基于缝隙理论的新型数字液压缸研究.pdf
6 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 3年 7月 基于缝 隙理论的新型数字液压缸研 究 孟文宝, 张洛平, 韩宇, 张培 河南科技大学 机电工程学院, 河南 洛阳4 7 1 0 0 3 摘要 介绍 了一种新型数字液压缸 , 该数 字液压缸采用一种基 于缝隙理论 的数字 阀, 通过对数 字阀的小流量控制 来实 现数 字缸的微量进给和速度控制。步进 电机接收到数字脉 冲信号, 驱动数 字阀芯移动 , 通过改 变数字阀阀芯的缝隙值来 控制液压缸输入流量, 从而有效提高了数字液压缸微进给控制精度。对数字液压缸系统进行分析, 建立了精确的数学模 型, 推导了控制系统的传递函数和方框图, 并利用A ME S i m仿真软件对其液压系统进行仿真分析, 得到了数字液压缸位 移、 流量与数字阀缝隙变化的相对关系 关键词 数字液压缸 ; 缝隙理论 ; 数学模型 ; AME S i m 中图分 类号 T H1 6 ; T Hl 3 7 . 5 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 7 0 0 6 0 0 3 Re s e a r c h O ff t h e Di g it a l Cy l i n d e r Ba s e d O ff t h e Th e o r y o f An n u l a r Mi c r o - Ga p MENG W e n -b a o,ZHANG Lu o p i n g,HAN Yu,ZHANG P e i S c h o o l o f Me c h a t r o n i e s E n g i n e e r i n g ,He n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,He ’ n a n L u o y a n g 4 7 1 0 0 3. C h i n a Ab s t r a c t h i n t r o d u c e d a n e w k i n d o 2 d i g i t a l c y l i n d e r w h o l e s a d i gi t al v al v e b a e d o n t h e t h e o r y o ft h e s l i t . B y m e a n i n g o f d i g i t a l v a l v e o f flo w c o n t r o l , i t mal e d t h e d i gi t al c y l i n d e r t r a c e o f e d a n d s p e e d c o r t t r o l , a n d t h e s t e p p e r m o t o r r e c e i v e s d i git a l p u l s e s i g n a l t o d r i v e m o b i l e d i gi t a l v a l v e . B y c h angin g t h e d i gi t a l g a p l e n g t h o ft h e v a l v e C o r e t o c o n t r o l t h e fl o , v , i t e ffe c t i v e l y i m p r o v e d t h e p r e c i s i o n o f d igit al h y d r a u l i c c y l i n d e r mi c r o f e e d c o n t r o 1. T h e s y s t e m o f t h e d i g i t al c y l i n d e r w e r e anal y z e d , a n d i t e s t a b l i s h e d a p r e c is e m a t h e ma t i c al m o d e l , d e d u c e d t h e c o n t r o l s y s t e m t r a n s f e r .f u n c t i o n a n d b l o c k d i a g r a m . t L i n g s o f t w c w e A ME S i m, t h e h y d r a u l i c s y s t e m ∞s i m u l at e d , and o b t a i n e d t h e r e l at i v e r e l ati o n s h o yt h e d i g i t