大型轧机伺服液压缸动态特性测试方法研究.pdf

2 0 1 1年 1 0月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 9 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 9 ． 0 0 8 大型轧机伺服液压缸动态特性测试方法研究 蒋俊 ，王文娟 ，曾良才 ，梁媛媛 ，陈新元 ，付曙光 1 ．武汉科技大学冶金装备及其控制省部共建教育部重点 实验室，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 ； 2 ．江 苏徐 州工程机 械研 究院 ，江 苏徐 州 2 2 1 0 0 4 摘要分析 目前伺服液压缸动态特性测试方法的研究现状，提出一种新的大型轧机伺服油缸动态特性测试方法，阐明 了液压系统的组成和测试方法 ，介绍了计算机辅助测试软件及其流程。该测试方法已在为某钢铁公司研制的试验台中得以 实现 。 关键词轧机；伺服缸 ；动态特性 ；测试 中图分类号T H1 3 7 ． 9 ； T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 9 0 2 8 3 Re s e a r c h o n Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s Te s t i ng M e t ho d f o r La r g e - s c a l e Ro l l i ng M i l l Se r v o - c y l i n de r J I A N G J u n ，WA N G We n j u a n ，Z E N G L i a n g c a i ，L I A N G Y u a n y u a n ，C H E N X i n y u a n ，F U S h u g u a n g 1 ． E d u c a t i o n Mi n i s t r y K e y L a b o r a t o ry o f Me t a l l u r g i c a l E q u i p me n t a n d C o n t r o l ，Wu h 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 ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ；2 ． J i a n g s u X C MG L t d ，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c u r r e n t r e s e a r c h s t a t u s o f s e r v o c y l i n d e r d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s t e s t i n g me t h o d s w a s a n a l y z e d ． A n e w t e s t i n g me t h o d o f d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s f o r l a r g e s c a l e r o l l i n g mi l l s e r v o c y l i n d e r w a s p u t f o r w ard ． T h e h y d r a u l i c s y s t e m c o mp o s i t i o n a n d t h e t e s t i n g me t h o d we r e e l u c i d a t e d ． Th e c o mp u t e r a i d e d t e s t s o f t w are a n d i t s p r o c e s s we r e i n t r o d u c e d ． T h e t e s t me t h o d h a s b e e n u s e d i n a t e s t b e n c h d e v e l o p e d f o r a s t e e l c o mp a n y ． Ke y wo r d s R o l l i n g mi l l ； S e r v o c y l i n d e r ； Dy n a mi c c h ara c t e r i s t i c s ； T e s t 伺服液压缸因具有功率大、响应快、精度高等优 点而被广泛应用于冶金生产设备的重要部位。