（机械工程专业论文）多轴电液同步加载平台设计与仿真设计研究.pdf

摘要 液压支架试验台是液压支架性能试验的主要设备，对液压支架的产品定型， 工况考核具有重要的意义；等温锻造液压机是大型锻件生产的关键设备。液压支 架试验台垂直加载平台是液压支架试验台的重要组成部分；等温锻造液压机滑块 调平机构水平度决定着材料加工精度。本文以3 0 m n 液压支架试验台同步加载平 台的设计及其性能的仿真和改进为研究对象，核心问题是设计多轴耦合控制策略 来实现平台精确同步加载，并将控制策略应用于等温锻造液压机滑块调平机构 中。主要研究内容如下： 1 ) 介绍同步加载平台的机械结构组成；分析同步加载平台液压缸连接方式： 提出同步加载平台同步精度要求；提出采用比例阀的闭环主从控制方式的耦合控 制策略。 2 ) 建立基于耦合控制策略的3 0 m n 液压支架试验台同步加载平台液压控制 系统，在a m e s i m 中搭建控制系统模型，仿真结果表明平台同步精度满足要求； 联合a m e s i m 与a d a m s 建立同步加载平台的机械、液压、控制仿真模型，通 过仿真分析研究验证平台驱动方案和耦合调平控制方法的合理性、有效性。 3 ) 将控制策略运用于等温锻造液压机滑块调平系统中，滑块调平精度满足 要求，证明了控制策略具有较好的通用性和偏载适应性，对此类大型平台的同步 驱动控制有一定实用价值。 关键词：同步加载平台虚拟样机电液比例控制耦合调平控制联合仿真 a bs t r a c t h y d r a u l i cs u p p o r t st e s tb e di st h em a i ne q u i p m e n tt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e h y d r a u l i cs u p p o r t ；t h ei s o t h e r m a lf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s si s t h ek e ye q u i p m e n to f l a r g e s c a l ef o r g i n gp r o d u c t i o n s y n c h r o n o u sl o a d i n gp l a t f o r mi s t h ei m p o r t a n tp a r to f h y d r a u l i cs u p p o r t st e s tb e d ；t h ed e g r e eo ft h ei s o t h e r m a lf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s l e v e l i n ga g e n c yd e t e r m i n e st h ep r e c i s i o no fm a t e r i a lp r o c e s s i n g t h i s d i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e dt h ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n di m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c eo f3 0 m n h y d r a u l i cs u p p o r tt e s t e rs y n c h r o n o u sl o a d i n gp l a t f o r m t h ek e yp r o b l e mi s t or e a l i z e p r e c i s es y n c h r o n i z a t i o nl o a d i n go fp l a t f o r m ，a n dc o n t r o ls t r a t e g yi s a l s ou s e di n i s o t h e r m a lf o r g i n gh y d r a u l i cs l i d em e c h a n i s m ；t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 11t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e so ft w os y n c h r o n o u sl o a d i n gp l a t f o r m s a r e i n t r o d u c e d ；t h es t i f f n e s so fh y d r a u l i cs u p p o r ts y n c h r o n o u sl o a d i n gt e s tp l a t f o r ma n d t h ef o r c eo fp i s t o n c y l i n d e r o nt h