（机械工程专业论文）基于amesim与adams的数控磨床调平系统同步控制及仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 c i 玎si i 轨道板专用数控磨床是高速铁路建设的关键设备 用于轨道板承轨 台的成型磨削 为了保证其磨削精度 轨道板的支撑状态必须处于自然支撑状态 尽量减少轨道板内部因支撑产生变形而形成的内力 轨道板的支撑依靠调平系统 来实现 因此调平系统的性能对轨道板的加工精度至关重要 论文阐述了c i 玎si i 轨道板专用数控磨床的结构 功能及工作过程 详细分 析了磨床液压系统的各部分组成及工作原理 并对伺服调平油缸及磨床处于水平 状态下的力矩平衡进行分析 在此基础上建立了伺服油缸组调平过程的数学模 型 利用力反馈构成闭环控制系统 在闭环控制环节中加入p i d 控制器对调平 过程进行控制 在建模及仿真部分 充分运用触旺s i m 和a d a m s 两套软件的优势 对伺 服油缸组调平运动过程进行了联合建模仿真 通过对不同负载情况下的调平运动 过程的仿真对比 直观的反应了磨床伺服调平油缸组调平运行过程 并得出了系 统的各类参数 例如压力 速度及位移曲线等 仿真结果表明 轨道板调平夹紧 系统的调平时间较短 同步精度较高 仿真结果对实际工程运用有一定的参考价 值 另外 本文还运用伽s i m 软件建立了同步油缸组模型 并结合仿真结果 对影响系统同步精度的主要因素进行了分析 提出了一些提高同步精度的具体方 法 关键词 专用数控磨床 同步 调平 伽s i m a d a m s p i d 控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t q 呵cg r i n d 协go fc r t s r a i lb o a r d si st h ek e ye q u i p m e n to fl l i 曲 s p e e d r a i l w a yc o n s t r u c t i o 坞f o rr a i l v a yb o a r do ff o r m i n g 曲d i l l g i i lo r d e rt oe n s u r ei t s a c c u r a c yo fi t sg r i n d i i l g r a i lb o a r ds u p p o r ts 诅t em i i s tb ei i lan a t l l r a ls u p p o r ts t a t e m i n i m 讫er a i lp l a t ed e f o m l a t i o nd u et os u p p o r tw i t h j nt h ei n t e m a lf o r c ef o r m e d r a i l b o a r ds u p p o r td e p e n d so n1 e v e l i n gs y s t e mt 0r e a l i z e s o 吐l ep e r f b m a n c eo ft h e l e v e l i n gs y s t e mo fr a i l w a yb o a r dp r o c e s s i n gp r e c i s i o ni sv e 搿i m p o n a n t t 1 1 i sp a p e re x p o u i l d st h et r a c kb o a r ds 仃u c t u r e f u n c t i o n 甜1 dw o r k i n gp r o c e s so f c r t si i s p e c i a lc n cg r i i l d e r a 1 1 dd e t a i l e da n a l y s i so f t 1 1 eg r i n d e rh y d r a u l i cs y s t e m a 1 1m ep a n so fm e 蚰r i l c 骶a n dm ew o r k i i l gp m c i p l eo fm el e v e l i n go fs e o c y l m d e r s a r l d 酊n d i n gm a c h i n e o nt h eh o d z o n t a lc o n d i t i o na r ea n a l y z e d t h em o m e n t b a l a l l c eb a s e do n 廿1 es e oc y l i l l d e r sl e v e l i n gp r o c e s so f 廿l em a t h e m a t i c a lm o d e l u s i n gf 0 r c ef e e d b a c kc o n s t i t u t eac l o s e d l o o pc o n 臼 o ls y s t e m p a no f t h ec l o s e d 一1 0 0 p c o n 仃d lp i dc o l l 仃0 1 1 e ri sa d d e dt oa 哇j u s tt h el e v e l p 积i i lt l l em o d e l 血ga i l ds i m u l a t i o i l 如1 1u s em ea d v 孤t