锻造操作机液压缓冲系统建模与仿真研究.pdf

2 0 1 5年 6月 第 4 3 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T0 lOL HYDRAUL I CS J u n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 3 7 锻造操作机液压缓冲系统建模与仿真研究 徐明 ，胡国良 ，傅新 1 ．华 东交通大学机电工程学院，江西南昌 3 3 0 0 1 3 ； 2 ．浙江大学流体动力与机 电系统国家重点实验 室，浙江杭 州 3 1 0 0 2 7 摘要根据锻造操作机高速、高精度和高可靠性的要求 ，进行了锻造操作机液压缓冲系统的设计，并在此基础上利用 A ME S i m对液压系统进行了仿真研究，分析了不同溢流压力对缓冲系统的影响。同时利用 MA T L A B的 S i m u l i n k模块对锻造 操作机的缓冲系统进行了总体建模，分析了缓冲系统的动态响应情况。仿真结果表明系统设计能满足操作机的工作要 求，为锻造操作机液压系统设计提供了参考。 关键词锻造操作机；液压缓冲系统 ；动态响应 中图分类号T H1 3 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 1 1 3 7 - 3 M o d e l i n g a nd S i mu l a t i o n o f Hy d r a ul i c Bu ffe r S y s t e m o f Fo r g i ng M a n i p ula t o r XU Mi n g ．HU Gu o l i a ng ．FU Xi n 1 ． S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． 1 } l e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r a n d Me c h a t r o n i c S y s t e m s ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f h i g h s p e e d，h i g h p r e c i s i o n a n d r e l i a b i l i t y f o r t h e f o r g i n g ma n i p u l a t o r ，t h e c i r c u i t o f t he h y dr a u l i c bu f f e r s y s t e m wa s de s i g ne d a n d t h e s i mu l a t i o n s t u d y wa s c a r r i e d o ut b y t he AMES i m s o f t wa r e ．The i n flue nc e s o f t he r e l i e f p r e s s u r e o n t h e h y d r a u l i c b u f f e r s y s t e m w e r e a n a l y z e d ．I n o r d e r t o a n aly z e t h e d y n a mi c r e s p o n s e o f t h e s y s t e m ，t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e h y d r a u l i c b u f f e r s y s t e m w a s b u i l t o n t h e s o f t w a r e S i mu l i n k ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m d e s i g n c a n me e t t h e n e e d o f t h e f o r g i n g ma n i p u l a t o r ，a n d i t c a n p r o v i d e r e f e r e n c e for t h e d e s i g n o f t h e h y d r a u l i c b u f f e r s y s t e m o f t h e for g i n g ma n i p u l a t o r ． Ke y wor d sFo r g i n g ma n i pu l a t o r ；Hy dr a ul i c b u f f e r s ys t e m ；Dy n a mi c r e s p o ns e 0前 言 锻造操作机是实现锻造 自动化的重要设备之一， 它 的主要任务是在锻造过程 中夹持 和操纵锻件 ，配合 锻造机进行锻造工作 ，对于提高锻造精度和效率、降 低能耗具有重要 的作用。国产锻造操作机 的锻造能 力、速度、能耗以及材料利用率等与国际先进水平都 有较大的差距，自主研发大型锻造操作机对我国重大 装备制造业的发展有重要 意义 。 课题组 目前已经对重载锻造操作机的液压系统进 行了设计，并对系统的快速性 、准确性、启动性及可 靠性等进行了初步分析研究 。