et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d s y n c h r o n o u sp r e c i s i o ni n d e x e sa r ep r o p o s e d 2 ) t h es t r a t e g yo ft h eh y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e m i nt h e3 0 m nh y d r a u l i c s u p p o r tt e s t e rs y n c h r o n o u sl o a d i n gp l a t f o r mu s i n gp r o p o r t i o n a l v a l v ec l o s e dl o o p c o n t r o lc o u p l i n gm a s t e r - s l a v ec o n t r o lm o d ew a si n t r o d u c e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mm o d e l i sb u i l ti na m e s i m ，a n dt h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ro fd r i v ec y l i n d e rw h i l et h ec o n t r o l s y s t e mi nu n 1 0 a do rl o a dc o n d i t i o n si st e s t e d i no r d e rt om e a s u r ec y l i n d e rf o r c eo f t h ep l a t f o r mu n d e rm o t i o ns t a t ea n dt h ea b i l i t yo fk e e p i n gs y n c h r o n o u sa c c u r a c yo f t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，c o - s i m u l a t i o na n a l y s i si na d a m sa n da m e s i mi s c a r r i e do n c o s i m u l a t i o nv a l i d a t e st h a tc o u p l i n gs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi sr e a s o n a b l e ， e f f e c t i v e 3 ) c o n t r o ls t r a t e g i e si su s e di ni s o t h e r m a lf o r g i n gh y d r a u l i cl e v e l i n gs y s t e m ，a n d t h es l i d e rl e v e l i n ga c c u r a c yi sm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s ，a sar e s u l t ，t h ec o n t r o l s t r a t e g yh a sg o o dv e r s a t i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo fp a r t i a ll o a da n dp r a c t i c a lv a l u ef o r s u c hl a r g e - s c a l es y n c h r o n o u sp l a t f o r ma r ep r o v e d k e yw o r d s ： s y n c h r o n o u sl o a d i n gp l a t f o r m v i r t u a l p r o t o t y p i n g j e 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 l ，c o u p l e dl e v e l i n gc o n t r o l ，c o 。s i m u l a t i o n 1 i 第一章绪论 第一章绪论 虚拟仿真技术、多领域仿真技术及机电液一体化技术都是机械领域近年来兴 起的先进技术，具有突出的优点，机电液一体化仿真应用于机电液一体化产品设 计取代传统的机械设计、试验和研究方法必将成为一种趋势。 近年来，随着科技的进步及计算机技术的应用，机械行业开始广泛采用机电 液一体化技术。简单地说，机电液一体化技术就是计算机技术、传感器技术、现 代控制方法与液压技术相结合，从而实现机械的自动监测、自动运行和自动控制。 