h es i m p l i f i c a t i o nc u t t i n g - s p e e df o r m u l ai sa l s od e r i v e d 3 t h eh y d r a u l i cs y s t e mo f t h ev 自跚l a t h ei sd e s i g n e d 4 c o m p o n e n t so fc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h e t r a n s f e rf u n c t i o n , m a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o n t r o ls y s t e mi sf o u n d e da n ds i m u l i t a e d 5 t h ec o n t r o lc i r c u i tb o a r d sa d e s i g n e d t h eh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e db a s e do nc 8 0 5 1f 0 2 0c h i p ，a n dt h ec i r c u i tb o a r d sa r ew e l d e d t h e a u t h o rd e b u g so nt h ec i r c u i tb o a r d s ，a n di th a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l s 6 t h es o r w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi sc o m p i l e d k e y w o r d s ：h y d r a u l i cl o g c o r ev e n e e rl a t h e ；c o n t r o ls y s t e m ；s i n g l ec h i pc o m p u t e r , 第一章绪论 第一章绪论 1 1 单板旋切机的技术与发展 随着世界经济的发展，特别是建筑、家庭装修、包装业的发展，整个世界对 木材的需求量越来越大，而木材的生长速度远远赶不上这一发展的要求。因此充 分利用这些有限的木材资源成为摆在我们面前当务之急的研究课题。 近年来，我国胶合板工业的发展速度很快，胶合板的产量和品种日益增多， 需求量越来越大。目前，我国胶合板在整个人造板年产量中占4 6 6 ，年产量 达9 0 0 万膨3 【。 旋切是单板和胶合板生产的一个重要工序，在很大程度上决定了单板和胶合 板的质量。旋切机是胶合板生产中的关键设备。 目前，国内外研制的旋切机主要有机械单卡轴旋切机、液压双卡轴旋切机、 液压单卡轴旋切机、无卡轴旋切机、外圆驱动旋切机。机械式单卡轴旋切剩余木 芯的直径为1 5 0 r a m 左右，在全国的许多刨板厂，几乎都使用机械式旋切机，生 产效率低下。液压双卡轴结构复杂，成本高，剩余木芯直径约为1 0 0 m m ，同样 不能充分利用木材。无卡轴旋切机显著地减小了剩余木芯的直径，大大提高了圆 木的利用率，从而具有良好的经济和社会效益。而国外的外圆驱动旋切机虽然具 有高性能，提高了圆木的利用率，但价高昂贵。目前旋切机主要的发展方向是提 高无卡轴旋切机的整体性能。 国产无卡轴旋切机的质量与国外的差距也越来越小。随着我国加入w t o ， 国外的先进技术和设备会不断涌入，加速了我国旋切机的发展。无卡轴旋切机发 展趋势为： ( 1 ) 高新技术的应用，使无卡轴旋切机向高精度、高生产率方向发展 无论数控加工技术还是计算机技术的应用，都预示着高新科技正在向各个领 域渗透，无卡轴旋切机将向自动化方向发展。