插齿机主运动液压系统的仿真分析.pdf

综述与展 望 蒋书运 ． 等 插齿机主运动液压 系统的仿 真分析 插齿机主运 动液压 系统 的仿 真分 析 蒋书运 ， 杨成伟 ， 姚华 东南大学 机械工程学院 江苏 南京 2 1 1 1 8 9 摘要 以 Y S 5 1 2 0 0 C N C插齿机主运动液压系统为研究对象， 根据经典控制理论建立其控制阀数 学模 型 ． 基于 A ME S i m及 S i mu l i n k软件建立液压 系统联合仿真模型 ， 并进行联合仿 真分析 。根据 仿真结果 ． 分析控 制阀与液压缸间管道 长度对液压 系统 响应特性 的影响。利 用 P I D调节 器对伺 服比例阀阀芯位置信号进行调节． 有效地降低了系统的稳态误差， 提高了系统的响应速度。 关键词 液压 系统 伺服 比例 阀； A ME S i m- S i m u l i n k联合仿真 中图分类 号 T H1 3 7 ． 3 3 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 5 0 2 0 0 0 1 0 3 Si mu l a t i o n a n d An a l y s i s o f Hy dr a u l i c S y s t e m i n Ge a r S l o t t i ng M a c h i n e’ S M a i n M o t i o n S y s t e m J I ANG S h u y u n，YANG C h e n g - we i ． YAO Hu a S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t Un i v e r s it y ， N a n j i n g 2 1 1 1 8 9 ，C h i n a Abs t r ac tTh e h y dr a uli c s y s t em i n YS5 1 2 0 0CNC ge a r s lo t t in g ma ch ine’ S ma i n mo t i o n s y e m is s t u d ied i n t h i s p ap e r ．Th e ma t h e ma t ic al mo de l o f t h e c o nt r ol v a lv e i s bu i lt a c c o r d i n g t o t h e co n v e n t ion a l c on t rol t h eo r y． A c o mbine d s imu la t i o n mo d el is d e v elo pe d an d a n aly z e d b a s ed o n t h e s o f t war e AMESi m an d Si mu l i n k ． The in f lu en c e o f t h e len g t h of t h e pip e c on n e c t i n g c o n t r o l v alv e a n d h y d rau l ic c yli n de r on t h e c h ar ac t e r i s t i c s o f h y d r a u l ic s y em is a n aly z e d．Th e PI D c on t r o l ler i s u t il iz ed t o c o n t r o l t h e s i g n al o f t h e dis p l a c eme n t o f t he c on t rol v a lv e’ S s po o l ，t h e r e s ult s h o ws t h a t PI D c on t ro l ler r ed u c e s t h e s t ea d y s t a t e er r or a n d en h an c e s t h e r e ac t ion s pe e d o f t h e h y dra u l ic s y s t e m ． Ke y wo r d s h y d r a u li c s y s t e m；s e r v o p r o p o r t i o n a l v a l v e ；A ME S i m S i mu li n k c o mb i n e d s i mu la t io n 0 引言 液压传动具有结构紧凑、 惯性小及无极调速等优点， 但 同样存在着泄露 、 对油温变化敏感及 对元件精度 要求高等 缺点 。