多轴控制功能的液压伺服系统的开发和应用研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 0 ． 2 0 1 2 多轴控制功能的液压伺服系统 的开发和应用研究 钱伟春 ， 沙 莎 ， 忻伟峰 1 ． 上海中冶技术工程有限公司， 上海2 0 0 2 3 3 ； 2 ． 上海第二工业大学 ， 上海2 0 1 2 0 9 摘 要 针对现代工业生产过程中 日益苛刻 的控制要求 ， 开发了一种基 于柔性控制器架构 的液压伺服系统。采用现场总线方式 能够处 理复杂的多轴功能 ， 实现快速精确的闭环控制 ， 并构筑 了开放式软件平 台， 提供完整的编程 、 调试 、 模拟 、 参数化 、 可视化和跟踪功能。 该 系统应用在国内某著名钢铁 厂烧结机 的布料控制上 ， 实现了对扇形闸门和微调 闸门 由 7组液压缸联轴驱动 开度 的真正 的精确闭环 控制。 自2 0 0 8 年初投产以来的正常运行表 明 该 系统具有较好的稳定性和可操作性 ， 并由于其信号处理灵活 、 控 制结构柔性 的特点而 在不同的工程领域有着更 为广泛的应用前景 。 关键词 液压伺服系统 ； 多轴控制 ； 烧结 机； 布料闸门开度 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 0 0 0 2 1 0 4 De v e l o p me n t a n d Ap p h c a t i o n Re s e a r c h o n Hy d r a u l i c S e r v o Co n t r o l S y s t e m wi t h M u l t i a x i s Co n t r o l F u n c t i o n Q I A N We i c h u n ， S H A S h a ， X I N We i - f e n d 1 ． S h a n g h a i C MI t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 2 3 3 ， C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i S e c o n d P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 2 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o me e t i n c r e a s i n g l y s t ri n g e n t c o n t r o l r e q u i r e me n t s i n mo d e m i n d u s t ri a l p r o d u c t i o n ，a h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m b a s e d o n fl e x i b l e c o n t r o l l e r a r c h i t e c t u r e w a s d e v e l o p e d ． T h e f a s t a n d a c c u r a t e c l o s e d- l o o p c o n t r o l o f c o mp l e x mu l t i - a x i s mo t i o n b y t h e fi e l d b u s w a y w a s r e a l i z e d ， a n d a n o p e n s o f t wa r e p l a t f o r m wi t c h c a n p r o v i d e c o mp l e t e p r o g r a mmi n g ， d e b u g g i n g ， s i mu l a t i o n ， p a r a me t e r i z a t i o n ，v i s u a l i z a t i o n wa s c a r ri e d o u t ． T h e s y s t e m h a s b e e n a p p l i e d i n c o n t r o l o f a d i s t rib u t i o n g a t e f o r a s i n t e r i n g ma c h i n e i n a we l l -k no wn d o me s t i c s t e e l mi l l t o a c