资源描述：
Se p．2 01 4 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e ri n g V0 J ．4 2 No ．1 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 8 ． 0 0 5 De s i g n o f 2 0 t f o r g i n g m a n i p ul a t o r c l a mp r o t a t i o n h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m Ge q i a n g L I ，B i n g J I ANG， Yu e ． s o n g L I H e n a n U n i v e m i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 ， C h i n a 1 ． I nt r o d uc t i o n Ab s t r a c t Th is s t u d y d e s i g n s t h e c la mp r o t a t io n e l e c t r o - h y d r a u l ic p r o p o r t i o n a l c o n t r o l s y s t e m o f f or g i n g ma n i p u l a t o r ，e s t a b l is h e s t h e ma t h ema t i c a l mo d e l o f t h e c lamp r o t a t io n me c h a n is m 。 a n d d e t e r mi n e s t h e in i t ia l p ar a me t e r s o f PI D c o n t r o l l e r a n d t h e c o r r e s p o n d e n t f u z z y lo g i c s y s t e m ．T h e mo d e l i n g an d s i mu l a t i o n o n t h e c l a mp r o t a t i o n c o n t r o l s y s t e m o f f o r g i n g ma n ipu l a t o r a r e g a i n e d b y t h e MATL AB ／Simu l i n k a n d AMESim c o - s i mu la t ion t e c h n o lo g y ． I t i s v e r if i e d t h a t t h e d e s i g n s c h e me i s r e a s on a b l e，ma t h e ma t ic a l mo d e l i s a c c u r a t e a n d s y s t e m r o b u s t n e s s is b e e r b a s e d o n f u z z y PI D c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s F o r g i n g ma n ip u l a t o r ，F u z z y PI D，AMESi m，E l e c t r o ． h y dr a u l i c p r o p ort ion a l c o n t r o l s y s t e m F o r g i n g ma n i p u l a t o r ，whi c h i s ma i n l y u s e d f o r c l a mp i n g f o r g i n g s a nd a u x i l i a r y f o r g i n g ma c h i n e，i s t h e i mp o r t a n t e q u i p me n t t o a c h i e v e f o r g i n g a u t o ma t i o n，a n d a n i mp o r t a n t f a c t o r i n i n fl u e n c i n g t h e d e v e l o p m e n t o f e q u i p me n t ma n u f a c t u r i n g i n d u s t ry[ 1 ] ． Due t o h y d r a u l i c d riv e h a s a d v a n t a g e s o f f a s t r e ． s p o n s e ，wi d e s p e e d r a n g e a n d a u t o ma t i c o v e d o a d p r o t e c t i o n，t h e l a r g e t o n n a g e f o r g i n g ma n i p ul a t o r u ． s u all y u s e s h y d r a u l i c d ri v e s ．C l a mp r o t a t i o n i s a n i m． p o rt a n t f e a t u r e f o r t h e o v e r l o a d e d o p e r a t i o n e q u i p ． me n t ．T h e c l a mp r o t a t i o n p r o p e r t y i s a f f e c t e d b y t i me ． v a ryi n g o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d t h e s t r u c t u r e o f h y ． d r a u l i c s y s t e m．I n o r d e r t o e n s u r e t h e q u a l i t y o f for g ． i n g a n d i n c r e a s e p r o d u c t i v i t y ．t h e c l a mp r o t a t i o n s y s - t e m mu s t r o t a t e f a s t 。s mo o t h l y a n d a c c u r a t e l y『 2 ． 3] ． T h i s a r t i c l e d e s i g n s t h e c l a mp r o t a t i o n e l e c t r o ． ． h y d r a u ．． Re c e i v e d 2 01 40 42 8 P r o j e c t s u p p o r t e d b y N a t i o n a l N a t u r al S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a N o ．5 1 1 7 8 3 7 5 十G e q i a n g L I ，P r o f e s s o r ．E- ma i l h i t l i g e q i a n g 1 6 3． c o rn l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l s y s t e m o f 2 0 t f o r g i n g ma n i p u - l a t o r ，u s e s f u z z y P I D c o n t r o l s t r a t e g y for c o mma n d i n g t h e c l a mp r o t a t i o n a n g u l a r p o s i t i o n，a n d s t u d i e s t h e c l a mp r o t a t i o n c o n t r o l s y s t e m t h r o u g h t h e MATL AB／ S i mu l i n k a n d AMES i m c o - s i mu l a t i o n t e c h no l o gy s i m u l a t i o n ． 