另外，电子技术、纳米技术等技术 也一定能在旋切机上得到应用。 在单板旋切过程中，可以根据木材及生产需求，预先设定各种技术参数【2 】， 从而控制整个单板的生产过程，大大降低了劳动强度，提高了生产率和产品质量。 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 ( 2 ) 提高单板出板率 要想提高单板出板率，减小剩余木芯直径是一个有效途径。采用无卡轴旋切 机可使木芯直径减小。目前，信阳木工机械股份有限公司研制出的组合刀旋切机 采用巧妙的三刀结构，使木芯最终剩余直径进一步减小，而且单板精度完全符合 国家标准要求。这一设备的研制成功，使国产旋切机性能有了很大提高【3 】。 ( 3 ) 实现绿色环保 木材加工行业的发展，必须遵循两条原则：一是保护环境，二是最大限度地 利用自然资源。因此未来旋切机应按人机工程学的原理设计，产品必须符合环保 要求【4 】。 总之，世界发达国家制材科学技术的主攻方向是提高出材率和成材价值。在 我国，旋切机的研究应朝着提高木材利用率、木材加工精度、生产效率和自动化 方向发展。 1 2 单板旋切机研究的现状及存在的问题 1 2 1 国内旋切机研究的关键问题 我国是一个木材资源非常匮乏的国家。随着木材工业的发展，天然木材资源 严重枯竭，出现了木材长期供不应求的局面。据统计，我国木材年平均产量是6 5 0 0 多万m 3 ，木材的综合利用率仅为6 0 左右，与有些国家相比差距很大，世晃发 达国家木材利用率一般均在8 0 以上，有的国家如瑞典可达9 0 以上。据有关专 家预测，至l j 2 0 1 0 年，我国木材供需缺口仍达6 0 0 多万m 3 嘲。 在如此严竣的形势下，国内单板旋切机研究的关键是提高木材利用率和提高 加工精度，只有这样，才能缓解木材供需的矛盾。 1 2 2 国内单板旋切机的现状 在我国，单板旋切机已有较长的使用历史。1 9 4 9 年建国以来，我国人造板 机械制造业发展经历了一个从无到有，从小到大，从测绘仿制到自行研究的全过 程网近年来，人们已明显意识到森林资源的危困，我国的旋切机研究一直向提 高木材利用率方面发展，已研制出了木材利用率高的旋切机，即无卡轴旋切机。 无卡轴旋切机f 12 0 世纪8 0 年代末问世以来已历经十几载，其间，对无卡轴旋切机 2 第一章绪论 略有一些细微的改进，使其最小旋切直径降低n q , 3 0 m m 左右，大大提高了木材的 利用率，因而具有很好的经济和社会效益。随着无卡轴旋切机的应用越来越多， 已成为胶合板厂必备的设备。 无卡轴旋切机与有卡轴旋切机不同。有卡轴旋切机存在卡心，当圆木的直径 小于卡轴直径时，圆木就无法再旋切，圆木旋切后的剩余木芯直径大于卡轴直径， 一般为7 0 m m 左右阴，浪费木材，卡头直径越大，圆木旋切后的剩余木芯直径 也越大，如果采用卡头直径小，在旋切大直径圆木时，由于圆木和卡头的接触面 太小，圆木承受不了切削所需的扭矩，而使圆木拧芯出现打滑现象嘲；另外当圆 木直径较小时，由于圆木只有两边卡爪支撑，圆木较长，中间刚性较弱，常常发 生让刀和跳刀现象，所以旋切出的单板厚度误差很大，价值很低。因此圆木直径 较小时无法旋切，只好把木心制成木工心板，价值很低，造成圆木的大量浪费， 利用率低。 为了解决此问题，研制开发了无卡轴旋切机，无卡轴旋切机没有卡轴，靠驱 动辊驱动圆木进行旋切。由于没有卡轴，减小了剩余木芯直径，使木材利用率提 高1 0 以上，可把圆木最小直径旋n 4 0 m m 左右 9 1 。 无卡轴旋切机的研制成功使我国的胶合板设备有了较大进步。如北京林业机 械研究所研制成功的无卡轴旋切机，取得了国家实用新型专利，填补了小径木和 木芯旋切单板国内空白。由江西第三机床厂和镇江林机厂生产的无卡轴旋切机， 不仅大量地满足了国内胶合板企业需要，而且还远销东南亚数国。