液压缸 是 液压系统的执行机构 ，其带 载运动过程 中的响应速 度对整个 液压系统的性能有很 大影响。因此对液压缸 的动态响应特性进行精确测试 非常必要。尤其是结 晶 器振动伺服液压缸 、轧机液压压下 A G C 伺服液 压缸、汽车道路谱疲劳试验机交变加载液压缸等对响 应速度要求高的伺服液压缸，必须定期对其动态响应 特性进行精确测试 。 1 伺服缸动态性能测试现状 目前伺服液 压 缸 的带载 动态 响应 测 试方 法 主要 是 测试 时 ，两个伺 服液压缸 竖直叠放 置于闭式机架 内。其中上面伺服液压缸为被测试对象，下面的伺服 液压缸为提供加载力 的加载液压缸 ，闭式机架 ，只是 起固定支撑液压缸的作用。在测试过程中下面加载液 压缸的无杆腔通压力油，使活塞始终输 出一定的推 力，将被试伺服液压缸紧压在闭式机架上，模拟轧制 工况。位移传感器检测被测试伺服液压缸 的动态位 移。由测试系统的输入控制信号和被测试伺服液压缸 的输出位移的关系得到被测试伺服液压缸的带载动态 响应性能参数。 上述测试方法存在的问题是被测试伺服液压缸 的频率 响应指标 中包 含有闭式 机架内加载液压缸的频 率响应指标。因为多个 环节 串联组成 的控制 系统的频 率响应指标由频率响应指标最低的环节决定。即如果 加载液压缸的频率响应指标高于被测试伺服液压缸的 频率响应指标，则其对测试结果影响不大；如果加载 伺服液压缸的频率响应指标低于被测试伺服液压缸的 频率响应指标，则测试结果只能反映加载液压缸的频 率响应指标 ，从 而达 不到测 试 目的。基于 这一情 况 ， 作者与某钢厂合作 ，研 制 了一套伺服油缸动态特性 自 动测试系统 。 2液压 系统与测试方法 机架模拟加载动态特性测试原理 图如 图 1 。 测试时先使被测试液压缸的活塞杆有一个初始外 伸量，让机架产生一定的弹性变形，以确定活塞杆做 正弦运动的平衡位置。再 由计算机辅助测试软件给出 0～1 0 H z 的扫频正弦信号，信号幅值可根据被测试液 压缸的尺寸不同而给定不同的值。此正弦信号由数据 采集卡的D ／ A通道输出，经 P I D控制器调节后，由伺 收稿 日期 2 0 1 0 0 91 6 基金项目湖北省自然科学基金资助项目 2 0 0 7 A B A 0 7 0 ，2 0 0 7 A B A 2 7 1 ；湖北省教育厅青年科学基金资助项目 Q 2 0 0 6 1 l O 0 3 作者简介 蒋俊 1 9 8 5 一 ，女 ，硕士研 究生 ，主要从事液压控制技术方面的研究 。Em a i l j i a n g j u n j j 2 0 0 6 1 2 6 ． t o m。 第 1 9期 蒋俊 等 大型轧机伺服液压缸动态特性测试方法研究 2 9 服放大器转换为功率放大的电流信号驱动电液伺服阀， 从而使被i 贝 0 试液压缸的活塞作相应的运动。同时位移 传感器检测到的活塞位移反馈给 P I D控制器 ，以构成 位置闭环控制系统，可准确测定液压缸频率响应特性。 由 C A T i 贝 0 试系统采集被测缸活塞的位移信号，对数据 l f 、 进行 分析，根据公式 A ∞2 0 1 g ， n a r c t a n A t m计算位 移 反馈 值 与给 定值 的幅值 比和相 位 差，并绘制伺服缸幅频特性和相频特性的B o d e图。频 率特性曲线示意图如图2所示。在闭环 B o d e图上，取 幅频特性曲线与 一 3 d B刻度线的交点值为被测试伺服 液压缸 的幅频 宽 ，取相频特性曲线与 一 9 o 。 刻度线的交 点值为被测试伺服液压缸的相频宽，再取幅频宽和相 频宽的较小值作为被测试伺服液压缸的频宽。 