2． Cl a mp r o t a t i o n h y dr a u l i c c o n t r o l s y s t e m a n d ma t he ma t i c a l mo de l C l a mp r o t a t i o n me c h a n i s m i s ma i n l y u s e d for a ． c h i e v i n g f o r g i ng s f r e e r o t a t i o n．Th e f o r g i n g ma n i p ul a t o r c l a mp r o t a t i o n h y d r a ul i c s y s t e m s c he ma t i c d i a g r a m i s s h o wn i n Fi g u r e 1．n e o p e n i n g o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rt i o n a l d i r e c t i o n a l v a l v e c o r e c o n t r o l s t h e s p i n d i r e c t i o n a n d t h e s p e e d o f h y d r a u l i c mo t o r ，a n d t h e n d ri v e s t h e c l a mp f o r g i n g s t o r o t a t e ．Ac c u mu l a t o r a b s o r b s v i b r a t i o n p r o d u c e d i n t h e p r o c e s s o f for g i n g a n d r e l i e f v a l v e i s o v e r l o a d p r o t e c t i o n ．T h e p r o p o r ． t i o na l d i r e c t i o n a l v a l v e s a n d t wo g r o up s o f c a rtrid g e v aly e s a r e u s e d t o a c h i e v e t h e e ／ a mp p o s i t i o n i n g a n d l o c k i n g ．B e c a u s e t h e q u a l i t y o f f o r g i n g s i s l arg e ，t h e a c c u mu l a t o r c h e c k v a l v e a n d a c c u mu l a t o r r e l i e f v a l v e d e s i g n a r e u s e d t o r e d u c e t h e i mp a c t o f f o r g i n g ． Ge q i a n g LI ，e t a l De s i g n o f 2 0 t f o r g i n g ma n i p u l a t o r c l a mp r o t a t i o n h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m 25 1 ． p r o p o r t i o n a l d i r e c t io n a l v a l v e ；2． c a rtr i d g e v a l v e；3 ． c h e c k v a l v e； 4． r e l i e f v a l v e；5 ． a c c u mu l a t o r ；6． mo t o r Fi g ur e 1 ． Cl a mp r o t a t i o n h y d r a ul i c s y s t e m s c h e ma t i c di a g r a m Hy d r a u l i c p o we r a c t u a t o r s w h i c h a r e c o mp o s e d o f e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n a l v a l v e s ， h y d r a u l i c mo t o r s a nd l o a d， h a v e a d i r e c t i mpa c t o n t h e q ua l i t y o f c l a mp r o t a t i o n h y d r a u l i c s y s t e m ，s o d e - t e r mi n i n g t h e ma t he ma t i c a l mo d e l o f v a l v e - c o n t r o l l e d mo t o r s y s t e m i s t he p r e r e q u i s i t e f o r a n a l y s i s o f t h e w h o l e d ri v i n g s y s t e m[ 4 ] ．A c c o r d i n g t o t h e f l o w e q u a t i o n s o f e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o na l v a l v e，flo w c o n t i n ui t y e q u a t i o n o f hy d r a ul i c mo t o r s a n d h y d r a u l i c mo t o r s a n d t o r q u e l o a d b a l a nc i n g e q u a t i o ns ，by d e - d u c t i o n，t h e mo t o r a n g u l a r d i s p l a c e me n t e x p r e s s i o n， w h i c h i s d i s t u r b e d b y v a l v e c o r e d i s p l a c e me n t a n d o u t s i d e l o a d d i s t u r b a n c e a t t h e s a me t i me， a r e g a i n e d 0 一 麦 r m V J t s3 ＼ J , Ko , Bm 。 V , I 2 B m K ce s G K ce Wh e r e ，f o r mu l a d e ri v a t i o n a n d me a n i n g o f t h e s y mb o l c a n b e f o u n d i n r e f e r e n c e ． I n t h e v a l v e c o n t r o l mo t o r s y s t e m ，mo t o r a n d u l t i ma t e l o a d a r e c o n n e c t e d wi t h r i g i d g e a r ，s o e l a s t i c l 。 a d c a n b e n e i g i b l e ．As i t i s。 f t e n t h e c a s Bm K c e 1 ．t h e s i mp l i f i e d h y d r a u l i c r o t a t i o n o f t h e mo t o r s h a f t o n t h e v a l v e c o r e d i s p l a c e me n t t r a n s f e r f u n c t i o n c a n b e g o t t e n s 2 i n t h i s e q u a t i o ⋯ 厝 K ce eJ, Te c h n i c a l p a r a me t e r s o f v a l v e c o n t r o l l e d mo t o r a r e s ho wn i n Ta b l e 1 ． Ta b le 1． T e c h n i c a l p a r a me t e r o f v a lv e - c o n t r o l l e d mo t o r Pa r a me t e r Va l u e Un i t Pr o p o r t i o n a l va l v e flo w g a i n Mo t o r t h e o r y d i s p l a c e me n t D Mo t o r s h a f t t o t a l i n e rt i a J I To t a l d i s c l o s u r e c o e f f i c i e n t o f h y d r a u l i c mo t o r C 2． 