铜包装线液压升降平台刚度的研究.pdf

2 0 1 0年 8月 第3 8卷 第 l 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S Au g ．2 01 0 V0 I ． 3 8 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 1 8 铜包装线液压升降平台刚度的研究 黄建龙 ，毛建军，李兴慧 兰州理工大学机 电工程学院，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要为确定铜包装线液压升降平台许用的最大负载，运用 A N S Y S仿真方法 ，研究铜 自动包装生产线上料工位工作 时，液压升降平台的液压缸缸筒变形，并计算其容积变化；分析上料过程活塞杆的位移变化及影响位移变化的因素，并在 M A T L A B中得到活塞位移变化曲线；分析影响液压升降平台垂直刚度的因素，并仿真得到刚度曲线。为实现精确控制和确 定升降平台最大负载提供依据。 关键词 铜包装线；液压缸；静刚度；A N S Y S ；MA T L A B 中图分类号T H 2 1 1 ；T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 60 5 0 3 Th e S t i ffn e s s S t u dy o f Hy dr a ul i c Li f t i ng Pl a t f o r m o f Co p p e r Pa c k a g i ng Pr o d uc t i o n Li n e HU A N G J i a n l o n g ．M A O J i a n j t i n ．L I X i n g h u i C o l l e g e o f M e c h a n o - e l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g， L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e l a r g e s t a l l o w a b l e l o a d o f c o p p e r p a c k a g i n g ’S h y d r a u l i c l i ft i n g p l a t f o r m， ANS YS s i mu l a t i o n me t h o d wa s u s e d t o s t u d y t h e d e f o rm a t i o n o f h y d r a u l i c c y l i n d e r b o d y o f t h e p l a t f o rm ，a n d i t s v o l u me c h a n g e Was c a l c u l a t e d i n t h e p r o c e s s o f f e e d i ng ．Th e ， v a r i a t i o n o f p i s t o n r o d ’S d i s p l a c e me n t i n t h e p r o c e s s o f f e e d i n g a n d t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s we r e a n a l y z e d ． T h e d i s p l a c e me n t c u r v e o f p i s t o n wa s g o t t e n b y MAT L AB． T h e f a c t o r s w h i c h a f f e c t e d t h e v e r t i c a l s t i f f n e s s o f t h e p l a t f o r m w e r e a n a l y z e d a n d t h e s t i f f n e s s c u r v e wa s s i mu l a t e d ． T h e w o r k