a g e so ft os o f 呐a r e a d a m s 锄da m 匣s i m t h el e v e l i n go ft l l es e r v oc y l m d e rg r o u pd u r i l l gaj o i n tm o t i o n m o d e l i i l g a i l ds i m u l a t i o l l l l l l d e rd i 虢r e n tl o a d sn l r o u 曲廿1 e1 e v e l i n g p r o c e s s s i m u l a t i o ne x e r c i s ec o m r a s t i i l t i l i t i v en l er e a c t i o no ft l l eg 血d i n gc y l i n d e rg r o u p s e r v ol e v e l i n go p e r a t i o n a n dd r a wa l lk i n d so fs y s t e mp a r 锄e t e 噶 s u c ha sp r e s s u r e v e l o c i 锣a n dd i s p l a c e m e n tc u i v e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt l l a tm eo r b i t a l p l a t e l e v e l i i l gc l 锄ps y s t e mas h o r tt i m e s i m u l 切n e o u s1 1 i 曲p r e c i s i o ns i m u l a t i o no ft l l e a c t u 以e n g m e e r i n ga p p l i c a t i o nh a ss o m er e f e r e n c ev a j u e ka d d i t i o 玛t h i ss o 跚a r ei sa l s ol l s e dt oe s t a b l i s has y n 咖o n o u sc y l i i l d c r a me s i m 印u pm o d e l a 1 1 ds 硫u l a t i o nr e s u l t so ns y n c h r o i l i z a t i o na c c u r a c yo ft h e m a i l lf a c t o r sa r e a 1 1 a l y z e d a n d p u t f o m a r ds o m e s p e c i f i cw a y s t 0i m p r o v e s y n c l l i 0 n i z a t i o na c c u r a c y k 哪7 0 r d s s p e c i a l q 寸c g r i i l d i i 唱 s y n c h r o l l i z a t i o n l e v e l i n g 栅s i m a d a m s p i dc o n 旬r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 液压同步回路的概念 液压同步回路是由实现两个或两个以上的运动机构以相等的位移 转速 加速度 速度等组成的液压回路 其中同步最重要的标志是速度 包含旋转角 位移 包含角 位移 相同 在相同条件下 或具有某一相同条件即位移同步 速度同步或位置同步 状态下完成工作过程 液压同步回路在要求具有同步运动功能的设备 系统中占有重要的位置 传统的 液压同步回路属于液压传动系统 传递动力占主要部分 传递信息占次要部分 现在 液压技术的发展已使这个主次调换过来 电子技术 控制理论飞速发展 已使电液控 制成为现今液压系统发展的方向 模糊控制法 虚轴法 优化控制系统及复合控制液 压同步系统是现今液压同步系统发展的主要趋势 并且随着这些控制方法的不断发展 现今无论是国内国外 其研究及在实际工程中应用也越来越广泛 5 1 1 2 液压同步控制的发展及现状 同步液压系统是液压技术发展中的一个永恒课题 国内外在液压同步控制理论及 方法发展过程如下 第一个阶段 液压泵作为液压动力的源头 它是液压同步控制的重要对象 对它 经常采用的是负荷传感反馈控制 这是第一代控制方法 但实用且简单 能达到常用 的实际要求 第二个阶段 随着液压技术的快速发展 其同步控制精度也越来越高 同步控制 方法也趋于利用电力电子 液压先导 液压驱动执行的方法 在此控制方法中引入局 部参数反馈的概念 例如 载荷反馈 速度反馈 位置反馈等 由电子调整模块与预 先设定值进行对比分析 由控制模块控制输出值输出 调整液压先导阀 并结合同步 回路的其他元件 以实现液压执行元件的精确同步 这是一动态过程 可往复进行 直到调整满意为止 这是第二代控制方法 第三个阶段 随着对第二代控制方法广泛应用和研究的不断深入 完善 以及工 程实际对同步精的要求越来越高 例如 航空航天中的某型号5 万吨级锻造液压机 要求位置同步控制精度小于0 1 m m m 像这样的重 大型液压设备 通过中央处理器 为控制单元 具有协调 管理及网络传输功能 对其进行同步控制 其优点是大量利 用网络功能 对分散在各控制驱动模块或单元上的控制参数进行综合管理 并由此组 