近几十年来， 在科研单位、大专院校、设备生产厂家的共同努力下，消化和吸收了一些日本、 意大利、芬兰等发达国家单板旋切设备的先进技术。例如，信阳木工机械股份有 限公司，从7 0 年代开始在单板旋切设备的开发和研制方面进行着不懈的努力，目 前该公司的单板旋切设备已经系列化，技术水平已接近国外先进水平。我国的有 关科研、设计和高等林业院校等单位，在基础理论研究、性能测试、新产品研制 方面已做了大量工作，促进了旋切机设计水平的提耐1 0 1 1 2 3 国外旋切机研究现状 在工业发达国家单板旋切机的研究已经达到了较高的水平，单板的制造精度 和加工质量越来越好，如国外精密旋切机旋切单板的厚度精度可达0 0 2 r a m 。为 了防止单板的开裂和对旋转圆木的制动，目前一些国家已采用辊子压尺代替传统 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 的平压尺。1 9 7 0 年加拿大进行了游控压尺的试验，该压尺固定安装，压尺架用气 力控制，可作水平移动。据说这种压尺对圆木加压稳定。法国、美国和加拿大试 制了一种振动式旋刀装置，可提高单板质量。日本最近发明一种微调装置，使旋 切精度进一步提高【l l l 。 此外，国外几个主要生产胶合板的国家，在提高旋切速度和提高木材利用率 方面都取得了进展。如意大利安格洛克里莫纳公司制造的s 2 p 8 6 0 、s f 2 0 2 0 等型 号的旋切机是比较先进的，该机带有自动伸缩双卡轴和加压装置，转速一般为2 0 0 3 0 0 r r a i n ，生产效率达7 0 m 3 人；日、加拿大的油压、双卡轴、并带有抗弯 装置的旋切机，转速达3 0 0 r r a i n ；西德、美国、加拿大等国还在旋切机上装有厚 度自动调节装置，可缩短改变厚度的调整时间。为了提高旋切机的生产能力，西 德、美国、加拿大、芬兰、意大利等国的旋切机上，均装有自动伸缩双卡轴和防 止木芯弯曲的加压装置，以及圆木转速自动调节器等，因此可使木芯直径减小。 在理论研究方面，一些国家也取得了很大的进展。如加拿大f i r i n t e k 公司的 c h u n p h 专门研究单板旋切基本理论，f o r i n t e k 公司在单板研究上也有很大的 成就。法国c h u n g 机械加工实验室的m a r c h a l 研究了高密度木材旋切的瞬间 相位交点改进的变化，他们用大量研究试验找出了切削速度和切削角对旋切质量 的影响，并研究了切削力和这些因素的关系。为了探索新的旋切技术，国外正在 研究试验用超声波进行单板旋切【1 1 1 。 1 2 4 我国旋切机研究存在的问题 虽然我国在旋切机产品的开发方面已经具有相当的规模和水平，无卡轴旋切 机研制成功已经大大提高了木材的利用率，但由于起步较晚，在技术先进性方面、 产品质量和可靠性方面，都存在一定问题。由于旋切过程中圆木直径的变化、后 角的变化及切削力的变化等，都造成单板的厚度难以保证，单板厚度不均匀。这 给胶合板表面的精加工渺光) 带来很大困难，即由于板材厚度不均，造成砂削受力 不均匀，使砂光机砂架产生一定的振颤，影响砂光质量( 易产生波度) 。在这种情况 下，若保证胶合板的名义尺寸，旋切机旋切时则必须适当增大单板厚度。这样不 仅浪费了大量珍贵的木材，而且砂光量过大还增加了砂光机的负荷，甚至需要二 次砂光。如何提高无卡轴旋切机的加工精度，特别是砂光前胶合板厚度的均匀性， 现已引起人们极大关注。因此，无卡轴旋切机旋切的单板厚度均匀性的研究是提 4 第一章绪论 高旋切机质量的关键。 1 3 课题研究的目的和意义 目前，绝大多数胶合板生产厂家在单板生产过程中，都是采用定心机械旋切 圆木，从而获得所要求的产品。这种加工方法精度高、质量好。但由于受定心机 构的限制，所旋切圆木的直径约2 0 0 m m 左右时，就无法在定心机械上加工，如 果将剩余的木芯抛弃，显然造成原材料极大的浪费，同时也增加了单板的生产成 本。