型材输送机械升降机构的液压同步设计.pdf

型材输送机械升降机构的液压同步设计 陈洁 郑吉超 1重庆科技学院 重庆4 0 1 3 3 1 2重庆爱优工业有限公 司 重庆4 0 1 1 2 0 摘要 介绍 了型材输送 机械升降机构的工作 原理 、结 构组 成及主要特 点 ，阐述 了根据 应用要 求来设 计升 降机构 3缸液压 同步控制 的具体方 案及 其工艺 参数 。实 践表 明 ，所 设计 的液压 同步控制 系统性 能稳定 可靠 ，具 有较好 的动态 品质 和同步精度 ，提高了生产效率 。 关键词 型材输送机 械 ；升降机构 ；同步运动 ；液压缸 中图分 类号 T H 2 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 2 0 0 3 7 0 4 Abs t r ac t Th e pa p e r d e s c r i be s t he wo r k i ng pr i n c i p l e s，s t r u c t ur e a nd c o mp o s i t i o n a s we l l a s ma i n c h a r a c t e ris t i c s o f t he h o i s t i n g me c h a n i s m o f t h e s e c t i o n a l ma t e ria l c o n v e y i n g ma c h i n e r y， p r e s e n t s t h e s p e c i f i c p r o g r a m i n w h i c h t h e 3 c y l i n d e r h y d r a ul i c s v n c h r o n o us c o n t r o l o f t he h o i s t i n g me c ha n i s m i s de s i g ne d i n l i n e wi t h t h e a p pl i c a t i o n r e q u i r e me n t s a n d i t s p r o c e s s p a r a me t e r s ． P r a c t i c e s ho ws t ha t t h e d e s i g ne d hy dr a u l i c s y n c hr o no us c o n t r o l s y s t e m ha s s t e a dy a nd r e l i a b l e pe r f o r ma n c e， a n d b e t t e r d y na mi c qu a l i t y a n d s y n c h r o n o us a c c u r a c y，wh i c h e n ha nc e s t h e pr o du c t i o n e ffi c i e n c y ． Ke y wo r d ss e c t i o n al ma t e r i a l c o n v e y i n g ma c h i n e r y ；h o i s t i n g me c h a n i s m；s y n c h r o n o u s mo t i o n；h y d r a u l i c c y l i n d e r 在 型 材 的 生 产 流 水 线 上 ，棒 坯 料 通 过 热 熔 、 挤压等方 式得到不同截面形状 的型材产 品。当产 品从挤压 机内出来 ，经热锯机按 尺寸 锯切并 由轨 道输送到位后 ，需要通过 中间输送机 械将 产 品横 向送到矫 直机轨道上 ，以便对 产品进行矫 直、检 验等 。该输送机械是大跨度机 械 ，保证其 同步升 降是一个关键技术 。随着型材产 品 向尺寸大 、质 量重 、精度高的方 向发展 ，其升 降机构 由于同步 精度不高造成 了机架变 形 、导 向筒磨 损严重 ，以 致不能正常 升降 ，严 重影 响 了生产 的正常 进行。 本文在对同步升降精 度的影响因素进行分析 的基 础上 ，利用先进技术 和以往成功经验 ，结合升降 的具体工艺要求 ，对升降机构进行 了液压 同步控 制设计 ，保证 了升降 的同步精度 ，使改造后 的升 降机构既能满足现有各种 型材 的转 运 ，又 能适应 一 定范 围内产品更新换代的需要 。 