从图 1 锻造操作机 机构分析可知，锻造过程中主要是夹持 ，提升和缓冲 系统起关键作用。本文作者对锻造操作机的液压缓冲 系统展开 了深入 的研究 ，分别 采用 A ME S i m和 MA T - L A B ／ S i m u l i n k 进行了仿真建模分析 ，具体建立了 从负载 、执行 、控制 、反馈 到动力单元 的全局非线性 数学模型。分析了锻压操作机在受到水平缓冲时系统 的顺应性 ，这对改进液压系统设计，提高液压系统的 可靠性具有重要意义。 图 1 锻造操作机机构简图 1 缓冲系统介绍 缓冲系统的主要功能是实现操作机在水平方向的 顺应性 ，以避免操作机在水平方 向受过大载荷 。本系 统采用独立缓冲模式，为了提高效率、降低能耗，将 缓冲和快速进给结合 ，缓冲缸同时作为进给缸，用切 换阀 9 实现缓冲和进给之间的切换，用比例阀 3和减 压阀 3 控制进给量 ，用缓冲溢流阀 8控制缓冲强度。 缓冲系统液压回路如图2所示，主要研究缓冲系统起 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 一 l 5 作者简介徐明 1 9 8 3 一 ，男 ，博士，讲师，从事机电液产品设计及控制等方面的研究与教学工作。E m a i l x u m i n g 1 2 3 z j u ． e d u ． e n o 1 3 8 机床与液压 第 4 3 卷 缓冲作用时系统的顺应性。 图2 液压缓冲系统回路 2 不 同溢流压力对缓冲系统的影响 法 国 I M A G I N E公 司 的 A ME S i m软 件为 液压 系统 的仿真提供了一个完善的仿真环境，采用图形化的建 模方式 ，利用 A M E S i m建模具有方便，准确的优点建 立了缓冲系统仿真模型，图3为 A M E S i m环境下建立 的缓冲系统仿真模型。该系统主要有缓冲缸、比例伺 服阀、比例溢流阀、P I D控制器，位置传感器等组 成 ，在参数模式 中对模 型的主要参数进行 了设置。 ⋯～⋯⋯⋯ 一 二 二 I 奄 【 1 ．． I I 1． 图 3 缓冲系统 A ME S i m仿真模型 缓冲系统主动进给时采用了位移反馈控制，这 主要是在主动进给时精确控制缓冲缸位移。缓冲系 统在起缓冲作用时，主要通过比例溢流阀进行缓冲 控制。在给定缓冲力的基础上对缓冲缸的位移和速 度进行了仿真研究 ，研究不 同溢流压力对缓冲系统 的影响 2 ． 1 正常缓 冲 正常缓冲是指锻压时操作机受到水平力作用工 况 ，如图4 所示 ，当缓冲力小于缓冲溢流阀的设定溢 流压力时，缓冲缸不动，当缓冲力大于缓冲溢流阀的 压力时，缓冲缸移动，进行缓冲溢流。 l 2 2 8 6 套 2 0 图4 给定缓冲力曲线 图 5 设定不同溢流压力下缓冲缸的位移曲线，图 6设定不同溢流压力下缓冲缸速度曲线。 0 - 0 ． 0 5 ．0 ． 1 目- 0 1 5 蠢 - 0 ．2 -0 ． 2 5 ．0 j _ 0 3 5 e ● 邑 越 制 图5 不同溢流压力时位移曲线 图 6 不同溢流压力 时速度 曲线 由图 5 和图6 分析可知 ，应当选择合理的溢流压 力 ，使 系统得到最佳缓 冲效果。 2 ． 2 非正常缓冲 大车启停时受突然冲击力的作用，受到缓冲力如 图 7 所示 。 八 图7 给定缓冲力曲线 图8是设定不同溢流压力下缓冲缸的位移曲线 ， 图9 是设定不同溢流压力下缓冲缸速度曲线。 ④ 图 第 1 1 期 徐明 等锻造操作机液压缓冲系统建模与仿真研究 1 3 9 图8 不同溢流压力时位移曲线 时 阃 图9 不同溢流压力时速度曲线 由仿 真结果分析可知 ，溢流压力越大 ，缓 冲缸 的 位移 和速度越小 。 3 缓冲系统的动态响应分析 为了进一步研究锻造操作机液压缓冲系统动态响 应特性 ，在建立锻造操作机液压缓冲系统数学模型基 础上，利用 MA T L A B ／ S i m u l i n k强大的仿真和分析功 能 ，为实现缓冲系统建模和仿真提供了一个工作平 台，它用模块组合的方法 ，能够快速准确地创建动态 系统的计算机模型，方便地实现液压系统的动态特性 的仿真与优化。 3 ． 1 数学模型建立 根据图 2 所示的缓冲系统液压原理，在对系统适 当简化的基础上 可写 出如下方程 阀的流量方程 。 ／ 1 P 式中C 为阀 口流量系数 ， 为阀芯周长， 为阀 芯位移，p 。 为缓冲腔压力 ， p 。 为设定溢流压力。 缓冲缸的流量平衡方程 pq v Clp 式中A 是缓冲缸有效作用面积， 为缓冲缸位移， C 。 为油缸总泄漏系数， 为缓冲缸等效容积， 卢为油 液弹性模量 。 缓冲缸 的力平衡方程 d d F e x t P c A r u M 3 式 中F 是受 到的缓 冲力 ， 为油缸 黏性阻尼 系数 ， 为液压油缸等效质量 。 3 ． 2 仿真模型建立 根据上述方程 1 一 3 可建立 图 l 0所示 的 仿真模型。采用 自向上的建模方式，建立缓冲系统中 的每个功能模块 ，然后根据缓冲系统的特点，将这些 模块进行有机结合，逐渐建立整个模型。 S 图 1 O 缓冲系统 S i mu l i n k模型 3 ． 3 仿真结果及分析 基于上述仿真模型 ，采用 o d e 4 5求解器进行仿真 计算，输入缓冲力曲线如图 1 1所示，进行系统动态 特性 的分析 。 3 2 ．5 Z 2 1． 5 跫1 0． s O 时 同I s 图 1 1 输入曲线 通过设置不同的溢流压力值 ，得到缓冲缸的位移 曲线如图 1 2所示。