机电液一体化技术的广泛应用已经成为机械行业的一种趋势，随着我国国民经济 的迅速发展，在机电液一体化技术研究与开发方面，我国与国外发达国家正在逐 步缩小。 本文研究的同步加载平台是由在运动平台与固定平台之间通过移动平台四 角液压缸并联而成的。在现代工程应用中，经常出现要求两个或两个以上的执行 元件同步动作的情况。然而多液压缸协同负载动作的运动同步一直是个比较难解 决的问题。从理论上讲，只要各个液压缸的活塞有效面积相同，利用分流阀输入 相同的流量，多个液压缸也能保持运动同步，但是在运动过程中，由于摩擦阻力、 负载、制造精度和受力造成的结构变形上的差异，对于同步运动的执行机构来说， 保持相同的速度或相同的位移即为作同步运动，必须施加必要的控制才能实现。 综上所述，同步加载平台涉及到机械结构、控制技术、液压系统。机电液一 体化技术的应用可以很好的解决同步加载平台的精确运行问题。机电液一体化技 术使液压能传递较大功率及承受强负载的优越性和电子控制的灵活性在同步加 载平台上得以集中体现，可以大大提高加载平台的作业质量和精度、提高效率、 提高安全性和可靠性1 1 j 。 1 1 课题背景 同步加载平台主要应用在液压支架试验台对液压支架的垂直外加载，及等温 锻造液压机对坯料的锻造这些需要高负载、高精度、大工作空间的场合。 1 1 1 液压支架试验台 液压支架试验台是液压支架性能试验的主要设备，对液压支架的产品定型， 第一章绪论 工况考核具有重要的意义，也是煤矿高产高效，安全生产的技术保障，在煤矿安 全生产中起着重要的作用，同时它的使用量又非常大，故对液压支架试验台进行 设计分析具有重要的理论和实用价值。典型液压支架试验台结构见图1 1 图1 1 试验台整体结构 平顶山煤矿机械有限责任公司生产制造了c z s t n 8 0 - 4 0 0 0 0 液压支架试验 台，额定试验载荷：垂直加载力4 0 0 0 0 k n ，水平加载力6 0 0 0 k n 2 1 。山东科技大 学和济南巨能公司合作研制了1 2 m n 上平台外加载液压支架整架试验台【3 j 。煤炭 科学研究总院上海分院研究开发了2 0 m n 垂直内加载试验台1 4 j 。 目前，世界各主要产煤国都在积极开展液压支架整架试验台的研究，主流试 验台可承受千吨级以上的垂直载荷，如美国b u c y r u s 公司制造的液压支架如 图2 所示，整架垂直内加载2 0 m n ，试验高度最高5 m 1 5 j 。德国d b t 液压支架整 架试验台可承受垂直载荷2 0 0 0 0l 斟( 20 0 0 t ) ，水平载荷6 0 0 0 k n ( 6 0 0 t ) ，试验高度 最高5 m 。美国j o y 公司也有类似的大型试验设备。 第一章绪论 图1 - 2b u c y r u s 公司2 0 m n 试验台 宋志安、李新平【7 】介绍了一种； f - j n 载液压支架整架试验台，它主要由1 2 m n 外加载液压试验系统、电控系统和计算机辅助测试( c a t ) 系统3 部分组成，如图 1 3 所示，具有独立的动力机构及电气系统，采用按钮集中控制，试验压力调定 采用远程比例控制且可根据液压支架整架试验的要求进行调整，操作简单。对于 液压支架加载方法，王晓东 8 】对在实验室条件下进行水平加载检验时，液压支架 受力情况进行了分析，提出了水平加载的试验方法。 1 一上梁2 主缸3 立柱4 推拉缸5 滑块6 被试液压支架7 一液压站8 一底座 图1 31 2m n 外加载液压支架整架试验台 杨鹏设计和开发了矿用支架试验台计算机控制系统，系统采用计算机集中控 第一章绪论 制方式，可以进行液压泵站压力的采集和调节、平台升降四缸的同步运动及插拔 销动作的控制【9 1 。 1 1 2 等温锻造液压机 等温锻造，是指在锻造过程中模具与坯料温度保持一致并始终在一定范围内 的锻造工艺，使坯料在温度基本保持恒定的条件下完成锻造的全过程， 这种工 艺消除了模具对坯料的激冷和材料应变硬化的影响，优点是生产出满足复杂零件 要求的精密锻件不仅变形抗力小，而且有助于简化成型过程【1 0 。图1 4 为南通恒 力重工装备有限公司生产制造的y 1 0 系列等温锻造液压机。 图1 - 4y 1 0 系列等温锻造液压机 大型锻件的生产，是机械制造业的重要基础产业。近年来，无论国内和国外 电力工业、造船工业、航空工业、重型机械制造业等各个行业都对大型锻件以及 大型模锻件的需求日益增多，现代重型模锻液压机的制造能力和水平也直接反映 了一个国家制造业水平川。 1 9 6 4 年，美国国际商务机器公司( i b m ) 开始用等温锻造成形零件，在2 0 世 纪7 0 年代就使用特种等温锻造设备生产航空飞机发动机涡轮盘、燃料箱及其他 薄壁骨架件；美国魏曼戈登、来迪思、卡慢伦三大航空锻件生产厂拥有能够生 第一章绪论 产优质精密粉末涡轮盘、高温合金及飞机用大型结构锻件的精密设备和先进技 术；8 0 年代初期，前苏联系列生产了等温锻造专用液压机，如2 5 0 t 、1 6 0 0 t 及 4 0 0 0 t 液压机，这些设备均已安装使用 1 2 , z 3 。 图1 - 5 是徐州锻压机厂生产的x p 2 f e m _ 2 5 0 0 等温锻造液压机该机器的公 称压力为2 5 0 0 0 k n 、回程力为2 0 0 0 k n 、滑行程为1 5 0 0 m m 、最大开口高度为 2 5 0 0 m m 、移动工作台最大载荷为3 0 0 0 0 k g 。