打磨试验台气动系统设计.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ．4 ． 2 0 1 2 打磨试验台气动系统设计 吴 荐 ， 李建 勇 ， 沈海 阔， 聂 蒙 北京交通大学 机械与电子控制工程学院， 北京1 0 0 0 4 4 摘 要 介绍 了打磨试验 台气动 系统 的设计 。基于 P L C控 制 ， 对气 动系统进 行了气动回路控制和电气控制的硬件开发和软件设计 ， 并 对系统的稳定性进行分析 ， 应用 A E M S i m软件建立 了气动系统及其控制的仿真模 型 ， 仿真结果证 明了模型 的正确性和有效性 。 关键词 打磨试验 台 气动控制 ； P I D控制 ； A ME S i m仿真 中图分类号 T H1 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 2 7 0 4 Th e De s i g n o f Pn e u ma t i c S y s t e m o f Gr i n d i n g Ex p e rime nt a l Pl a t f o r m J ／ a n， L I J i a n - y o n g， S HEN Ho d k u o， NI E Me n g B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e t h e d e s i g n o f p n e u mi c s y s t e m o f t h e g ri n d i n g e x p e ri me n t a l p l a t f o r m． B a s e d o n t h e c o n t r o l o f t h e P L C s y s t e m， i t e s t a b l i s h e s t h e h a r d wa r e a n d s o f t w a r e’ S d e s i g n o f t h e p n e u ma t i c c i r c u i t c o n t r o l a n d e l e c t ri c a l c o n t r o l ， a n d a n a l y s e s t h e s y s t e m ’ S s t a b i l i t y ． Wi t h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e AMES i m， i t a l s o b u i l d s t h e S i mu l a t i o n mo d e l o f t h e p n e u ma t i c s y s t e m．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s c o n fi rm e d t h a t t h e mo d e l q u a l i t y c a n a c h i e v e mo r e s a t i s f a c t o r y l e v e 1 ． Ke y wo r d s g n d i n g e x p e rime n t a l p l a tf o rm ； p n e u ma t i c s y s t e m； P I D c o n t r o l ； AME S i m s i mu l a t i o n O 引言 近年来 ， 随着高铁技术在我国的快速发展 ， 铁路 的 运营维修和保养面临着更加严峻的考验 。钢轨打磨列 车是用 于铁路养护维修 的专用机械 ， 通过打磨 ， 它能够 有效改善运行状况 ． 大幅度提高铁轨使用寿命。由于国 基金项 目 铁道部科技研究开发计划重点课题 2 0 1 0 0 G 0 0 8 一 C ； 教 育部基 本科研业务基金 2 0 1 1 J B M2 7 9 ； 北京交通大学校科研基金 2 0 0 9 J B M1 5 2 ， M1 1 J B0 0 3 5 0 ， M1 I J B0 0 4 3 0 。 收稿 日期 2 0 1 2 一 叭一 0 4 作者简介 吴荐 1 9 8 7 一 ， 男 ， 河南信阳人， 硕士研究 生， 主要研 究方 向是先 进制造过程与系统。 外技术垄断 ，目前我国还没有掌握大型钢轨打磨列车 的关键技术 ， 因此钢轨打磨试验 台的建立势在必行 ， 对 于 自主研发钢轨打磨技术具有重要意义【 】 1 。 打磨试验 台主要是用于研究钢轨打磨工艺 、打磨 模式 、 确定相关参数 ， 从而为打磨控制系统研发提供试 验支撑闭 。打磨试验台采集 的相关数据将为钢轨打磨设 备 的研发提供依据 ，因此打磨试验台设计 的合理性与 否将直接影响其性能 。 