基于AMESim的锻造操作机大车行走液压控制系统仿真研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ．1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 3 8 基于 A M E S i m的锻造操作机大车行走液压控制系统仿真研究 孔祥东 ，刘杰 ，翟富刚 ，姚静 ，艾超 1 ．河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ； 2 ．燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要针对2 0 0 k N‘ m ／ 5 0 0 k N。 m锻造操作机大车行 电液比例控制系统的工作特性 ，利用 P m／ E三维软件建立了操作 机实体模型，得到较为精确的负载质量；利用 A ME S i m仿真软件建立了大车行走液压控制系统的仿真模型，研究不同工况 下操作机大车行走系统的动态特性 ；仿真结果为操作机大车行走液压控制系统的设计、调试提供参考。 关键词锻造操作机；行走系统；A M E S i m；电液比例控制系统 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3 1 2 82 S i mul a t i o n Re s e a r c h o n Dr i v i ng Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m o f Fo r g i ng M a n i pula t o r Ba s e d o n AM ESi m KONG Xi a n g d o n g ，L I U J i e ，Z HAI F u g a n g ，YAO J i n g ，AI C h a o f 1 ． He b e i P r o v i n c e Ke y L a b o r a t o r y o f He v e a y Ma c h i n e r y F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n C o n t r o l ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ． 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 ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e w o r k i n g c h a r a c t e ris t i c o f t h e d r i v i n g e l e c t r o h y d r a u l i c p rop o r t i o n a l c o n t r o l s y s t e m o f f o r g i n g ma n i p ula t o r ，t h e e n t i t y mo d e l o f f o r g i n g ma n i p u l a t o r me c h a n i s m wa s s e t u p wi t h P r o ／ E 3 D s o f t wa r e a n d a c c u r a t e l o a d wa s w o r k e d o u t ． B a s e d o n t h e A ME S i m s o f t wa r e，t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e c a r t d r i v i n g 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 c o n t r o l s y s t e m w a s b u i l t ． T h e i n fl u e n c e o f d i ff e r e n t l o a d o n d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d riv i n g S y s t e m f o r f o r g i n g ma n i p u l a t o r W as s t u d i e d， t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s h a v e c e rta i n s i g n i f i c a n c e i n d e s i g n a n d d e b u g g i n g o f c a r t d ri v i n