p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r a c c u r a t e c o n t r o l a n d t h e d e c i s i o n o f t h e l a r g e s t a l l o w a b l e l o a d o f t h e l i fti n g p l a tf o r m． Ke y wo r dsCo p pe r pa c k a g i n g l i n e； Hy d r a u l i c c y l i n de r ；St a t i c s t i ffn e s s；ANS YS； MATL AB 某 大 学 与某 公 司联 合研 发 的 阴 极 铜 包 装 自 动 生 产 线 上 料 、配 重 、 整 形 工位 使 用 了 剪 叉 式 液压升降平 台 图 1 。 剪叉 式 液 压 升 降 平 台具 有结构 紧凑 、承 载 量大 、 图 1 液压升降平 台实体模型 通过性强和操控性好 的特 点。生产线 工作 时 由于 铜 板 载荷 过大 ，液压升降平 台在垂 直方 向有位 移及 摆 动 。为实 现生产 自动化 ，液压升 降平 台上安装 有 多 个光 电接 近开关 。为保证 铜 自动 包装线 安全 可靠工 作 ，防止光 电接 近开关 及挡块 损 坏或错 位影 响铜包 装线的正常工作 ，要求负载后升降平台最大垂直位 移不超过 5 a m，因此有 必 要对 液 压 升降 平 台的 静 刚度及 可靠性进行研究 。上料 时升 降平 台垂 直位 移 主要由液压油体积变化 及液压 缸变 形引起 ，升降 平 台内叉 、外叉 及轴变形 非常小 ，对升 降平 台垂直位 移影 响可忽 略不计 ，因此作者 将 内又 、外又及 轴 可 视 为刚体 1 上料时无杆腔内液压油压力 液压升 降平 台机 构简 图如 图 2示 。液 压升降平 台加载前， 液压缸 控制 阀的 阀芯 处于 中位 、液压 缸 内 液流 被截止 。液 压缸 压力 由升 降平 台负载 决定。 图2 液压升降平台机构简图 分别 对 托 架 、内 叉 、外叉进行受力分析 ，并忽略摩擦力的影响。 F a s i n 0 O ／ 1 ‘ 2 无杆腔内液压油压力 1 2耽 P 一 ,tr R z 面丽 式中 为液压缸缸筒 内径 ， 为上料机 负载 ， 2所示。 2 如图 由式 2 可知压力 P由升降 台负 载、内叉 和外 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 9 作者简介黄建龙 1 9 5 1 一 ，男，教授，博士生导师，研究方向为成套机械设备的设计与开发、机械可靠性设计理论与方 法。通信作者毛建军，电话1 3 9 0 9 4 4 2 5 9 5 ，Em a i l m a o l 7 r e n 1 2 6 ． c o m。 第 1 6期 黄建龙 等铜包装线液压升降平台刚度的研究 5 1 叉活塞伸出量决定。 2 压力作用下液压油的体积变化 液体可压缩性的大小用体积压缩系数 表示 ，即 单位 压力 引起 的体 积变 化率 来 表征 。一定 体积 的 液 体 ，当压力增 大 △ p时 ，体积减少 了 A V ，则压缩 系 数 k 为 L一一1 AV一1一AV ． ，1 、 一 △p △p 、 1 A n K 一V 4 y 式 中K表示 体积弹性模量 ，其 值为压缩 系数 的倒 数 。K值越大 ，表明可压缩 性越 小。 铜包装线升 降平 台液压 系统 所使 用 的 液压 油 为 L ． H M 4 6 抗磨液压油 ，工作温度为 2 0～ 6 0℃ ，液压 油 不可能绝对避免气体的混入 ，综合考虑以上 3 个 因素 计算时 取 1 1 0 M P a 。 将式 3 代人式 2 即可得 到液 压油 的体 积 变化值。 3液压缸的变形 液压 升降平 台加载前 ，液压缸控制 阀的阀芯处 于 中位 、液压缸 内液流被截止 。加载后 ，作用在活塞杆 上 的外力发生变化 ，其值记为 F，液压缸无杆 腔 内液 压油压力变化 P ，缸筒 内径 变化 A R，容积 变化 A V ， 腔 内液压 油体 积变 化 △ ，活塞 沿 轴 向移 动 。铜 包装线上料 机液 压缸选 用 型号 为 C D T 3 M P 3 ／ 8 0 ／ 5 6 ／ 2 0 0 ／ Z 1 X ／ B 1 C H U WWW。