它是适用于金属超塑成形的等温锻 造液压机，在机器参数允许范围内还能进行普通锻造加工。 图1 5x p 2 f e m - - 2 5 0 0 等温锻造液压机 2 0 0 m n 数控等温锻造液压机是本文的研究对象，是我国“十二五”期间发 展新型航空航天高新技术工程中所需的重大设备，适用于对铝合金、钛合金、高 强度钢等航空材料的模锻。 1 2 液压同步控制技术发展概况 由于装备技术的提高，对同步的精确性要求也越来越高，同步控制越来越受 到关注。研究液压同步，提出合理的解决方法具有良好的理论意义和实用价值。 c h e n gg u a n 1 4 1 等根据非线性自适应电液控制系统的基本原理，综合考虑油 液的有效弹性模量，柱塞缸摩擦力、比例阀流量非线性和负载腔容积的变化等因 素的影响，推出液压缸的运动方程。 第一章绪论 倪敬，项占琴1 1 5 , 1 6 等以浙江大学研制的智能钢管捆成形系统为背景，针对电 液提升系统的双缸同步运动问题，提出一种两级非线性控制算法。该控制器的外 环级采用一个线性多输入多输出的鲁棒控制器，用于获得双缸运动同步控制所需 的各缸期望负载压力。实际的控制运行结果表明，该控制策略优于常规的p i d 控 制，可以有效地实现多缸运动同步控制。 芮丰，王金利 1 7 , 1 8 等针对液压支架试验台调高液压缸大行程、重负载的工况 特点，结合比例伺服阀非线性流量的特点，建立非对称动力执行机构的数学模型， 最终建立阀控四缸同步控制系统的数学模型。 孙红波等根据支架试验台对同步控制系统的要求，提出基于电液比例技术的 液压支架试验台同步控制系统的控制策略与研究方法，建立电液比例同步控制系 统的数学模型，并提出液压控制系统静、动态分析方法及系统校正的方法【l 引。 侯继伟【2 0 】等为开展高大空间建筑火灾探测报警和自动灭火技术研究，建立一 个距地面3 2 4 m 的竖直净空高度的平台，提出三点机械配重+ 三点柱塞缸电液 同步驱动的升降控制方案，通过三个独立的模型参考模糊自适应控制器分别实现 三个阀控柱塞缸对同一个期望输出的实时跟踪控制，从而实现平台的精确同步驱 动控制。试验结果验证了该升降平台驱动方案设计和控制方法的合理性，升降平 台在三个柱塞缸提升点处的动态同步误差小于q - 5 m m 。 t o r s t e nw e y l 2 1 】等使用微分代数法来研究液压驱动，证明使用同步缸来实现 同步控制的三维模型是稳定的，并且用仿真和试验证明了这一点，差动液压缸也 可以通过控制模型实现同步控制。c h e n g y ic h e n 2 2 】等设计了模糊控制器以实现 双缸同步。k el i 【2 3 】等利用电液比例控制原理实现两缸提升机同步提升。h o n g s u n 2 4 】在液压控制系统中使用非线性控制算法解决多液压缸的同步问题，实现了 双缸提升系统的同步控制。1 9 8 0 年，密西根大学k o r e n 教授提出了交叉耦合控 带k j ( c r o s s c o u p l e dc o n t r o l ，c c c ，、e h ：i e i 2 5 , 2 6 ，为提高多轴协同运动精度提供了一 个新的途径。耦合控制将多轴之间的运动同步误差作为控制指标，直接实施闭环 控制，达到提高多轴协同运动精度的目的。耦合控制是提高多轴系统同步运动精 度、改善系统抗干扰能力的有效控制方法，在龙门移动双轴同步驱动控制【27 | 、数 控机床多轴轮廓控制随2 9 1 、多机器人协调控带l j 3 0 , 3 1 、机器人灵巧手基关节同步控 制【3 2 】、多轴转向系统控制p3 j 等获得成功应用。 1 3 机电液一体化仿真技术发展概况 将机械、电气以及液压融为一体，即是机电液一体化技术。 汤涤军应用a d a m s 机电一体化仿真技术对多轮转向样车中的动力转向系统 6 第一章绪沦 进行机电液一体化仿真的研究，通过a d a m s 提供的函数，分析不同车速下的车 辆转向响应特性，对控制策略进行评价，对机电液一体化仿真研究有一定的指导 意义【3 4 。陈国琳【3 5 】介绍了一种机电液一体化联锁装置，机电液一体化联锁装置 主要由电磁手操联锁换向阀组、单向节流阀、液压锁、液控二位三通换向阀、顺 序阀、行程开关以及相关辅件等组成，在实际应用中效果良好。陈东1 3 6 j 利用虚拟 样机软件a d a m s 同s i m u l i n k 控制分析软件有机地联合起来实现了洒浆机的机电 一体化仿真。 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c ss y s t e m ) 虚拟样机技术是 一种基于模型构建、多领域协同仿真以及交互式用户界面的集成应用【3 川，机械系 统动力学分析软件，它的建模仿真的精度和可靠性高，它的开放性的程序结构和 多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊虚拟样机分析的二次开发工具平台。 a m e s i m 是法国i m a g i n e 公司于1 9 9 5 年推出的一个多学科领域复杂系统 建模仿真解决方案，它引领着世界联合仿真之路【3 8 i 。 