hi e v e t he t r u l y a c c u r a t e c l o s ed -l o o p c o n t r o l o f o p e ni n g o f f a n -s ha p e d g a t e an d fine t un e d g a t e d r i v e d f r om s e v e n g r o u ps o f h y d r a ul i c c y l i n de r ． No r ma l o pe r a t i o n s i nc e t h e e a r l y 2 00 8 s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s c hara c t e ris t i c s o f g o o d s t a b i l i t y a n d ma n e u v e r a b i l i t y a n d ， b e c a u s e o f i t s s i g n a l p r o c e s s i n g fl e x i b i l i t y ， c o n t r o l s t r u c t u r e fl e x i b l e f e a t u r e s ， i t h a s a b roa d e r a p p l i c a t i o n p ros p e c t i n d i f f e r e n t e n g i n e e rin g fi e l d s ． Ke y wor ds hy d r a u l i c s e r v o s y s t e m； mu l t i - a x i s c o nt r o l ； s i n t e r i n g ma c hi ne； o pe n i ng o f t h e di s t rib ut i o n g a t e 0 引言 液压系统 因其功率密度高 、 能量传递均匀 、 峰值加 速度大等特点 ，因而在工业和工程领域得到广泛的应 用。而现代技术的发展， 要求大功率的驱动也具有非常 好的精确控制能力 ，特别的场合还要求这种运动控制 是多轴联动的， 比如飞机模拟平 台、 用于特殊场合的机 械手 或机器人 等 ， 这就为高精度 的液压伺 服系统 的 应用提供了新的机会。 本文 研究 开 发 的具有 多 轴控 制 功 能 的液压 伺 服 系 统， 通过在炼铁厂烧结机混合料布料装置上的应用 ， 实 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 9 作者简介 钱伟春 1 9 6 4 一 ， 男 ， 上海人 ， 高级工程 师， 研究 生 ， 研究方向为 流体传 动与控制 。 现 了对 7组液压缸的联动实时闭环控制 ，取得了良好 的效果。 1 多轴控制功能 1 ． 1 控 制需 求 越来越多的工程场合需要多个动力驱动源按各 自 确定的运动规律联动控制， 以获得复杂的运动。同步跟 踪 ， 运动叠加 ， 虚拟轴控制 ， 平行推进 ， 旋转切刀 ， 飞剪 飞锯， 升降平台 ， 等等， 都是多轴控制应用的例子。由于 每个独立驱动 的运动轴相对于联动的其他运动轴都有 非常严苛的约束 ， 因此对控制精度 、 稳定性 、 频响的要 求就非常高。而且各个独立运动互相之间的约束通常 是表现在运动参量的各个方面 力 、 位置 、 速度 ， 因此对 控制策略及其应用条件的要求也非常高。 要实现上述对运动的高性能的控制 ，闭环的伺服 21 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 l 0期 控制无疑是必要的。通常有两种技术方案可供选择 电 液 或液压 伺服 E H 和机电伺服 ME 。 而在功率密度 要求较高 、 运动形式又是直线轨迹的场合 ， 闭环的液压 伺服控制系统是满足上述要求的不二选择。 1 ． 2实例 某钢铁厂 3 5 0立方烧结机的混合料布料装置应用 两只大液压缸 2 5 0 ／ 6 3 x 2 0 0 驱动扇形闸门以实现 输送方向的布料 量控制 ；另由 5只小液压缸 1 2 5 ／ 3 5 ． 5 x 1 0 0 各 自独立驱动微调闸门 ， 以实现与输送方 向正交的方向的布料量的控制 。这样． 对分布在输送带 上的混合料层就能进行两维方向的布料。而混合料布 料的精确控制及其形成的料层厚度的均匀性 ，对于成 品烧结矿的质量和烧结过程的能耗具有直接的影响【 ” 。 扇形 闸门和微调 闸门的开度 由液压缸、伺服 阀和 内置于液压缸的位移传感器组成 的液压伺服系统 闭环 控制。