数控液压缸控制性能的仿真与试验研究.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 ．0 5 ． 2 0 1 6 d o i l O ．3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 5 ．0 1 5 数控液压缸控制性能的仿真与试验研究 顾长明， 王 品， 张宏宇， 郑国梁 北京航天发射技术研究所， 北京 1 0 0 0 7 6 摘 要 某型号数控液压缸是一种闭环伺服执行元件 ， 因其具有很高的定位精度， 被应用于各类精密控制的仪器设备中， 满足设备动作 的精度、 速度要求。该文建立了数控液压缸仿真模型， 通过仿真分析得知其控制精度随输入压力增加及步进电机驱动速度降低而提 高 ， 响应速度随输入压力增加及步进电机驱动速度增加而提高。另外 ， 设计了数控液压缸控制性能试验并通过此试验验证， 在不同输 入压力和步进电机驱动速度下， 测试数控液压缸均具有较好的响应能力和控制精度。 关键词 数控液压缸； 控制性能； 仿真； 试验 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 6 0 5 0 0 5 5 0 4 S i mu l a t i o n a n d E x p e r i me n t a l Re s e a r c h o n t h e Co n t r o l P e r f o r ma n c e o f t h e Di g i t a l Hy d r a u l i c Ac t u a t o r GU C h a n g - rui n g， W ANGPi n， Z HA NGHo n g - y u， Z HE NG Gu o l i a n g B e ij i n g I n s t i t u t e o f S p a c e L a u n c h T e c h n o l o g y , B e ij i n g 1 0 0 0 7 6 ，C h i n a Abs t r a c t Th e d i g i t a l h y d r a u l i c a c t u a t o r i s a c l o s e - l o o p s e r v o c o n t r o l c o mp o n e n t wh i c h h a s b e e n wi d e l y a p p l i e d i n v a r i o u s i n s t r u me n t s a c q u i r i n g h i g h c o n t r o l a c c u r a c y d u e t o i t s e x c e l l e n t p o s i t i o n i n g p r e c i s i o n ， s a t i s f y i n g b o t h t h e d i s p l a c e me n t a n d t h e v e l o c i t y p r e c i s i o n r e q u i r e - me n t s ． Th e s i mu l a t i o n mo d e l Wa S b u i l t i n t h i s p a p e r a n d c o n s e q u e n t l y t h e t h e o r e t i c a l c o n c l u s i o n wa s o b tai n e d t h a t t h e c o n t r o l a c c u r a c y and r e s p o n s e c a p a b i l i ty wo u l d i mp r o v e wi t h h i g h e r i n p u t h y d r a u l i c p r e s s u r e a n d d r i v i n g s p e e d o f t h e s t e p e l e c t r i c mo t o r ． Al s o ， a l l e x p e r i me n t me t h o d WaS p r o p o s e d f o r the d i g i tal h y d r a u l i c a c t u a t o r t o me a s u r e i ts p e rfo r ma n c