采用简单元件实现两液压缸高精度同步.pdf

2 0 1 3年 1 2月 第 4 1 卷 第 2 3期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAUL I CS De c ． 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 3 ． 0 0 1 采用简单元件实现两液压缸高精度同步 张福波 ，陈兴华，焦明木，李楠 东北大学轧制技术及连轧 自动化 国家重点实验 室，辽宁沈 阳 1 1 0 8 1 9 摘要提出一种采用简单液压元件和电气元件实现两个液压缸高精度同步的方法。以排量相等的两个液压泵分别驱动 有效作用面积相等的两个液压缸，实现液压缸运动的初步同步；用两个磁性开关实时检测两液压缸的同步误差，由安装在 液压泵压力管路上的电磁换向阀和固定阻尼孔对进入液压缸中的流量进行微调，实现两液压缸的高精度同步。该方法已应 用于某加热炉的上料设备中，连续运行近两年时间，同步误差控制在 0 ． 4 ％以内。给出了详细的液压系统原理图以及流量 微调方法。 关键词液压控制；高精度同步控制；简单元件 中图分类号T H1 3 7 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 30 0 1 3 ● Re a l i z a t i o n o f Hi g h - p r e c i s i o n S y n c h r o n i z a t i o n o f T wo Cy l i n d e r s wi t h S i mp l e Hyd r a ul i c Co mpo n e n t s Z HANG F u b o，C HE N Xi n g h u a，J I AO Mi n g mu，L I Na n S t a t e K e y L a b o f R o l l i n gA u t o ma t i o n ， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 1 9 ，C h i n a Ab s t r a c t A me t h o d w a s p r e s e n t e d f o r t h e t w o c y l i n d e r s y s t e m t o a c h i e v e h i g h p r e c i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n b y u s i n g c o n v e n t i o n a l h y d r a u l i c c o mp o n e n t s ．Us i n g t w o p u mp s wi t h s a me d i s p l a c e me n t t o d r i v e i n d i v i d u a l l y t w o c y l i n d e r s wi t h s a me e f f e c t i v e a r e a， p r e l i mi n a r y s y n c h r o n i z a t i o n wa s a c h i e v e d ．W i t h t wo ma g n e t i c s w i t c h e s d e t e c t i n g t h e s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r i n r e a l t i me ，a n d wi t h s o l e n o i d v a l v e s a n d fi x e d o r i fi c e s ，i n s t all e d r e s p e c t i v e l y o n t h e h i g h p r e s s u r e p i p e s o f t h e t wo p u mp s ，s l i g h fl y r e g u l a t i n g t h e fl o w r a t e s r u n n i n g i n t o t h e c y l i n d e r s ，h i g h p r e c i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n w a s r e ali z e d ．