本文主要是对打磨试验台的气 动系统进行设计 。 试验 台的打磨压力控制主要采用气动系统进行驱动 ． 通过控制气缸压力来控制打磨压力。气动压力控制系 统以 P L C为控制核心 ，采用 P I D控制精确控制气缸压 一 一 一 一 一 一 一 一 - 一 一 一- 一 - 一 卜 - 卜 * 卜 - 卜 - - 一 一 -- - - - 一 一 压 力 、 流量 、 功率控制 只需要改变设定参数 即可 ， 控制更加灵活 、 方便。 5 结论 通过以上结果得出， 电子控制变量泵的优点是 ① 电子控制变量泵响应迅速；②改变设定参数就能实现 不 同功能 ， 功能丰富； ③控制性能更好 ， 灵活度更大 ， 可 以适应各种工况 。 参 考 文 献 【 l 】 安高成 ， 王明智 ， 付永领． 液压变量泵 的数字控制现状[ J 】 ． 流体 传动与控制 ， 2 0 0 8 ， 3 ． 【 2 】 M． K ． B A HR ，J ． S S O B O D A A N D R ． B ． B H A T ． V i b r a t i o n a n a l y s i s o f c o n s t a n t P o w e r Re g u l a t e d S wa s h P l a t e Ax i a l P i s t o n P u m p s [ J ] ．J o u rna l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 2 0 0 3 ， 5 ． [ 3 】 徐磊， 陶建峰， 刘成良． 一种新的电液比例变量泵 P Q特性 曲线测试方法[ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 ． 【 4 ] 吴根茂 ， 邱敏秀 ， 王庆丰． 新编使用电液比例技术【 M】 ． 杭州 浙 江大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 4期 力 ． 从而起到控制打磨压力的效果 ， 并应用 A E MS i m软 件建立 了气动系统及其控制的仿真模型 ，并对 P I D参 数进行调节 。 验证模型的正确性和有效性 。 1 气动 回路设 计 在钢轨打磨 过程 中． 由于铁轨存在波磨 、 肥边 、 点 蚀等不平整的缺陷 。打磨头和钢轨之间的相对位移变 化较大 ， 受到的冲击力也比较大。由于空气的弹性模量 较小 ， 当有扰动时 ， 能够快速缓 冲冲击压力 ， 并能通过 控制系统实现快速调节 ， 保持打磨压力的稳定 ， 因此打 磨控制系统宜采用气动驱动。根据试验台设计要求 ， 最 终实现由气缸驱动打磨头的升降及施压 ，最大打磨压 力为 2 k N。 整个气动系统回路的组成如图 l 所示 ，包括过滤 器 Yl ， 油雾分离器 Y 2 ， 减压 阀 Y 3 ， 残压释放阀 Y 4 ， 比 例减压阀 Y 5 、 Y 6 ，压力传感器 P l 、 P 2 ，气源 S 1 和气缸 T 1 。工作时 ， 空气经过空气压缩机 气源 S 1 加压 ， 流经 过滤器、 油雾分离器 、 减压 阀、 残压释放阀 ， 然后分别进 图 1 气 动 系 统 回 路 原 理 图 入比例减压阀 Y 5 、 Y 6 ，最后流进气缸活塞两端缸体[3 1 。 通过 P L C控制器对 比例减压阀 Y 5 、 Y 6发送控制信号 ， 改变 Y 5 、 Y 6的输入电流 。控制气缸活塞两端缸体的进 气量大小 ， 从而改变气缸输 出压力。 2 电气控制设计 试验台控制系统采用的是 S I E ME N S的 S 7 3 0 0系 列 P L C作为控制核心 ， 其具有模块化设计 、 安装方便 、 模板 的诊断及过程监视等特点 ，提供 了多种性能递增 的 C P U和 I ／ O扩展模块和功能模块 ，能够进行高速的 指令处理和浮点数运算 ， 应用十分灵活 ， 能够满足系统 控制的需求[4 1 。 在工作过程中 。 如图 2所示 ， P L C通过 向比例减压 阀 Y 5 、 Y 6发送控制信号， 改变其输入电流 ， 控制气缸两 端的进气量 ， 从而控制气缸的压力输出 ， 并实时采集压 力传感器的检测值 ， 并通过其 内部算法进行处理 ， 不断 调节输入 比例减压阀的控制信号 。实现对气缸缸体压 力的精确控制 ， 进而控制打磨输出压力。 2 8 在控制方式上 ， 采用 P I D控制 ， 来实现打磨输 出压 力的闭环控制。 P I D控制是在工业过程控制 中最常见的 控制方法 ，尽管许多先进控制方法不断推出 。但 由于 P I D控制器结构简单 ， 对模型误差具有鲁棒性 ， 以及易 于操作等优点 ， 仍被广泛应用于冶金、 化工 、 电力 、 轻工 和机械等工业过程控制 中，并且许多高级控制算法也 是以 P I D控制为基础。