e u n d e r c l o s e l o o p c o n t r o 1 ． Th e d i g i tal c y l i n d e r WaS v e r i - fl e d t o p o s s e s s o u t s t a n d i n g c o n t r o l a c c u r a c y an d r e s p o n s e c a p a b i l i ty un d e r v a r i o u s i n p u t h y d r a u l i c p r e s s u r e a n d d r i v i n g s p e e d o f t h e s t e p e l e c t r i c mo t o r t h r o u g h t h e e x p e r i me n t ． Ke y wo r d s d i g i tal h y dra u l i c a c t u a t o r ； c l o s e - l o o p c o n t r o l ；s i mu l a t i o n；e x p e f me n t O 前言 数控液压缸是一个闭环伺服执行元件， 因其 自身 具备很高的定位精度， 被广泛应用到各类精密控制的 仪器设备中。我所研制的数控液压缸应用于某转载平 台设备液压系统中， 实现转载平台设备空载及带载情 况下的升降、 平移 、 偏摆、 俯仰的姿态调整。经长期使 用， 性能可靠， 满足定位精度、 运动速度等的要求。 本文对该数控液压缸的控制性能进行研究， 通过 收稿日期 2 0 1 6 - o l - o 7 作者简介 顾长明 1 9 8 1 一 ， 男 蒙古族 ， 辽宁新民人 ， 工程师， 学士 ， 从 事液压元件与系统研究。 仿真和试验分析数控液压缸 自身控制性能， 在输人压 力从高到低 ， 步进电机输入频率从低到高两个条件变 化情况下， 分析和验证数控液压缸响应能力， 包括在各 种工况下的响应时间与定位精度。 1 数控液压缸建模与分析 数控液压缸结构原理如图1 所示 ， 给步进电机输入 一 定的脉冲， 电机的轴即输出一个角位移， 电机轴通过 联轴套带动液压缸控制阀芯转动， 这样本来在平衡位 置的阀芯相对液压缸偏移， 使液压缸的无杆腔与进油 或回油连通 这取决于步进 电机 的转 向 。当液压缸无 杆腔与回油相通时， 有杆腔与高压相连 ， 活塞杆在油压 4 总结 在制造行业中， 产品的质量检测非常重要 ， 尤其 是对大批量的产品生产 ， 更要求检测产品的速度快 ， 工作周期短。该气动雨伞试验机通过 P L C 控制的气 动系统实现了晴雨伞 自动开伞和撑伞动作 ， 加快 了 检测速度 ， 并且结构简单 ， 成本低 ， 达到了预期 的设 计要求。 参考文献 [ 1 】 张帆． 液压与气动技术及应用【 M] ．北京 中国铁道出版社，2 0 1 4 ． 【 2 】 殷庆纵， 李洪群． 可编程控制器原理与实践[ M 】 ． 北京 清华大 学出版社， 2 0 1 0 ． 【 3 】3 罗洪波， 曹坚． 液压与气动系统应用与维修[ M 】 ． 北京 北京理 工大学出版社， 2 0 0 9 ． 【 4 】 S M C 中国 有限公司． 现代实用气动技术【 M ] ． 北京 机械工 业出版社， 1 9 9 8 ． 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 6年 第 0 5期 的作用下内缩， 同时反馈螺母带动阀芯回到平衡位置； 反之当液压缸无杆腔与进油相通时 ， 活塞两边作用力 的差使活塞杆外伸 ， 同时靠反馈螺母带动阀芯回到平 衡位置。不同的脉冲输入量决定了步进电机的转角 ， 也就是液压缸的运动量 。数控液压缸的输 出速度可用 下式表示 h O f ／ 3 6 0 。 1 式中秽 数控缸输出速度 ， mm ／ s ； h 反馈丝杠导程， 为3 ra m； 0 步进 电机步距角 ， 取 1 ． 8 。 ； 厂 控制信号输入频率 ， H z 。 1 一 活塞体 2 一 缸体 3 一 反馈螺母 4 一 丝杠 5 一 丝杠控制阀芯部分 6 一 阀芯控制的双边 7 一 连轴套 8 一 步进电机 图 1数控液压缸结构原理图 利用A M E s i m软件对数控液压缸进行建模 ， 模型 如图 2 所示 。 图 2 数控 液压 缸建模 仿真过程的参数设置如表 1 所示 ， 根据不同的步进 电机控制频率设置仿真时间， 为便于对仿真结果进行 分析， 将数控液压缸步进电机控制频率信号转为为速 度信号。