于是厂家普遍采用了无定心生产机械，即无卡轴旋切机，无卡轴旋切机只需 调整好刀缝间隙无需定位就可以旋切加工，加工后剩余的木芯直径小，提高了木 材的利用率。但无卡轴旋切机也存在一些缺点： ( 1 ) 随着圆木直径的在旋切加工中逐渐减小，控制压尺辊和刀床前进运动 的电机速度也一直在变化，为了保证旋切的单板厚度均匀，要求电机速度的控制 麓 必须精确。目前无卡轴旋切机普遍采用调速电机通过丝杆驱动，工作精度较差； ( 2 ) 加工不同厚度的单板时，必须通过调节齿轮的大小来更改减速比，操 ：。 作不方便； ( 3 ) 加工的单板质量主要依赖于工人操作的熟练程度，加工质量受人为因 素影响不稳定。 譬 无卡轴旋切机驱动刀具进给主要有两种方法：一种是采用调速电机通过丝杆 驱动；一种是采用液压驱动。无卡轴旋切机采用调速电机通过丝杆驱动，寿命低， 噪音大。用液压缸驱动代替丝杆驱动，提高了无卡轴旋切机的寿命，降低了系统 的能耗，噪音小，改善了工人的工作环境。因此，需要推出一种高性能、易操作 的液压无卡轴旋切机的控制系统，以满足用户的迫切需要。 1 4 本论文主要研究的工作 本文的主要研究内容： 1 建立液压无卡轴旋切机旋切过程中刀具进给速度与圆木直径的数学模 型，推导出旋切时间的近似计算式。 2 建立液压无卡轴旋切机恒线速旋切的运动轨迹模型，推导出液压无卡轴 旋切机恒线速旋切时间的精确计算式，并在此基础上提出了旋切时间简便的近似 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 计算式。 3 设计液压无卡轴旋切机的液压系统。 4 建立控制系统传递函数的数学模型并进行系统仿真。 5 设计液压控制系统的控制电路，并对控制电路进行调试。 6 设计液压无卡轴旋切机自动控制系统的控制软件。 6 第二章液压无卡轴旋切机的组成和工作原理 第二章液压无卡轴旋切机的组成和工作原理 2 1 液压无卡轴旋切机机械系统的组成和主要技术参数 液压无卡轴旋切机主要由机座、驱动辊、油缸、刀架、导轨、进刀座、联轴 器和减速器八大部分组成。主要功能是实现对圆木的旋切，从而生产出单板。液 压无卡轴旋切机的三维立体图如图2 1 、图2 2 、图2 3 、图2 4 和图2 5 所示。 主要技术参数： 名称 最大切削直径 切削板厚 切削长度 辊轮直径 辊轮转速 剩余木芯直径 板厚精度 电动机型号 液压无卡轴旋切机 2 0 0 4 0 0 r a m 0 6 - 3 0 r a m ( 0 2 m m 一级) 1 3 0 0 m m o l1 2 t u r n 7 4 r r a i n 三如4 0 m m 板厚lm m 4 - 0 0 3 r a m l m m l ，2 l ， 因此厢，厢口，则( 3 6 ) 式可简化为： 十彳+ k 纠景 又考虑到l n 口) ( 夕2 一口2 ) ，所以式( 3 - 7 ) 可以进一步简化为： r 角兰( 夕2 - - 6 i f 2 ) 4 刀1 ， 将口：堕、：坐代入式( 3 8 ) 得： m刀l ( 3 8 ) 第三章无卡轴旋切机变速进给模型与恒线速旋切运动轨迹模型的建立与研究 f , , , 7 r ( d 0 2 - d k 2 ) 4 m v ( 3 9 ) 式( 3 9 ) 可以作为一般情况下旋切时间的近似计算式。 ( 2 ) 精确时间和近似时间的比较 给定：d o = 3 8 0 r a m ，d k = 5 0 r a m ，m = 2 n a n ，r - - - 4 8 m m ，a - - - 9 7 m m ， n o = 7 4 r p m 圆木的线速度、，= 3 7 1 7 7 6 m m s ，代入式( 3 6 ) ，得t = 1 5 1 7 9 0 6 s ；再将数据代入式 ( 3 9 ) ，得t = - 1 5 1 7 8 9 5 s 。