轧机伺服液压缸测试动态位移的应变等效方法研究.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3 卷 第 7 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 43 No ． 7 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 4 轧机伺服液压缸测试动态位移的应变等效方法研究 丁先 山，杨钦翔 ，邓江洪 ，陈新元 武汉科技大学机械 自动化 学院，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 对于轧机伺服液压缸动态性能的测试 ，目前国内还缺乏成熟的测试系统 ，其中位移传感器的安装方式是制约动 态响应的关键因素。针对 目前测试方法的研究现状 ，提出了一种新的大型轧机伺服液压缸动态性能测试 ，提高了测试系统 的动态 响应能力 。 关键词伺服油缸 ；加载机架；测试方法 中图分 类号 T H1 3 7 ． 9 ；T H1 3 7 ． 5 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 7 - 0 5 4 - 3 Re s e a r c h o n Dy n a mi c Di s p l a c e me nt o f S t r a i n Eq u i v a l e n t M e t h o d f o r Te s t o f Ro l l i ng M i l l S e r v o Cy l i nd e r D I N G X i a n s h a n ，Y A N G Q i n x i a n g ，D E N G J i a n g h o n g ，C H E N X i n y u a n I n s t i t u t e o f Ma c h i n e r y A u t o m a t i o n ，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 Ab s t r a c t As t o t h e t e s t i n g o f d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f r o l l i n g mi l l s e r v o - c y l i n d e r ．t h e r e i s l a c k i n g o f ma t u r e t e s t i n g s y s t e m i n t h e d o me s t i c a t p r e s e n t ．Amo n g w h i c h t h e d i s p l a c e me n t s e n s o r i n s t a l l a t i o n me t h o d wa s t h e k e y f a c t o r t o r e s t r i c t t h e d y n a mi c r e s p o n s e ． F o r t h e c u r r e n t r e s e a r c h o f s e r v 0 一 c y l i n d e r t e s t i n g me t h o d s ． a n e w t e s t i n g me t h o d o f d y n a mi c p e rf o rm a n c e 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 n o c y l i n d e r w a s p u t f o r wa r d ．I t i mp v e s t h e a b i l i t y o f d y n a mi c r e s p o n s e o f t h e t e s t i n g s y s t e m． Ke ywo r dsS e nro ． c y l i n de r；Lo a d f r a me； Te s t me t ho d 0前言 轧机伺服液压缸动态测试系统主要由伺服液压 缸、电液伺服阀、位移传感器 、闭式机架等组成。