运行系统 A M E S i m模型， 画出数控液压缸位 移曲线 。 表 1参数设置表 图3 为空载工况下 ， 动作速度为0 ．6 m m ／ s ， A ． n压力 为8 M P a 时的数控缸位移曲线 ， 从曲线上可以读出数控 缸控制信号与数控缸位移偏差， 缩回时为0 ．0 4 3 ra m， 伸 出时为0 ．0 4 8 ra m， 可视为控制偏差 ， 数控缸控制信号与 数 控 缸 位 移 时 间 偏 差 缩 回 时 为 0 ． 1 4 3 s ， 伸 出 时 为 0 ． 1 7 7 s ， 可视为响应时间 。同理 ， 保持人 口压力 8 MP a 不 变 ， 分别对动作速度为 1 ．5 m m ／ s 、 3 m m ／ s 、 4 m m ／ s 、 6 m m ／ s 时位移曲线进行仿真 ， 得出不同速度情况下的控制偏 差及 响应时间。见表 2 所示。同理 ， 保持动作速度 6 m m ／ s 不变 ， 分别对人 口压力为 8 M P a 、 7 M P a 、 6 M P a 、 5 M P a 、 4 M P a 、 3 MP a 时位移曲线进行仿真 ， 得出不 同人 口压力情况下的控制偏差及响应时间。见表2 所示。 2 q0 -02 g n 4 篱0,6 ．n8 ．1 ． 0 1 ． 2 时脚 ／ 图3空载工况下数控缸位移曲线 表2 数控液压缸动作精度与响应时间 图4 为满载工况下， 动作速度为0 ．6 m m ／ s ， 人口压力 为 1 4 M P a 时的数控缸位移曲线 ， 从曲线上可以读出数 控缸控制信号与数控缸位移偏差， 缩回时为O ．0 6 6 m m， 伸出时为O ．0 7 5 m m， 可视为控制偏差 ， 数控缸控制信号 与数控缸位移时 间偏差 ， 缩回时为 0 ． 1 9 s ， 伸 出时为 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 5 ．2 0 1 6 0 ．2 8 s ， 可视为响应时间。同理， 保持人口压力 1 4 M P a 不 变 ， 分别对动作速度为 1 ． 5 m m ／ s 、 3 m m ／ s 、 4 m m ／ s 、 6 m m ／ s 时位移曲线进行仿真， 得出不同速度情况下的控制偏 差及响应时间。见表 2 所示 。同理 ， 保持动作速度 6 m m ／ s 不变 ， 对人 口压力为 1 3 M P a 时位移曲线进行仿 真 ， 得出不同人 口压力情况下的控制偏差及响应时 间。见表 2 所示 。 “ ．n2 ．04 l 0 ．6 渣．a 8 避 ．1 0 1 2 -1 4 时 f 砸 ／ 图4满载工况下数控缸位移 曲线 通过仿真分析 ， 数控液压缸在各种工况下的平均 响应时间均小于0 ．2 s 。当入口压力越高 ， 驱动速度越 快 ， 其动作精度越高； 反之， 当人口压力越低 ， 驱动速度 越慢 ， 其动作精度越低。在相同工况下数控缸伸出时 动作精度较低， 响应时间较长， 缩回时动作精度较高， 响应时间较短。 另外 ， 分析了数控液压缸控制阀口孑 L 径对于数控 缸动作精度和响应时间的影响 ， 将控制阀 口孑 L 径 由 5 ra m改为 6 ra m和 7 m m， 保持满载工况 动作速度为 0 ．6 m m ／ s ， 人 口压力为 l 4 M P a 不变， 仿真出数控缸位移 曲线 ， 得出数控缸控制信号与数控缸位移偏差及响应 时间， 见表3 所示。可见， 当控制阀口孔径增大时， 数控 缸控制精度和响应速度也会提高。 表3 数控液压缸不同控制阀口孔径 动作精度与响应时间 m m／ 黝 s 结果偏差 ra m 响应时间 S 缩回伸 出 缩 回伸 出 0 ． 0 6 6 0．0 7 5 0 ． 1 9 0 ． 2 8 0 ． 0 6 0 0．0 7 4 0 ． 1 8 0 ． 2 7 0 ． 0 5 2 0 ． 0 7 3 0 ． 1 8 0 ． 2 6 2 数控液压缸控制性能试验 2 ． 1数控液压缸试验方法 对数控液压缸施加载荷和一定的供油压力 ， 按一 定频率给数控缸的步进电机输人脉冲， 数控缸会按一 定的速度去跟踪输人脉冲。当改变供油压力或脉冲输 人频率时 ， 数字缸的响应时间和跟踪精度会相应改 变。通过试验各种压力和输人脉冲频率 即速度 可以 寻找出数控油缸满足系统需要的最低保证条件和相应 性能。为便于数据采集， 在数控缸外增加位移传感器 记录数控缸位移数据。试验原理图见图5 所示。 负载 数控液 i 缸 步逍 f 乜 机 r_ A r 1 _ - 1 r 一一 I 』 l x 3 、 、 他 移 传 感 器 I l ； 瘌 半 图 5 数控液压 缸试 验原理图 2 ． 