成一整套同步控制系统 在这个条件下选用各种适合的控制算法 针对例如位置同步 压力同步 速度同步 位置压力等复合同步的控制要求 进行同步控制 这是第三代 控制方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在一般的工程应用中 一般考虑可行性及实现的难易性 因此最小二乘法发展成 为最普遍 最常用的算法 由于最小二乘法是最实用 简单的控制算法 现今较先进 的控制算法例如遗传算法 由于在工作时需要较多的样本信息 并且要通过较长时间 的学习 训练才能进行实用 在追求成本较低 效率较高的实际工程应用中不常用 但先进算法会随着液压技术的不断发展而越来越普遍 目前发展较快并且有较好应用 前景的同步控制算法有神经网络学习 神经网络自适应等 快速逼进 多输入多输出 非线性是神经网络控制的特点 将学习和自适应相结合的神经网络控制 可解决一些 例如对系统机理理解不够透切 系统参数随环境变化大等控制问题 53 8 1 3 液压同步系统分类 目前对同步液压系统的分类 国家或相关权威部门并没有对此做出较严格的规定 参考文献4 将其分为6 类 综合相关资料 可分为以下4 类 5 1 1 根据同步液压系统控制输出是否有反馈进行分类 按同步液压系统控制的输出量是否有反馈可分为开环控制和闭环控制同步液压系 统 闭环控制原理是将控制对象的输出量经过传感器或其他检测装置检测 与预先期 望值进行比较并运算后 将差值反馈回控制装置 控制装置再根据相应的控制算法给 系统信号 调整被控元件 使其执行相应动作 这样就能较高的同步精度要求 闭环 控制的优点在于控制精度较高 外界干扰或环境变化对系统影响较小 具有自动纠正 功能 可以与计算机连接 利于操作员更好的干预系统的运行 缺点在于系统较复杂 成本较高 操作员要有较高的知识水平和经验 开环控制液压同步系统没有信息的反 馈 只能按照程序指令顺向进行 当受到外界干扰或被控对象参数变化时 就不能达 到期望值 开环控制的优点在于结构组成简单 价格较低 要求操作者达到的知识水 平要低得多 缺点是同步精度低 外界影响后的不确定因素较多 至于选用开环或闭环控制得根据实际工程的需要 结合开闭环的优缺点综合考虑 2 根据同步执行元件类型分类 按同步液压系统的执行元件类型可分为液压马达同步系统和液压缸同步系统 一 般情况下需要同步直线或往复运动的执行元件为液压缸 需要同步回转运动的执行元 件为液压马达 工程应用中液压缸用得较多 同步液压缸无论是单作用 双作用 或 单出杆 双出杆 其优点在于结构均比液压马达简单 承受高压能力较强 密封性和 维修性均比液压马达要好 3 根据系统中液体介质被控制的方法分类 按系统中的液体媒介在同步液压系统中的被控制方式分为流量控制同步系统和容 积控制同步系统 容积控制液压同步系统原理为将结构 参数和精度相同的多个执行 元件液压缸或液压马达中输入体积相同的液体 这样执行元件就会进行同步运动 其 优点在于比流量同步控制效率高 精度高 最大的优点在于此控制方式允许执行元件 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 有较大偏载 这是其他控制方式不能达到的 流量控制液压同步系统原理为将比例阀 调速阀 节流阀等流量调节控制装置装入液压执行元件中 控制液体的流量 使执行 元件运动速度相等 实现同步控制 其优点在于 成本较低 结构较简单 多用于载 荷均匀 往复运动频率不太高 功率不大的液压系统中 4 按控制液压同步回路元件不同分类 这一分类方式是液压同步系统最常用的分类方式 例如回路中用到调速阀或者节 流阀 称之为节流调速阀控制同步液压回路 另外还有类似同步马达或同步油缸控制 同步液压回路 伺服阀或比例阀控制同步液压回路等等 这样分类的好处在于 见到 称谓就能让设计者或使用者知道其组成形式 利于方案设计或使用维修 1 4 液压同步控制方法 对于液压同步控制的方法或策略 因开环没有反馈回路 系统较简单 控制精度 较差 这里只对闭环系统作讨论 通常用到的控制方法 例如多液压缸同步控制 特 别是三只或三只以上的液压缸 一般有两种控制方法 一是主从方法 二是同等方法 主从方法指如果有多个要同步控制的液压元件 例如六只液压同步缸 我们以其中一 只的输出为理想输出 而剩下的五只液压缸的实时位置或处于的状态 其反馈到控制 模块的信号都由选定的一只液压缸的输出为参照标准 实现六只液压缸同步运动 同 等方法指多个要同步控制的液压元件没有主次之分 均由控制模块控制 例如六只液 压同步缸 上升或平移的位置坐标实时反馈回系统的参数 都要相互进行比较 运算 较复杂 但也能实现同步运动的目标 对这两种方法进行比较 主从方法在国内许多 工程运用中较为常见 因为其实现较容易 成本相对较低 但同步精度不是最好的 而同等方法同步精度较高 但测试元件 反馈模块 各液压执行元件 特别是控制模 块的参数 精度及性能要求较高 各元件或模块间匹配较难 工程实际运用难度相对 较大一些 在同步液压闭环控制系统中 具有非线性 藕合性强等特点 常用的控制方法或 策略难以实现较多同步液压回路的高精度要求 因此 在工程运用上 越来越多的倾 向于在控制模块的反馈环节上 加入更多的校正环节用来增加闭环控制液压系统的同 步精度 例如 采用增加同步误差比例积分 p i 环节 比例微分 p d 环节 比例 积分微分 p d 环节 小闭环加速度校正环节 增强的差值反馈环节 速度微分补偿 环节 瞬时速度反馈环节等 这些环节在不同控制系统中运用效果也是较好的 