为保证液压系统 的正常运行 ， 需要 对液压 系统进行 分析和研究。随着仿真理论及计算机技术的发展 ， 计算机 液压仿真技术得到 了更多的研究和应用 。液压仿 真研究有 针对液压元件的仿真研究以及面向液压系统的仿真研究 关于液压元件优化的研究． 杨逢瑜等人通过对液压电梯液 压缸摩擦力对启动平稳性的研究， 对液压缸的结构加以改 进， 提高了电梯启动的平稳性l 1 ] 。金胜秋基于同步阀的理 论基础． 利用 A ME S i m对同步阀进行建模仿真， 根据仿真结 果对 同步阀的结构 尺寸进行改进 。 得到尺寸小 巧稳定性好 的同步阀_ 2 ； 关于液压系统的仿真研究， 刘春庆对水压机 电液比例控制系统关键元件进行数学建模 ． 利用传统 P I D 控制理论对系统进行分析校正． 并设计出模型参考 自适应 控制器对系统进行控制， 提高了系统的动态特性[ 3 ] 。 图 1为 Y S 5 1 2 0 0 C N C插齿机结构 图 ， 其主运 动通过一 套液压 系统 实现 ， 液压 系统 的结 构如图 2 所示 。在 工作 过 程中该液压系统存在着响应慢 ， 速度稳定性差， 换 向不稳 定等 问题 。本 文将基 于 A M E S i m和 S i mu l i n k软件 建立 液 压系统的联合仿真模型， 并进行仿真分析， 研究控制阀及 液压缸 间连接管 道 长度对 系 统动 态特 性 的影 响 ， 并利 用 P I D调节器对控制信号进行调节， 降低液压缸稳态误差 ， 提高系统的动态特性。 图 1 插齿机结构示意 图 基金项 目 国家高档数控机床 与基础制造装备重大专项 2 0 1 0 z x 0 4 0 0 1 1 9 2 作者简 介 蒋书运 1 9 6 6 一 ， 男 ， 安徽六安人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 博士 ， 主要研究领域 高速加 工机床 、 飞轮储 能系统 、 机械 动力学 、 摩擦学 等。 振动 、 测试与诊 断 杂志常务编委。发表期刊论文 1 0 0篇 ， 其 中 国际期刊论文 4 0篇 ， S C I 收录 4 0篇 ， E I 收 录5 0篇 ， 授权 国家专利4 O 余项； 先后主持国家 自 然科学基金项 目5项、 国家8 6 3 计划项目1 项 、 国家科技重大专项课题 5 项 、 教育部高等学 校博士点基金 1 项、 江苏省科技计划项目 1 O 余项以及军工和企业委托项目1 0 余项； 以第一完成人分别获教育部科技进步二 等奖 l 项 、 教育部技术发 明奖二等奖 1 项 ； 2 0 0 6年人选 “ 教育部新世纪优秀人才支持计划”。 Ma c h i n e B u i l d i n g “ f D m d 如” ， F e b 2 0 1 5， 4 4 2 J ～ 3， 1 0 综述与展望 蒋书运， 等 插齿机主运动液压 系统的仿 真分析 伺服 比例阀传递 函数 G s G 。 s 5 2 建立 系统的仿真模型 利用建立 的元件 数学模型 ． 基于 A ME S i m和 S i mu l i n k 建立液压系统 的联合 仿真 模 型。A ME S i m提 供 了丰 富的 液压元件库 ， 但是现实使用的液压元件种类远远超过元件 库所 能提供 的 ， 但 A ME S i m提供 了强大 的 H C D库 ． 可 以根 据液压元件几何形状及物理特性详细构建特定的液压元 件 。A M E S i m软 件 在 控 制 信 号 处理 方 面 不 及 S i m u l i n k ． S i mu l i n k在动态仿真时可以方便的调节控制参数进行仿 真． 充分利用两种软件的优点建立 A M E S i m S i m u l i n k联合 仿真模型， 对液压系统进行联合仿真。 图 2 插齿机液压 系统示意图 2 ．1 伺服 比例 阀的仿真模型 1 伺 服 比例 阀数学模型的建立 要建立液压系统的数学模 型 ． 首先要建立重要液压元 件的数学模型。