刘海丽 3 9 1 认为该软件不必用户建立复杂的数学模型，并且可以简单快速地 得到想要的仿真曲线，并通过一个液压执行机构的位置控制系统的仿真实例来介 绍a m e s i m 软件的建模步骤和仿真方法。 苏东海【4 0 】通过一个液压位置同步系统的仿真实例来介绍a m e s i m 软件的 建模步骤和仿真方法，使用位移传感器实现闭环控制，并且通过调节系统参数使 同步误差最小。 a m e s i m 的主要特点可归纳为以下几点点：模型库丰富，多达1 4 类；提供 与m a t l a b 、s i m u l i n k 、a d a m s 等多种软件的接口；a m e s i m 语言是底层开放的， 可以通过查看编译产生的c 语言和f o r t r a n 语言源代码来了解软件的建模思 木目 4 1 , 4 2 jl ! po 欧阳吕卫【4 3 1 等设计一个六自由度运动平台模型，对平台进行动力学分析。在 a d a m s 中构造平台的机械模型。在a m e s i m 中构造出s t e w a r t 平台的液压回路 模型，最终实现平台的液压与机械系统的联合仿真。准确的模拟了平台的真实工 作情况，分析液压缸在平台运动过程中平台不同位姿情况下的受力。梁利华1 4 4 j 等为了对机、电、液一体化减摇鳍液压系统准确仿真，提出了基于a m e s i m 与 a d a m s 联合仿真技术的建模与仿真方法，运用a d a m s 软件建立机械系统多体 动力学模型，采用a m e s i m 软件对液压系统与控制系统建模，完成较准确的系 统模型，并分析了减摇鳍液压系统的动态特性，将获得的数据与实测数据进行比 较，并且证明联合仿真与单独的仿真方式相比结果更准确。浙江大学的党田型4 5 j 建立了六白山度并联机构的虚拟样机，并进行六自由度并联机构的液压机械联合 仿真，在联合仿真模型上，对液压控制并联机构虚拟样机进行运动学数值试验， 第一章绪论 观察系统的阶跃响应、斜坡响应、正弦响应和轨迹跟踪特性。 1 4 课题的提出、研究意义与内容 1 4 1 课题的提出 3 0 m n 液压支架试验台由煤炭研究总院立项，天津市天锻压力机有限公司设 计，是国家十二五重大科技专项。垂直加载平台是试验台的重要组成部分之一， 主要对液压支架进行垂直外加载；2 0 0 m n 等温锻造液压机滑块应用在对坯料的 锻造中。这两种同步加载平台采用液压系统控制，垂直加载载荷大，同步性能要 求高。因此设计稳健的、通用的液压系统控制策略，从而使平台同步精度满足设 计要求至关重要。 论文提出多轴耦合电液比例控制方案，采用闭环主从控制方式，实现平台精 确同步，使得液压支架试验台同步加载平台同步精度并且利用a d a m s 与 a m e s i m 实现两种平台的机械、液压、控制联合仿真，验证多轴耦合电液比例控 制方案的有效性。将多轴耦合电液比例控制方案运用于2 0 0 m n 等温锻造液压机 滑块，证明了控制方案的通用性。 1 4 2 课题研究意义 1 ) 很多研究人员已经在同步加载平台同步提升系统做了很多工作，平台四 角同步误差在逐渐缩小，垂直加载系统虽涉及同步提升，但是其同时需要实现垂 直加载的功能，因此惯性之大、耦合之强，刚度之大、承载能力之强是文献没有 涉及到的。 2 ) 对于同步加载平台的研究已取得了较多的成果，但不足之处也很明显， 主要在于无论理论分析还是仿真分析都只建立了静态的力学模型，这种状态下的 应力状态也最容易求得，而一旦偏载受力时各部件之间发生了相对运动，接触状 态发生了改变，无法通过理论计算和静态力学模型分析得到准确的执行机构的实 际受力。本文选择在a m e s i m 中给定液压缸的位移给定至i a d a m s 模型中，而将 a d a m s 中液压缸的受力动态反馈到a m e s i m 中，完成联合发展的数据交换。 3 ) 现有的同步加载加载平台还只是集中于机构建模，或只是单一分析液压 控制系统，较少涉及机械液压控制联合分析，液压系统和机械系统的耦合还没有 很好的解决。 4 1 加载过程的平稳性不允许有冲击现象，同步加载平台多缸运动协调精度 受负载抗力变化速度的影响较大。a d a m s 中液压缸的受力动态反馈到液压控制 第一章绪论 系统中，从而更好的验证液压同步控制方案在实际工作中的合理性和控制方法的 有效性及稳健性。 1 4 3 课题研究内容 本课题以同步加载平台为研究对象，针对平台同步特性要求，针对控制系统 提出耦合控制策略，3 0 m n 液压支架试验台同步加载控制系统中采用耦合调平控 制策略，并将控制策略运用2 0 0 m n 等温锻造液压机滑块调平机构控制系统中。论 文体系结构见图1 - 6 第一章绪论 j 上 第二章同步加载平台基本原理与建模 u 第三章多轴耦合控制策略分析与联合仿真技术 ：、7 _ ，7 第四章多轴耦合同步控制第五章多轴耦合同步控 在液压支架试验台垂直加制在等温锻造液压机滑 载系统中的应用 块调平中的应用 图1 - 6 论文的体系结构 1 ) 建立了同步加载平台的框架结构结构模型和受力模型；建立伺服阀控制 液压缸系统模型；针对平台对同步性能的要求，提出同步加载平台同步精度算法。 