现代 的控制理论及方法自上世纪六十年代以来有了快速的发展 例如智能控制 模糊控制 鲁棒控制等方法的提出及发展 这类控制方法在工程控制中应用也较成功 为了提高 同步运动的精度 用智能控制和自适应控制方法设计各类控制器 例如 p i d 和p i 优 化校正器 自适应模型跟踪控制器 脚心c 模糊学习和学习型控制器 自适应参照 模型控制器 a c 等 诸如此类控制器的发展及应用 使液压同步控制的综合性 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 能有了较大幅度的提高p j 1 5 论文选题意义及研究内容 1 5 1 选题意义 中国高速铁路天津到北京的路线设计时速为3 5 0 千米 整条铺设线路都采用 c r t si i 型轨道板 按照工艺要求 轨道板的承轨台面必须要在加工车间磨削并达到相 应精度要求后 才能在现场进行铺板 在高速铁路建设中 采用c i 订si i 型轨道板越来越普遍 在这些高铁建设的重要设 备中 c i 玎si i 型轨道板专用数控磨床是一个关键设备 用来完成对c r t si i 型轨道板 承轨台的成型磨削 标准的c r t s i i 型轨道板材料为c 5 5 重量约为8 5 0 0 埏 宽2 5 5 0 m m 长6 5 0 0 m m 每块轨道板的组成最多有2 列共2 0 个承轨台 对磨削后的精度影响非常 大的 并且对磨削效率影响最大的是轨道板的同步支承系统 在我国 此专用数控磨床是国内自主设计制造的首台用于对无碴轨道板进行磨削 加工的磨床 在许多方面还需要改善和提高 例如磨床液压系统中的同步油缸组和伺 服调平油缸组 在运行中 由于负载的变化 引起的液压油缸组不同步的现象 一是 由于设备的生产精度和安装精度的问题 二是要在控制方面进行改进 本文对c r t si i 型轨道板专用数控磨床的同步支承液压系统建立模型 实现同步运 动仿真 并对液压系统的同步运动控制误差进行分析 实现c r t si i 型轨道板磨削工艺 的要求 由于液压技术的日渐成熟 并且在各项工程领域里的运用越来越多 很多液 压装置特别是大 重型液压设备 进行同步运动的液压系统逐渐增加 但由于众多误 差因素的影响 实现同步运动的精度并不高 因此如何选用适合的控制方法 如何在 设备精度方面减少同步误差就显得尤为重要 1 5 2 研究内容 1 液压同步控制方法及常见多液压缸同步回路的分析 2 c r t si i 型轨道板专用数控磨床液压系统分析 3 基于c i 汀s 型轨道板专用数控磨床同步液压系统 建立数学建模 设计p i d 控制器 并利用栅s i m 及a d 蝴s 软件对伺服调平油缸组进行联合建模仿真 4 液压同步系统仿真及误差分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章液压同步回路 2 1 液压同步回路基本问题 液压同步回路中 如多台液压缸或液压马达只用一条管路的压力油来驱动其运动 而不采用其他方法来控制各个液压缸或马达管路的流量的话 则具有最低压力需要的 液压缸或马达 定会先行动作 直到它运行到终点行程或在动作过程中遇到更大的压 力要求时 比如负载的动态增大 才有可能使后面具有较低压力需要的执行器动作 即是说在一个液压同步系统中的全部液压缸或液压马达 必会按前后顺序运动 直到 所有液压缸或马达停止动作 像这样的运动过程是不能实现同步运动的 例如在实际 工程中 负载不均或动态变化是最常遇到的情况 所以不能满足实际工程的需要 故 常在液压同步系统中加入一定的控制环节来控制流量 以实现同步运动 1 在每个液压马达或油缸的回路都装有流量控制阀 2 采用分流集流阀 3 比例阀反馈控制 4 柱塞式同步分流器 5 齿轮同步分流器 2 2 液压同步回路分析 常用的液压同步回路有同步阀控制液压同步回路 同步缸控制液压同步回路 同 步马达控制液压同步回路 调速阀节流阀控制液压同步回路 比例阀伺服阀控制液压 同步回路 数字阀控制液压同步回路等 这些回路各具优点 在复杂的液压系统中往 往融合几种同步回路以确保其同步精度 比例阀 伺服阀控制液压同步回路 数字阀 控制液压同步回路在现代液压系统中用得较多 同步精度高 价格也较贵 但其原理 并不复杂 在实际使用中不用进行复杂的液压系统数学模型的建立和分析 2 2 1 同步阀控制液压同步回路 同步阀可用来控制三缸或更多缸同步运行 其本质是同步阀控制流入各液压缸的流 量 即所谓的流量同步控制 如图2 1 所示为一简单的同步阀控制液压同步回路 其原 理为利用两节流阀调节流量来实现同步运动 工作过程为分流同步阀4 和液压缸1 2 组成同步回路 当三位四通电磁阀5 左位工作时 缸1 2 的活塞杆就能同步上升 但 由于误差的影响 最终两缸有明显的误差 这时二位三通电磁阀3 得电 两缸无杆腔 油路接通 最终达到同步的目的 如实际需要中有多缸同步 则可利用多个同步缸组 成多级回路 如六缸同步就需要五个同步阀三级构成 但每经过一个同步阀 压力就 会降低0 9 1 5 m p a 压力损失较大 效率较低 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 1 同步阀控制两缸同步回路 2 2 2 同步缸控制液压同步回路 同步缸控制液压同步回路可用来实现较多缸的同步运动 当出现偏载时 同步精 度也较高 如图2 2 为一常用的同步缸液压同步回路 三位四通换向阀5 左位工作时 换向阀向同步缸供油 这样同步缸向液压缸1 由两只相同的液压缸组成 