在 对伺 服液压缸 进行动态性 能测试 时 ，能够测试 的响应 频率往往远低于实际工作时的响应频率 ，其中位移传 感器的安装方式是制约频率响应的关键因素，目前我 国还无法对大型伺服液压缸进行 高频 动态性能测 试 。所 以要想在不改变实 验系统 主要设备 的情况 下，使该系统能试验伺服液压缸更高的响应频率 ，可 以放弃位移传感器 ，改用其 他方式来测量伺服液压缸 活塞杆的位移。 1 伺服液压缸测试的新方法 1 ． 1 基 于应 变法加载机 架伺服液 压缸动 态测试 原理 综合分析多套轧机伺服液压缸测试系统中存在的 问题，找出了不利于伺服油缸高频动态响应测试的元 件位移传感器。为此设计 了一种新型 的测试方 法，通过试验找出伺服缸活塞杆的位移与闭式机架变 形的关系，提出了用闭式机架的变形量取代位移传感 器的信号作为反映伺服缸活塞杆位移的数据输出，从 而克服原测试 系统 的缺点 。 该测试系统工作过程是 建立一套数据采集和数 字控制系统 ，与液压试验 台连接起来 ，由计算机 系统 给出控制信号来控制液压系统中的伺服阀，进一步控 制执行元件 液压缸 ，同时对试验过程中的各种参 数，如压力 、位移、流量、应变等参数进行实时数据 采集 、量化 和处理 ，并输 出测试结果 ，以测试报告 的 形式打印出来 ，便 于检测人 员进行 分析。测试 系统 的 结构框图如图 1 所示 。 ． 图 1 测试系统的结构框图 1 ． 2 伺服缸测试机 架的有限元分析 为 了找到机架应变和变形 的关系 ，按照机架 的实 际尺寸建立三维模型，用 A N S Y S进行有限元分析。 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 3 1 基金项目科技部科技人员服务企业行动资助项 目 s Q 2 o 0 9 G J E 0 0 O 2 2 作者简介丁先山 1 9 8 9 一 ，男，硕士，主要从事液压系统测试及故障诊断。E ma i l 1 8 2 7 1 9 2 8 8 0 2 1 6 3 ． c o rn。 第 7期 丁先山 等轧机伺服液压缸测试动态位移的应变等效方法研究 5 5 静力学分析 ，找 出机架应 变较 大的点作为实验 的应变 测点，并在上面粘贴应变片，测得的数值作为反映机 架变形 的输 出。这些测试 点主要分布在机架上横梁 的 中部 ，竖直梁 的中部 。试验应 变测点的分布如 图 2所 示 。针对 A、B、C三处 测点 ，对机 架采 用线 性加 载 力 的方式进行有 限元 动力学分析 ，得到测点处 的应变 和机架变形 的关 系如图 3 所示 。 1l l l l t l 咖 2 00 0 图2 机架测点位置分布 图 3 测点应变和机架变形 的关系 2实验及分析 2 ． 1 实验步骤和数据处理 在闭式机架左立臂外侧 的中间位置粘贴第一个应 变片，其下方水平粘贴第二个应变片并与其保持垂 直 ；在左立臂的 内侧对称粘贴应变 片构成第 一应变片 组 。同样 地在右立臂 和上横 梁 的前后 面粘贴 应变 片 ， 构成第二、三应变片组。三组应变片组采用全桥法进 行 测量。 调节系统压力 ，在 0 ～1 5 M P a 压力之 间平均取 样 共 3 2 个压力值 ；在 同一压 力条件 下 ，动 态应 变仪 记 录应变片的信号值 ，位移传感器记录伺服缸 的位置 值 ，两者通过 A ／ D转换器对应存储在计算机内。 通过对伺 服液压缸 大量 测试 结果 的分 析 、比较 ， 发现机架 的变形 是相对 固定 的，而机架 的变形 又和其 应变是唯一 对应 关 系 。通过 机架 A、B、c三 处试 验测点找 出机架 应变与机架变形 的关 系 ，进 而得 到机 架应变和伺服液压缸活塞杆位移的关系，所以可以通 过测量机架 的应变 间接测量 伺服液 压缸 活塞杆 位移 。 图 4为实验测得 A、B、C三处 机架应 变和 伺服 液压 缸活塞杆位移 的关 系。 兰 敲 秘 位 移 ， Ⅻ 图4 A、B、C三处机架应变和伺服缸活塞杆位移的关系 2 ． 2 数据 分析 有限元分析得到机架应变和机架变形是线性的， 从上面的实验拟合曲线可以看出，两者近似线性 ，但 也存在差异。原因有限元分析设置条件较为理想 ， 实际液压缸工作中，机架的受力比仿真时较复杂。 A 、c应变测点关 于机 架对称 分 布 ，机 架应 变和 伺 服缸活塞杆位移 的关系理论上应该相 同。从实验数 据来看 ，在 合理误 差范围 内，线性度较 好 。