al h y d r aul i c c y l i n d e r d i s p l a c e m e n t and flo w a n dt h e c h aug e o ft h e d i g i t a l v a l v e g ap. Ke y W o r d s Di g i t a l Cy l i n d e r ;T h e o r y o f An n u l a r M i c r o - Ga p; M a t h e m a t i c s M o d e l ; AM ES i m 1引言 随着计算机技术和液压技术的快速发展 ,数字液压技术倍 受青睐, 数字式液压缸作为数字液压系统中的执行元件, 已经在 各种大型液压机床 、 高精度速度控制系统和位置控制系统中获得 了较为广泛的应用。数字液压缸, 简称数字缸, 是由步进电机 、 液 压滑阀、 伺服液压缸和机械反馈机构等构成的增量式数字控制的 机械伺服机构【l I 。现存数字液压缸通常利用滚珠丝杠来精确控制 数字阀芯的位置,通过改变脉冲频率来改变液压缸的运动速度, 改变脉冲数目来改变液压缸的位置 , 但要实现液压缸的微量进 给, 往往需要高精度的液压伺服阀, 这也大大增加了数字液压缸 的制造成本。所介绍的数字液压缸是以缝隙流理论为基础, 通过 对数字阀的小流量控制来实现数字液压缸的微进给控制, 即通过 控制数字阀的缝隙长度来控制液压缸位置和速度。 该数字液压缸 具有结构简单 、 控制精度高、 稳定性好 、 抗污染能力强、 成本低等 优点, 能广泛应用于工业设备如机床、 注塑机、 轧辊机等。 2新型数字液压缸的工作原理 所研究的数字液压缸是以精密机床轧辊磨床的伺服进给系 统为实验平台, 其液压系统工作原理, 如图 1 所示。 1 . 油泵 2 .溢流阀 3 . 液控单向阀 4 . 蓄能器 5 、 6 . 电磁阀 7 擞 字阀 8 . 光电编码器 9 .流量传感器 l 0 数 字缸 图 l数字液压缸 系统工作原理图 F i g A W o r k i n g P r i n c i p l e o f t h e Di g i t a l Hy dr a u l i c C y l i n d e r S y s t e m Di a g r a m 数字阀结构原理图, 如图2 所示。 来稿 日期 2 0 1 2 0 9 1 4 基金项 目 河南省重点科技攻关项 目 1 1 2 1 0 2 2 1 0 4 2 1 作者简介 孟文宝, 1 9 8 7 一 , 男, 河南巩义人, 硕士研究生. 主要研究方向 智能制造与 数控技术; 张洛平, 1 9 5 5 一 , 男, 河南洛阳人, 硕士研究生导师, 主要研究方向 智能制造与数控技术 第 7期 孟文宝等 基于缝隙理论的新型数字液压缸研 究 6 1 1 .光电编码器 2 . 联轴器 3 . 前端盖 4 . 阀体 l 5 . 阀体2 6 阀 7 l 限位螺钉 8 滚珠丝杠螺母副 9 后端盖 1 0 . 挡圈 1 1 . 套筒 1 2 . 圆螺母 图 2数字阀结构原理 图 F i g . 2 Th e P r i n c i p l e Di a g r a m o f t h e Di g i t a l Va l v e S t r u c t u r e 工作辊进给系统是轧辊磨床的关键系统之一,主要完成快 进、 工进、 快退三个动作。 1 快进过程 采用开环控制 , 为提高工 作效率, 电磁阀通电, 同时将数字阀调到最大处, 两阀同时工作, 保证液压缸快速平稳的进给。 2 工进过程 采用位置闭环控制. 当液压缸快速移动到工进区域后, 电磁铁断电, 三位四通换向阀 处于关闭状态, 只依靠数字阀来实现液压缸的微量进给。数字阀 的结构原理图, 如图 2 所示。其工作原理如下 步进电机接收到 P L C发出的脉冲信号. 输出轴旋转一定角度, 经减速机减速后, 通 过联轴器带动滚珠丝杠螺母副 8 旋转, 滚珠丝杠螺母副 8和阀芯 6通过螺钉链接成为一体, 在滚珠丝杠的旋转作用下, 丝杠螺母 带动 阀芯发生轴 向移动 在螺 母副从右 向左移动过程中 ,阀芯 6 和阀体 4之 间的缝 隙长度逐渐变大 ,流经阀体的流量就逐渐减 少, 液压缸速度逐渐降低, 当步进电机不再接收到脉冲信号, 缝隙 长度将保持一定值, 数字阀输出流量将保持不变, 液压缸将匀速 前进, 当阀芯 6 移动至最左端, 和阀体 4端面完全贴合时, 数字阀 处于完全关闭状态, 此时没有流量经过 , 液压缸也将保持静止状 态, 工进过程结束。 3 快退过程 零件加工完毕后 , 步进电机接收 反向脉冲命令. 迅速反方向旋转 , 通过滚珠丝杠螺母副将小活塞 移动至最右端, 等待下一个循环的开始。 2 . 1数字液压缸数学模型的建立 步进电栅 输入脉冲与输出转角的关系为 n 1 式中 , 广 步进电机输入脉冲数; 步距角; -步进电机输出转角。 