锻造操作机主运动机构电液比例控制系统研究

摘要

随着我国科技发展对大型锻件需求量的不断增加，锻造装备正朝着重载化、自动化的方向发展，锻造操作机是一种辅助锻造液压机工作的大型操作设备，其在大负载时的灵活性大大提升了工件的锻造效率。作为辅助设备，操作机需要密切配合压机的运动，这对操作机的控制性能提出了很高的要求，而电液系统承担着操作机所有动作的完成，其控制性能决定着操作机的整机性能，因此电液系统的设计和控制是锻造操作机的关键技术之一。环境恶劣、工况复杂及负载惯量大等特点给操作机电液系统控制带来了很大的挑战，而操作机主运动机构电液系统，包括提升系统、俯仰系统和缓冲系统，存在着运动耦合，控制难度较其他系统更高，因此如何实现操作机重载下的精确控制和保证其与压机配合过程中的良好缓冲性能，是锻造操作机主运动机构电液系统设计面临的重大挑战。
　　针对一种重载锻造操作机，进行了主运动机构电液系统的原理设计并建立了其数学模型，建立了锻件的弹塑性形变模型以及操作机主运动机构的运动学和动力学模型，结合电液系统数学模型，搭建了锻造操作机“锻件-机构-液压”复合仿真模型。借助该复合仿真模型，分析了电液系统的负载特性和控制特点，研究了重载和软管连接等对系统控制性能的影响，并针对比例方向阀和软管特性，设计了阀芯位移补偿算法和软管补偿算法，借助仿真和模拟试验台，验证了补偿算法的有效性。为了研究夹钳的运动控制性能，仿真分析了主运动机构电液系统之间的耦合特性，并提出了夹钳运动策略，进行了双动进给快速锻造过程仿真。为了提高操作机的缓冲性能，借助复合仿真模型对工件的拔长过程进行了仿真分析，研究发现，提高提升系统的位移跟踪精度和增加蓄能器模块都有助于提高夹钳在竖直方向上的缓冲性能，在缓冲系统中增加配置合理的蓄能器模块有助于提高夹钳在水平方向上的缓冲性能。
　　本论文具体研究内容如下:
　　第一章，概述了锻造操作机的工作原理及国内外发展历程，阐述了锻造操作机电液系统驱动与控制技术现状，并对操作机常见构型做了介绍，分析了本课题的研究背景及研究意义，介绍了课题的主要研究内容。
　　第二章，针对一种巨型重载锻造操作机，分析了其主运动机构结构特点，并设计了前后提升系统、俯仰系统、缓冲系统的液压原理图;在建立电液系统各元器件数学模型的基础上，借助MATLAB/Simulink软件，搭建了三个电液系统的仿真模型，采用各电液系统最常用工况为对象，初步分析了提升系统位移控制性能以及缓冲系统的缓冲性能。
　　第三章，以一种新构型重载操作机为对象，建立了主运动机构电液系统的负载数学模型，包括锻件塑性形变和弹性形变数学模型以及主运动机构的动力学模型，并搭建了操作机“锻件-机构-液压”复合仿真模型，并给出了电液系统初始压力设置方法。借助复合仿真模型，研究了提升、俯仰以及缓冲系统的等效重量负载和等效惯量负载，分析了三个系统的负载特性和控制性能。
　　第四章，针对锻造操作机电液比例系统的控制特性，研究了控制阀与液压缸之间的连接软管、比例方向阀的低频响及死区特性等对操作机提升系统控制精度的不利影响，针对大惯性负载及软管弹性导致的系统频响低、控制器参数调定困难等特点，设计了基于比例阀压力流量特性的阀芯位移补偿策略。同时研究了控制阀与执行器之间连接的软管对轨迹跟踪精度的影响，并针对性的设计了基于模型的软管补偿策略。
　　第五章，建立了操作机提升系统AMESim仿真模型，通过与常规PID控制的对比仿真，分析了比例方向阀阀芯位移补偿策略及软管补偿策略的作用，并研究了补偿策略对系统稳定性的影响。针对操作机系统位移跟踪的实际要求，搭建了提升系统位移跟踪负载模拟试验台，借助模拟试验台开展了补偿策略对系统闭环位移控制的影响研究，重点对比了带补偿策略的比例控制与常规PID控制的位移跟踪性能。借助仿真模型对提升系统进行线性化分析，研究了补偿策略对系统稳定性的影响。
　　第六章，分析了操作机主运动机构电液系统之间的耦合特性，设计了夹钳位姿观测器和夹钳运动控制策略，并仿真研究了操作机的双动进给快速锻造过程。以工件的拔长过程为分析对象，针对操作机夹钳的缓冲运动过程开展了仿真研究，分析了提升系统的控制性能对其缓冲性能的影响，研究了蓄能器在提升系统和缓冲系统中的作用。
　　第七章，对本文的研究工作进行了概述，给出了研究结果和主要结论，指出了本文的创新点，并展望了进一步的研究方向和内容。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 锻造操作机原理简介