液压缸 内径 为 8 0 n l i l l ，活塞 杆直径为 5 6 m m，行程 为 2 0 0 l l l m。 1 活塞杆变形 在 A N S Y S中建立 活塞杆 模 型 ，在活 塞无杆 腔 一 侧表面上施加 1 M P a的压力并 将活塞 杆另一 端 固定 ， 得到活塞杆轴向变形 如图 3所示 。活塞上作 用 1 M P a 压力时活塞位移为 4 ． 8 41 0 ～m m。上料时 由活塞杆 轴向变形引起 活塞位 移变化 为 4 ． 8 41 0 P m m。 图 3 活塞杆变形 云图 2 缸体 变形 在 A N S Y S中建 立液压 缸 半缸 仿真 模型 ，并 建立 z轴沿缸筒轴 ，向 轴 、l ， 轴分别 沿缸筒径 向的直角 坐标 系。在 A N S Y S中进行 模拟 分析无 杆腔 压力 变化 为 1 M P a ，活塞 位 移分 别 为 2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 、1 2 5 、 1 5 0 、1 7 5 、2 0 0 I n n时无 杆腔容 积 变化 。图 4为 活塞 、 位移值为 1 0 0 m i l l 、无杆腔内液压油压力 1 M P a时液 压缸变形云图 。 图4 活塞位移值为 1 0 0 mm的缸体变形云图 得到这 8组活塞位移情况 下无杆腔 内表面节点径 向位移 值 U X、U Y ，并 导 入 M A T L A B进 行 计 算 。 由变形云 图可知变形后无杆腔仍基本保持 圆柱形 ，容 积变化量 的计算公式如下 △ ／ u r , 5 式 5 中△ r 为缸 筒 内壁 节点 i 处 半 径 变 化 量 ， U X 、 为节点 i 位移值。 r ， _r A r 6 式 6 中r 伪 变形后节点 i 处 圆半径 值 ，r 为变形 前 缸筒内径 。 ．_ r d 出 一 盯 r 7 式 7 中 为变形后 无杆腔容 积 ， 为活塞位移 值 。 4活 塞位 移变 化 活塞位移为 时活塞位移变化 ， 计算公式如式 8 所示 一 一 8 上料前活塞 位移 为 ，上料 过程 中活塞位移变化 A x ，上料后活 塞位 移 为 A x 。在 MA T L A B中计算 活塞位移为 ， 时 值 ，并采用最小二乘法将各点拟 合成曲线。图5为 卸 1 M P a 时的活塞位 移变化 值及 变化 曲线 图。 活塞位移变化值表达式为 A x一 1 ． 0 6 7 x0 ． 0 0 4 51 0一 P 9 式 9 中 表示 活塞 位移 ，卸 表 示无杆 腔液 压 变化 值 。由液 压 液 体 积变 化 引起 的活塞 位 移 变 化 为 一1 ． 01 0 ～ ； 由此 可见 活 塞 位移 变 化 主要 由液 压 油受 压 后 体 图5 卸 l M P a 时 积变 化 引 起。 由液 压 缸 活塞位移变化 2 6 l 4 8 2L 0 0 l 1 2 一 昌 0一 一 锹 稍蟮 5 2 机床与液压 第 3 8卷 受压变形引起 的活塞位移变化值约 占活塞位移总的变 化值的7 ％ ～1 0 ％，其作用不能忽略。 5 液压升降台刚度 由于钢 的弹性模量远大于液压油的弹性模量 ，内 叉 、外叉及轴的变形量相对 于由液压油被压缩 的体积 变化值 非常小 ，可 忽略不 计 ，因此将 液 压升 降 台内 叉 、外又及轴都视为刚体 。 由上料机机构简图可得以下 ar ccos 1 0 ar ccos 1 1 式中 c 表示活塞位移为零时液压缸 上安装点 与下 安 装点间的距离 ， C b 一 1 0 2 c b 1 2 1 1 3 A z2 1 s i n t 一s i n c t 1 4 式中 、 分别为工作台放上铜 板后活塞位移及 外 叉与地 面夹角 ；A z 为工作台位移 。 将式 8 一 1 3 代入 式 1 4 并 在 MA T L A 中计算得到工作 台位移 一 活塞位移曲线如 图 6 所示 。 1 ’L 一-一 ．．． 』 Ⅱ ．0 2 0 ． 0 6 0 ． 1 0 ． 1 4 0 ． 1 8 0 ． 2 活塞位 移／ m 0． 04 0． 08 0． 1 2 0． 1 6 0 ． 2 活 塞位 移／ m 图6 负载为9 ． 