基 于经典控制理论 ， 建立 Y S 5 1 2 0 0 C N C数 控插齿机主运动液压系统中伺服比例阀的数学模型。 该液压系统 采 用 力 士乐 0 8 1 1 4 0 4 2 9 9型 号伺 服 比例 阀， 该伺服 比例 阀为力士乐高响应系列 阀． 额定流量为 1 5 0 L ／ mi n 。力士乐样本资料提供了主阀芯位移 响应的 B o d e图， 该 B o d e图通过输入激励 电压信号， 测量主阀芯 位移响应信号处理得到。通过拟合该 B o d e图可以建立主 阀芯输出位移的传递函数。 伺服 比例阀 的传递 函数是 一个 典 型 的二 阶环节 l 5 ] ， 其传递函数为 K G Q ／ U s 一 1 了 2 孝 ∞ 式中 山 一伺服比例阀的固有频率； 一伺服比例阀的阻 尼 比 根据薄壁小孔 流量方程 可知 ， 在一 定 的工作压 力下 ， 阀芯位移与流量呈 比例关系 - c d甜 √ 吾 △ P 2 联立式 1 和式 2 可得 主阀芯输 出位移与伺 服 比例 阀输入电压信号间的传递 函数 为 由样 本资料可知 ， 在低频阶段 ， 幅频特性幅值 L ∞ - 0 ． 1 2 d B ， 即 1 0 一 ’ 0 ． 9 8 6 。 当， 4 2 H z 时， ∞ ， 2 霄2 6 3 ． 7 6 r a d ／ s ， B o d e图对数 幅频特性幅值为一 3 d B ， 对应相角为一 9 0 。 。利用 MA T L A B 画出不同参数的曲线 ， 对 B o d e 图进行拟合 ， 得 到当阻尼 比 O ． 6时， 曲线拟合最准确， 对应的伺服比例阀主阀芯位 移传递函数 G 0 ． 9 8丁 6 x e - S ．o s lo - 3 , 4 丽 在 A ME S i m草图模式下利用 H C D库建立伺服比例阀 主阀的模型 ， 图 3中 p o r t A为伺 服 比例 阀油 口 A， 它连 接 伺服 比例阀油 E l A的两个 控制边 。p o r t B为伺 服 比例阀 油 15 1 B， 连接伺 服 比例 阀油 口 B的两 个控 制边 。罔 3中 A ME S i m与 S i m u l i n k的接 口模 块 接 收输 入信 号 并 在 S i m u l i n k中处理 ， 再 将处 理 后 的主 阀芯 位 移 信号 传 递 给 A ME S i m主阀芯模型 图 3 伺服 比例 阀仿真模型 在 A M E S i m参数模式下设置模型参数 油液密度 8 6 5 k g ／ m ； 油液 运 动粘 度 4 6 m m ／ s ； 油 液 动力粘度 0 ． 0 3 9 7 9 P a ． s 油液体积弹性模量 7 0 0 MP a 主阀 节 流 口流速 系数 0 ． 6 2 ； 阀 口全开位移 1 ． 2 m m； 单 阀口压 降 为 5 k P a时全开 阀口流量 1 5 0 L ／ m i n 。 2 ． 2 液压 系统 的仿真模型 在完成 的伺 服比例阀模 型基础 上 ， 继续建立整个液压 系统的仿真模型。在 A ME S i m草 图模式 中建立 各液 压元 件模 型 ． 连 接 各 元件 组 成 完 整 的 液 压 系统 模 型 ， 如 图 4 所示 图 4 液压 系统仿真模型 2h t t p ∥Z Z HD ． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H Dc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 综述与展望 蒋书运， 等 插齿机主运动液压系统的仿真分析 液压系统模 型参数设 置 恒压源压力 1 3 M P a 控制 阀一 液压缸连接管道长度0 ． 8 2 ． 5 m． 管道直径 3 5 m m； 液压缸活塞直径 6 3 m m； 活塞杆直 径 4 5 m m； 液 压缸 长度 5 2 0 m m； 负载质量 3 0 k g ； 液压 缸粘 0 ‘6 性摩擦系数 1 7 0 N s ／ m； 位移传感器放大倍数 1 0 0 0 ／ m； 回油路单向阀背压 3 0 0 k P a ； 言 3 液压 系统 的仿真分析 在 A ME S i m环境下设置液压缸位移输入值。 输入附加 切削力的模拟值 ， 在 0 0 ． 3 s间， 切削力值为 0 N， 在 0 ． 3 s 时． 