两个的计算结果相比较，绝对误差为0 0 0 1 1 s , 相对误差 0 0 0 0 7 ，e h 此- i 知式( 3 - 9 ) 1 拘计算是准确可靠的，根据上面分析可得，用简单的 近似时间计算公式计算，就足以满足工程需要。 3 4 小结 本文推导出的刀具变速进给模型的理论计算公式，可以用来指导无卡轴旋切 机刀具进给系统的设计；采用近似计算式( 3 9 ) 计算恒线速旋切机的旋切时间，具 有运算快捷、准确可靠等优点，为在恒线速旋切机的设计及单板生产中计算生产 率、生产周期及确定有关的设计参数、工艺参数等，提供了可靠的理论依据和计 算方法。 2 l 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 第四章液压无卡轴旋切机液压系统的设计及 控制系统的传递函数及数学建模 4 1 液压无卡轴旋切机液压系统的设计 1 系统的设计要求 系统属于往复直线运动，长行程，因此系统的执行元件选取活塞式液压缸。旋切 机属于农业机械，根据系统的1 3 0 0 型机械式旋切机的推力估算，最大压力大约为 5 8 8 0 0 n 左右，设计油缸时取最大推力为5 8 8 0 0 n 。 2 确定液压缸的参数 液压缸的运动速度 液压缸带动刀具按照式( 3 1 ) 的速度v 旋切木材。 液压缸的最大工作负载 该系统的液压缸的工作分为三个阶段，点进，工进，点退，液压缸工作阶段 的机械总负载f 在加速阶段，f = 5 8 8 0 0 n 。 考虑到各传动机构损失，计算液压缸的最大推力时，留1 0 余量。设液压缸 的最大推力为，则： k ：- 5 8 = 8 0 万0 ：6 5 3 3 3 n ( 4 - d 一 畹l 一1 0 选取液压缸的工作压力和背压力 根据系统的负载要求，选取系统的工作压力为1 5 m p a 。 再根据液压系统的实际需要，选取系统背压力为2 5 m p a 。 液压缸参数的确定 液压缸的无杆腔为工作腔，根据公式： 4 = 三q 2 ( 4 - 2 ) 鸣= 三( 4 2 嘎2 ) ( 4 - 3 ) m 小老 第四章液压无卡轴旋切机液压系统的设计及控制系统的传递函数及数学模型 式中： a 无杆腔压力1 5 m p a ； 见背压力，背压按2 5 m p a 估取； ，最大负载力，为6 5 3 3 3 n ； 4 无杆腔有效工作面积； 4 有杆腔有效工作面积； 域压缸的机械效率，常取0 9 0 0 9 7 ，在此取= 0 9 0 。 表4 - l 按工作压力选取d d 1 1 3 1 匠作压力as 5 0 5 0 - 7 0 之7 0 d d0 5 o 5 50 6 2 0 7 0o 7 系统的工作压力15 m p a ) 7 m p a ，查表4 - 1 ，4 取0 7 q 。由式( 4 - 2 ) 、式( 4 - 3 ) 、 式( ) 求得q = 0 0 7 5 m ，码= o 0 5 2 5 m 。 因此液压缸的内径取比计算值稍小一些的标准值。所以按g b t 2 3 4 8 1 9 9 3 t 1 4 1 ，液压缸内径取标准值8 0 m m ；按g b - 7 9 3 3 1 9 8 7 t 1 4 1 ，液压缸活塞 杆外径取标准值5 0 m m ；行程为4 0 0 m m 。 由此求得液压缸的实际有效工作面积为： 无杆腔面积 4 = 三4 2 = ；8 0 2 = 5 0 2 4 m m 2 5 1 0 - 3 肌2 ( 4 5 ) 有杆腔面积 4 = 三( q 2 一q 2 ) 2 4 1 6 x s h o x l 0 4 3 5 5 ， 【口】= 万 ：旦 吃 将数据代x 式( 4 - 1 2 ) ，吃为安全系数，通常取2 4 ，有： ( 4 - 1 2 ) 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 d ， 3 5 5 p 1 一一4 ( 4 - 1 3 ) 由式件1 3 ) 得d 3 0 6 2 ( 册) ，活塞杆的直径为5 0 m m ，满足强度要求。 