1 升 降机构工作过 程 要求工件 、活动机架 、横 移机构及其组 件一起上 升、下 降。原 升降 同步 系统采 用机 械 同步方 式 ， 它是倦靠一整套转动轴、联轴节及单个液压缸的 传动方式。机械 同步控 制系统对制造和安装 的精 度具有较高 的要求 ，其性 能的好 坏与系统 的刚度 和系统装 配精度有密切 的关 系，系统关键部件 如 活动机架等的刚度 以及 由于负载分布不均匀使机 架产生较 大的变形等都直接影 响同步精 度 ，并且 调试 、维修极不方 便。因此 ，本设 计采用 了 3缸 液压同步 的方式来 实现升降 ，这样既 可 以保证工 件移动的平稳性 ，也可以保护结构件不被损坏。 型材输送机械的总长为 3 6 m，宽为 2 ． 1 m，输 1 ． 工件2 ．横移机构3 ．活 动机架4 ．导向轴5 ．固定 送速度 0～ 8 ． 5 m／ m i n ，升降垂直行程 1 5 0 mm。型 机架6 、8 、1 0 ． 液压 缸7 ．转动拐臂9 ．固定轴 材制品最大长度 2 8 1 T I ，最大质量 1 2 0 0 k g 。图 1所 图1 升降机构结构示意图 示为输送 机械升 降机构 结构示 意 图 ，在 升降 时， 基金项 目本研究得到重庆市科 计攻关项 目资助 ，项 目编号 C S T C．2 0 1 0 AC 6 0 8 2 起重运输机械 2 0 1 1 2 一3 7 ～ 升降机构同步上升时 ，3个液压缸同步向左动 作 ，使安装在 固定轴上 的转动拐臂 同步顺 时针 转 动 ，带动活动机架 及 固定在其上 的横移机构 、工 件一起 向上运动。通过设计在 固定机架 4个 角的 导向轴对活动机架进行运动限制 ，将拐臂 的旋 转 运动变成活动机架及工件的垂直直线运动。活 动 机架到达规定位置后 ，横移机构及其上 的工件 先 一 起完成水 平横 向移动，接着 3个液压缸 同步 向 右动作 ，使转动拐臂 同步逆 时针转动，带动活 动 机架及其 上部的组 件向下做直线 运动。到达位置 后 ，升降液压缸复位 ，准备下一个工作循环。 在忽略导向轴摩擦力 的情况 下 ，活动机架在 升降过程 含停止位置 中主要受重力及 3个液 压缸的支 持力。若升降不 同步 ，则 3缸支持力不 等 ，活动机架受 力不均 ，极 易 出现偏载 、倾 斜现 象 ，加剧导向轴的偏磨 ，影响输送的正常进行。 2 3缸液压 同步工作原理 升降机构 的 3缸液压 同步 系统用于控制和完 成工件的平稳 升降，并使升降过程整体实现 自动 化。本液压同步系统采用了电液 比例流量阀控制 的闭环控 制系统来保证 3个 液压缸 的同步精 度 ， 其液压系统原理 图如图 2所示 。液压系统 的最高 工作压力为 1 2 MP a ，最大流量为 6 5 L ／ m i n 。 电液 比例流量阀 简称 比例阀是利用 电液 比例技术 ，根据 同步偏差值连续输入 的电信号量 通过高压比例 电磁铁控制流量控制 阀的阀芯位移 变化 ，达到流量连续跟踪调节 ，实现 同步的 目的。 比例阀的主 阀体 部分仍 是普通 的流量控 制 阀 。 与伺服 阀相 比，比例 阀具有 控制系统较简单 ，能 实现较高精度 的连续调节 ，还有抗污染强 、工作 可靠 、无零飘 、价 廉和节能等优 点。如果在 比例 控制系统加入适 当的反馈检测元件 ，则 可以实现 闭环控制 。闭环控 制系统的优点是对 内部和外部 干扰不敏感 ，系统工 作原理是反 馈控制原理 或按 偏差调整原理 。这 种控制系统有 通过负反馈 控制 自动纠正偏差 的能力 ，但反 馈带来 了系统的稳 定 性问题 ，只要系统稳定 ，闭环控 制系统可 以保持 较高的精度 。 本系统将 比例 阀用于 3个 液压缸 的同步控制 中，由安装 在各 缸支撑点 行程 处 的位 移传感 器 、 模数转换器和 P L C构成 闭环反馈 回路 ，通过控制 一 3 8 1 ．球阀2 ． 液位计3 ． 温度计4 ．继 电器5 ．蝶阀 6 ． 挠性接 头7 ． 空气滤清器8 ．滤油器9 ．柱塞泵 1 0 ．联轴器1 1 ．减振器1 2 ．电动 机1 3 ． 胶 管总成 1 4 ．单向阀l 5 ．电磁溢流阀1 6 ．测压接头l 7 ． 软管 1 8 ．压力表1 9～2 1 ．电液 比例 阀2 2～2 4 ．电磁 阀 2 5 ～ 2 7 ． 液压锁2 8 ～ 强 单向节流阀3 4～ 3 9 ． 截止阀 4 O～ 4 2 ．