的无杆腔供 油 并且供油量是相等的 液压缸1 的左右两缸活塞杆同步伸出 如果1 中的两只液 压缸有一只活塞杆先运动到终点 则另一缸会继续运动 已到达终点的液压缸无杆腔 油液会经单向阀2 中的一个由溢流阀3 流出 这样就能够消除两液压缸的同步误差 图2 2 同步缸液压同步回路 2 2 3 同步马达控制液压同步回路 同步马达同步回路要求回路中的液压马达必须是结构 尺寸相同 精度相同的两 个或多个液压马达合在一起形成一个同步马达组 多用于行程较长 同步精度要求较 高 有偏载的系统 如图2 3 为一同步马达同步控制液压回路 其中2 为两个参数完 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 全相同的单向输入输出液压马达的刚性连接 3 为两只单向阀 1 为两只参数相同的液 压缸 当液压马达供油时 三位四通阀4 工作在左位 这时液压缸活塞杆同步外伸 图2 3 同步马达液压同步回路 2 2 4 调速阀 节流阀控制液压同步回路 调速阀 节流阀控制的液压同步回路是较简单方便的同步回路 在同步精度要求 不太高的时候 采用调速阀节流阀控制同步回路的情况较多 如图2 4 为一节流调速 回路控制液压同步系统图 节流阀控制的同步回路 主要是通过调节节流阀4 的开口 大小 进而改变进入液压缸1 和2 的液体流量 以达到1 和2 同步的目的 由于调速 阀由节流阀和定差减压阀或者溢流阀组合而成 因而在系统同步精度要求较高的回路 中 调速阀可替换节流阀 图2 4 节流调速回路控制同步运动 2 2 5 比例阀 伺服阀控制液压回路 伺服阀比比例阀出现早 由于伺服阀在工业实际运用中因其价格贵 抗污能力差 因而得不到广泛运用 2 0 世纪6 0 年代 比例阀产生 性能介于伺服阀与普通液压阀之 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 间 比例阀 伺服阀控制原理图如图2 5 比例阀 伺服阀优缺点比较如图2 6 图2 5 闭环控制的比例阀或伺服阀控制液压回路 图2 6 比例阀 伺服阀优缺点 2 2 6 数字阀控制液压回路 常用的数字阀有数字换向阀 数字溢流阀 数字流量阀等 依据阀结构原理可分 为两类 脉宽式开关数字阀 增量式数字阀 图2 7 为两类阀的控制原理图 高速开关数字阀 a 脉宽式快速开关数字阀控制的电液系统 b 增量式数字阀控制的电液系统 图2 7 数字阀控制液压系统原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 a 图原理是利用p w m 控制 通过控制液体流量 采样周期时间t 恒定 导通脉宽 就决定了占空比 输出流量与导通脉宽成正比 并通过闭环控制实现更高的精度 这 种控制方法在计算机程序实现方面较简单 控制精度也很高 b 图原理是利用计算机发 出的脉冲信号经放大后驱动步进电机 转子会根据每一个脉冲序列旋转一固定步矩角 然后通过转换器将步矩角转换为轴向的位移 这样液压阀口就会随之动作 其流量和 压力输出与输入的脉冲数成正比 在执行元件 例如液压缸 上的各类传感器随时检 测系统的速度 压力 位移等参数 并反馈回计算机 形成闭环控制 数字阀控制液压同步回路有很多优点 数字阀控制精度高 使用方便 抗污染和 干扰能力强 国外在数字阀方面研究和应用都较广泛 国内市场现今还比较少见 2 3 小结 本章对液压同步的基本问题进行说明 并结合图例列举了一些常见的液压元件控 制同步回路 简单指明其优缺点 液压同步回路的基本回路是在长期的实际运用中总 结出来的具有重要现实意义的回路单元 本文后面章节所涉及的c r t si i 型轨道板专用 数控磨床的液压系统就是由这样一些基本回路经过组合 改进而成的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章c r t si i 型轨道板专用数控磨床液压系统 3 1 概述 京津城际铁路是设计时速3 5 0 l m 的城际双线高速铁路 全长1 1 5 l n l 并己于2 0 0 8 年北京奥运会开幕之前通车 是中国首条真正意义上的高速铁路 为保证在高速状态 下列车运行的稳定性 平顺性及安全性 需要在全线铺设无缝线路和无碴轨道 此条 线路全线采用c i 玎si i 型无碴轨道系统 京沪高速铁路也同样采用了这套轨道系统 c r t si i 型轨道板无碴轨道 即无挡肩的轨道 这种新型的c r t si i 型轨道板是我 国自主研制的 由混凝土材料组成 全线路整体设计是c i 盯si i 型板式轨道的突出特点 若干c r t si i 型板式轨道板组成了全线路整体的理论模型 某一路段的设计数据在每块 板中均能携带 每一块板都是单独编号 跟传统铁路的枕木相同作用的承轨台 有可 能处在线路中位置不同 如转弯弧线 直线段 道岔 下坡 上坡等而参数要求不同 故由于每块板参数要求不一定一样 并且又不可能因此而设计制造许多数据不同的毛 坯模型 所以 在毛坯板模型参数相同的情况下 为了满足设计要求 只能将毛坯板 利用数控磨床进行磨削加工 由此 该过程在规模化实施中是相当有难度的 之前在 世界上也仅有德国3 0 多公里长的实验路段 我国c r t si i 型轨道最大优点是整条线每 一个承轨台都是经磨削加工而成的 其精度很高 列车行驶很平稳 轨道板专用数控 磨床的制造是最大困难 因为其既要满足轨道板的精度要求 又要满足铁路建设的高 效率要求 通过对京津城际铁路无碴轨道系统的研究与应用实践 