2 数控液压缸试验 内容 I 数控液压缸分别加载 2 0 k N和9 5 k N， P口初始 供油压力分别为8 M P a 和 1 4 M P a ， 以4 0 H z 的频率控制数 控液压缸伸出和回收各运动5 0 m m 。运动过程中要实 时采集数控液压缸的输入脉冲与实际运动量的数据； 2 根据采集数 据检查 理论运动量和实 际运 动量 的差值 ， 如果二者差值不大于0 ．5 m m， 则提高输人频率 重 复 a中试 验 ， 依 次 试 验 1 0 0 H z 、 2 0 0 H z 、 2 6 7 H z 和 4 0 0 H z 。① 如果 4 0 0 H z 时 ， 运动距离 的差值仍小 于 0 ． 5 m m， 则以4 0 0 H z 的频率输入 ， P口压力降低 1 MP a ， 重 复a 中试验。如差值仍然小于0 ． 5 m m， 则继续降低 P口 压力 ， 直到差值大于0 ． 5 m m 。②如果2 6 7 H z 时运动距离 的差值小于 0 ． 5 ra m， 4 0 0 H z 时运 动距离 的差值大 于 0 ．5 ra m， 则以2 6 7 H z 的频率输入 ， P口压力降低 1 M P a ， 重 复a 中试验。如差值仍然小于0 ．5 m m， 则继续降低 P口 压力， 直到差值大于0 ．5 m m。 2 ． 3 试验数据及分析 数控缸空载试验数据见表4 所示 ， 满载试验数据见 表5 所示。为便于说明， 将数控液压缸步进电机控制频 率信号转为为速度信号。 从表4一表 5 数据可以看 出， 数控液压缸无论在空 载还是在满载工况下， 当步进电机输入速度从0 ．6 m m ／ s 增加到6 m m ／ s 时， 数控油缸均能够按照输人的位移进 行动作， 在人口压力一定情况下， 偏差值随着脉冲输入 频率的增大而增大。在步进电机输入速度一定的情况 下， 偏差值随着人 口压力的降低而增大 ， 直至进口压力 已无法驱动负载动作。但位移偏差 即定位精度 均 在 0 ．2 ra m以内。由于仿真模型与实物存在差异， 仿真 数据与试验数据存在差异， 但仿真曲线与试验数据基 本规律是一致的。对于试验时伸出与缩回时偏差值没 5 7 液 压 气 鼋 沙 冉． { 簪j 时．／2 O1 6爿-- j O 5期 表4数控液压缸空载试验数据 有明显差别， 与试验数据采集系统精度有关。 试验中测得 ， 数控液压缸在空载和满载6 m m ／ s 速 度下和最低保证压力工况下的动作响应时间， 如表6 所 示。无论空载或满载工况下， 步进电机输入与数控液 压缸位移之间的时间差均在0 ． 1 s 以下 ， 表明数控液压 缸在 6 m m ／ s 速度、 最低进 口保证压力条件下响应时间 均在0 ． 1 s 以下， 与仿真数据基本吻合。 表6数控液压缸响应时间汇总 通过试验可以证实， 在脉冲输入频率降低或进口 压力提高的情况下， 定位精度和响应速度可以进一步 提高。 3 结论 本文通过仿真与试验， 分析了数控缸的控制特性， 当入 口压力越高， 驱动速度越慢 ， 其动作精度越高； 反 之 ， 当人 口压力越低 ， 驱动速度越快 ， 其动作精度越 低。并验证数控液压缸在各种工况下的定位精度小于 0 ．2 ra m， 响应时间均小于0 ．2 s 。另外， 通过仿真模型分 析， 当控制阀口孔径增大时， 数控缸控制精度和响应速 度也会提高。 本文验证了我所 自主研制的数控液压缸具有较高 定位精度和响应速度 ， 所建立的仿真模型可以用于今 后对数控液压缸特性的进一步研究。 参考文献 ⋯ 1 雷天觉． 液压工程手册[ M I ． 北京 北京理工大学出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 郜立焕， 史小波， 李建仁， 等闭 环控制电液步进液压缸及试 验精度分析【 J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 1 6 7 6 8 ． 【 3 】 章海， 顾平灿， 裴翔， 阮健， 等． 数字缸的动态特性仿真分析[ J ] ． 浙江工业大学学报， 2 0 0 5 ， 3 ． [ 4 】 顾长明， 吴建胜， 赵黎明， 郝欣伟， 等． 横移数控液压缸异常伸 出问题分析及解决【 J 】 ．航天发射技术， 2 0 1 4 ， 4 3 3 - 3 4 ． 【 5 】 李世伦， 陈爱民， 骆涵秀， 等． 高速数控步进液压缸系统的研 究[ J 】 ． 机床与液压， 1 9 9 5 ， 6 ． 3 1 2 ．