从图 1 2 缓冲缸位移响应曲线可以 看出缓冲溢流压力为 1 2 M P a时，缓冲缸处于临界状 态 ，随着溢流压力减少 ，缓冲缸位移和速度响应越快。 O 2 O 1 5 o ． - 犁 O． O5 O 图 l 2 缓冲缸的位移曲线 4结论 采用 A ME S i m液压机械仿真软件搭建了液压缓冲 系统模型，在不同溢流压力下分析了缓冲系统正常锻 压时和大车启停时两种工况下缓冲缸的运动情况，结 果表明溢流压力越大 ，冲击位移和速度越小。 下转第 1 5 1页 O O O O ． 目v 、 谜锻 第 1 1 期 何秋生 等应用于伺服系统的改进摩擦模型 1 5 1 擦模型能够真实地反映摩擦特性。 时 同I s 图 4 伺服系统 的极限环现象 3结束语 介绍的改进摩擦模型能够体现基本的动、静态摩 擦特性；通过对模型特性的仿真比较 ，从而验证了该 改进模型能很好地体现 s t r i b e c k效应，且具有良好的 稳定性；通过分析摩擦对伺服系统的影响，仿真证明 了该改进模型适用于摩擦引起 “ 爬行”和极限环振 荡等非线性现象问题的研究。另外 ，此改进模型相对 简单，描述摩擦现象较全面，可以用于精度要求高、 受摩擦影响的一类伺服系统的分析和研究。 参考文献 [ 1 ]宋彦， 高慧斌， 田彦涛 ， 等． 伺服系统受摩擦扰动产生极 限环的原因及稳定性分析 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ， 2 0 1 1 ， 4 1 1 2 1 4 - 2 2 0 ． [ 2 ]丁千， 翟红梅． 机械系统摩擦动力学研究进展[ J ] ． 力学 进展 ， 2 0 1 3 ， 4 3 1 1 1 2 -1 3 1 ． j 3 l J O H A N A S T R O M K， C A N U D A S ． D E ． WI T C ． R e v i s i t i n g t h e L u G r e F ri c t i o n Mo d e l [ J ] ． C o n t r o l S y s t e m s ， I E E E， 2 0 0 8 ， 2 8 6 1 0 1 1 1 4 ． [ 4 ]刘娜， 梅志千， 李向国， 等． 基于改进 D a h 1 模型的 自适应 摩擦补偿研究[ J ] ． 机电工程， 2 0 1 2 ， 2 9 1 2 1 3 9 1 - 1 3 9 4 ． [ 5 ]王毅， 何朕 ， 王广雄． 一种实用的摩擦模型[ J ] ． 电机与控 制学报， 2 0 1 1 ， 1 5 8 5 9 6 3 ． [ 6 ]杜仁慧， 吴益飞， 陈威， 等． 考虑 L u G r e摩擦的伺服系统 自适应 模 糊 控 制 [ J ] ． 控 制 与决 策， 2 0 1 3 ， 2 8 8 1 2 531 2 56． [ 7 ]L U L ， Y A O B ， WA N G Q， e t a 1 ． A d a p t i v e R o b u s t C o n t r o l o f Li n e a r Mo t o r s Wi t h Dy na mi c Fric t i o n Co mp e ns a t i o n Us i n g M o d i f i e d L u G r e Mo d e l[ J ] ． A u t o m a t i c a ， 2 0 0 9 ， 4 5 1 2 2 8 9 0 -2 8 9 6 ． [ 8 ]F R E I D O V I C H L ， R O B E R T S S O N A， S H I R I A E V A ， e t a 1 ． L u G r e m o d e 1 ． b a s e d F ri c t i o n C o mp e n s a t i o n 『 J ] ． C o n t r o l S y s ． t e rn s T e c h n o l o g y ，I E E E T r a n s a c t i o n s o n ， 2 0 1 0 ， 1 8 1 1 9 4-2 00． [ 9 ]原大宁， 刘丽兰， 刘宏昭， 等． 滑动摩擦模型研究现状 [ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 9 ， 2 1 4 1 1 4 2 1 1 4 7 ． 『 l 0 ]P I AT L O WS K I T． D a h l a n d L u Gr e D y n a mi c F ri c t i o n Mo d e l s T h e A n a l y s i s o f S e l e c t e d P r o p e r t i e s [ J ] ． Me c h a n i s m a n d Ma c hi ne T he o r y， 2 01 4， 7 3 91 1 0 0． [ 1 1 ]刘丽兰， 刘宏昭， 吴子英， 等． 机械系统中摩擦模型的研 究进展 [ J ] ． 力学进展 ， 2 0 0 8 ， 3 8 2 2 0 1 2 1 3 ． [ 1 2 ]R U D E R MA N M， B E R T R A M T ． T w o - s t a t e D y n a m i c F r i c t i o n Mo d e l w i t h E l a s t o p l a s t i c i t y [ J ] ． M e c h a n i c a l S y s t e ms a n d S i g n al P r o c e s s i n g ， 2 0 1 3 ， 3 9 1 3 1 6 3 3 2 ． 