2 ) 比较液压同步系统各种控制方式，提出了同步加载平台的液压伺服系统 耦合调平控制策略。 3 1 考虑到同步加载平台电液驱动液压系统在运行过程中存在耦合、偏载不 确定及时变等特性，将交叉耦合控制思想、工程上实用的四角调平控制策略与传 统p i d 控制器有机融合起来，针对平台的四缸电液同步加载控制问题提出了一 种实用的电液多轴耦合同步调平控制方法，以实现平台的精确同步加载控制。在 a m e s i m 中建立控制系统模型，进行仿真试验研究和分析，得到四缸同步精度， 验证平台驱动方案设计的合理性和控制方法的有效性、稳健性。利用a m e s i m 与a d a m s 建立液压支架试验台同步加载平台的机械、液压、控制联合仿真模型， 实现机电液一体化仿真，通过联合分析研究验证平台驱动方案和耦合调平控制方 法的合理性、通用性。 第一章绪论 4 ) 以2 0 0 m n 等温锻造液压机滑块调平机构为研究对象，建立液压机虚拟样 机，并利用d o e 试验设计计算各调平缸调平力；将多轴耦合电液比例控制方案 运用于2 0 0 m n 等温锻造液压机滑块调平系统中，证明控制方案的通用性。 第二章同步加载平台基本原理与建模 第二章同步加载平台基本原理与建模 同步加载平台具有通用的结构样式。同步加载平台采用液压系统控制。同步 精度是衡量同步加载平台性能的重要指标。本章建立同步加载平台受力分析模型 及伺服阀控制液压缸模型，并提出了同步加载平台同步精度。 2 1 同步加载平台的结构 同步加载平台是由在运动平台与固定平台之问并联而成的。随着科学技术的 高速发展，机电控制技术在机械行业也得到了广泛的应用。在现代工程应用中， 经常出现要求两个或两个以上的执行元件同步动作的情况，在运动过程中，由于 摩擦阻力、负载、制造精度和结构变形上的差异，同步运动的执行器来说，保持 相同的速度或相同的位移即为作同步运动，必须施加必要的控制才能实现。 同步加载平台的驱动可分为电机驱动、气动驱动和液压驱动，每种驱动方式 都有各自不同的优缺点和应用范围。 由于同步加载平台响应快速，精度高，通常应用于负载大的场合，从上述分 析可知，与液压驱动的条件符合。本文所研究的两种同步加载平台也正是基于液 压驱动的模式。 2 1 1 同步加载平台主体结构 同步加载平台就是用来实现同步运动的机构。同步加载平台一般为周边四点 式结构，4 个支点安装4 个升降缸，即机械液压同步回路( 机械限制式同步回路) ， 见图2 - 1 同步加载平台的加载高度不同，承载能力也不尽相同。整个加载系统 的升降液压缸在加载、保压、卸载过程中运行速度平稳，在加载和卸载过程中由 于偏载的出现对立柱和侧梁的冲击，因此每个液压缸要保持位置的同步，而且要 实现加载、卸载过程中的速度同步。同步加载平台一般存在机械液压耦合。 第二章同步加载平台基本原理与建模 图2 - i 机械液压同步回路 本文主要以液压支架试验台垂直加载平台和液压机滑块调平机构这两种同 步加载平台为研究对象。 2 1 2 液压缸双球铰连接结构 双球铰连接结构柱塞缸剖面结构见图2 2 ，包括工作液压缸、活动横梁、柱 塞、呈凹球面的球面垫座以及中间杆。上述的柱塞设置于工作柱塞缸内，通过中 间杆连接柱塞和平台。 图2 - 2 双球铰连接柱塞缸结构简图 za e 夕 x o r q a - i 氐1r j 岬h l d 、繁 一 萋妾、 z 图2 3 双球面受力简图 第二章同步加载平台基本原理与建模 图2 3 为球面支承中双球座的受力简图。以球心o 为坐标原点，以水平向为 x ，垂直向为z 轴，y 轴过球心并垂直于x o z 面，图中c c 为球座最大张角，r 为球面半径，0 为球面中心点，b 为球面上任意一点，e 为点b 偏心距；p 为中 间杆公称压力值，q 。为球面正压力；d 为点b 与z 轴的夹角，6 为点b 在x o y 面投影与x 轴的夹角。 设中间杆公称压力值为p ，则有z 方向平衡有1 4 6 , 4 7 p = r ”d 臼f 砌口c o s 脚n 膨= 吾r c r ：q o ( 1 - c o s 3 1 a ) ( 2 - 1 ) 2 1 3 平台机械系统建模 假定平台是一个长宽均为三，宽度为d ，质量为m 的刚体，共设计4 个加载 点，加载点分布图如图2 4 所示。 图2 - 4 平台加载点分布 平台结构如图2 5 所示。使用四个柱塞缸实现平台的同步升降，柱塞缸采用 双头铰与平台底部连接，平台与立柱之间采用垂直导轨导向小间隙配合结构。平 台质心c 为( x o ，y 。) 。假定液压支架质量为m7 重心与平台重心重合，则支架放置 后系统的总重为g 。 图2 5 同步加载平台结构 1 3 告 甫尊 竺。一 夸兮一 第二章同步加载平台基本原理与建模 假定在四个液压缸缸驱动点1 、2 、3 、4 处对平台的推力分别为e 、最、乓、 只，如图2 - 6 所示，1 、2 、3 、4 四点的驱动柱塞缸的柱塞面积彳，、4 、4 、4 ， 且a 1 = a 2 = a 3 = 4 。假设平台与立柱之间的接触面摩擦系数为厂，加载点与液 压缸受力分析模型见图2 - 6 ，图2 7 。 