B处测点 机架应变和伺服缸活塞杆位移的关系，低压和高压部 分的关系不 同，高压部分比低压部分线性度要好 ，这 个临界压力值实验测得在 5 M P a 左右，原因可能是低 压状态下上 横梁变形较小 ，受力不均匀 。并且 同一压 力下 ，B处 的应 变 比 A、C处 要大 ，这是 由于上 横梁 比竖直梁受 力要大的缘故 。 为了探究机架的应变和伺服缸活塞杆位移的关 系，采用两种数据处理方法 单点线性映射、多点 B P神经 网络映射 。 单点线性映射。单独用 A或 B处应变进行伺服 缸活塞杆位移映射，结果如表 1 所示。A、B处机架 应变和伺 服缸 活塞杆 位 移 的拟 合 曲线 近似 为 Y 1 3 0 ． 5 x 一 2 7 3 6 ． 9和 Y 4 2 5 ． 1 x - 8 9 5 7 ． 8 表 1 A或 B处单点映射位移及误差 多点 B P神经网络映射。由于伺服缸测试时要达 到微米级，单独采用单点映射存在一定误差。B P神 经网络具有很好的非线性处理 ，可采用多点映射伺服 缸的位移。 基于多点 B P神经网络映射的工作过程如下 首 先对样本数据进行预处理。删除原始数据的伪信息， 5 6 机床与液压 第 4 3 卷 幅度归一 化 ，对 数据 进行 特 征提 取 ，构 成训 练 样本 和识别样本。其次神经网络结构设计和编程。根据训 练样本、识别样本选择网络的输人、输出节点数 ；根 据映射的复杂程度决定网络的隐层数；根据理论公式 编写识别程序 。最后进行 网络训练和识别 验证。将训 练样本输入建立好的神经网络中，设定初始权值和误 差极 限，运行程序得到新的权值 ；将识别 样本输 入已 经训练好的神经网络中，设定训练好的权值和误差极 限 ，运行程序得到 网络输 出结果 ，可用于神经网络识 别准确度的验证 。B P神经网络学习和识别的流程 如 图 5所示 。 图 5 B P神经网络学习和识别流程图 对压力从 0 ～ 1 5 M P a 之间 ，A、B 、C三处机架 的 应变进行数据处理 ，获得 3 2个 n X m维状 态特征矩 阵 ，其中 n 1 ，m3 ，P 3 2 。R的结构为 R [ ， 8 ，8 。 ] 。理论证 明 ，具有 三层 神经单 元 的 B P网络 可以无穷逼近任意非线性函数。所以文中设计具有一 个隐层的 B P神经网络作为识别工具 ，它的输入层有 节点，对应伺服缸的位移；隐层节点数过多或过少均 会导致训练次数增多 、难度增大 ，根据经验 隐层设计 5 个节点 ，通过训练验证是合理的。所建立的 B P神 经 网络结构如图 6 所示 。 输入层 隐层 输出层 图6 B P神经网络结构图 将上述 0 ～1 5 M P a之间 的 3 2个压 力值 对应 获得 的应变特征矩阵 ，作为样本 ，输入所建立 的神经网络 中 ， 并把 网络 的输 出位移与实 际位 移作 比较 ，求 出误 差值。然后用误差去修改网络的权值，重复输入样本 进行训练 ，直到网络输出与实际输出之间的误差在允 许范围内，网络训练完毕。将试验压力为 4 、7 、1 0 MP a 条件下所获 得 的应变 特 征矩 阵输 入训 练好 的网 3 个节点，对应特征矩阵R中的元素；输出层有一个 络 ，对网络进行识别验证。结果见表 2 。 表 2 4 、7 、1 0 MP a 条件下网路识别结果和误差对照表 通过上述 B P神经网络识别 和伺服缸实际测量 位移比较可以看出，多点 B P神经 网络映射 的误差 比较小 ，比单点映射准确度较高，误差 由原来 的几 十微米降低到几个微米 ，更能很好地表示机架测点 处 的应变 和伺服缸 位移 的关 系。所 以机 架 的应变 和 伺 服缸位 移 的关 系应 该采 用 多 点 B P神 经 网络 映射 处理 。 3结论 采用将原理提出、仿真分析与实验测试相结合的 思路，验证了基于应变法加载机架伺服缸动态测试方 法 的正确性 。该 方法可以通过选择机架上应 变大的测 点，采用多点 B P神经网络映射到伺服缸的位移 ，摆 脱 了位移传感器的干扰，是一种新型的伺服缸测试方 法。作者还通过将机架的变形信号参与系统的闭环控 制，优化了伺服缸测试系统，可以对伺服缸进行高频 小振幅动态测试 。 参考文献 [ 1 ]尹丹， 陈新元 ， 邓江洪 ， 等． 电阻应变计在轧机伺服液压 缸测试中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 4 ， 4 2 5 6 0 - 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