切削力瞬间增大到 1 00 0 0 N， 利用 A ME S i m和 S i m u l i n k 联合仿真分析在切削力干扰下系统的响应。 3 ． 1 控 制 阀 一液 压 缸 间 连 接 管 道 长 度 的 影 响 一 般情况下， 液压缸一负载系统的动态响应是整个系 统中最低的． 其固有频率的高低影响到整个电液比例控制 系统的动态特性 ． 其固有频率越高， 系统的动态特性越好， 而伺 服阀与液压缸 间连接管 道 的长 度对缸一 负载 系统 的 固有频率影响很大。 Y S 5 1 2 0 0 C N C插齿机 液压 工 作站 与 液压 缸 容腔 之 间 有一定的高度差 。 伺服比例阀通过两个油管 A， B与液压 缸上下两个容腔相连 ， 油管长度越长， 管内的死区容积越 大 ． 液压缸 一 负载系统 的动态特性则越差 。 通过 A ME S i m模 型， 分别 分析 长度为 2 ． 5 m和 0 ． 5 m 两种不同油管长度对液压缸单出杆的响应速度的影响如 图 5和图 6所示 。 O 3 o ．4 0 ． 5 t ／ s 图5 管长 2 ． 5 m液压缸单出杆速度响应曲线 由图 5可知， 管长为 2 ． 5 m时， 在 o ． 3 s 突加负载干扰 下， 液压缸单出杆的速度由稳态速度值 0 ． 4 8 3 m ／ s 突然降 低， 在 0 ． 3 0 6 s 时降低到最低值一 0 ． 5 9 7 m／ s ， 经过 0 ． 2 1 2 s 时 间的调整． 速度达到稳态误差允许范围内。而如图 6所 示 ， 当管长 为 0 ． 5 m时， 速度 响应 时间降低 ， 在 0 ． 3 0 3 s时 ， 速度降低到一 0 ． 1 3 4 m ／ s ， 经过 0 ． 0 6 4 s 的调整液压杆的速 度值达到误差允许范围内。 因此． 控制阀与液压缸之间连接管道的长度越短， 即 Ma c h i n e B u il d in g Au t o m a t i o n ， F e b 2 0 1 5 ， 4 4 2 J ～ ， J D 0_ 2 0 ．0 ．0 - 2 0 I3 O 0 ． 3 2 n3 4 0 ．3 6 0 -3 8 S 图 6 管长 0 ． 5 m 液压缸单 出杆速度响应 曲线 管道 内形成的封闭空 间体积越 小 ， 在负载 发生 变化 时， 液 压杆速度的振动幅值越小， 振动的峰值时间越短， 调整时 间越 短 ， 液压缸越快 进入稳 态 ， 整个液 压系统 的动态 特性 越好 。 3 ． 2 P I D调节器对 系统响应特性的影响 基于 S i m u l i n k建立液压系统信号控制部分模型 ， 在 控制回路加入 P I D调节器， 如图 7 所示。 图 7 S i mu l i n k模型图 在控制回路中引入 P I D控制器 ， 其比例系数 K 2 ． 5 ， 积分系数 K z 1 ． 5 。 如图 8所示， 经 P I D调节后 ， 位移的误差稳态降低， 未 经 P I D调节误差为 O ． 0 1 0 9 6 n l ， 而 P I D调节 后位移误 差为 0 ． 0 0 2 4 7 i n ， 稳态误差值降低 0 ． 0 0 8 4 9 n l 。 O ．5 0 ．4 0 ．3 0 ．2 0 ． 1 0． 0 ⋯⋯一 期望值 0． 0 图 8 P I D调 节和未调节液压缸单 出杆位移 响应 曲线 下转第 1 0页 3 机械制造 葛继伟， 等 不同 出口分布的消声器性能研究 1 9 7 8 ，P P ． 2 0 7 2 1 5 ． [ 6 ]陶丽芳． 汽车发动机排气系统性能分析研究 [ D] ． 重庆 重庆 大学 ． 2 0 0 5 ． [ 7 ]赵明． 汽车排气消声器声学特性的研究[ D] ． 武汉 华 中科技 大学 ． 2 0 0 5 ． [ 8 ]贺朝卿． 汽车排气消声器辅 助设计 系统研究与 开发 [ D] ． 武 汉 华中科技大学 ，2 0 0 9 ． [ 9 ] 郑蕾． 汽车排气消声器声学性能分析及结构改进[ D ] ． 重庆 重 庆大学 ．2 0 0 9 ． 『 l O ]石 岩． 排气消声器 消声特性仿 真分析与排 气噪声音 品质设 计 [ D] ． 天津 天津大学 ， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ]胡 玉梅 ， 许 响林 ， 褚志刚 ， 等．基于声传递矩 阵法的汽 车排 气 消声器设计 [ J ] ． 