三维转动动力平台液压驱动与控制系统的设计.pdf

2 0 1 1年 7月 第 3 9卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 1 Vo I ． 3 9 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 1 8 三维转动动力平台液压驱动与控制系统的设计 史琥 ，周骥平 扬 州大学机械工程学院，江苏扬州 2 2 5 1 2 7 摘要根据三维转动动力平台的工作原理与驱动要求，通过对其空间转动运动形式及其控制特点的分析，设计动力平 台液压驱动系统与电气控制系统，以满足加工设备上动力平台的实际应用需求。 关键词三维转动动力平台；液压驱动 ；电气控制 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4 0 5 3 3 De s i g n o f Hy dr a u l i c Dr i v i n g a nd Co nt r o l l i n g S y s t e m f o r Th r e e - di me n s i o n Ro t a t i o nal Dy na mi c a l Be nc h S HI Xi a o．Z HOU J i p i n g Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f Y a n g z h o u U n i v e r s i t y ， Y a n g z h o u J i a n g s u 2 2 5 1 2 7 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e p rin c i p l e a n d d ri v i n g r e q u i r e me n t s o f 3 - D r o t a t i o n a l d y n a mi c al b e n c h，i t s s p a c e f o r ms o f r o t a t i o n al mo v e me n t a n d t h e c o n t rol c h a r a c t e ri s t i c s w e r e analy z e d ．T h e h y d r a u l i c d r i v i n g s y s t e m a n d e l e c t r i c c o n t r o l l i n g s y s t e m o f 3 - D r o t a t i o n al d y n a mi c al b e n c h we r e d e s i g n e d t o me e t t h e n e e d s o f i t s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s 3 - D r o t a t i o n al d y n a mi c al b e n c h ；Hy d r a u l i c d ri v i n g ；El e c t ric c o n t r o l 动力平台是机械加工设备和多维运动机构的重要 部件 ，其运动形式直接影响到设备的运动控制方式和 应用适应性。三维转动动力平台有别于传统的移动工 作台，它能将运动自由度扩展到5个，配合刀具的进 给运动，能够方便地实现 目前机械产品加工过程中任 意空间位姿的加工新型动力平台。 在前期研究⋯中，通过引入运动解耦理论 ，解决 了多个 自由度同时运动出现不确定运动结果的问题 ， 大大简化了控制系统的设计。目前 ，动力平台的试验 样机已经制作出来 ，获得了实用新型专利- z 。为了使 三维转动动力平台能够达到其预期的功能效果 ，文中 开展 了对其驱动系统 的设计 与研究 。 1 三维转动动力平台的工作原理与驱动要求 1 ． 1 动 力平 台的组成 如图 1 所示 ，三维转动动力平台 主要由工件夹 装台 1 、主体机构 3 、堵头 7 、正交连接件 4 、支承外 壳 5 、 轴端盖 8 、支座 l 0 、底座 1 1以及三个摆动伺 服液压缸 图中2 、6 、9分别为 、Y 、 三个 自由度 的摆动液压缸 等部分组成，用于放置装夹工件 的 工作平台设置在最上方，其 轴转动作为第一级 ，下 部的 、Y 正交方向布置第二和第三级摆动，三级转 动的轴心相交于一点，最下部是支座与底座 ，可安装 于 - Y移动工作台上。 