我国实现了重要装备的国 产化 总结形成了一套完整的施工技术与工艺 例如c r t si i 型无碴轨道铺轨 铺板 铺岔等环节 c i si i 型轨道板专用数控磨床 是轨道板加工的关键设备 却不能实 现完全国产化 该磨床系统使用功能复杂 环境恶劣 精度要求高 在国外仅有德国的博格公司设计制造过一台磨床样机 我国仅有 华东数控 杭 机集团 两家公司引进了博格公司相关技术 并在该国外公司的帮助下 制造过这种 专用数控磨床 可我国制造的原型磨床存在主轴功率小 刚度较小 效率不高等许多 问题 因此我国生产轨道板专用磨床由于这样那样的问题和困难 关键技术又受到国 外公司的限制 故只生产机械部分 磨床控制软件和大功率磨削电机主轴由博格公司 供应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 2c r t si i 型轨道板数控磨床 3 2 1 结构组成 该磨床用于承担承轨台磨削工序的所有工作 为高架桥式龙门结构 伺服控制轴 数量达到1 8 个 有3 个工位 左右两边的两个磨头对承轨台单边同时进行磨削加工 磨床使用了自动编程技术 激光在线检测技术 自动分析技术 质量评价技术 自动 加工技术等 可以说此磨床是一台智能化的轨道板专用数控 磨床磨削c i 订si i 型轨道板的过程为 轨道板毛坯经前一道工序输送到磨床磨削加 工工位等待 在毛坯板经滚轮传送带传送至加工工位后 磨床执行加工指令 调平夹 紧系统对毛坯板进行项升调平并夹紧 激光测量设备而后对承轨台毛坯板上的重要测 量点进行测量 并将测量信号传输至控制系统进行判定 若被检测毛坯板被判定为达 不到相关参数要求 系统会自动将毛坯板移出加工工位 假如判定为合格 系统将自 动把加工平面坐标转化成所测量的工件平面坐标 控制系统对测量数据分析计算而给 出最合理的打磨量 并生成子程序用于磨削加工 系统会根据预定的线路对每个承轨 台的角度值和坐标值进行加工 伺服运动轴的动作是通过数控系统控制的 从而完成 轨道板承轨台毛坯板的加工 使其达到预设参数值 在毛坯板加工完成后 磨床上的测量系统能自动对轨道板上的重要点再次进行检 测 并与系统设定值进行对比 而后系统把测量后的数据归类并储存 这一工序完成 后 安装在磨床上的喷洒系统对轨道板进行清洗 完成后系统将夹具松开 并通过定 位油缸将轨道板下落到传送系统上 传送系统将轨道板送入下一工位 轨道板在进入下一工位进程中 安装在磨床上的压缩气体喷射系统自动喷出压缩 气体 清理轨道板上面的水 而后才到达下一工位 这样就完成了一块轨道板的磨削 加工工作 完成上述工序要求的c i 玎si i 型轨道板数控磨床由磨床本体 输送系统 测量系 统 调平定位装置 电气控制系统 磨削软件 气路系统 水路系统 液压系统组成 该磨床为一成套设备 其生产线整体布局及传输方案见图3 1 图3 1 为加工时的数 控磨床 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 圈疆 董i僵 僵 鼍蛩僵 珏属 母罾 图3 一l 生产线整体布局及传输方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图3 2 加工时的数控磨床 磨床本体有两组磨头 共有1 0 个数控轴 由横梁 纵梁 c 轴 x 向a 轴 z 轴 组成 输送系统处在左右立墙之间 由侧向导向滚轮 垂直支承滚轮 摩擦轮驱动装置 气动式导向轮和滚轮支撑架构成 测量系统由一套点接触机械探针式测量机构和一套激光测量机构构成 位置处在 垂直导轨上 垂直导轨处在两垂直滑板内侧 调平定位装置完成轨道板的夹紧和无应力支承 是磨床的最关键组成部分 将在 3 2 3 节作详细叙述 电气控制系统是磨床的控制中心 能对整台设备进行监控和控制 它除了拥有一 套控制硬件外 还拥有适配控制器 它能根据负荷自动调节进给量 即根据主轴负荷 大小变化调整进给速度 磨削软件用于控制磨床 监控和控制整台设备运行 并与生产计划系统进行通讯 即对数据进行接收以及反馈 3 2 2 液压系统 液压系统提供动力给磨床的垂直滑枕 调平及夹紧装置 a c 轴锁紧 液压系统 是由控制阀 油泵电机组 过滤器 冷却器 控制系统和传感控制元件等构成的液压 站 此液压系统液压油温度能够实现自动控制 液压动力源系统原理图如图3 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 0 l k 舢广 陌钒 a 藩 掣 p l 广 1l 毛曳括鬲 麦 申嚣 噶 唾三兰当 一c 0 0 p 蝴 一订 l 一 l 高 i 凰 畸 ilili f 厂 i 辱双1 叁 缬 垂圣 l 雷 j k 刁 一 一一 一一 一一 一一 一 图3 3 液压动力源系统原理 3 2 3 轨道板调平夹紧系统 轨道板调平夹紧系统是该磨床最为关键的系统组成之一 直接影响轨道板成轨台 的加工质量 调平夹紧系统最重要的作用就是将毛坯板项升到磨床加工工位 并且保 证毛坯板处于水平状态 同时还要应对由于加工过程中的形变引起的毛坯板水平位置 的变化 可以说轨道板调平夹紧系统是磨床最重要的组成部分 为了保证调平系统的正常工作 采取三只同步油缸实现初步位置同步 三只伺服 油缸实现应力重新分配 调平系统利用压力传感器测力 采用闭环力反馈控制使轨道 板毛坯处于水平状态下的应力平衡 之所以采用三只同步油缸和三只伺服油缸对称分 布 是因为位置对称分布 如图3 4 结构合理 成本较低 如采用两只同步油缸或 四只同步油缸都不能达到最优设计 