数字阀采用规格代号为 F F Z D1 6 0 5 3的内循环垫片预紧螺 母式滚珠丝杠副, 其导程为 5 m m, 所以数字阀 的运动长度为 X p 5 2 Z1 r 1 r ..3 同心环形缝隙流量公式 Q⋯ a r d h 3 式中 一液压油动力粘度; d 数字阀小活塞轴径; z 缝隙长度; 缝隙值。 由于所采用的液压缸为单作用液压缸,分为有杆腔和无杆 腔 , 因此需要建 立不同的数学模型进行分析 , 在此之 前先做 以下 y j 4 1 m; P l m 尸 1 ; Q , Q --, 4 I 1 m 式中 。 一液压缸无杆腔活塞面积 ; , 一液压缸有杆腔活塞面 积; P , 一负载压力; P , 一液压缸无杆腔压力 ; ~液压缸有 杆腔压力 ; Q , 数字阀负载流量 ; Q 液压缸无 杆腔流量 ; 为液压缸有杆腔流量 。 2 . 2液压缸流量连续性方程 考虑油液 的压缩性和液压缸 的泄漏 ,则液压缸进油腔流量 Q . , 回油腔流量 为 Q 。 A d t扎 P l C e p 。 P 1 V I 。 5 Q 2 A d t扎 P 。 一 P 2 一 C e , P 2 一 V 2 6 式中 X p 一活塞位移; c 一液压缸内泄漏系数; c 液压缸外泄 漏系数; 卢 有效体积弹性模量 包括油液、 缸体及管道的 机械柔度 ; V l 一阀腔到液压缸无杆腔的有效容积 ; 液 压缸有杆腔的有效容积。 设 . 为液压缸、阀腔及管道的总容积,当 . , V , 。 ‘ jm 。 时, 液压缸的固有频率最低 , 系统最不稳定, 所以在对液压 缸进行建模分析时, 应取此位置初始位置比较好。 由式 5 、 6 可得液压缸流量方程为 Q L A I 争 J口 L J V t 7 式中 c 墨 一液压缸的总泄漏系数; 定义 , l m 1 r r t 1 / 9 1 1 , n 【 2 . 3液压缸力平衡方程 液压缸输出的力要克服负载的惯性、 粘性、 弹性、 及负载力, 故液压缸的输出力和负载力的动力学方程 为 .2 F gI A P M t d _ B i K. x P F l 0 8 、 dt d t 式中 一压力油作用在活塞上产生推力; . 一活塞以及 与活塞 相关联负载折算到活塞 上的总质量; 一活塞和负载的粘 性阻尼系数 ; 一负载的弹簧刚度; 作用在液压缸上的 负载力 。 将式 3 、 7 、 8 进行手 讧 氏变换得 s 一 9 Q L S , ‘ 蹦 , s c S J 。 V t 。 .‘ 1 0 .s Al ’ 5 XP s B P S X P s K。 P 5 S 1 1 数字液压缸的传递函数为 P S 岳 ‘5 s , J- V , “ M t 。 3 f A \ A t A - ‘ / “ S AA A \ , / 6 2 机 械 设计 与 制造 No . 7 J u l y . 2 01 3 系统的方框图, 如图 3 所示。 图 3数字液压缸系统方框 图 F i g . 3 Di g i t a l Hy d r a u l i c C y l i n d e r S y s t e m Bl o c k Di a g r a m 3 A ME S i m仿真结果及分析 初设系统各元件参数 为 泵的流量设为 4 0 0 1 J m i n , 系统工 作压力为2 5 M P a , 液压缸活塞直径为2 5 0 ram, 杆径为 1 l 0 ra m, 行程 为 1 0 0 m m, 数字阀阀芯直径为2 4 mm, 缝隙长度范围 0 ~ 4 0 l n m, 缝隙值为 0 . 0 2 5 - 0 .0 3 mm,流体密度为 8 7 0 k g / m ,动力粘度为 0 .0 2 2 5 P a . s 利用 A ME S i m软件建模凹 , 如图4所示 图 4 A ME S i m仿真模型 } i g .4 Hy d r a u l i c o f AME S i m l i b r a r i e s 如罔 5 所示 , ] 进过程中, 当 位四通电磁阀关闭, 只有数 字阀打开的情况下, 随着数字阀缝隙长度的增加, 数字阀流量不 断减少 , 当缝隙长度大于 | O mm后, 流量减小的非常缓慢, 可以有 效控制液压缸的微量移动, 而曲线中出现的微小浮动, 是由于图 6中数字阀两端压力出现微小波动引起的。液压缸位移和速度曲 线, 如图7 、 图 8所示。当缝隙长度达到 3 5 mm后 , 液压缸开始出 现低速爬行现象, 为避免爬行带来的负面影响, 可以从以下途径 来有效降低爬行 1 提高数字液 缸各零部件制造 、 装配精度 ; 2 提高液压系统刚性; 3 控制数字阀两端压力, 尽量保持稳定压差; 4 控制油温 , 减少油温变化带来的粘度变化 。 