g s y s t e m for f o r g i n g ma n i p u l a t o r ． Ke y wo r d s F o 唱i n g ma n i p u l a t o r ；D r i v i n g s y s t e m；A ME S i m；E l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rti o n a l c o n t r o l s y s t e m 锻造操作机是实现锻造车间自动化的重要设备， 锻造操作机车体行走系统主要用于夹持工件完成轴向 进给操作 ，夹持 工件进 给速度远远高于锻造行车和 翻斗机，而且进给定位精度高，工作效率提高- z ，用 锻造操作机替代老式锻造行车已成为锻造行业的发展 趋势。由于液压传动的响应速度快 、调速范围大、输 出功率大、易实现过载保护等优点，因此大吨位的锻 造操作机通常都是采用液压传动。2 0 0 k N锻造操作 机车体行走系统采用液压马达驱动，通过齿轮传动将 液压马达的力矩放大后输出到链轮上 ，行走位移由旋 转式光电编码器检测，车体行走系统能实现独立手动 控制、半自动控制和与快速锻造液压机联动 j 。车体 行走系统的定位精度直接影响锻件的轴向尺度以及锻 件的生产效率，通常操作机车体行走系统都是闭环系 统。采用液压控制元件、检测元件和工控机组成操作 机大车行走闭环位置控制系统 ，实现操作机 的轴 向送 进操作H 。 。作者针对某企业设计的 2 0 0 k N锻造操 作机大车行走液压 系统，利用 P r o ／ E建模 软件 和 A ME S i m仿真软件 ，分析了不同工况下操作机大车 行走系统的动态特性 ，对于操 作机大车行走液压控制 系统 的设计具有一定 的理论指导意义。 1 锻造操作机组介绍 该 2 0 0 k N锻造操作机为全液压式有轨操作机， 用于夹持锻件配合 2 0 M N 自由锻液压机完成开坯、 拔长、墩粗等锻造工艺。整套机组 的主要技术指标 有液压机快锻次数为 6 0／ m i n ，锻造精度 士1 m m； 操作机车体 进退速 度为 2 0 4 0 m ／ ra i n ，进 给位 移精 度为 1 0 m m。2 0 M N液压机锻造方式分为常锻、快 锻和墩粗 3种方式，操作机的操作模式分为常锻和快 锻两种，以配合压机工作。常锻模式主要用于锻件的 开坯和拔长操作，属粗锻过程 ，由于锻件的变形量 大，行走机构一般在大的给定信号状态下工作，每次 回转进给量为 1 0 0 2 0 0 m m。快锻模式主要用于锻件 精整和校直操作，属精锻过程 ，操作机与压机在自动 或联动方式下工作，行走进给量为 3 0 5 0 m m，相对 的快锻次数为 4 O～6 0次／ m i n ，这就要求操作机行走 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 3 作者简介孔祥东 1 9 5 9 一 ，男 ，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为电液伺服控制系统的研究。通信作者 刘杰 ，电话 1 3 9 3 0 3 4 2 6 3 9 ，Em a i l l i u j i e 1 2 2 6 y a h o o ． c o rn ． e n 。 第 1 3期 孔祥东 等 基于AM E S i m的锻造操作机大车行走液压控制系统仿真研究 1 2 9 系统既要有较高的位置精度 ，以保证锻件的锻造径向 尺度要求 ，同时也要有较快的响应速度 ，以提高整套 机组 的生产效率 ，降低能耗 。 2 仿真模型建立 2 ． 1 3 D 实体模 型 图 1 为利用参数化建模软件 P r o ／ E建模得到操作 机三维模型。操作机主要由钳口夹紧机构、钳杆旋转 机构 、夹钳平行升降及倾斜机构、夹钳摆移机构和大 车行走机构组成。操作机车体行走部分由前后两组从 动轮及置于车体后部的主动轮链轮组成 ，由液压马达 驱动链轮 ，相对链条实现轴 向进给动作 ，并 防止车轮 在轨道上打滑 ，从动轮起辅助支撑作用 。建立三维模 型后，通过设定各零部件的材料属性获得操作机的质 量约 1 2 0 t 包含锻件 ，图 中液压泵站部分用等效质 量块代替 ，重约 1 2 t 。 图 1 操作机实体模型 2 ． 2 基于 A ME S i m 的系统仿真模型 ④ 簿 o l 一 电机 ⋯- 2 一 主 泵 3 一 安全 阀 4 一 伺 服 阀 5 、6 液 压 马达 7 、8 减 速 箱 9 、l 齿轮 齿条 1 l 一 质量 块 l 2 一 位 移传 感器 图 2 行 走系统的 A ME S i m仿真模型 图 2是在 A ME S i m子模 型下建立 的操作机 大车行 走液压系统原 理 图 ，大车 行走 系统 主要 由减 速箱 7 、 8 、齿轮齿条 9 、1 0和质量块 1 1 组成 ，该液 压系统是 一 个 阀控马达系统 ，由主泵 2 、安 全 阀 3 、伺服 阀 4 、 液压马达 5 、6 、背压阀 l 3 、位移传感器 l 2等液压元 器件组成。