位移传感器测得的闸门的开度实测信号 ， 经反馈 放大至前级 ，与综合 了测厚仪测得的料层厚度和其他 数据而生成的闸门开度的设定信号相 比较 ，其差值输 入到伺服 阀的驱动电路 ，控制伺服阀的位置切换和开 口大小 ， 从而调节流向液压缸 的流量的方 向和大小 ， 调 整由液压缸驱动的闸门的开度。当闸门开度的实测值 与设定值相等时 ， 伺服阀关 闭， 闸门位置稳定在设定的 开度上； 若由于工艺条件变化而需调整料层厚度时 ， 则 可改变设定值 ， 随之 ， 伺服 阀经过 自动调整后 ， 闸门即 稳定在新的设定开度位置上。 扇形 闸门由左右两只液压缸 同步驱动 ，同步精度 不大于 0 ． 5 mm。 5座微调 闸门分别 由5只相同的液压缸 单独 驱动 见 图 1 。 图 1 布 料 装置 示薏 图 2 液压系统 2 ． 1 系统原 理 根据上述控制要求而设计的液压伺服系统图如 图 2 所 示 。 液压缸 1 4采用 P A R K E R的伺服缸 ， 空载启动压力 低于 0 ． 1 5 M P a 。液压缸的活塞杆内置 M， I 1S的磁致伸缩 位 移传感器 。伺 服阀 6采用 MO O G的直动式伺 服阀 D 6 3 4 。 D 6 3 4直动 阀是 由永磁 式线性 力马 达直接 双 向驱 22 动阀芯， 并具有 内部阀芯电反馈 ， 因此 阀的控制精度 、 稳定性和动态响应性能非常好。与伺服阀回路并联的 电磁换向阀组 8和手动换向阀组 9为在系统调试和应 急情况下使用。 左主闸门MAI NG A T E L D ．． D D T 3 DT4[ 邛 缸 l I l 广 菇 I lT 嘶 P P ． 图 2燃 结 机 混 合料 布 料 微 调 闸门 液 压 系统 原 理 截断阀 7是防止 电磁换 向阀组或手动换 向阀组工 作时对伺服阀芯的冲击。 精度为 5 的进油滤器 5安置 在伺服阀的进 口， 保障了伺服阀工作时的清洁环境 。油 源采用定量泵溢流阀供油方式 ，以防止变量泵的 液流脉动而对伺服阀控制精度的影响。油温的控制也 是从稳 定控 制条 件而考 虑 的。 2 ． 2系统性能指标 用于扇形 闸门驱动的液压伺服单元 的设定信号 4 ～ 2 0 m A 4 m A全 闭 ， 2 0 m A全 启 ， 油 缸行 程 0 ～ 2 0 0 m m， 油缸推力 2 5 3 0 0 N， 最高速度 0 ． 0 0 1 5 m ／ s ， 系统频带宽 度 f - 3 d b ≥1 0 H z 。用于微调闸门驱动的液压伺服单元 的设定信 号 4 2 0 m A 4 mA全闭 ， 2 0 mA全启 ， 油缸行 程 0 1 0 0 mm， 油缸推力 4 8 3 O N， 最高速度 0 ． 0 1 m ／ s ， 系 统频带宽度 f - 3 d b ≥1 0 Hz 。系统压力 5 ． 0 M P a 。 2 ． 3伺服阀一 非对称缸闭环系统动态特性分析 上述 的液压系统实质上是由 7组回路相同的伺服 阀 非对称缸 位移传感器液压伺 服闭环单元所 构成 的。液压伺服闭环控制系统能得到非常高的位置精度 ， 而采用电液 比例阀构成的闭环控制 回路由于 比例 电磁 一 一 。 ． ～ ～ 翌 l 9 9． 一 5一 一 M二 C二 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 1 0 ． 2 01 2 铁所不可避免的滞环效应 ，事实上不可能得到真正高 精度的伺服控制 。 阀控缸是液压伺服控制 系统 中的核心组成部分 ， 其动态特性对整个系统的性能起决定性 的作用 。根据 q 和P 确定电液伺服 阀的规格 ， 这里选用 MO O G公 司 的 D 6 3 4直动式伺服阀。 伺服阀一 非对称缸闭环位置控制原理如图 3所示。 输入信号有两个 ，一个是由控制过程决定的设定值 ， 另一个是 由位移传感器输入 的实际位移值 实测值 。 设定值与实测值之差 以模拟量的方式输入到伺服阀的 驱动电路 ， 由驱动电路控制伺服阀阀芯的动作 ， 实现对 伺服液压缸的运动控制。伺服液压缸的位移由位置传 感器检测 ， 并反馈到控制器的前级 。为获得较高的控制 精度 ，控制器根据位移输人值计算驱动活塞杆的速度 和加速度 ，这样可以避免系统的复杂化和减少测量速 度和加速度的传感器个数。 图 3阀控 缸 闭环 单 元 在位置控制时 ，系统 的输出控制量是液压缸的位 移。液压缸的位移取决于伺服 阀的阀芯开V I 及外负载。 由分析 得 出 。 阀 口的流量 方程 为 gF O Xs v 篙 印 L ‘ ‘ 液 压缸 的流量 连续 性方 程 誓 -． 