T h e me t h o d h a s b e e n a p p l i e d i n a f u r n a c e f e e d i n g e q u i p me n t for t wo y e a r s wi t h t h e s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r c o n t r o l l e d i n 0 ． 4 ％ ．A d e t a i l e d h y d r a u l i c p r i n c i p l e d i a g r a m． a n d t h e fl o w m i c r o a d j u s t m e n t m e t h o d w e r e p r o v i d e d ． Ke y wo r d sHy d r a u l i c c o n t r o l ；Hi g h p r e c i s i o n s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l ；S i mp l e h y d r a u l i c c o mp o n e n t s 根据液压介质被控方式的不同，液压同步回路可 分为节流同步和容积同步两大类。节流同步通常采用 节流阀、调速阀、分流集流阀、比例阀或伺服阀等作 为同步控制元件 ，容积同步则以采用等排量的多联液 压泵或多联液压马达作为同步控制元件的回路比较常 见。与节流同步相比，容积同步没有节流损失和溢流 损失，因此具有较高的回路效率。但 由于组成多联泵 或多联马达各单元的实际排量及容积效率不完全相 同，各泵或马达与液压缸之间容腔的体积也不可能完 全一致，再加上液压缸的泄漏以及偏载等因素的影 响，常规容积同步回路的实际同步精度往往只能控制 在 5 ％左右。虽然以比例阀或伺服阀作为同步控制元 件的液 压 同 步 回路 能够 取 得令 人 满 意 的 同步精 度 ，但由于大量节流损失的存在 ，致使 回路效率 低下，并不太适用于高压大流量等大功率输 出的场 合。为此，许多学者将容积同步和伺服 同步相结合 ， 在等容泵控双泵同步的基础上 ，加上由机液伺服阀或 比例阀、小流量高压泵等组成的伺服补油回路 ，使两 个液压缸的同步精度得到大幅度提高 “ 。 考虑到液压伺服系统本身的造价高、抗污染能力 差以及对使用和维护 的要求非常高等实际问题的存 在 ，提出采用常规液压元件和 电气元件实现两个液压 缸的高精度同步。该方法已成功应用于某加热炉上料 设备的推进系统中，并连续运行了近两年时间。实践 表明该方法简单、可靠，具有实用性。 1 液压 同步原理 如图 1 所示 ，两个 等排 量的液压泵 3和 4同轴连 接，由于两泵 的转速相同，两泵所输出的流量也相 等。如果溢流阀 1和． 2的设定压力都高于最大负载压 力 溢流阀用作安全阀 ，那么当三位 四通换向阀9 、 1 0同时换向动作时，两泵所输 出的等流量压力油分 别经单向阀 5 、6和三位四通换向阀9 、1 0供给液压 缸 1 1 和 1 2 ，使两个液压缸的活塞杆同时伸出或缩 回。如果两个液压缸的活塞直径和活塞杆直径都相 收稿 日期 2 0 1 3 0 31 2 基金项目国家自然科学基金资助项 目 5 1 0 7 4 0 5 1 作者简介张福波 1 9 7 0 一 ，博士，副教授，研究方向为液压传动及控制。E ma i l f b z h a n g 1 2 6 ． c o rn。 2 机床与液压 第 4 1 卷 同 ，那么 两 个 液压 缸 在 相 同流量 液压 油 的驱 动 下 ， 运动速度也相同。 1 、2 一 溢 流 阀3 、4 --等 摊 量液 压泵5 、6 一 单 向阀7、8 一 压 力表 9 、1 O 一三位四通换 向阀 1 1 、1 2 一液压缸 1 3 、1 4 一固定阻尼孔 1 5 、l 6 _ _ 二位 四通换 向 阀 图 1 具有阻尼孔流量精调功能的双泵同步系统原理图 用两个等流量的泵分别给两个等尺寸的液压缸供 油，理论上可以实现两液压缸的位移同步。