1 一加载机架2 一被测试液压缸3 一位移传感器4 一计算机辅助测 试软件5 一数据采集卡6 _ _ P Ⅲ控制器7 一伺服放大器8 一过滤器 9 一油泵伺服放大器l O 一电机l 1 一油箱l 卜 溢流阀l 3 一 电液伺服阀 图 1 频率响应特性测试系统示意图 I ‘。 ’’‘。 。 ’ ‘ 。 - ． 。 ．。 、 -_● - ● 。 口 。 O ● ． ． ． 0 ． ． 口 O● 一 ．。’ ． 。 o 。 。 一 p口 4 I I - l 幅频 宽7 ． 6 0 H z 相 频宽 7 ． 4 3 Ⅱ 图2 频率响应特性曲线 3 计算机辅助测试设计 该 C A T系统主要 由计算机及其外围设备、数据 采集卡、检测元件、仪器仪表等构成。该系统的计算 机辅助测试软件采用 V i s u a l C 在可视化编程环境 下进行 编程 ，大 大缩短 了测控软件的开发时间 。利用 数据采集卡 P C I 9 1 1 8 D G在 V C环境下提供的驱动，较 快地实现数据的高速采集与处理。 图 3是该 系统 C A T测试 软 件 的流程 示 意 图。在 完成所有初始化设置后 ，先由 D ／ A通道送出信号使 活塞初外伸量 达到预设值，扫描 A ／ D通道，记录 活塞初始位 移 S 。 ，再送 出正弦信号控制 电压 U A s i n t o t ，同时记录记录活塞位移反馈值 U S ，计算 位移反馈值与给定值的幅值比和相位差。该测试共需 完 成 0 ． 1 、0 ． 2 、0 ． 5 、1 、5 、1 0 H z 6个 频率 的测 试 ， 每一种频率各测试 5 个周期 ，每个周期 5 0 0个采样点 周期数和采样点数可根据具体情况加 以调整 。最 后以频率 为横坐标，幅值差 A ∞ 和相位差 ∞ 为纵 坐标 ，绘制 液 压缸 幅频 特 性 曲线 和相 频特 性 曲 初始化变量，采样点数 0 0 ， 计数点n 0 ， 频率计数i 1 ， 周期计数m l ， 活塞初始拉伸tL l mm，时 U to o ，控制 电压u o O ，幅 t 4 s o “ m， 频率 0 ． 1 I -I z ， 0 ． 2 l l z ， A o ．5 Hz ， ， A l H z ， A_-- s H z ， f , l o H z r l ’ I N ≤ Y 一一．⋯～， 2 1 t n 1 ⋯ ⋯ ’ 一⋯ ’ ‘ o J N r D ／ A 通 道 送 出 控 制 电 压 Ⅳ I4 s in 1 扫描A， D 通道，记录活塞位移反馈值， ￡ ， m 计算位移反馈值与给定值的幅值比和相位差 A t o - 2 0 l g ， a r c t a n l ，间 ， 一 l I I N ＼ 等待 5 s ， ／ - i 1 N 以频率 ∞为横坐标，幅值差 ∞ 为纵坐标，绘制幅频特性 曲线 以频率∞为横坐标，相位差妒 ∞ 为纵坐标，绘制相频特性曲线 _ _ 图3 计算机辅助测试软件流程示意图 3 0 机床与液压 第3 9卷 4机架仿真分析 图 4 、5为机架在谐 响应下 的 幅频特性 和相 频特 性 。图 5纵坐标为机架上横梁加载 区域 内某节 点 Y方 向 即竖直方向的位移 减去初始位移 1 m m 。 结 果显示 机架在 0～1 0 H z内的 幅值 有 上升 趋 势 ， 但增加很少。整个 曲线成单调 递增 函数 ，在 0 ． 2 5 H z 处的幅值最小 ，为 0 ． 0 4 9 6 9 m m；在 1 0 H z 处 的 幅值最大 ，为 0 ． 0 4 9 8 7 m m。机架 在 0～1 0 H z 内 的 幅值衰减最大为 一0 ． 0 5 4 d B，下降 0 ． 6 2 ％ ，因而衰 减 很小 ，不 会对 系统 的测试 造 成影 响 。机架 的相 位 值是随频率的单调递减函数，但也在一个微小范围 内变 化 。在 1 0 H z 处 有 最 大 相 位 差 ，为 一0 ． 1 4 5 。 ， 远 小 于 一9 0 。 。 0 1 2 0 1 4j＼ 割 ＼ 一．1 ＼ -．J ＼ ．0 ． 1 6 1 r 1 r 1 r 1 r 1 0 2 4 6 8 1 0 0 2 4 6 8 1 0 频 率／ H z 频 率／ Hz 图 4 机架在谐响应 图5 机架在谐响应 下的幅频特性 下的相频特性 综合上述，可以认为机架对伺服液压缸测试系统 的动态特性测试没有影 响。 