訾 液压缸的负载力平衡方程 p c - pj l 2 m d 争 t 专 } 凡 由此代人 系统的各项参数 ， 得出伺服阀一 非对称缸 系统 的开环传递函数 C s 盘 丧 务 丧s s 丁 ■ 一 针1 s 通过 M a t l a b软件环境下的仿真进行系统的动态特 性分析 ，从 阶跃响应 曲线可 知 ，系统的上升 时间为 2 2 ms ， 满足频响的设计要求。 3 控制结构 3 ． 1 C AN总线 扩展 液压伺服系统的控制结构应能对 7组伺服 阀一 非 对称缸单元进行独立 的驱动并满足联动要求 。核心控 制器是一块数字控制模块 MS C，该数字控制模块是一 个完全可编程 的多轴控制器。通过扩展模块 ， 可实现对 7组伺服阀的控制和信号处理。 通过 E b u s 来实现本地 扩展 ， 最多可连七个附加模块 ， 满足更多的数字量或模 拟量输入输出的需求 。M S C控制模块和附加模块通过 E b u s 总线组成系统。 该系统再连接到 C A N总线 ， 可与 各远程模块和各具有 C A N或 G A N o p e n接 口的元件连 接 ， 从而实现分布式控制结构 见图 4 。 一 个多功能的显示和操作终端连接在 E - b u s 总线组 成的系统上 ， 该终端具有 R S - 2 3 2接口以及图形液晶显示 屏和 2 2个功能键 ， 以及可显示最大 8行 、 每行 2 0 - 4 0字 母和任意图形的显示屏。 图 4控 制 系 统 结构 3 ． 2运动 控制软 件 平台 系统应用的软件是一种基于 C o D e S y s 开发环境的 并满足通用标准 I E C 6 1 1 3 1 3的编程语言。它具有全面 的程序设计 、 调试 、 仿真 、 参数化 、 显示和跟踪功能以及 各种功能模块。 根据 控 制要 求 编写 程 序 ，程序 的运行 过程 中创建 运动配置文件 ， 根据这些配置文件 ， 运动控制器将信号 通过驱动电路传到伺服 阀，将它们变成可 以控制伺服 阀阀芯开 口的信号。随着伺服阀芯的动作 ， 液压缸驱动 布料 闸门作启闭运动 ，而位置传感器则将位置信息反 向传递至控制器 ， 构成闭环控制环。同时 。 控制器据此 推算出液压缸的移动速度 、 加速度。整个控制策略的表 达， 都可通过程序的编写和调试输入到控制器 内， 这就 大大提高了系统的柔性。 作为开放性软件平台的另一个重要性能是 ， 程序编 写可直接更改硬件特性 ， 而不必变动硬件配置和接线。 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 l 0期 柴油发动机丝网过滤器压降数值模拟方法研究 田 聪 ， 李 涛 ， 尚 涛 1 ． 吉林大学 机械科学与工程学院， 吉林 长春1 3 0 0 2 2 ； 2 ． 一汽轿车股份有限公司 ， 吉林 长春1 3 0 0 0 0 摘要 分析 两种典 型金属丝 网滤芯 的物理模型 ， 依据 D a r e y F o r e h h e i me r 定律 ， 建立金属丝 网压 降计算 的数学模型 ， 通过实验法确定 模型 中渗透率和惯性系数两个参数值 。 采用计算流体动力学 C F D 软件 F L U E N T对 回形和柱形滤芯进行 了数值模拟 ． 验证得 出所建模 型适用于丝网滤器压降的数值模拟 。研究结果为采用工程仿 生学原理并进一步研究仿生耦合 不粘滤器提供了理论 分析基础 。 关键词 微粒捕集器 ； 金属丝网 ； 压降 ； 数值模 拟 中图分类号 T K 4 2 1 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 0 0 0 2 4 0 4 S t u d y o n Nu m e r i c a l S i mu l a t i o n f o r P r e s s u r e D r o p i n D i e s e l En g i n e M e t a l M e s h F i l t e r El e m e n t T I AN Co ， LI ， S HANG T a o 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g J i l i n u n i v e r s i t y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2， C h i n a ； 2 ． F a w C a r C o ． ， L t d ． ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t An aly z e d t h e p h y s i c a l mo d e l o f t wo c l a s s i c al me t a l me s h fi l t e r e l e me n t ， b a s e d o n Da r c y - F o r c h h e i me r l a w t h e p r e s s u r e d r o p ma t h e ma t i c mo d e l o f me t a l me s h w a s s e t u p ， a n d t h e e x p e rime n t a l me t h o d f o r d e t e r mi n e p e r me a b i l i t y a n d i n e r t i a c o e f f e c i e n t we r e s t u d i e d ． C y l i n d r o i d a n d c u b o i d fi l t e r e l e me n t w e r e c a l c u l a t e d b y F L UE NT ， r e s u l t i n d i c a t e t h e mo d e l wa s s u i t a b l e f o r n u me ri c a l s i mu l a t e p r e s s u r e d r o p o f me t al me s h fi l t e r e l e me n t ． T h e r e s e a r c h o f f e r e d t h e o r e t i c al b a s i s for t h e s t u d y o f b i o n i c c o u p l e d n o n v i s c o u s fi l t e r w i t h b i o n i c p ri n c i p l e ． Ke y w o r d s d i e s e l p a r t i c u l a t e fi l t e r D P F ；m e t a l m e s h ；p r e s s u r e d r o p ；n u m e ri c a l v a l u e s i mu l a t i o n O 引言 随着环保意识的提高 ，柴油发动机尾气排放颗粒 后处理技术的研究越来越受到人们的重视。目前 ， 得到 公认 的、最为有效 的尾气颗粒后处理技术是微粒过滤 技术 ，商业应用最多的典型产品是柴油机微粒捕集器 D P F 。微粒捕集器的核心部件是过滤体 ， 在过滤体材 基金项 目 国家 自然科学基金重点项 目 5 0 6 3 5 0 3 0 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 9 作者简介 K t 聪 1 9 8 8 一 ， 女 ， 吉林抚松人 ， 硕士研究生 ， 主要研 究方向为工 程机械安全与节能控制 。 料的基本要求中 ，阻力特性和微粒捕集能力是两个最 为重要 的指标 ，与此同时这两个参数又是相互矛盾和 相互制约的l l 】。 传统的 D P F过滤体是采用烧结的陶瓷材 料 。 其过滤效率可达 6 0 ％～ 9 0 ％， 但 陶瓷材料过滤体过 滤时间短 ， 要求再生频率高[2 1 ， 残余 的不可燃物质黏附 在过滤体内， 将导致柴油机排气 阻力加大 ， 进而引起柴 油机动力性和燃油经济性的急剧恶化[ 3 1 。 由于金属丝网具有空隙分布均匀 ， 易于微粒捕集 ， 导电性 良好更容易捕集带 电颗粒 ，耐高温抗震性能好 并且其过滤压降较低 ， 成本低 ， 并适合各种再生方法 的 实施等优点 ， 所 以越来越多的微粒捕集器研究工作者 ， 多接 口的定义和连接 、操作和状态信息的图示化 显示 以及高速的指令执行速度等 ．这些也是系统柔性 的必要条件。 4 结论 本 文所开发 的具有多轴 控制功能 的液压伺服系 统 ，在某钢铁厂 3 5 0立方烧结机混合料布料装置上 四 年多的成功应用表明 ，该系统在功率密度要求较高的 应用环境 中，对多轴联动控制 目标能保持较好 的精确 24 控制能力。由于其伺服控制结构的分布式 、可扩展功 能 ， 加之软件平 台的开放性 ， 因而具备 了在不 同工业领 域应用的广阔前景。 参 考 文 献 [ 1 】 任慧丽 ， 刘延俊 ， 谢玉东． 烧结机布料 闸门开度控 制的电液 比 例系统f J 】． 机械与电子， 2 0 1 0 ， 1 1 6 1 6 3 ． 【 2 】 李 长春 ， 孟亚东 ， 刘晓东 ， 周欣． 电液伺服系统 的同步控制 研 究『 J 1 ． 兵工学报 ， 2 0 0 7 ， 6 ．