上接第 1 3 9页 同时，在 MA T L A B ／ S i m u l i n k环境中对液压缓冲 系统缓冲缸的动态响应特性进行了建模仿真分析，结 果表明溢流压力越小 ，缓冲系统的响应越快。所以应 当合理的设置溢流压力，使系统达到最佳缓冲效果。 参考文献 [ 1 ]余发国， 高峰， 史巧硕． 基于 G F集的锻造操作机构型方 法[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 8 , 4 4 2 1 5 2 1 5 9 ． [ 2 ]R E N Y P， L U C S ， HA N Q K， e t a1． S i mu l a t e d C o m p a ri s o n o n Ki n e ma t i c s Pr o p e r t i e s o f T w o T y p i c a l Me c h a n i s ms o f F o r g i n g M a n i p u l a t o r [ C] ． 4 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Me t r o n i c s a n d I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y， De c e mb e r 0 50 6， 2 0 0 7， G i f u， J a p a n ． Wa s h i n g t o n S P I E， 2 0 0 8， 6 7 9 4 6 7 9 4 2 N一 6 7 9 4 2 N一 6 ． [ 3 ]C H E N G L ， WA N G H， L I N Z Q， e t a1． P e rf o r m a n c e A n a l y s i s o f a F o r g i n g Ma n i p u l a t o r Ba s e d o n t h e C o mp o s i t e Mo d e l i n g M e t h o d [ C ] ． 1 s t I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e I n t e l l i g e n t R o b o t i c s a n d A p p l i c a t i o n s ， Oc t o b e r 1 5 1 7， 2 0 0 8 ， W u h a n， C h i n a ． B e r l i n S p ri n g e r 。 2 0 0 8 1 5 2 1 6 0 ． [ 4 ]傅新 ， 徐明， 王伟， 等． 锻造操作机液压系统设计与仿真 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 0 ， 4 6 1 1 4 9 5 4 ． 『 5 ]H O U J Y， WA N G W， Z HO U H， e t a 1 ． S i m u l a t i o n S t u d y o f Q u i c k f o r g i n g f o r H e a v y L o a d F o r g i n g Ma n i p u l a t o r [ C ] ． 7 t h I nt e rna t i o n al Fl ui d Po we r Co n f e r e n c e， Ma r c h 2 22 4， 2 01 0， Aa c h e n， Ge rm a n y ． 『 6 ]H O U J Y， Z H O U H， Z O U J ， e t a1． V e l o c i t y C o n t r o l o f t h e H o r i z o n t al B u f f e r S y s t e m f o r H e a v y L o a d F o r g i n g Ma n i p u l a t o r [ J ] ． L e c t u r e N o t e s i n C o m p u t e r S c i e n c e ， 2 0 1 0 6 4 2 5 29 6-3 04． [ 7 ] 付永领 ， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 8 ]刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A ME S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 2 6 1 2 4 1 2 6 ． [ 9 ]余佑官 ， 龚国芳， 胡国良． A ME S i m仿真技术及其在液压系 统中的应用[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 ， 4 7 3 2 8 - 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