实际上 ， 若要求较高的同步精度，需要同时保证液压管路的对 称布置、较高的负载均匀性以及较高的泵单元加工精 度。而较高的液压管路布置对称性及负载均匀性 ，因 受复杂的现场条件及工艺设备结构要求等因素的制 约，在实际应用中往往无法实现；精密泵单元加工需 要昂贵的机械加工费用，且随着泵单元的逐渐磨损而 难以保证。 为实现两液压缸的高精度同步，设置了由固定阻 尼孔 1 3 、1 4和二位四通换向阀1 5 、1 6 组成的同步微调 支路。当两液压缸发生不同步时，使二位四通换向阀 1 5 或 1 6 换向，通过固定阻尼孔 1 3或 1 4泄油，使速度 快的液压缸降速，从而使两缸的运动趋于同步。固定 阻尼孔采用图2所示的插装式结构，安装在二位四通 换向阀的P油口内部，其通流面积由下式计算 A 式 中 A为阻尼孔通流 面积 ，m 。 ；q 为通 过阻尼孔 的 流量，m ／ s ；c 为 流体 系数 ；P为 流 体 的 密 度， k g ／ m ；△ p为阻尼孔 前后两端 的压差 ，P a 。 通过 阻尼孔 的流量 按单泵 流量的 5 ％ ～1 0 ％选 取 。在 阻 尼孔设计 时，h 3～ 4 d ， 则 C 0 ． 8～ 0 ． 8 2 。△ p根据液 压缸在一个动作循环中的时间 加权平均负载压力选取。 2同步微调控制系统 2 ． 1 同步误差的检测 图2 插装式阻尼孔 图3为某加热炉上料设备的液压缸布置及误差检 测机构示意图。液压缸的活塞杆通过销轴与推头相 连，推头上面固定有两个导向杆，导向杆可在导向套 内前后滑动，以保证推头平直推行，同时可减轻不均 匀负载对液压缸的损伤。在两个液压缸的推头上各安 装一个滚 轮 。钢丝 绳 一端 固定 在 加热 炉一 侧 的基 础 上，另一端绕过两个滑轮，分别与固定在液压缸尾部 基础上的弹簧和反馈杠杆相连接并拉紧。反馈杠杆安 装在转轴上。反馈杠杆弧形挡板的弧度应与以转轴为 圆心、以转轴中心至弧形端外表面的距离为半径的圆 弧相一致，以便在反馈杠杆摆动时，弧形挡板的任意 一 点均在圆弧上运动。在两个液压缸的活塞杆完全缩 回的状态下调整反馈杠杆 ，使其与液压缸的轴线相垂 直。在反馈杠杆弧形挡板的两端相对转轴的方向，各 安装一个磁性开关。仔细调整磁性开关的安装位置 ， 使磁性开关能够检测反馈杠杆的轻微摆动。 图3 液压缸布置及误差检测示意图 l 一钢 丝 绳 2 、7 一 滚轮 3 、6 一 推 头。 HKI 4 、5 _ _ 液压缸 8 - _ 反馈 杠杆 9 、l o _ - 磁性开关 1 1 --转轴 l 2 一弹簧 第2 3期 张福波 等 采用简单元件实现两液压缸高精度同步 3 2 ． 2同步微 调控 制原 理 如图 4 所示，同步微调电气控制装置主要由中间 继电器、开关等简单 电气元件组成。当开关 S B 1闭 合时，电磁铁 D T 1和 D T 3得电，此时两个三位四通 换向阀同时打开 ，处于左位状态 ，两液压缸的活塞杆 伸出。同时中间继电器 Z K M1 得电，其辅助动合触点 Z K M1 1和 Z K M1 ． 2闭合。若此时图 1中左侧液压缸 运行速度快 即其推头位置超前 ，则弹簧收缩 ，拉 动反馈杠杆绕转轴逆时针转动 ，从而使反馈杠杆弧形 挡板远离下方磁性开关 H K 2 。由于失去铁磁性材料 的遮 挡 ，而 触 发 磁 性 开 关 H K 2闭 合 ，由 H K 2 、 Z K M1 ． 1 、D T 5组成 的电路接通 ，使图 1中的二位 四 通阀 1 5动作 ，通过阻尼孔排放掉进入左侧油缸的一 部分液压油，左侧液压缸因而降速运行 ，两液压缸趋 于同步。当两液压缸同步后 ，反馈杠杆 回到初始位 置，磁性开关断开电路 ，二位四通阀 1 5复位。反之， 反馈杠杆绕转轴顺时针转动 ，则 H K 1闭合 ，D T 6得 电，二位四通阀 1 6动作，右侧液压缸降速使两液压 缸趋于 同步 。 当开关 S B 2闭合时，电磁铁 D T 2和 D T 4得电， 两个三位四通换向阀处于右位状态 ，两液压缸的活塞 杆缩回。