l 一 工 件 夹装 台2 - 1方 向液 压缸卜主 体机 构4 一正 交连 接件 5 一支承外壳 6 - 向液压缸 7 一堵头 8 -嘞 端盖 9 _ 方向液压缸 l O 一支座l 1 一底座 图 1 三维转动动力平台结构图 1 ． 2 工作原理 基于解耦设计思想 ，三维转动动力平台的三个转 动轴在空间上交于一点 ，三级摆动单元内置于三个转 动副处，以实现 轴回转和 、Y轴的摆动。第三级 即 Y轴摆动的同时带动第一级 z 轴 、第二级 轴同步转动，且使第一、二两级的转动轴线在空 间位姿上发生变化；第二级摆动的时候带动第一级同 步转动，且第一级的回转轴线空间位姿发生变化；最 上面的第一级与动平台直接连接 ，实现绕z 轴回转。 其中机构最大承重位置位于 Y 轴转动副的外部机 收稿 日期 2 0 1 0 0 71 6 作者简介史航 1 9 8 6 一 ，男，在读硕士研究生 ，研究方向为机电一体化、液压传动控制。电话1 3 9 1 2 1 4 0 0 8 7 ，E ma i l s h i x i a o l 1 2 3 1 2 6 ． c o rn。 5 4 机床与液压 第 3 9卷 构上，第一级的负重由 轴转动副处的的中间连接部 件支承，其中 轴是动力平台动平台 工作台面所 在轴 。 1 ． 3 驱 动要 求 三维转动动力平台作为一个工作平台用于夹持工 件 ，带动工件实现空间三维转动，以便在切削力的作 用下对工件进行复杂曲面的加工。因此，对三维转动 动力平台的驱动既要满足一般加工设备工作台的性能 要求，又要满足解耦运动控制本身的运动特性要求 ， 以保证足够的驱动力矩和位置控制精度。作者根据平 台的结构设计要求 ，综合考虑了控制 各方面的难易 程度 ，最终选择液压驱动作为三维转动动力平台的动 力传动方式。 2 液压驱动系统的设计 2 ． 1 运动控制分析 该动力平台在实际机床加工中，要实现以下 7种 空间转动运动形式，如图 2所示 ，分别为单轴运动 3种 、双轴联动 3种和三轴联动 1 种 。 a 薪自 转动 c 瑚 转动 d x 、 J ，轴联动 D z 轴联动 g 三轴 联动 图 2 动力平台空间转动运动形式 一 般地 ，动力平台3个方向的单轴转动比较容易 实现。3条液压支路，3个内置摆动伺服液压缸 ，通 过油液通断控制，互不干扰。但是系统在进行二维或 三维联动时，因为各方向的负载大小不同，在共用一 个泵源的情况下 ，互相动作发生干扰，出现低负载方 向动而高负 载 的不 动 或者 低 负载 的先 动高 负载 的 后动 ，在控制回路中必须考虑防干扰问题。 从运动控制上看 ，动力平台的动作 执行速度控制 是其主要参数 ，反映到液压驱动系统中，即如何控制 系统流量。因此必须通过对流量的调节来寻求最佳的 执行速度。综合考虑各方面因素，在驱动系统油路回 路支路上分别设置3个节流调速 回路来控制回油流 量 ，通过改变 液压缸 阀芯 阀 口的开度 来控 制 系统 流 量 。 从动力控制上看 ，动力平 台作 为执行机构带动工 件使其加工，必然会受到切削力的作用，平台需要很 大的力矩对其进行驱动。驱动力矩由系统油压提供， 反映到液压驱动系统中 ，即如何控制系统压力 。由液 压系统 的动力学仿真结果 可以知道 当系统 的压力 发生变化时，其响应特性也会随之发生很大的变化。 当系统 的压力升高时 ，响应时间会有所缩短 ，这无 疑 对加工平 台的控制来说是好消息 ，因为总体来说 ，平 台的执行速度快 ，响应时问短 ，加工效率就高。但 是，必须考虑到液压系统中元件诸如软管等材料强 度 、刚度的限制 ，压力不 可能无 限制加 大 ，必须保持 在一定 的范 围内 ，这样系统 的响应时间也相对 比较稳 定。 2 ． 2拟定 液压 驱动原 理 图 根据以上对动力平 台运动控制分析 ，在液压驱动 系统设计中，采用了溢流阀来调定和控制工作系统总 压力，分到各支路后，采取减压阀配合单向阀来保证 阀后压力保持在一定范围之内，以消除各支路负载不 同引起的压力干涉现象。其液压驱动原理如图3所 示 。 6 7 9 1 0 l 一 油箱2 一 过 滤器3 一 液 压泵4 一 电动 L 5 一 溢沉 网6 一 曲 位曲 通 电磁阀 7 _先导型减压阀 s _单向阀 压力袭l o _ _ 摆动液压缸 一 调速 阀l 2 一 流 量计 图3 动力平台液压驱动原理图 其 主要工作过程 为 油液经过滤器过滤再经 由液 压泵加压向系统提供压力，与系统油路并联有一溢流 阀，保证进入系统的油压恒定。中间3条支路分别控 制动力平台3个 自由度方向的动作执行，其油路通断 皆由两位两通电磁阀控制，油压由减压阀调节 ；同时 在支路上，在油液进入摆动液压缸之前还设有单向 第 1 4期 史婉 等三维转动动力平台液压驱动与控制系统的设计 5 5 阀，保证了液压缸进 口压力的稳定。在整个液压系 统的尾部，各支路上分别设置了一个节流调速回路。 图3中将节流阀替换为调速阀以提高其负载刚性。 