4 90 3 9 m ／s ／A m1 ／r k g m 7 1 0‘ ” m ／Ns T 。 t a l n 。 w p r e “ c 。 棚 c i e 4． 31 0- 1 2 mS ／N ．s o f p r o po rti o n a l v a l v e Kc e 。 。 ⋯ 。 To t al v o l ume o f t wo h y d r a u l i c mo t o r c a v i t y a n d c o n n e c t g p i p e s 4 1 0- 3 E f f e c t i v e e l a s t i c m o d u l i o f o i l JB 。 6 ． 9 x 1 0 3 m Pa Ac c o r d i n g t o t h e pa r a me t e r s i n t he Ta b l e 1，i t c a n b e g o t t e n t ha t t h e v a l v e - c o n t r o l l e d mo t o r h y d r a u - l i c s y s t e m n a t u r a l f r e q u e n c y∞ 1 1 0 ． 3 r a d ／ s ，h y dr a u l i c d a mp i n g r a t i o 0． 2 2 5．S o t h e mo t o r s h a f t r o t a t i o n o n t h e v a l v e c o r e d i s p l a c e me n t t r a n s f e r f u n c t i o n i s b a s i s f o r t h e l e r ． 3．Cl a mp c o nt r o l s 4 9 6 3 s 1 2 1 6 6 s ．I tp r 0 v i d e s ． i n i t i a l pa r a me t e r s de s i g n o f P I D c o n t r o l - r o t a t i o n a ng u l a r d i s pl a c e me nt a l g o r i t h m T h e s mo o t h p r e c i s e p o s i t i o n i n g o f c l a mp r o t a t i o n d i r e c t l y a f f e c t s t h e e f f i c i e n c y a n d q u al i t y o f t h e j o b o f f o r g i n g，s o i t i s n e c e s s a r y t o u s e t h e a p p r o p ria t e c o n - t r o l a l g o ri t h m t o a d j u s t t h e r o t a t i o n s t a t i c a n d d y n a m i c p e r f o r ma n c e ． Co n v e n t i o n a l PI D c o n t r o l a l g o rit h m i s s i mp l e ， b u t c a n n o t a d j u s t P I D c o n t r o l p a r a me t e r s r e al- t i me ．I t i s c o mmo n l y u s e d for L i n e a r S y s t e ms a n d r e q u i r e s p r e c i s e ma t he ma t i c a l mo d e 1 ． Cl a mp r o t a t i o n me c ha n i s m i 8 d r i v e n b y h y d r a u l i c．a nd t he s y s t e m i s t i me - v a r y i n g a n d n o n l i n e a r ，o n l y e s t a b l i s h i n g a p p r o x - i ma t e ma t h e ma t i c a l mo d e 1 ．F u z z y P I D c o n t r o l alg o ． r i t h m c o mb i n e s f e a t u r e s o f P I D c o n t r o l w i t h f u z z y l o g ． i c ．O n l i n e r e a l - t i me n o n l i n e a r a d j u s t i n g c o n t r o l p a r a me t e r s 。a n d e a s i e r r e ali z a t i o n o f a l g o ri t h ms i n h a r d ． wa r e，a r e t h e r e q u i r e me n t s for a c o n t r o l l e r me e t i n g c l a mp r o t a t i o n s y s t e m． T h e r e f o r e a f u z z y PI D c o n t r o l a l g o ri t h m i s d e s i g n e d t o me e t t h e c l a mp r o t a t i o n a n 一 、 l I _I - ， ● l 2 6 Hy d r o me c ha t r o n i c s En g i n e e r i n g g u l a r d i s p l a c e me n t c o n t r o 1 ． Th e f u z z y c o n t r o l l e r c o n t a i ns t wo i np u t s o f t h e c l a mp r o t a t i o n a n g l e e r r o r e a n d t h e e r r o r c h a n g e r a t e e c ，a n d t h r e e o u t p u t s o f P I D c o e f f i c i e n t i n c r e me n t s K， ， Kt ， Ki ． T o f a c i l i t a t e t h e s y s t e m s i mu l a t i o n。 e a n d e c u n i v e r s e o f f u z z y s e t s a r e d e fi n e d a s{一1． 1 } ， s i m i l a r l y△ ，A K i ， A K d u n i v e r s e o f f u z z y s e t s a r e a l s o {一1 ， 1 } ．T h e f u z z y i n p u t s v a ri a b l e s a n d o u t p u t s v a ri a b l e s a r e d i v i d e d i n t o s e v e n l e v e l s ．