图2 - 6 加载点与平台的相对位置 图2 7 同步加载平台液压缸受力分析 根据空问力系平衡方程得出： f , ( f s i n 臼x i + f s i n o y ，+ s i n 色i ) + g - - z f ( 2 - 2 ) i = 1i = 1 ”4 沿f ，f o ，+ f i ( os i n 晓i + l t r , i f s i n i + l , i f s i n o y i ) = 0 ( 2 - 3 ) 扛li = 1 n4 沿乞，z f i l p p j + c ( 1 p ，s i n 0 ，+ 州fs i n 吱1 + k f s i n t ) y i ) = 0 ( 2 4 ) i = 1，= l 绕质点c ， 喜( ( 后巧) 嘻e 厩s i n ”厅磊埘n 巳+ 厅再倒n 只， = 0 ( 2 - 5 ) 第二章同步加载平台基本原理与建模 式中，平台及负载质心c 的位置( 取各液压缸活塞都未伸出时，负载起始平面 c 位置为z = o 位置1 g 支架与平台重 e 接触点处双头铰连杆轴向作用力 f 简化受力点位置受力 乇f ，对应i 转轴的力臂长度 0 磊对应，转轴的力臂长度 0 f 对应，r 转轴的力臂长度 f p m 鼻对应，转轴的力臂长度 ，r p t i 立柱对应t 转轴的力臂长度 0 i 立柱对应，。转轴的力臂长度 氏，气，包i 第i 个双头铰连杆与坐标平面的夹角。n = 1 ，2 ，3 ，4 简化受力 点位置个数。 根据牛顿第二定律及力矩平衡原理，可以得出： z + 馏一f ，s i n t 9 - ，s i n o p = 噶 ( 2 6 ) i = 1i = 1i = 1 ( e + cs i n b ) ( 一1 ) l r = 以谚 ( 2 - 7 ) i = 1 ( f + s i n o p ) ( - 1 ) _ l p = 以免 ( 2 - 8 ) i = 1 式中，z负载s质心的位置(取各液压缸活塞都未伸出时的负载s位置s 为z s = 0 位置1 m 负载的质量 g 重力加速度 f 加载点处活塞杆与平台间的竖直作用力，i = 1 厶2 ，2 f i 加载点处的活塞杆和平台沿r 轴的摩擦力 c i 加载点处的活塞杆和平台沿p 摩擦力 吒c 产生力矩的符号因子，当c 在r 轴左侧时取0 ，否则取1 o - 。，f 产生力矩的符号因子，当f i 在p 左侧时取0 ，否则取1 ，平台对r 转轴的转动惯量 ，。平台对p 转轴的转动惯量 矽平台平而绕，轴的转角 秒。平台平面绕p 轴的转角 其中，f 。= f ，c o s o ：，+ f c o s o 。i + f c o s g j ) ，= 只i ( s i n0 _ _ ，+ f s i n o x ，+ f s i no i ) 。 第二章同步加载半台基本原理与建模 2 2 伺服阀控制液压缸驱动系统建模 伺服阀控制液压缸模型见图2 8 。 图2 8 伺服阀控制液压缸模型 对第i 个液压缸的活塞杆进行受力分析，有 p 让4 1 + 巧+ m i g 一吃i 戈= m i 3 i ( 2 9 ) 式中，a i 。第i 个液压缸的无杆腔面积 4 ：第i 个液压缸的有杆腔面积 他第i 个液压缸的活塞杆质量 圪第i 个液压缸的负载力 b 。i 第i 个液压缸活塞杆与负载接触点的位置，其零点的选取与t 相同 p 让= p i l p f 2 4 2 4 ( 2 - 1 0 ) 此外，比例阀控制非对称液压缸的负载压力动特性根据文献 4 8 - 4 9 1 可以描述为 p + 正= k h i ( x i ，誓) + 啦，仍( 蕾，圪咖 ( 2 1 1 ) 式中，k 油液的容积模量 k ，第阀的流量增益 ( p ，第i 阀的压力增益 u 第i 阀的等效输入信号 根据文献 4 8 , 4 9 对非对称缸的上行与下行过程的负载压力分别做了推导，本文 第二章同步加载平台基本原理与建模 设计的液压控制系统既能达到液压缸加载过程的同步控制又能对液压缸卸载过 程进行同步控制，例如等温锻造液压机要求在上行和下行过程中均同步，所以推 导不对称缸在上行和下行过程中负载压力对位移的影响上具有实际意义。非对称 缸系统两个方向的动态特性不尽一致，稳定性校核应考虑两个参数的不同。参考 式( 2 1 2 ) $ h 式( 2 1 3 ) 。 液压缸在稳态时满足力平衡方程【4 8 p 1 a l p 2 a 2 = f ( 2 1 2 ) 式中p 。液压缸无杆腔的压力，p a ； p ：液压缸有杆腔的压力，p a ； f 液压缸的静态负载，n ； 分别为无杆腔和有杆腔的有效作用面积，m 2 ； p l ：fp 2 粤=m p 2 ( 2 - 1 3 ) 2 a 1 = p l - p 2 i - - z = p l - m p 2 m 为常数。当m 1 时，液压缸为非对称缸；当m = 1 时，液压缸为对称缸。 我们负载j 玉力为p 。， p = p 1 一m p 2 ( 2 - 1 4 ) 其稳定性通用判别式仍为：k q a , l 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 2 0 03 0 0 4 0 0 5 0 - 0 6 0 1 01 52 02 5 3 0 x ：l i m e i s 】 图4 3 7 输入速度循环曲线 本在a m e s i m 软件中我们可以测得四个柱塞缸实时位移曲线；把这个曲线 作为a d a m s 中柱塞缸的输入位移驱动曲线。