4 拟定液压系统图 图4 2 液压无卡轴旋切机液压系统原理图 4 l 电动机；2 齿轮泵；3 压力表；4 溢流阀；5 三位四通电磁换向阀；6 背压 阀；7 电磁比例流量阀；8 单向阀；9 活塞杆；l o 液压缸；1 1 油箱；1 2 无杆腔； 1 3 有杆腔；1 4 油滤。 液压系统的工作原理如图4 2 所示，在图4 2 中，液压油工作路径如下： 第四章液压无卡轴旋切机液压系统的设计及控制系统的传递函数及数学模型 ( 1 ) 液压缸伸出工作回路：油箱l l 一油滤1 4 _ 齿轮泵2 一单向阀8 一三位四通 电磁换向阀5 右边电磁铁得电一电磁比例流量阀7 调节流量一进入液压缸无杆腔 1 2 _ 活塞杆伸出_ 三位四通电磁换向阀5 一背压阀回油箱1 l ； ( 2 ) 液压缸收缩工作回路：油箱1 l - + 油滤1 4 _ 齿轮泵2 _ 单向阀8 _ 三位四通 电磁换向阀5 左边电磁铁得电- 液压缸有杆腔1 3 一活塞杆收缩_ 电磁比例流量阀 7 全开_ 三位四通电磁换向阀5 一背压阀扣回油箱1 1 。 液压系统采用电磁比例流量阀控制液压缸的运动。由于圆木的线速度与驱动 辊的线速度相同，所以随着圆木被切削，圆木的转速越来越快，要求刀具的进给 速度必须随圆木的转速增大而增大，只有这样才能保证圆木的切削厚度m 不变 在旋切机中，刀具固定机架上，液压缸与刀架固联，所以液压缸前进的速度就是 刀具前进的速度，即电磁比例流量阀控制液压缸前进的速度，从而控制刀架的速 度。因此，本课题的关键之一就是求出电磁比例流量阀的流量与刀具速度的耦 合关系。 在液压控制系统中，采用传感器来检测木材的直径，决定油缸的位置和其始 点的速度，从而适应切割不同大小圆木的要求。采用电磁比例流量阀控制系统的 流量，即进入油缸的流量与输入电流成正比。电磁比例流量阀的输出流量为： 9 = 局f件1 4 ) 式( 4 1 4 ) 中k ，局分别为电压比例系数和比例阀放大增益； i 为电流( a ) 。 液压系统的流量控制是控制系统开发的关键。根据无卡轴旋切机与圆木之间 的运动学可知，要使旋切出的单板厚度均匀，旋切机的液压缸按照图3 1 的变化 规律运行，液压缸的流量控制由式( 4 - 1 4 ) 确定。控制系统的功能就是根据图3 1 的变化规律控制电磁比例流量阀的流量。 5 液压泵的选择 首先根据设计要求和系统工况确定液压泵的类型，然后根据液压泵的最大供 油量来选择液压泵的规格。该系统采用的是齿轮泵。 文确定液压泵的最高供油力p p 该机的执行元件在工作过程中的最大工作压力为1 6 m p a ，取进油路上的压力 损失为0 5 m p a ，则泵的最大工作压力为p 。= 1 6 5 m p a 。 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 无杆腔的压力 儿= 百f = 亏6 5 1 3 0 - j 3 3 = 1 3 0 7 肱阮 液压泵的供油压力取儿= 专砟 所以 砟= 三儿2 主1 3 0 7 _ 1 9 6 1 m p a 液压缸克服最大负载的阀口压降觇= p p 一儿= 1 9 6 1 - 1 3 0 7 = 6 5 4 m p a 。 b 确定液压泵的最大供油量g p 液压泵的最大供油量为： 墨g 嗽 ( 4 - 1 5 ) 式( 4 - 1 5 ) 中毛系统的泄漏修正系数，一般取屯= 1 1 1 3 ； 同时的动作各执行元件所需要流量之和的最大值，对 于工作中始终需要溢流的系统，尚需要加上溢流阀的最小溢 流量，溢流阀的最小溢流量可以取其额定流量的1 0 。 系统有2 个液压缸组成，所以需要的最大流量为 = 2 a = 2 x s x l o - 3 x o 0 3 8 = 3 8 x l o - 4 m 3 s ( 2 2 8 z m i n ) 溢流阀的最小稳定流量为5 1 0 5 朋3 s ( 3 l r a i n ) ： 因此g 眦= 4 3 x 1 0 4 m 3 s ( 2 5 8 l n f i n ) 在此k s 取1 2 ，由式( 4 - 2 ) 可知液压泵的最大供油量g ，不小于 5 1 6 1 0 - 4 朋3 s ( 3 0 9 6 l m i n ) 。 