控制过程的流程图如图 3所示 ， 启动后 ， P L C发送控制信号 ， 经过 P I D处理后 ， 将控制 信号传递给比例减压阀， 控制气缸缸体压力输入 ， 通过 压力传感器检测做反馈 ，从而完成对气缸压力输 出的 闭环控制 。 图 2气 动 系统 回路 原 理 图 图 3打磨 控 制 流程 图 3 仿真模型建立及结果分析 在建模过程 中。 采用高级建模 、 仿真及动力学分析 软件 A ME S i m。该软件为流体动力 流体及气体 、 机械 、 热流体和控制系统提供了一个完善 、优越的模拟环境 及最灵活的解决方案。尤其是 A ME S i m内置有 与其它 系 统仿 真 软件 的接 13，根据 此 特性 。用 户可 以在 AME S i m环境 中访问其他软件 的优化工具及分析工具 等 ，同时还可以将一个完全非线性 AME S i m子模型输 出到 比如 MA T L A B或其它多种软件中去[5 1 。 气缸的结构模型如图 4所示 ， 用 A ME S i m建模时 ， 将气缸简化为一个具有气体泄漏和黏度摩擦的气动元 件。其工作过程中， 活塞右端的压力保持恒定 ， 通过改 变活塞左端压力， 来推动活塞左右移动。其运动的数学 模型为16 1 7 1 P 1 Al - p 2 A 2 Mx B 。 x F 1 式中P ， 无杆腔活塞一端腔内压力 ； p 有杆腔活塞一端腔内压力 ； Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 4 ． 2 0 1 2 A． 无杆腔活塞的有效截面积 ； A， 有杆腔活塞的有效截面积； 一 活塞连杆质量 ； 活塞及负载的黏性阻尼系数 ； 卜作用在活塞上 的负载外力 ； 活塞连杆位移 。 由此 ， 根据工程实际情况 ， 可设定气缸参数 ， 选取 缸体尺寸为 1 2 5 x 1 2 5 ， 活塞与缸壁的缝隙为 0 ． O l mm。 I Q 1 图 4 气缸结构模 型示意 图 根据参数设置 ， 对系统进行建模仿真 ， 模型仿真如 图 5所示。 图 5 仿真模型 图 设 置仿真时间为 1 0 s ， 采样间隔为 0 ． 1 s ， 活塞 杆输 出端施加有 突变信号 ， 峰值为 1 m m位移 ， 信号输入如 图 6所 示 。 U 2 4 6 IU t ／ s 图 6 输入突变信号示意图 将有杆腔活塞一端压力设为恒定 。测取无杆腔活 塞一端腔内压力 ， 仿真结果如图 7所示。保持气源输入 压力恒定 ， 改变输人控制信号的大小 ， 则得到气缸压力 输出如图 7 a 、 7 b 、 7 c 所示。 从图中可以看出 ， 当控制信号 增大时 ， 输 出压力也成 比例增大 ， 而且上升时间比较迅 速 ， 超调量也 比较小 。当系统遇到突变信号时 ， 都能快 速调整 ， 返回正常值。 舅 t ／ s a 控制信 为l O m A 时 缸雎 力输出值 t ／ s b 控制信号为1 5 m A 时气缸压力输1 1 j 值 t ／ s c 控制信号2 0 m A 时气缸 力输出值 图 7 控制信号变化 ， 气缸输 出仿 真图 当给定输入控制信号 ， 改变气源输 出压力 ， 观察气 缸 内压 力输 出 ， 仿 真结 果如 图 8所示 。图 8 a 、 8 b 、 8 c t ／ s a 气源』 丘 力为l O b a r 时气缸压力输 出值 t ／ s b 气源雁力为1 5 b a r 时气缸压力输出值 t l s c 气源鹾力为2 0 b a r 时气缸压力输出值 图 8 气源压力变化 ． 气缸输 出仿真 图 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 4期 基于 S i mu l i n k的玻璃粉末压机液压缸设计分析 徐健 丰 杭州职业技术学院 ， 浙江 杭州3 1 0 0 1 8 摘要 在玻璃粉末压机液压控制系设计时 ， 为实现液压缸结构及工作参数的合理配置 ， 使液压缸的工作性能达到系统的要求 ． 该文采 用 Ma t l a b软件中的 S i m u l i n k 模 块对液压缸的速度平稳性和位移线性度进行仿真分析 ， 从 而确定合 理的结构及工作参数 ， 提高液压缸 设计的精度和可靠性 。 