重庆大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 8 1 ． [ 1 2 ]张宏波， 葛菹珊， 杨登峰， 等． 基于声传递矩阵方法的排气 消声器计算机辅助设计 [ J ] ． 北京 理工大学学 报 ， 2 0 0 4 ，2 4 5 ． [ 1 3 ]葛蕴珊 ， 张宏波 ， 等． 排 气消声器 的j维声 学性能 分析 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 6 ， 2 8 1 ． [ 1 4 ]福田基一等著， 张成译． 噪声控制与消声设计[ M] ． ． 北京 国防工业 出版社 ，1 9 8 2 ． 收稿 日期 2 0 1 41 1 0 4 上接第 3页 由网 9和图 1 O比较可以发现 ． 经过 P I D调节后 ， 液压 缸速度加速调整时间为 0 ． 0 5 3 5 S ． 比未经 P I D调节的调整 时间降低 4 2 ． 5 ％。液压缸突然收到切削力 干扰后 ， 系统发 生振荡 ． 经 P I D调节 的系统经 过 0 ． 0 6 1 5 s的调 整进 入误 差允许范围 △ 5 ％ 内， 而未经 P 1 D调节的系统调整时 间为 0 ． 0 7 4 5 s ． 调整时 间降低 1 7 ． 4 ％。在刀具上的切削力 突然消失时， 系统发生振荡 ， 经过 P I D调节的系统 经过 0 ． 0 6 6 s 的调整进入误差允许范 围内． 而未经调 节的系统需 要调整 0 ． 0 9 4 5 S 才能进入误差允许范围， 调整时间降低 3 0． 2％ 。 在经过 P I D控制器调节后 ． 液压 系统 的稳态误差得到 有效的控制． 动态响应速度也得到了提升。 5 结论 利用 A ME S i m及 S i m u l i n k建 立 Y S 5 1 2 0 0 C N C插 齿机 主运动的液压系统仿真模型， 进行联合仿真分析， 仿真结 果表 明 1 控制阀与液压缸间连接管道的长度对液压 系统 的 响应特性具有重要影 响 ， 管道越短 ， 响应越快 ， 液压缸调 整 时间越 短 ， 系统动态特性越好。 2 信号控制 回路 中使用普通 P I D控制器并整定设 置 合理的 P I D参数， 可以降低液压缸的位移稳态误差， 提高 液压缸 的响应速度 。 0 ．0 0 ．2 0 ．4 0 ．6 0 ．8 1 ． 0 参考文献 图 9 未经 P I D 调节速度响应 曲线 l 2 l - 0 O 8 一O． 6 鼍 0． 4 0 ． 2 0 0 ．0． 2 0 0 1 0 0 ．4 0 6 0 ． 8 1 ．0 t ／ s 图 1 0 P I D调节后速度响应 曲线 『 1 ]杨逢瑜， 肖飞， 张小安． 液压缸粘性摩擦对液压 电梯 启动平稳 性 影响的研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 ， 3 1 2 9 - 1 3 0 ． 『 2 ]金 胜秋 ． 基于 A ME S i m的液压同步 阀的仿真分析 及结构研究 [ D] ． 吉林 吉林大学 ， 2 0 0 9 ． 『 3 ]刘春庆．6 0 MN水 压 机电 液 比例 控 制系 统仿 真与 实验 研究 『 D] ． 秦皇岛 燕 山大学 ， 2 0 1 2 ． 『 4 ]刘长年． 液压伺 服系统优化设计理论 [ M] ． 北京 冶金1 - 业 H { 版社 ． 1 9 8 9 ． 『 5 ]许益民． 电液比例控制 系统设计与分析[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ． 2 0 0 5 ． [ 6 ]孙衍石 ， 靳宝全 ， 熊晓燕 ． 电液伺服 比例阀控缸位置控制 系统 A ME S i m ／ Ma t l a b联合仿真研究 [ J ] ． 液 压气 动与密 封 ， 2 0 0 9 ， 4 3 8 ． 4 2 ． 收稿 日期 2 0 1 50 1 0 2 h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H Dc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． G B 机械制造与 自动化 4 2 0 8 6 4 2 O 2 。 0 一 邬 邑 ， o o 0