a n d u s i n g l i n g u i s t i c v a ria b l e s e x p r e s s i o n i s PB，PM ，PS， Z O，N S， NM ， N B． A1 l me mb e r s h i p f u n c t i o n s o f f u z z y s u b s e t s a r e t r i a n g u l a r s h a p e d c u r v e [ 5 ] ． Th e f u z z y PI D c o n t r o l l e r p a r a me t e r s t u n i n g r u l e s a r ewhe n t he s y s t e m e rro r i s l a r g e， l a r g e r a n d s ma l l e r Kd s h o u l d b e t a k e n t o s p e e d u p s y s t e m r e ． s p o n d；wh e n s y s t e m e r r o r t h e a p p r o p ria t e K a n d Kd l o we r o v e r s h o o t ；wh e n t he i s mi d d l e，s ma l l e r a n d s h o u l d b e t a k e n t o h a v e a s y s t e m e rro r i s l o w，l a r g e r Kp a n d Kd a n d a p p r o p r i a t e Kt s h o u l d b e t a k e n t o a v o i d o s c i l l a t i o n n e a r t h e e q ui l i b riu m p o i n t ． Th e f u z z y i n ． for e n c e b a s e d o n f u z z y r u l e s i s u s e d t o g e t a f u z z v s e t ，a n d t h e n t h e ma t c h f u z z y t r e a t me n t u s e s t he fo C U S me t h o d o n f u z z y o u t p u t v a ria b l e ． Ac c o r d i n g t o t h e d i f f e r e n t i n p u t v a r i a b l e s．o ffl i ne c a l c u l a t i o n o f t h e e x a c t o u t p ut c o rre s po n di n g t o e a c h f u z z y v a r i a b l e i s c a r r i e d o u t ，ma k i ng i n t o a f uz z y o u t p u t c o n t r o l t a bl e a s s h o wn i n Ta b l e 2． I n t h e a c t u a l a p p l i c a t i o n．t h e e x a c t c u r r e n t o u t p u t v a l u e o f f u z z y c o n t r o l l e r c a n b e f o u n d b y c h e c k i n g t h e t a b l ． 4． Co - s i mul a t i o n o f c l a mp r o t a t i o n h y dr a u l i c c o nt r o l s y s t e m Cl a mp r o t a t i o n c o n t r o l s y s t e m i s a n o n l i n e a r s y s t e ms ．wi t h AMEs i m s o p h i s t i c a t e d h y d r a u l i c c o mp o n e n t s i n t h e c o mp o n e n t l i b r a r y mo d u l e，t h e c l a mp r o t a t i o n c o n t r o l s y s t e m s i mu l a t i o n mo de l i s e s t a b l i s he d f 6『 ，a t t h e s a m e t i me ，b a s e d o n M A T L A B ／ S i m u ． 1 i n k．t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f f u z z y P I D c o n t r o l a l g o ． r i t h m i s e s t a b l i s h e d．Th r o u g h t h e c o s i mu l a t i o n t e c h． n o l o g y，t h e c l a mp r o t a t i o n c o n t r o l s y s t e m s i mu l a t i o n i s c o mbi ne d wi t h t h e mo t i o n c o n t r o l a l g o rit h m s i mu l a ． t i o n．a nd t h e r e a l s i mu l a t i o n i s c a r r i e d o u t o n t h e a c ． t u a l c o n d i t i o n o f t h e c l a mp r o t a t i o n me c h a n i s m． F i g u r e 2 s h o ws t h e c l a mp r o t a t i n g h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e 1 ．Th e c a r t r i d g e v a l v e c o n s i s t s o f t h r e e p a r t s ，a n d i t s c o n t r o l o i l i s e q u i v a l e nt f o r a g i v e n s i g n a l t o c o n t r o l o n o ff ．I n t h e l o a d l o c a t i o n a n a n g u l a r d i s p l a c e me n t s e n s o r i s us e d f o r t h e me a s u r e me n t a n d f e e d b a c k，t he n f r o m t h e c o mp a r i s o n wi t h t h e s e t s i g n a l ，t h e c l a mp r o t a t i o n s y s t e m a n g l e c o n t r o l c a n b e r e a l i z e d b y f u z z y PI D c o n t r o l l e r ．Ma i n s i mu l a t i o n p a r a me t e r s a r e a s f o l l o ws l o a d， 2 0t f o r g i n g； w o r k i n g p r e s s u r e ，1 0 MP a；s y s t e m fl o w，5 0 5 1 ／ mi n； mo t o r d i s p l a c e me n t ，1 0 7 ml ／r；r a t i o o f g e a r，4． 6． F i g u r e 2．C l a mp r o t a t i n g h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l F i g ur e 3 s h o ws t h e MATLAB／S i mu l i n k s i mu l a ． t i o n mo d e l o f f u z z y P I D c o n t r o l a l g o rit hm． Ba s e d o n d i s c r e t e mo d e l ，t h e PI D a l g o r i t h m t h r o u g h c o ． s i mu l a ． t i o n
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