而采用压力传感器 利用力反馈闭环控制的重要 原因是在于轨道板毛坯处于水平状态下的无应力状态是力的直接反映 在无应力状态 下 力矩是平衡的 故力的作用是轨道板处于水平状态与否的关键因素 本文将用两 章 第4 5 章 来对轨道板调平夹紧系统进行数学模型的构建和仿真分析 调平夹紧系统由处在加工工位上的同步油缸 伺服油缸 侧向夹紧油缸和辅助支 承油缸组成 3 台顶升油缸均配置有压力传感器 通过锁紧装置 用来对毛坯板处于顶 升终点时的调平 3 台调压油缸均配置有比例阀和压力传感器 通过锁紧装置 用于压 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 力调节系统对毛坯板进行水平调平 4 台支撑油缸均配置有锁紧装置 位置处在调平油 缸区域之间 用来对毛坯板进行辅助支撑 以增大接触面积 6 台夹紧液压缸装在两侧 用来在打磨的整个过程中侧向固定毛坯板 在液压系统的作用下 六个油缸将工件顺利项出传送系统 并在数控系统的控制 下通过压力调节装置调节毛坯板的水平位置 使得工件在无应力状态 无受压 的条 件下处在水平状态 在这过程中 系统会自动将不同压力值按系统设定的分配比例分 配到各接触点上 在调平结束后 4 个辅助油缸将辅助支撑轨道板 夹紧系统具有如下功能 通过压力调平 实现轨道板毛坯处在无应力状态 即毛坯在不受压力的情况下处 在水平位置 并自动按照各点的承载分配压力 如图3 4 其中1 3 5 三只液压缸 为同步油缸组 2 4 6 三只液压缸为伺服调平油缸组 这6 只液压油缸实现载荷自动 按设定值进行分配 承载比例从1 3 5 分别为1 4 1 4 2 2 2 4 6 分别为2 2 1 4 1 4 7 1 0 四只油缸构成辅助支承油缸组 1 1 1 4 1 5 三只油缸为侧向夹紧定 位油缸组 1 2 1 3 1 6 三只油缸为侧向保压夹紧油缸组 o 图3 一液压油缸组分布简图 3 3 调平夹紧系统构成及作用 3 3 1 同步油缸组 如图3 三只油缸组成同步油缸组 油缸型号为f d i 认0 1 0 3 7 3 w v r 油缸参数 为e6 0 4 0 6 0 三只油缸都自带锁紧装置 锁紧装置处于常闭状态 在不超过额定载荷 时都能保证油缸活塞杆和缸筒两者无相互运动 原因是在控制腔无油压供给时 锁紧 装置能靠弹簧将油缸活塞杆与缸筒紧紧锁在一起 二位三通电磁阀控制锁紧装置的开与关 电磁阀不通电时 锁紧 通电时 锁紧 装置打开 油缸活塞杆在油压作用下可以自由运动 同步油缸组的总体控制是由同步 马达 平衡阀 电磁换向阀实现 同步马达控制三只油缸运动速度的一致 平衡阀控 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 制油缸在缩回或伸出时的平稳 电磁换向阀控制液压缸活塞杆的缩回或伸出 在油路 中设置有柱塞式压力开关和电子压力开关 分别对小腔和大腔进行控制 图3 5 同步油缸组 3 3 2 伺服调平油缸组 如图3 一 三只油缸组成调平油缸组 参数均为c 6 0 4 0 6 0 三只油缸都自带锁 紧装置 与同步油缸组相同 锁紧装置处于常闭状态 每只油缸都有一个伺服阀对其进行控制 在伺服阀的自动控制作用下 实现油缸 受力按系统设定值或比例进行分配 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 6 伺服调平油缸组 3 3 3 辅助支承油缸组 如图3 0 四只油缸组成辅助支承油缸组 参数均为e 4 0 2 0 1 0 0 四只油缸均自 带锁紧装置 跟其他油缸组类似 锁紧装置处于常闭状态 调速阀 平衡阀 电磁换向阀控制着辅助支承油缸组 调速阀调节油缸运动速度 平衡阀控制油缸在缩回或伸出时的平稳 电磁换向阀用来控制活塞杆缩回或伸出 在油路中设置有柱塞式压力开关和电子压力开关 分别对小腔和大腔进行控制 图3 7 辅助支承油缸组 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 3 4 侧向夹紧定位油缸组 如图3 8 三只油缸组成侧向夹紧定位油缸组 参数均为e6 0 4 0 6 0 每只油缸 均自带锁紧装置 跟同步油缸组的控制一样 锁紧装为常闭状态 通过调速阀 平衡阀 电磁换向阀 减压阀来对侧向夹紧定位油缸进行控制 减 压阀对系统供给压力减压 再供给夹紧油缸 在减压阀后部装有压力表 用来监测减 压阀减压后的压力 其他阀的作用跟辅助支承油缸组相同 p 图3 8 侧向夹紧定位油缸组 3 3 5 侧向保压夹紧油缸组 如图3 9 三只油缸组成侧向保压夹紧油缸组 参数均为c6 0 4 0 6 0 通过调速 阀 平衡阀 电磁换向阀 减压阀 蓄能器对侧向保压夹紧油缸组进行控制 蓄能器 用来保证夹紧压力保持不变 其他阀的作用跟辅助支承油缸组相同 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 r 图3 9 侧向保压夹紧油缸组 3 4 压力传感器 c i 玎si i 型轨道板专用数控磨床的顶升调平液压油缸组下端安装有应力传感器 此 压力传感器采用的是拉压式u 1 0 m 系列压力传感器 型号为 k u 1 0 m 5 0 k 0 s b j 1 s n v b 实物图如图3 一l o 其原理为 根据嵌入硅片的压电 电阻 在受到任何外力而挠曲或发生小范围变化时 其电阻值会增大 该传感器借助 较小的不锈钢球 将所受的压力直接集中并传递到硅传感元件上 施加力的大小和电 