1．2．1 锻造操作机简介

1．2．2 电液系统布置及工作方式

1．2．3 锻造操作机构型简介

1．3 锻造操作机发展历史及研究现状

1．3．1 国外发展历史

1．3．2 国内发展历史及现状

1．3．3 国内外研究现状

1．4 操作机电液驱动及控制技术

1．4．1 锻造操作机电液系统简介

1．4．2 提升及俯仰系统

1．4．3 缓冲系统

1．4．4 操作机电液控制技术特点及难点

1．5 本课题的研究概况

1．5．1 课题背景

1．5．2 课题的主要研究内容

第2章 主运动机构电液系统设计及数学模型

2．1 锻造操作机主运动机构

2．2 提升系统原理设计及数学模型

2．2．1 提升系统原理设计

2．2．2 提升系统数学模型

2．2．3 提升系统位移跟踪性能分析

2．3 俯仰系统原理设计及数学模型

2．3．1 俯仰系统原理设计

2．3．2 俯仰系统数学模型

2．4 缓冲系统原理设计及数学模型

2．4．1 缓冲系统原理设计

2．4．2 缓冲系统数学模型

2．4．3 缓冲过程分析

2．5 本章小结

第3章 主运动机构数学模型及电液系统负载特性

3．1 引言

3．2 锻件数学模型

3．2．1 锻件塑性形变

3．2．2 锻件弹性形变

3．3 主运动机构数学模型

3．3．1 位置正解

3．3．2 速度及加速度正解

3．3．3 构件质心加速度求解

3．3．4 系统动力学方程

3．4 主运动机构电液系统复合仿真

3．4．1 前后提升系统并联驱动模型处理

3．4．2 复合仿真模型

3．4．3 电液系统的初始压力设定

3．5 电液系统负载特性

3．5．1 重量及惯性负载计算

3．5．2 电液系统负载分析

3．6 本章小结

第4章 提升系统位移跟踪控制补偿算法设计

4．1 提升系统位移跟踪工况及控制特性分析

4．1．1 提升系统位移跟踪工作模式

4．1．2 提升系统位移跟踪控制特性

4．2 比例方向阀阀芯位移补偿策略

4．2．1 阀口开度补偿策略设计

4．2．2 死区补偿策略设计

4．2．3 带阀芯位移补偿策略的闭环系统位移误差分析

4．3 软管补偿策略

4．3．1 软管对系统动态性能的影响

4．3．2 软管数学模型及其简化

4．3．3 软管补偿策略设计

4．4 本章小结

第5章 提升系统位移跟踪控制仿真与试验研究

5．1 提升系统位移跟踪控制仿真研究

5．1．1 提升系统仿真模型

5．1．2 软管模型选择

5．1．3 仿真及结果分析

5．2 提升系统位移跟踪控制试验研究

5．2．1 提升系统模拟试验台研究

5．2．2 试验参数设置

5．2．3 试验结果及分析

5．3 补偿策略对系统稳定性的影响研究

5．4 本章小结

第6章 电液系统协调控制及缓冲性能研究

6．1 电液系统耦合特性及夹钳运动控制策略

6．1．1 主运动机构电液系统耦合特性

6．1．2 夹钳运动控制策略

6．1．3 快速锻造过程的夹钳运动控制

6．2 电液系统缓冲性能研究

6．2．1 工件拔长过程描述

6．2．2 提升系统的缓冲性能研究

6．2．3 缓冲系统的缓冲性能研究

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的主要科研成果