在外负载处加一个位置传感器检测并反 馈 ，与设 定信号进行 比较 ，通过 P I D控制器实现行走 系统的进 给控制 。 在 A M E S i m／P a r a m e t e r 参数模式下按照系统选 定 的元件设定具体参数，行走系统仿真模型的主要参数 设 置如表 1 所示 。 表 l 行走系统仿真模型的主要参数设置表 系统压力／ MP a 2 5 减速器传动比 5 ． 5 系统流量／ L m i n 3 5 0 车体质量／ t 1 2 0 马达排量／ m L r 2 5 0 0 链 轮半径／ m 0 ． 4 1 9 3 仿真结果与分析 随着 锻造生 产的发展 ，操 作机不仅要求 能实现 自 动控制 ，而且能和锻造主机实现联动送进操作 ，即主 机完成一个行程的锻造后，操作机能根据主机的指 令 ，在主机形成下一次操作之前，自动完成相对于主 机 的轴 向送 进运 动 ，且 送进 量 可按 工 艺要求 进 行选 择 。为 了保证锻件 的尺 寸精度 ，一般要求操作机 的轴 向 自动进 给送进量 的误 差范围为 -4 - 1 0 ％ ，且不 允许有 累积误差 。 在快 锻工况 6 0 ． ／ m i n ，对操作机夹持额定 负 载工件完成 0 ． 0 5 m轴向送进时进行仿真研究，仿真 时间设定为 1 S ，采样周期 为 0 ． O 1 S 。在 常锻 工况 3 0次／ ra i n ，操 作 机 夹 持 额 定 负 载 工 件 分 别 完成 0 ． 1 m、0 ． 1 5 m轴 向送进时进行仿 真研究 ，仿 真时 间 设定 为 1 S ，采样 周期 为 0 ． O 1 S 。给 定输 入分别 为 阶 跃信 号 0 ． 0 5 m、0 ． 1 m、0 ． 1 5 m，额定负 载工况时 的 动态特性 曲线如图 3 、4所示 。 l j 一～ 图 3 进 给 0 ． 0 5 m时 图 4 进给 n 1 m、 0 ． 1 5 m 动态 特性 曲线 时 动态特性 曲线 图 3中，1为给定输入信号 ，2为系统的进给位 移响应 曲线 ，从 图中可 以看 出，进给量的最大超调量 均控制在 1 0 ％ 范围内。快锻 工况下 联动送进 时 ，锻 造 油压机的工作周期 为 1 s ，此 时操作 机允许 的动 作 时间为0 ． 4 s ，图中可以看出操作机进给 0 ． 0 5 m，稳 态值上升到 1 0 0 ％且最大超调量控制在 1 0 ％范围内的 时间约0 ． 3 5 S ，满足联动的动作时间。 图4中，1 、3为给定输入信号，2 、4为系统的 进给位移响应曲线，常锻工况下联动送进时，锻造油 压机的工作周期为 2 S ，此时操作机允许的动作时间 下转第 1 0 7页 ～ ． 8 7 第 1 3期 邱艳峰 等智能化泵车臂架电液操控技术的开发研究 1 0 7 散成 一 系列 点 的 数 组 集 合 预 存 在 存 储 区 域 内 并 作 为浇 筑点 集 合 ；再 利 用 前 面 所 提 的反 解 算 法 进 行 求解 ，其 结果 存在 另 一存储 区域 内 ，每一组数据对 应一个浇筑点 ；再以这些数据作为控制系统的输入 ， 输出为液压缸 的伸缩量 ；最后将液压缸 的伸缩量根据 臂架结构参数转化为臂架位置便可以得到臂架沿浇筑 轨迹运动 的臂架轨迹 图。 只要给定浇筑点 的坐标值 ，臂架与车体 回转 的关 节变量 0 便可以确切求出，所以作者不考虑 0 的影 响 ，只分析其他 4 个关 节变量的控 制情况 ，即浇筑 口 只沿 X Z平面内的直线轨迹进行浇筑仿真。 首先将直线轨迹离 散成 1 1 个点 ，计算 出这 1 1 个 点 的位 置坐 标 ，然 后将这 1 1个坐标值 分别 代入 由前 面的 反解 算 法 所 得 到 的 目标 函数 中， 计算出 1 1 组关节变量 的 值。由这 1 1 组值可以计 图 l 2 臂架沿直线轨 迹浇筑示意 图 算 出臂架在 X Z平面 中的 1 1种位 置 ，图 1 2就是臂架 浇筑 口沿浇筑轨迹上的 1 1 个点运 动的示 意图。 从图中可以看出 ，前 4个点臂架前两个关节变量 没有变化 ，只是 由后两个关节变量 的变化来改变浇筑 口位置 ；中间的几个点只有后 3 个关节变量 在变 化而 第一个关节变量没有变化；最后两个浇筑点第一个关 节变量才开始变化。在整个仿真过程中系统计算速度 很快 ，臂架运动很平稳 。 5结 论 通过上面的分析和仿真对比可以得到以下结论 1 电液 比例控制系统经过优化后 ，应用于泵车 臂架自动浇筑轨迹控制中无论是稳定性、准确性 、响 应速度上均达到了要求的性能指标。 2 利用插补思想的反解算法在泵车布料臂架智 能控制的轨迹规划中是完全可行的，而且可以达到以 下效果减少控制系统计算量、提高控制系统搜索速 度 、降低臂架震动幅度 、提高浇筑质量 、提高浇筑效 率且便于在线实时控制 。 