同时中间继电器 Z K M 2得电，其辅助动合触 点 Z K M 2 ． 1和 Z K M 2 - 2闭合。当左侧液压缸运行速度 慢于右侧液压缸时，弹簧收缩 ，拉动反馈杠杆绕转轴 逆时针转动，从而使反馈杠杆弧形端远离下方磁性开 关 H K 2 。由于失去铁磁性材料 的遮挡 ，而触发磁性 开关 H K 2闭合 ，由 H K 2 、Z K M 2 - 1 、D T 6组成的电路 接通，使图 1 中的二位四通阀 1 6动作，通过阻尼孔 排 放掉进入右侧油缸 的部分液压油 ，右侧液压缸 因而 降速运行，于是两液压缸趋于同步。当两液压缸同步 后 ，反馈杠杆回到初始位置，磁性开关断开电路，二 位四通阀 1 6复位。反之，反馈杠杆绕转轴顺时针转 动，则 H K 1闭合 ，D T 5得电，二位 四通阀 1 5动作， 右侧液压缸降速运行 ，使两液压缸趋于同步。 B N I 腿 D T ． F R l S B1 1 l ， l I ． l Z K M1 pI J ， I L r] S B 2 旦 厂 1 J， Il K M 2r ．．I ． I L _ J HK2 I r ] J， Z ／ M I ． ． D T 5 f 譬l ZKM2 -1 tHK1 ] DT6 譬 I z l。 T 图4 同步微调控制原理 3应用举例 图 3所示的某加热炉送料设备采用两个液压缸 将 由上料辊道来 的钢坯推入加热炉中进行加热。送 料过程 中，必 须保证两个液压缸 具有较好 的同步 性 ，否则会造成刮炉或翻钢等事故。该设备 的液压 推进系统采用了图 1所示的液压 同步回路 ，主要元 器件如表 1 所示。 表 1 加热炉送料设备主要液压元件表 3 ． 1 试验条件及结果 阻尼孑 L 的大小按 1 0 M P a压差 下通过 单泵 流量 的 5 ％ 约 3 L ／ m i n 设计，流量 系数取 0 ． 8 ，根据式 1 计算 阻尼孔 的通流面积。据此计算得阻尼孔 的 内径 d 0 ． 7 2 m m，取 d 0 ． 8 m m。液压缸 行程 1 2 5 0 m m，溢流阀的设 定压力 1 6 MP a 。同步误 差测量方 法在液压缸的活塞杆运动到不同位置时，停机测量 多次，取最大值。试验结果如下 1 平均推进速度 7 5 ． 7 m m ／ s ，平均退 回速度 1 5 6 ． 5 mm／s 2 推进时系统压力 1 2 ． 5 MP a ，回退时系统压 力 3 ． 5 MP a ； 3 同步微调投入前，绝对同步误差2 5 m m，相 对 误差 2 ％ ； 4 同步微调投入后，绝对同步误差 4 m m，相 对 误差 0 ． 3 2 ％ 。 3 ． 2试验 结 果讨 论 1 阻尼孔的内径大小对同步精度的影响较大。 尺寸太小，放油缓慢 ，不能完全消除误差 ；尺寸过 大，会出现液压缸忽快忽慢的不稳定现象。根据同步 微调投入前两液压缸实际误差的大小来确定阻尼孔的 泄油流量，所计算出来的阻尼孔尺寸更加有利于同步 误差的减小； 下转第 1 2页 1 2 机床与液压 第4 l 卷 由此可见 ，两圆柱形支承导轨安装时的平行度误 表 4列出了不同圆柱形支承导轨安装平行度对工 差对零件的加工误差影响较大，需对其进行分析。 件半径变化量的影响情况。 表4 不同圆柱形支承导轨安装平行度△对工件半径变化量 A R的影响情况 △ ／ 1 0一 m m 2 ． 0 2 ． 1 2 ． 2 2 ． 3 2 ． 4 2 ． 5 2 ． 6 2 ． 7 2 ． 8 2 ． 9 3 ． 0 △R ／1 0。 mm 1 3 ． 3 1 4 ． 0 1 4 ． 7 1 5 ． 3 1 6 ． 0 1 6 ． 8 1 7 ． 3 1 8 ． 0 1 8 ． 7 1 9 ． 3 2 0． 0 由表4可知，当圆柱形支承导轨安装平行度△不 超过0 ． 0 2 4 m m时，6 5 o m m的圆棒的加工精度不低 于 6 级 ，达到精车加工要求；当圆柱形支承导轨安装 平行度 △超过 0 ． 0 2 4 m m时，4 , 5 0 m r n的圆棒 的加工 精度低于 6 级 ，因此，磁悬浮圆柱形直线运动导轨副 在使用时，应保证两圆柱形支承导轨的安装平行度不 超过 0 ． 0 2 4 m m。 