实现过程是：a m e s i m 中的位移 传感器测得的位移曲线作为a d a m s 中液压缸的输入位移曲线，以此作为联合仿 真的机械动力学输入值。 将输入信号设定后，在第四章中已对液压系统进行调试，经过多次的运算调 试，参考第四章的仿真结果，本文最终确定的系统的增益系数分别为1 0 ，p i d 控 制器的p 参数为1 0 ，i 参数为l o 。 输入的位移曲线图如图4 3 8 所示。 由图可以看出，负载时变情况下，在加载及保压阶段，速度保持一致，且曲 线无波动，整个加载过程基本实现了平稳的效果。 经过仿真可以测得四个液压缸的受力曲线图，见图4 3 9 。 唧 咖 啪 嘲 咖 啪 咖 瞌 n a 0 0 0 一e一】ue山u卫a”疆凸一 加巧加 图线闲曲麓雠 强 加 舢 图 第四章多轴耦合同步控制在液压支架试验台垂直加载系统中的应用 051 01 52 02 63 0 ：t i m e 【s 】 图4 3 9 四缸受力曲线图 在a m e s i m 进行数据处理，得到四缸同步误差曲线，见图4 4 0 。四缸同步 误差最大0 9 m m ，满足设计要求。 051 01 52 02 53 0 x ：t h 【s l 图4 4 0 四缸同步误差 由受力曲线图可以看出，加载平台在底座扭转加载时状态下，平台四个液压 缸的受力情况，为液压控制系统的设计和实验提供有用的数据支持；加载过程的 平稳性没有冲击现象，同步加载平台多缸运动协调精度受负载抗力变化速度的影 响较大；柱塞缸的受力动态反馈到液压控制系统中，从而更好的验证液压同步控 制方案在实际工作中的合理性和控制方法的有效性及稳健性，且四缸同步误差小 于l m m ，这证明了在负载动态时变的情况下，液压系统也能保持很高的同步精 度，突出了液压系统稳健性。 一ejueoo p i ”一o o 第四章多轴耦合同步控制在液压支架试验台垂直加载系统中的应用 4 6 本章小结 1 ) 建立了3 0 m n 液压支架试验台主体结构，分析了其结构刚度及同步加载 平台的刚度，刚度满足要求。 2 ) 建立了3 0 m n 液压支架试验台同步加载平台虚拟样机模型；利用a d a m s 分析了同步加载平台的四缸受力，并与静态受力分析结果进行了比较，两者在数 量级上一致。 3 ) 针对3 0 m n 液压支架试验台同步加载平台控制系统，提出耦合控制策略， 并在a m e s i m 建立了同步加载平台的控制系统模型，仿真测试表明平台同步精 度满足设计要求，证明了控制策略的有效性。 4 ) 建立了液压支架试验台同步加载平台液压机械联合仿真模型。基于联合 仿真的液压支架试验台同步加载平台的同步性能指标满足设计要求，验证了耦合 控制策略的稳健性。 第五章多轴耦合同步控制在等温锻造液压机滑块调平中的应用 第五章多轴耦合同步控制在等温锻造液压机滑块调平中的应用 2 0 0 m n 数控等温锻造液压机，是我国“十二五”期间发展新型航空航天高 新技术工程中所需的重大设备，加载过程中滑块的水平度决定着被加工材料的精 度。本章将多轴耦合同步控制策略应用到等温锻造滑块调平系统中来，通过观察 控制系统的调平精度来考察该控制策略的通用性、有效性。 5 1 液压机滑块调平机构虚拟样机 5 1 1 液压机结构及滑块调平机构受力分析 2 0 0 m n 等温锻造液压机加载过程中外界载荷的作用巨大、多变，动作复杂， 1 4 个移动部件，8 个同步缸调平要求，这些促使液压机成为一个复杂的多体动力 学系统。对于等温锻造液压机滑块调平机构而言，在运行过程中，滑块下行锻压 材料完成一次模锻作业。由于航空材料密度不等，厚度不均不匀，高强度，致使 滑块承受着很大的冲击负荷，这对对滑块的水平工作精度也有很大的影响。因此， 对等温锻造液压机进行可视化虚拟设计，运用虚拟样机技术，分析调平缸在滑块 四角调平时受力，从而给液压控制提供参数支持，并对关键部件进行强度校核， 改善机构整体动态性能，对于等温锻造液压机设计具有重要意义。 2 0 0 m n 等温锻造液压机由以下部分组成：液压机本体、滑块平衡系统、润 滑( 冷却) 系统、液压控制系统、电器控制系统、辅助系统( 移动工作台移出部分、 工作台锁紧装置、安全防护系统) 等组成。 a ) 压机结构型式为六缸、焊接式分块框架结构。压机滑块上安装有上顶出 缸，下横梁安装有下顶出装置，满足锻件脱模需要。滑块四个角部安装滑块平衡 ( 回程) 液压缸，保证滑块具有较高的水平精度，满足模锻件的锻造要求。上下工 作台设有上下水冷板，保证滑块和下横梁温度1 0 0 。c 。 b ) 主工作缸采用六缸布置结构，布置方式见图1 所示。工作缸与上横梁采 用缸底支承，有利于减少工作缸缸壁应力，提高缸体使用寿命；同时有利于提高 上横梁强度和刚度。中间工作缸产生一级压力1 2 0 0 0 吨；4 个侧工作缸产生二级 压力8 0 0 0 吨：6 个工作缸产生三级压力2 0 0 0 0 吨。根据锻件所需不同的压力选 择不同分级压力，町节省能量，减少电能消耗。中间主2 个工作缸柱塞与活滑块 都采用单球铰联接，4 个侧缸与活滑块采用单球绞联接，这样保证在偏心锻造时， 第五章多轴耦合同步控制在等温锻造液压机滑块调平中的应用 工作缸柱塞始