参考文献 【 1 】 郭立新． 泵车布料机构机器人化若干问题的研究 [ D] ． 沈 阳 东北大学 ， 1 9 9 9 1 2 ． 【 2 】倪涛． 虚拟 现实临场感遥操作工程机器人 系统研究 [ D] ． 长春 长春吉林大学， 2 0 0 3 2 7 3 9 ． 【 3 】李洪人． 非对称缸电液伺服系统分析与设计[ R ] ． 机床 与液压 第三届技术研讨会专题报告 ． 2 0 0 8 ． 4 3 2 4 1 ． 【 4 】路甬祥． 电液比例控制技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 8 2 6 62 8 2 ． 【 5 】熊有伦， 丁汉， 刘恩沧． 机器人学[ M] ． 北京 机械工业出 版杜 ， 1 9 9 3 1 5 1 2 7 4 ． 【 6 】郭立新， 张国忠， 李景坤．混凝土泵车浇筑过程机器人 化探讨[ J ] ． 机械设计与制造工程， 2 0 0 0 ． 0 1 91 1 ． 【 7 】黄忠霖， 周向明 ． 控制系统 M A T L A B计算与仿真实训 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 6 7 51 7 0 。 【 8 】郭立新， 赵明扬， 张国忠， 等． 混凝土泵车布料机构自动浇 筑及过程仿真[ J ] ． 东北大学报， 2 0 0 0 1 2 6 1 7 6 1 9 ． 上接第 1 2 9页 为 0 ． 7 s ，图中可 以看 出操作 机进给 0 ． 1 m、0 ． 1 5 m， 稳态上 升到 1 0 0 ％且最大超调量控制在 1 0 ％范围 内的 时间约 0 ． 6 S 满足联动 的动作时 间 ，系统 的响应 满足 使用要求。 在 常 锻 工 况 3 0 7欠／0 m i n ，操作机夹持额定负 载工件完成连续轴向送进 1 0 ． 1 m 时 进 行 仿 真 研 究 ， o 仿真 时间设定为 4 s ，采样 周期 为 0 ． O 1 S 。额 定 负 载 工 况 时 的 连 续 进 给 动 态 特 图 篓 进 时 动 性 曲线如 图 5所示 。 态特性曲线 图 5中，1 为 给定输入 信号 ，2为 系统 的连续 进 给位移响应曲线 ，从图中可以看出，每次进给量的最 大超调量均控制在 1 0 ％范 围内。常锻工况下联 动送 进时，锻造油压机的工作周期为 2 S ，此时操作机允 许的动作时间为 0 ． 7 S ，图中可以看出操作机连续进 给 0 ． 1 m，系统稳态值上升到 1 0 0 ％且最大超调量控 制在 1 0 ％范围内的时间约 0 ． 6 S ，满足联动的动作时 间，系统的响应符合使用要求。 4结论 对 2 0 0 k N操作 机行走 系统 在不 同工况下 进行 动 态分析 ，研究 了在常锻和快锻模式下 ，不 同进给和连 续进给工况时的动态特性曲线。仿真结果表明操作机 轴向送进能满足位置精度要求 ，可以实现与油压机的 联动送进 。 参考文献 【 1 】万胜狄． 锻造机械化与 自动化[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 3 ． 1 ． 【 2 】于德群． 锻造操作机和装出料机在锻压生产中的应用 [ M] ． 锻造 ， 2 0 0 5 9 3 4 3 5 ． 【 3 】 易达云． 重载夹持装置双马达消隙传动系统的建模与控 制[ D] ． 中南大学， 2 0 0 9 21 0 ． 【 4 】Y A N C Y， G A O， F ． D y n a mi c s t a b i l i t y a n a l y s i s o f a n o v e l f 0 r n g m a n i p u l a t o r [ C] ． I n t e l l i g e n t R o b o t i c s a n d A p p l i c a t i o n s F i mt I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e， I C I R A 2 0 0 8， P r o c e e d i ng s ． 2 00 8 4 4945 8． 【 5 】L I U D S ， L I G a n g ． D y n a mi c b e h a v i o r o f t h e f o r g i n g ma n i p u l a t o r u n d e r t h e p r e s s m o t i o n s [ J ] ． K e y E n g i n e e ri n g Ma t e r i ． als ， 20t 0， 41 942 0 41 74 20． 【 6 】 付永领， 祁小野． A M E S i m建模与仿真[ M] ． 北京 北京 航空航天大学 ， 2 0 0 6 ．