8 k N时 图7 液压升降平 工作台位移曲线 台刚度曲线 1 5 、 式中m为液压升降平台负载质量。 将式 1 4 代人式 1 5 并在 M A T L A B中计算 得到液压升降平 台刚度 曲线如 图7所示 。 6结论 上料过程液压升降平台垂直方 向位移主要 由液压 油被压缩后体积减小及液压缸变形引起 ，液压缸变形 对升降平台垂直刚度的影响不能忽略。液压升降平台 垂直方向刚度由升降机内叉、外叉、活塞杆尺寸、安 装尺寸及 上料前活塞位移值决定。铜包装线上料工位 液压升降平 台刚度在上料前 活塞位 移值为 1 0 0 m m左 右时最小 。由于作者没有考虑液压缸 内漏 、外漏 ，因 此铜包装线升降平台实际垂直刚度将小于作者得到的 刚度 。因此要保证升降平 台的垂直位移 ≤5 m m铜包 装线升降平台的最大应 ≤1 0 t 。 参考文献 【 1 】李鄂民． 液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析 [ J ] ． 甘肃工业大学学报， 1 9 9 4 4 3 4 3 5 ． 【 2 】 卫良保， 陶元芳， 王鹰． 液压升降平台结构有限元分析计 算 [ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 3 1 0 5 8 6 0 ． 【 3 】宋耀军， 刘榛． 液压缸驱动的剪刀撑机构运动及动力学 分析[ J ] ． 起重运输机械， 2 0 0 4 2 4 1 4 3 ． 【 4 】邓宏光． 剪叉式升降平台建模及关键参数研究 [ J ] ． 机 电工程技术 ， 2 0 0 5 ， 3 4 7 2 0 2 2 ． 【 5 】陆敏恂， 李万莉． 流体力学与液压传动[ J ] ． 上海 同济 大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 2 ． 上接 第9 4页 的转动不同步 ，从而使进 给运动忽快忽慢 ，产生爬行 现象。 故障现象某配套 G S K 9 8 0 M系统的数控磨床， 在进行多次维修 和长时 间不用后 ，发现 I ， 轴在运动过 程 中有明显的爬行 。 分析与处理过程经检查，发现当手轮移动 y 轴 0 ． 1 m m时 ，工作 台连续移 动 0 ． 7 m m左右后再以另一 种速度缓慢 移动 0 ． 1 m m，因此 可能是 由于移动速度 太 快或工作 台阻力太 大引起故障。调整机床导轨镶条 并减小工作台移动速度 ，故障未排 除。在多次运行后 发现每次工作台慢速移动的距离都差不多 ，因此打开 参数页面，发现 0 2 9号参数 1 ， 轴直线加减速时间常 数 为 6 0 0 ，而对于步进 电动机来说一般设定为 4 5 0 。 修改后再试 ，故障排除。 8漂移 当指令值为零时 ，坐标轴仍移动，从而造成位置 误差 。通过漂移 补偿 和驱 动单元 上 的零 速调 速来 消 除。 故障现象 一 台配套 F A N U C 6 ME的加 工 中心 ， 在长期使用后 ，只要工作 台移动到行程 的 中间段 ， 轴即出现缓慢的正 、反 向摆动 。 分析与处理过程 由于机床在其他位置时工作均 正常 ，因此 ，系统参数 、伺服驱动器和机械部分应无 问题。考虑到机床已经过长期使用，机床与伺服驱动 系统之间的配 合 可能会 发生部 分改 变 ，一旦 匹配不 良，可能引起伺服系统的局部振动。根据 F A N U C伺 服驱动系统的调整与设定说明，维修时通过改变 轴伺服单元 上 的 S 6和 s 7 补偿 电路 设定 、S 1 1和 S 1 3 电流调节器增益设定 等设定端 的设定 消除了 机床的振动。 参考文献 【 1 】周兰， 陈少艾． 数控机床故障诊断与维修[ M] ． 北京 人 民邮电出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】 杨中力． 数控机床故障诊断与维修[ M ] ． 大连 大连理工 大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】王侃夫． 数控机床故障诊断及维护[ M] ． 北京 机械工业 出 版 社 ， 2 0 0 5 ． 2 8 4 0 暑． z_{ 1 一 一 、 馨 6 』 覃 啦 啦索 2 2 8 6 4 _兽 【 l _l 一 ＼ 盐 摘 ] 删 姐 H