3 电气控制系统设计 3 ． 1 各元器件动作控制分析 需要说明的是 ，在三维转动动力平台的驱动系统 中采用 了机器 人系统 中常见 的直流先导模式 。压力油 此时必须由直流伺服电机带动伺服阀芯转过某个角 度 ，打开伺服阀芯和随动阀套之间的阀口，压力油经 随动阀套 进入液压缸一 腔 另一腔 与 回油油道相 通 ，随动阀套开始转动 从而通过输出轴带动负载 转动 ，直至其与伺服阀芯之间的开口度逐渐变小关 闭，随动阀套和输出轴停止转动。 因此 ，针对动力平台在空间需要实现的7种转动 从油泵泵出后 ，经油道到达伺服阀芯内，油液并不能 情况 ，分析每种情况下各元器件动作 ，得到表 1 所示 立即进入液压缸，其处于中位状态，输出轴不转动。 的动作顺序表。 表 1 元器件动作顺序表 注“”表示元器件得电。 3 ． 2 电气控制 系统原理 出其电气控制原理如图4 所示。 结合液压驱动原理图和各元器件动作顺序表 ，画 图4 动力平台电气控制线路图 下面以情况 1 一轴单转为例，说明其工作过 路通油。经过预定延时时间后，油液处于中位位置 ， 程按下按钮开关 s B ，中间继电器 K 。 得 电，其先 同时 K 的动合延时闭合触点接通 K N 和时间继电器 合后断的转换触点闭合接通 1 Y， 轴方向的液压支 下转第6 9页 第 1 4期 孙春耕 等轧机液压压下 A G C系统伺服阀的选择 6 9 式中 A 。 1 ． 6 5 I n ，为压下缸活塞腔工作面积 ； 为油液的容积弹性模量 ，考虑到系统在 2 3 M P a左右 的高压状态下工作，取 1 0 0 0 M P a ；V o 为压下缸 活塞腔控制容积 ，考虑到伺服阀块直接贴装在压下缸 缸体上 ，管道容积极小 ，则 I ， c j A s 式中s 0 ． 0 8 m，为压下缸行程 ； mt mR ／ 2m 9 6 ． 5 1 0 k g； m 为上辊系 的运动质量 ，m 1 8 51 0 k g ； m。 为压下缸缸体运动质量 ，m 4 1 0 。 k g 。 将 A 。 、 、s 、 诸参数代人 中，可计算出 t O h4 6 2 ． 3 r a d ／s7 3 ． 6 2 Hz 。 由于 很高，可以不必担心 A G C系统的动态响 应 。 2 ． 4 负载流量 由压下速度 6 m m ／ s ，可求出伺服阀的负载流 量 Q I ． A 4 0 7 ． 1 5 L ／ m i n 。 3 伺服阀的选择及其参数 选用 M O O G D 7 9 2系列三级伺服阀，主要参数如 下 额定流量 Q 6 3 0 L ／ m i n 单边 却 3 ． 5 M P a ； 最大工作压力 3 5 M P a ；输人信号 1 0 V或 1 0 m A； 响应 时 间 从 0至 1 0 0 ％行 程 4～1 2 m s ；分 辨率 0 ． 2 ％；滞环 0 ． 5 ％；零漂 A T5 5 K 2 ％；总的 零位泄漏量 最大值 1 0 L ／ m i n ；先导阀的零位泄漏量 最大值 6 L ／ m i n 。 液压站供油压力 P 2 9 M P a ，液压站至伺服阀 的管路 总压 降 卸， 一1 M P a ，伺服阀 回油管路压 降 △ p T O ． 5 MP a ，额定负载压力P 2 2 ． 4 2 MP a ，阀口 实际压降 △ p P 一△ p 一 P 一 P 5 ． 0 8 MP a ，于是伺 服 阀的工作流量 厂 _ Q Q N√ 5 9 ． o in 由 Q L 7 5 9 ． 0 lMm i n及 A 。 1 ． 6 1 7 5 i n ，可得 实 际压下速度 d Q L ／ A 。 7 ． 6 7 m m ／ s 。 为达到输入振幅 A 0 ． 1 m m下系统频宽不小于 1 0 H z ，即 ≥6 2 ． 8 3 r a d ／ s的条件，应使动态速度 7 ． 6 7 mm／s ≥ A 6 ． 2 8 mm／s 。 可见 ，选用 Q 6 3 0 l Mm i n伺服阀可 以满足静态 及动态速度要求。 4结论 文中没有采用繁冗的控制理论的数学分析和设计 方法 ，而是通过一种简单易懂的方法阐述其理论 ，用 实用、快速的估算方法，通过案例对轧机液压压下 A G C系统的伺服阀的选择进行计算分析，所选用的 D 7 9 2三级伺服阀能提高压下系统的控制精度和响应 速度 ，保证产品的目标厚度、同板差和异板差。在液 压压下 A G C系统中能满足实际生产需要。 参考文献 【 1 】 吴振顺． 液压控制系统 [ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 8 ． 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