阻值的变化是成比例变化的 电阻的变化导致m v 输出也会相应的变化 此应力传感 器能用于静态和动态的应力测量 通过电子弯矩补偿 能大大降低外界干扰的影响 此磨床液压系统的3 只伺服油缸和3 只同步油缸下端各安装1 只应力传感器 能 准确地测量c i 玎si i 型轨道毛坯的重量 并将重量反馈回控制模块 通过计算后 按比 例重新分配给各液压缸 通过动态反馈 伺服阀调节达到应力平衡 使轨道板处于水 平状态 利于提高后面工序中对轨道板毛坯的打磨精度 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 1 0 压力传感器 3 5 工作过程 3 5 1 轨道板运动过程 c i 玎si i 型轨道板通过运输线进入加工区 到达加工位置后 轨道板接触纵向定位 开关架上的开关 运输线停止 轨道板停止运动 纵向定位开关架在气缸作用下放下 同时侧向导向滚轮在气缸作用下缩回 这里的滚轮指在支架顶端安装有水平方向的滚 轮 被加工的轨道板就放在这些滚轮上面 随滚轮的运动而前进 在支架顶端还安装 有垂直于轨道板运动方向的滚轮 对轨道板前进方向进行导向 并预防轨道板前进方 向发生偏移 轨道板在支承滚轮上前进的动力来源于电动机经减速机减速后的摩擦驱 动橡胶轮 驱动橡胶轮与轨道板底面接触 通过摩擦力驱动轨道板移动 3 5 2 液压系统工作过程 轨道板的调平夹紧系统中的各油缸组动作有序进行 首先同步油缸和伺服油缸同 时伸出 同时将毛坯板顶离传送系统 同步缸伸出完成时 伺服缸也到达相应位置 6 只缸自动锁紧 通过安装在伺服缸 和同步缸下的六只测力传感器测出毛坯板的总重量 经系统计算 得到六只缸的载荷 分配 这时伺服缸锁紧装置得电 伺服缸继续动作 在六只测力传感器和控制器的作 用下 载荷按计算值自动分配 完成载荷重新分配后 伺服缸及伺服阀停止动作 锁 紧装置控制阀断电 并给出锁紧信号 伺服油缸锁紧 完成伺服油缸锁紧后 辅助支承油缸组的锁紧装置开启 三位四通电磁阀a 端得 电 伸出辅助支承油缸组 直到大腔压力跟电子压力开关设定压力值相同时 开关信 号输出 电磁铁断电 油缸动作停止 锁紧电磁阀断电 并给出完成辅助支承油缸组 锁紧信号 油缸锁紧 到此 轨道板调平支撑完成 而后 侧向夹紧定位油缸组的锁紧电磁阀得电 打开锁紧装置 电磁阀a 端得电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 伸出三只侧向夹紧定位油缸 直到大腔压力跟电子压力开关设定压力值相同时 开关 信号输出 电磁铁断电 油缸动作停止 锁紧电磁阀断电 油缸被锁紧 并给出侧向 夹紧定位油缸组锁紧的完成信号 最后 侧向保压夹紧油缸组的电磁阀a 端得电 侧向保压夹紧油缸组的三只油缸 伸出 直到大腔压力跟电子压力开关设定压力值相同时 开关信号输出 电磁铁断电 油缸动作停止 侧向保压夹紧油缸组有可能因泄漏等其他因素造成的压力下降 蓄能 器补偿能保证夹紧压力的恒定 到此 毛坯板支撑及调平夹紧完成 而后进行磨削工序环节 完成磨削工序后 油缸组按以下顺序动作 第一步 侧向保压夹紧油缸组的各电磁阀b 端得电 侧向保压锁紧油缸的三只油 缸活塞杆缩回 当小腔压力值达到小腔端的电子压力开关预先设定值时 开关信号输 出 电磁铁断电 油缸动作停止 第二步 侧向夹紧定位油缸组电磁阀b 端得电 打开锁紧装置 侧向夹紧定位的 三只油缸活塞杆缩回 当小腔压力值达到小腔端的电子压力开关预设压力值时 开关 信号输出 电磁铁断电 油缸动作停止 第三步 辅助支承油缸组电磁阀b 端得电 打开锁紧装置 辅助支承油缸组的四 只油缸活塞杆缩回 同样 当小腔压力值达到小腔端的电子压力开关预设压力值时 开关信号输出 电磁铁断电 油缸动作停止 第四步 伺服油缸组电磁阀b 端得电 打开锁紧装置 伺服油缸组的三只伺服阀 得电后工作 伺服油缸缩回 最后 同步油缸组锁紧电磁阀b 端得电 打开锁紧装置 同步油缸组的三只油缸 缩回 当小腔压力值达到小腔端电子压力开关预设压力值时 开关信号输出 电磁铁 断电 油缸动作停止 这时 轨道板下降到输送线支承滚轮上 在气缸作用下 伸出 侧向导向滚轮 运输线输送电机启动 轨道板被移动离开加工区 3 6 小结 本章介绍了c i 玎si i 型轨道板专用数控磨床的结构组成 重点对磨床液压系统构 成 作用及其工作过程进行了表述 其液压系统主要由同步油缸组 伺服调平油缸组 辅助支承油缸组 侧向夹紧定位油缸组 侧向保压夹紧油缸组构成 其中伺服调平油 缸组是磨床液压系统中最重要的组成部分 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 第4 章伺服同步油缸系统模型 4 1 轨道板数学模型 4 1 1 轨道板受力模型 c r t si i 型轨道板为纵横向预应力张拉的c 5 5 混凝土轨道板 由于轨道板具有一定 的长宽尺寸 并且板底面为毛面 在磨削加工时采取的是6 点调平支承加4 点辅助支 承 之所以采用1 0 点支承 就是为了防止由于接触点少 接触面积小 接触点受力非 常大而导致的接触点变形而影响加工精度 轨道板受力模型如图4 1 图中轨道板与 4 只辅助支撑油缸组的受力没有画出 r 1 图4 1 轨道板受力模型简图 假设轨道板的重心和质心重合为g x 7 y 7 设1 3 5 三点为伺服油缸组中活塞 杆与轨道板的接触点 所受力为f 1 f 3 f 5 2 4 6 三点为同步油缸组中活塞杆与 轨道板的接触点 所受力为f 2 f 4 f 6 方向均竖直向上 活塞