3结论 1 圆柱形支承导轨的圆柱度是引起悬浮气隙 非均匀的重要因素，其直接对磁悬浮滑块进给过程中 的稳定性造成影响，而圆柱形支承导轨在安装时的平 行度对加工精度将产生较大影响，因此，研究分析圆 柱形支承导轨的几何精度对提高磁悬浮圆柱形直线运 动导轨副的工作性能具有重要意义。 2 当上、下磁极的磁场力分别为 1 1 5 ． 1 5 N和 1 5 ． 1 6 N、左右磁极的磁场力为 5 3 ． 4 7 N时，为保证 各磁极的实际磁场力与理论值 的误差不超过 5 ％，应 将圆柱形支承导轨的圆柱度误差控制在 一 0 ． 0 0 1 0～ 0 ． 0 0 0 5 m m ／ 1 0 0 n -l l n之内。 3 当磁悬浮圆柱形直线运动导轨副应用 于中 心高度为2 0 0 n l lT l 、导轨宽度为3 0 0 m m的车床中加工 一 0 m m的圆棒时，为保证加工精度不低于 6级 ， 应将两圆柱形支承导轨的安装平行度控制在 0 ． 0 2 4 m m之 内。 参考文献 【 1 】陈殿华， 胡萍， 商桂芝， 等． 精密直线运动导轨接触特性 及精度分析[ J ] ． 轴承， 2 0 0 7 8 5 7 ． 【 2 】 左旭芬． 矩形静压导轨在数控凸轮磨床上的应用[ J ] ． 精密制造与 自动化， 2 0 1 0 4 3 03 1 ， 5 3 ． 【 3 】 戴曙． 金属切削机床[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 3 ． 【 4 】 郭磊． 磁悬浮平台承载特性研究[ D ] ． 长沙 中南大学， 2 0 0 5 ． 【 5 】 吴国庆． 用于数控机床的磁悬浮支承系统及其控制技术 [ D] ． 上海 上海大学， 2 0 0 6 ． 【 6 】 马苏扬， 廖萍， 吴国庆 ， 等． 磁悬浮电主轴单元径向轴承 的磁场分析[ J ] ． 制造业自动化， 2 0 1 1 ， 3 3 6 6 5 6 8 ． 【 7 】 武建军， 沈飞， 史筱红． 磁悬浮控制系统的稳定性及 r i o p f 分岔的研究[ J ] ． 振动与冲击 ， 2 0 1 0 ， 2 9 3 1 9 3 1 9 6 ． 、 【 8 】 李恒熙 ， 胡志玲． 机床导轨误差对机械加工品质的影响 [ J ] ． 机械制造与研究 ， 2 0 0 6 ， 3 5 3 3 4 3 5 ， 4 0 ． 上接 第3页 2 对同步精度影响较大的另一个因素是误差检 测机构的灵敏度。选用高灵敏度的磁性开关并适当增 大反馈杠杆的放大比有利于提高误差检测的灵敏度。 3 同步微调投人前，最大同步误差出现在液 压缸行程终点附近 ，这是 由于同步误差 的不断 累积所 致；同步微调投入后 ，最大同步误差出现在液压缸启 动时的1～ 2 s 时间段内，这主要是由三位 四通换向 阀的换向特性和液压缸的启动冲击等原因所引起。 4结 论 I 所提出的双缸同步方案具有较高的同步精 度，能够满足许多高压大流量场合下的同步需要。 2 整个系统没有溢流损失，主回路没有节流 损失。虽然同步微调功能是通过泄油实现的，但由于 其相对于主回路的流量而言很小，因此系统具有较高 的效率 。 3 全部液压元件和电气元件都是简单元器件 ， 系统工作可靠 、造价低廉。 4 未选用伺服阀、比例阀等对介质清洁度要 求过分严格的元件 ，使用和维护方便。 参考文献 【 1 】陈彪， 姜新生． 多缸同步液压伺服控制系统在线圈压床 的应用[ J ] ． 航空精密制造技术 ， 2 0 1 1 ， 4 7 4 5 O一5 1 ． 【 2 】 侯继伟， 李世伦 ， 陈鹰 ， 等． 高大空间火灾模拟及探测平 台电液同 步驱动控 制 [ J ] ． 机械工程 学报， 2 0 1 0 ， 4 6 1 4 1 5 41 6 0 ． 【 3 】 张绍裘， 吴冉泉， 吴小洪， 等． 带液压伺服补偿的等流量 双泵同步系统的研究 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 0 2 1 61 7． 【 4 】 刘建忠， 吴百海 ， 吴小洪， 等． 泵控与阀控补偿的高精度 同步系统的探讨[ J ] ． 机械开发， 1 9 9 8 4 1 5 1 7 ． 【 5 】 闻帮椿． 机械设计手册 第 4卷[ M] ． 北京 机械工业出 版社， 2 0 1 0 2 2 3 5 ．