c 选择液压泵的规格型号【1 4 l 选择液压泵的额定流量要大于或等于前面计算所得的液压泵最大输出流量， 并且尽可能接近计算值，以免造成过大的功率损失；所选液压泵的额定压力要大 于或等于前面计算所得的液压泵最大工作压力。在此选取c b 3 2 型液压泵，它 的额定排量3 2 5 m l r ，额定转速为1 4 5 0 r r a i n ，额定压力为l o m p a 。 d 选择驱动液压泵的电动机 驱动液压泵的电动机根据驱动功率和泵的转速来选择。 第四章液压无卡轴旋切机液压系统的设计及控制系统的传递函数及数学模型 回油的时候，液压泵的功率最大，此时泵的输出压力为l o m p a ，流量为 5 1 6 x l o - 4 m 3i s ( 3 0 l n l i n ) ，该机在整个工作循环中液压泵的空循环时间较长， 而且在最大压力和最大流量下工作的时间很短，因此驱动泵的电动机的功率w 为： w = 尸g p = 1 0 m p a x 5 1 6 x l o 。4 m 3 s = 5 1 6 k w ( 4 1 6 ) 式中p 掖压泵额定压力，p a ； g p 液压泵的最大供油量，m 3 s 根据产品规格，在此取三相异步电动机y r l 3 2 m 2 - - 4 型，其额定功率5 5 k w ， 额定转速1 4 34 r j 恤【i 曰 6 液压阀的选择 比例阀的规格主要指阀的额定流量和额定压力，该流量要保证在等效压差下通过 阀口的流量满足执行元件最大速度的要求。 系统的执行元件最大速度发生在加速切割阶段，这时泵的供油压力p 。全部作用 在油缸。 此时，g 矾= 2 a = 2 5 l o - 3 0 0 3 8 = 3 8 x l o - 4 m 3 s ( 2 2 8 l m i n ) 上述流量是阀口压降觇= 丢砟= 9 8 脱p 口时的流量，因此根据系统的流量要求， 选取e f b g - 0 6 型号的比例阀【1 7 1 ，其流量曲线如图4 3 所示。 蚴 2 0 0 c 1 悯 a 毫f b g o i 卜25 0 r 矽 r7 锡 ， 夕 ，j 4 j ， 霉力 i f 羁 _ e =彩髟 卜。 、 ， 4 磊 l 鞠姗瑚4 鞠珊瑚7 5 0 m 图4 3 比例阀输入电流流量特性 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 该液压系统有卸荷要求，并且对启动的平稳性要求较高，为了减小系统对液 压泵的损害，所以选用m 型电磁换向阀，在空载时，液压泵无负载直接回油箱 4 2 控制系统的组成环节 根据系统的工作要求控制系统采用闭环控制方式，以保证控制精度。位置控 制系统结构组成如图4 4 所示。 图4 4 控制系统的基本组成框图 数字控制系统由单片机、比例放大器、比例阀、执行元件、位移传感 器组成。系统用单片机做控制器，位移传感器检测输出的线位移。 4 3 控制系统的数学模型 4 3 1 控系统的开环增益及其组成 闭环控制系统有输出量的检测和反馈，当把反馈输出端断开，则可得到闭环 控制系统从略到吁的开环回路，如图4 5 所示。 图4 5 闭环控制系统回路增益的组成 第四章液压无卡轴旋切机液压系统的设计及控制系统的传递函数及数学模墼 该开环回路对应的开环增益为【8 1 k c = k p k4 k ，k k _ 疋闭环控制开环增益； 巧p d 调节器的增益，其中的比例环节是必不可少的；p i d 调节器的参 数在系统校正后确定，在建模的初步阶段，暂不考虑p i e ) 调节器环节【1 8 1 ； 疋比例放大器的增益； 丘比例阀增益； 执行元件增益，对液压缸通常瓦= l 4 ； 4 掖压缸的有效面积( 所2 ) ； 疋位移尺增益。 