5试验结果 图 2和 6 分别是利 用上述 测试 系统测得 的某钢厂 伺服液压缸的阶跃响应特性 曲线和频率响应特性 曲 线。可知，该例中被测试伺服液压缸的阶跃响应时间 为 6 0 m s ，频宽为 7 ． 4 3 H z 。系统工作完全正常 ，能够 满足不同伺服缸的试验要求。 昌 昌 250 375 500 时 间／ ms 阶跃 响应 时 间6 0 ． O 0m s 图6 阶跃响应特性曲线 6结 论 该系统通 过 闭式 机 架进 行 模拟 加 载 ，C A T系统 辅助测试并处理测试结果 ，绘制相关特性 曲线 。系统 结构简单，自动化程度高。适合所有液压缸频率响应 的精确测试，尤其是低摩擦伺服缸、轧机液压压下 A G C 伺服液压缸频率响应的精确测试。 所研制 的轧机伺服缸带载动态特性测试 系统已在 某大型钢铁公司投产使用。实践证明该系统工作可 靠 ，使用方便，测试效率高。该系统的成功研制为大 型轧机伺服 油缸 的动态特性 提供 了一种 切实可行的测 试手段，具有推广应用价值。 参考文献 【 1 】陈新元 ， 曾良才， 陈奎生 ， 等． 液压压下伺服缸动态特性 测试系统研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 4 3 3 03 1 ． 【 2 】曾良才， 王晓东， 黄富碹 ， 等． 轧制伺服油缸试验台研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 3 2 8 92 9 0 ． 【 3 】陈新元， 蔡钦， 湛从昌， 等． 液压伺服液压缸静动态性能 测试系统开发[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 1 2 7 7 7 9 ． t “ ． ．- “ ．．- “ “ 。 。 ～ ’ “ “ 。 ～” ’ ” ” ．． ’ “ ’ ～ “ ’ ～ “ ． ． ’ ～ “ ～ “ 。 ～ “ “ ～ “ “ “ ’ “ “ - ” ” ’ ’ ． ． - ． _ - ． ． ’ ’ “ ’ ’ - ‘ 。 ’ “ ” ’ ’ ” ’ ’ ’ ’ ’ ” ’ ’ ’ - ． ’ ‘ ． ． ‘ ’ ． ． ’ ’ “ ’ ’ ‘ ’ ～ 广 研 院 与 沈 机 集 团 昆明 机 床 公 司 签 订 战 略 合 作 协 议 ； ． ． ． 9月 6日，广州机械科学研究院与沈机集 团昆明机床股份有限公司在昆明签订战略合作协 议，双方将在进 口产品国产化、强化技术攻关、高精度及高技术含量产品开发等方面寻求合作共 同点，开展多层次技术合作。科技部郑国安秘书长 ，广研院院领导黄兴、陈康仁、张红烨 ，昆明 机床公司王兴董事长、张晓毅总经理、朱祥副总经理等领导出席签约仪式。 ≥ ≥ 为实现优势互补、资源共享的双赢联合， 双方表示愿意在长期友好合作的基础上，以平等协 ≤ ≤ 商、长期稳定、战略优先、互惠双赢、信息共享、共同开发、诚实守信七大原则为前提，在平等≥ ≥ 互利、共同发展原则指导下，建立起双方稳定、 双赢的液压系统产品供需链， 探索与推进全方位 ≮ 合作，努力扩大合作的深度和广度，最终达到优势互补 ，促进共同发展的目标。 ． ‘ ．， 郑涛青 I ． I、 。t ‘ r ● ．j” ． ． ．． ” r| _ I” ． ． ．． ． ． ” ． ． ．． ． ． ．．” ． ． ” ， ． ” ． ． ， ” ～ ” ～， ” ． ． ” ～， ～ ” ～ “ ．． ， ” ～ ” ～ ． ” ～ 一 ．． ” ．， ” ～， ” ． ． ” ～ ． ” ～ ．， ” ～ ． ， ” ． ． ．， ” ．． ． ” ． ” ～ ． ， ” ，． ． 一 ～ ． ” ～ ．， ” ～ ． ” ～ ．， ” ．． ． ， ” ． ” ．． ． ” ． ．． “ ～ ． ” ～ ．， ” ～ ． ．．” ～ ．． ．” ． 8 6 4 2 8 8 6 4 2 7 8 8 8 8 8 9 7 7 7 7 9 6 9 9 9 9 L 9 9 9 9L 9 4 4 4 4 4 4 4 4 4 一 目目 _【 】 、 馨