关键词 压机 ； 液压 ； 分析 ； 设计 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 3 0 0 4 S i mu h n k ba s e d De s i g n a n d An a l y s i s f o r Hyd r a u h c Cy hn d e r o f Gl a s s Po wd e r P r e s s XU 帆 n g H a n g z h o u V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T o a c h i e v e t h e r a t i o n a l l y a l l o c a t e d s t r u c t u r e a n d o p e r a t i n g p a r a me t e r s f o r h y d r a u l i c c y l i n d e r i n t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f g l a s s p o w d e r p r e s s ， t h e s p e e d s t a b i l i t y a n d d i s p l a c e me n t l i n e a r i t y i s s i mu l a t e d i n t h i s p a p e r wi t h Ma t l a b ／ S i mu l i n k t o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e s y s t e m． ． I n t h i s w a y ， t h e b e s t s t ruc t u r e a n d wo r k i n g p a r a me t e r s w i l l b e f o u n d a n d t h e a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r w i l l b e i mp r o v e d ． Ke y wo r d s p r e s s ； h y d r a u l i c ； a n a l y s i s ； d e s i g n O 引言 电连接器广泛应用于航空 、 航天 、 国防等军用系统 收稿 日期 2 0 1 2 作者简介 徐健丰 1 9 7 8 一 ， 男 ， 浙 江杭州人 ， 讲师 ， 工学硕士 ， 现从事机械 制造及 自动化技术等方 向的研究 。 中， 气源输 出压力不断增大 ， 气缸 内压力输出的稳定值 基本一致 ， 只是在上升过程 中， 超调量不断增大 ， 但调 节时间都比较短 ， 响应灵敏。 从上述仿真结果显示 ， 可以得 出， 系统响应快 ， 压 力输出稳定 ， 能够实现快速充气 ， 而且随着输入信号的 增大 ， 气缸内压力稳定增大 从图 7可以看出， P I D的参 数性能良好 ， 系统上升时间短 ， 超调量小 ， 几乎无振荡。 在仿真过程 中， 在气缸连接活塞杆 的一端 ， 施加有突变 信号， 模拟打磨过程 中的冲击力 ， 仿真结果显示 ， P I D调 节对于突变信号 ， 调节能力很强。 4总 结 1 设计 了打磨试验台气动系统 的气动 回路和 电 气控制 ， 实现对气缸正压的闭环控制。 2 利用 AME S I M软件 ， 对气动系统进行建模 ， 仿 真结果显示 ， 系统响应迅速 ， 性能 良好。 f l 中， 是重要配套接 口元件 ， 是从系统 、 分系统 、 机柜到每 个可更换独立单元的插座 ，任何一个 电连接器失效都 将导致航天系统工程的失败 ， 因此 ， 电连接器必须具备 高质量和高可靠性 ，电连接器玻璃坯应达到一定的精 度 ， 且密度分布均匀。 在进行航空电连接器玻璃粉末压机设计时 ．为保 3 试验 台采用气动系统能够很好 的完成打磨压 力的输出控制 ， 满足设计要求。 参 考 文 献 [ 1 】 胡增 荣． 钢轨 打磨 列车 在高 铁上 的 应用 l J 1 ． 科技 经 济市 场， 2 0 1 0 8 ． 【 2 J 高彦芳． 钢轨打磨试验台的设计研究I J 1． 铁道标准设计 ， 2 0 0 0 2 ． [ 3 】 S M C公 司． 现 代实 用气 动技术 [ M】 ． 北 京 机 械工 业 出版社 ， 20 0 9． [ 4 】 崔 维群 ， 孙启 法． S 7 3 0 0 ／ 4 0 0可 编程控 制器 原理与 应用[ M 】 ． 北京 北京航空航天大学出版社 ． 2 0 0 9 ． [ 5 】 付永舰， 等． L MS I m a g i n e ． L a b A ME S i m系 统建模和仿 真 实例教程[ M】 ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 6 】 李平 飞 ， 刘文苹． 基于 A ME S i m 的汽车制动 主缸气密性检测 系统仿真研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 2 ． [ 7 】 杨 建辉， 等 ． 基于 A ME S i m 的气门开启 机构动态特性研 究『 J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 5 ．