4 3 2 控制系统传递函数的数学模型 因为p i d 调节器的参数在系统校正后确定，在建模的初步阶段，暂不考 虑p i e ) 调节器环节，所以闭环控制系统回路增益的组成图可简化为图4 6 。 节。 图4 6 简化后闭环控制系统回路增益的组成 ( 1 ) 比例放大器：由于其转折频率比系统的频宽高得多，故可近似为比例环 ( 2 ) 位移传感器：其频宽比系统频宽高得多，亦可近似为比例环节。 液压无卡轴旋切机控制系统的设计与研究 ( 3 ) 比例阀：根据测试结果，工程上将比例阀视为一个二阶环节传递函数 为【1 q 2 s 2 + 2 妾6 , s 蟛彬 ( 4 - 1 7 ) 式( 4 1 7 ) 中 毛比例阀的流量增益( 聊3 厶么) ；当从产品样本的控制曲线 中计算流量增益时，通常已包括k ，这时对应的量 纲为( 厶y ) 。 比例阀的相频宽位l 哟 瓯比例阀的阻尼比，取值范围为0 5 , - 0 7 。 ( 4 ) 工程上将忽略弹性负载时的执行元件和被控制对象视为一个积分与二 阶环节的组合。传递函数为【1 q 圹浅 件1 8 ) w h 式( 4 - 1 8 ) 中4 l l 掖压缸的有效面积( 朋2 ) ，根据运动方向分别取为4 和以； 瓯堪压缸一负载质量系统的阻尼比，取值范围为0 1 0 2 ； 液压缸一负载质量系统的固有频率【l 羽。 2 ( 4 - 1 9 ) 式( 4 1 9 ) 中层液压油的体积弹性系数( n i m 2 ) ，一般设计计算取 7 0 0 0 xl o s n i m 2 ； 彳有效工作面积( 掰2 ) ； 巧工作腔的容积( 朋3 ) ； 啊包含负载和液压执行元件运动部分的总质量皿g ) e h 以3 = 分析和图4 3 可直接列出控制系统的传递函数框图，如图4 7 所示。 第四章液压无卡轴旋切机液压系统的设计及控制系统的传递函数及数学模型 此图即为采用比例阀的位置控制系统的数学模型。 位移传貉 图4 7 控制系统传递函数方框图( 未加校正) 蝴 图4 7 中 k 比例放大器的增益，由于其转折频率比系统的频宽高 得多，故可视为比例环节； e 垃移传感器的增益，其频宽比系统频宽高得多，可视 由图4 7 可求得系统的开环传递函数为【1 s 1 9 l 卜石一 嵋 ( 4 2 0 ) = z 鬲- - 乏趸磊 j 彤彬 式( 4 - 1 9 ) 中疋闭环系统的开环增益，具有速度的量纲1 3 1 。 k 。= k d k q k 。 氐 已知：活塞直径q = 8 0 r a m ，活塞杆直径西= 5 0 m m 4 = 三d 1 2 = 三8 0 2 - 5 0 2 棚2 5 1 0 搿 婆垦重主塑塑塑垫堡型墨竺箜丝生兰塑壅 液压缸的有效工作面积： 液压缸有效行程： 4 = 4 = 5 x 1 0 。3 ( 朋2 ) 厶= d e 一= 3 8 0 2 5 = 3 5 5 m m 从样本上查得比例阀的相频宽嵋= 6 0 0 ( r a d s ) ，比例阀的阻尼比瓯，取值范围为 0 5 - 4 ) 7 ，取戌= 0 7 液压缸一负载质量系统的阻尼比磊，取值范围为o 1 o 2 ，取暖= o 2 。 液压缸一负载质量系统的固有频率： w h2 比例阀的流量增益： f 4 x 7 0 0 0 x 1 0 5 ( 5 x 1 0 3 ) 2 。y 2 0 0 x 5 x 1 0 - 3x 0 4 f ：导，q ：h 一 巧 一4 一 由第三章可知当d ：3 8 0 m m i 对，速度取最大圪h ，由式( 3 - 1 ) g 知- 可知： = ( + 上, j ( d + d 生y - - a i 卜警 = 1 + 3 8 0 + 9 6 _ _ 9 7 2 x ( 3 8 0 + 9 6 ) 2 - 9 7 o 6 警3 8 0 角2 2 6 7 m m n f l n 3 8 x 1