xL [ m i l1 ] 图 5数字阀流量 曲线 F i g . 5 Di g i t a l Va l v e F l o w Ch a r t X . L [ m m ] 图 6数字阀两端压力曲线 Fi g . 6 Di g i t a l Va l v e P r e s s u r e Cu r v e X . L [ m ll j ] 图 7数字液压缸位移曲线 F i g .7 Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Di s p l a c e me n t Cu rve XUm m ] 图 8数字液压缸速度曲线 F i g . 8 Th e Hy d r a u l i c Cy l i n de r S p e e d Cu rve 下转 第 6 6页 机械 设 计 与制造 No . 7 J u l y . 2 01 3 从表 2和表 3 可以得知, 通过热风管道的优化设计, 在热风 主管与支管 岔口、 倒流休风口、 混风口、 弯头处等地方的位移量 减少 9 0 %, 管道的受力情况也得到改善 , 例如波纹管的承受 的轴 向力减少了 5 0 ~ 7 0 %, 这还降低 了波纹管的成本 。 位移量和受 力 的改善能有效的防止内衬砖缝在T作中产生松动, 出现内衬掉砖 的现象 , 而 内衬掉砖是造成管道发红鼓包 的根本原 。 6结论 通过热风管结构的优化, 但能够解决管道发红鼓包的问 题. 还能使管道处于“ 同定” 的状态, 也就是说无论是热风炉处于 送风还是休风, 管道都能够稳定的丁作, 减少了南于管道热胀冷 缩而产生的位移量, 缓解了由于盲板力而对支管等应力集中的部 位产生的位移累加,消除了内衬无法承受热风炉送风时的高温。 这佯就满足 r 热风炉的高风温的要求 , 提 高高炉炼铁的产量和效 率、 参考文献 { I ] 赵丽萍. 浅谈 阎定 史架 热 厅管网I {_1 的 亘要件[ J I _ ⋯阿建筑. 2 0 0 7 , 3 3 2I] 2 0l 一 2 0 2 Z h a o l , i p in g . [ mp o r t a n c e o f f i x e d s u p p o r l i n h e a t p i p e n e t l J 1. 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Ma n u ta c u r i n g Te c h n o l o g yAn dMa t ’ h i n e.r o o l s .2 0 09 1 1 51 - 5 4 [ 2 潘易龙 . 张毅 , 魏祥 闭环 制数 液 缸 硬 控 制系统研究f .I 】 l液 H i 气动 密封, 2 0 0 5 3 1 9 - 2 2 . P a n Yi h mg .Z ha n g Yi .、 l e i Xt a n g- y l I . Cl n s e d- i o o p c o n t r o l di g it a l h v d r a n l i c v l i n d e r a n I 1 i t sn l ,l s y s t e m r e s e a r c h .1 n c l l l l a t i . a ml Hy d r a u l i c S e a l s. 2 0 0 5 7 1 9 2 2 . l 3 划志明 . 娥 明, 【 垂海鹏一 种步进电机细分拧制方法 f 机械设 { I 甜 造 , 2 0 0 8 1 1 1 5 4 1 5 6 . 1 ,i u Z h i mi n g. Da i Mi n g, K l id l 】 g Ha l p c n g . A s t e p p i n g o l o t m s u h d i v i s i o n t o n t r o l me t h o d J i Ma c h i n e “y D e s ig n a mt Ma n u t h t n l P , 2 0 0 8 11 1 5 4 1 5 6. [ 3 ] 张伟. 热力管道架空支架设计方法研究[ D] . 北京 北京交通大学, 2 0 0 9 l 5 6 0 . Zh a n g We t .D e s i g n me t h o d r e s e a r c h o n t h e r ma l o v e r h e a d p i p e l i n e s t e n t l Dj . B e i j i n g B e i j i n g J ia o t o n g U n i v e r s i t y , 2 0 0 9 1 5 6 0 . 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