液压缸4 3～ 4 5 ．位移传感器 4 6 ．信号变送器4 7 ． A ／ D、D ／ A转换口4 8 ．放大器 图 2 升降机构液压系统原理图 回油油路 的流量来 控制液 压缸活塞 的行进 速度 ， 以达到 3缸同步的 目的，从而使活动机架平稳升 降，其升降方 向由电磁换 向阀控制。 3个液压缸的回路控制工作原理相同，以左边 液压缸工作原理过程为例 首 先 ，恒压变量柱塞 泵 9排出的高压油经单向阀 1 4到达各电磁换 向阀。 当电磁换向阀 2 2左端电磁铁 1 Y A通电后 ，高压油 经电磁阀 2 2 、液压锁 2 7、单 向节流阀 2 8 、截止阀 3 9进人液压缸 4 0无杆腔推动活塞上升，从 而使活 动机架上升 ；而有杆腔的油经截止 阀 3 8 、单向节 流阀 2 9 、电磁换 向阀 2 2和比例阀 2 1后流回油箱 ； 在上升到预定 高度 后 ，活动机架停止 上升，电磁 换向阀 1 Y A、2 Y A均失 电，换 向阀处 于 中位，由 液压锁将液压缸锁死 ，维持活动机架 的停 留状态 ， 此时横移机构进行工件水平横移 ，溢流阀 l 5远程 控制 口压力为 0，泵卸荷 ；活动机架下降时，首先 起重运输机械 2 0 1 1 2 2 Y A得电，高压油经 电磁 阀 2 2、液压锁 2 7 、单 向 节流阀2 9 、截止阀 3 8进人液压缸 4 0有杆腔推动 活塞下降 ，从而使 活动机架下降 ；而无杆腔 的油 经单 向节流阀 2 8和换向阀 2 2后流回油箱。 将双向液压锁 2 7放在单 向节流阀 2 9之后 ，避 免 了因节流 阀造成 的液压 冲击对 液控单 向阀液控 口的影响，使 液控 口不 稳定 、不 保压 ，活动机架 在停 留过程 中将 由于 自重 而下落 ，产 生事故。这 是 由于单 向节流阀的作用 ，下 降的速度将 比上升 快一些 ，且升降液压缸在垂直方 向工作 的负载较 大 ，在 比例 阀与液压缸之 间设 置 的液压 锁，也起 ． 了保护 比例阀的作用 。 3缸同步升降控制策略如 图 3所示 ，在上升过 程中，当位移传感器检测到 活塞的位移后 ，将实 测的位移信号量经变送器送人计算 机模 数转换器 A ／ D转换为数字信号 ，输 入可编程序控制器 ；经 数据处理后产 生 1个控制量 ，经数模转换器 D ／ A 转换为模拟信号输 出，由功率放大器进行适 当放 大后施加于 比例 阀，通过控 制其 阀芯 的开 口度 来 控制比例 阀的开 口流量 ，进 而控制液压缸 的运 动 速度和位移 ，消除位 移误 差 ，以此来 调整 回油 油 路的流量 ，达到对液压缸活塞位移 的控制 ，实现 3 缸同步上升控制。在控制过 程 中，单 向节流 阀起 到了粗调作用 ，比例阀则起细调作用。下降时的 3 缸同步控制方法与上升时相同。 匝 巫 匝 一 ． 位移传感器卜 l - J 匹耍 匹匦 面 疆哥 ～ 蠡 鬲磊 一 图 3 液压缸位置控制框图 由于选用 比例阀的设定流量是 与阀的输人 电 流成比例 连续变化的 ，所 以通过控制来 自放大器 的输入电流 ，能够远距离任意控制 系统 内的流量。 此外 ，该比例 阀是 压力 、温度补偿式 的 ，因此设 定流量将不受压力 负荷及温度 工作油粘度 变化的影 响，非常适 用 于本 工件 无 冲击 的起 动、 停止及变速 ，其缺点是此 阀要 与专用 的功率放大 起 重运 输机械 2 0 1 1 2 器配合使用。 为提 高系 统 的稳 定 性 和 响应 速度 ，采用 系 统对每个 液 压 缸 分 别 进 行 P I D控 制 ，液 压 缸 、 位移传感器 、模拟量输入 输 出模块 、P I D控制器 以及 比例 阀构 成位 置 控制 环。其 P L C软件 用西 门子 S t e p 7软 件 编 写 ，程 序 设 计 采用 模 块 化 方 法 ，将控制功 能 细 分 成 子 功 能块 。调试 结 果表 明 ，本系统现场运行平稳 可靠 ，满 足工程设计要 求 ，3缸 同步控制位置精 度误差 在 5 rai n以内， 其误差产生的主要原 因是 由于系统 刚度不足 而引 起 的变 形 。 3结束语 升降机构的 3缸液压 同步 系统将 比例控制与 P L C相结合 ，极大 地提 高 了设 备 的 自动化水 平 ， 具有 以下特 点 1 采用了液压传动与 P L C控制相结合 ，使整 个结构较紧凑 、惯性小 ，易于实现编程 自动控制。 由 P L C发 出指令控制液压缸系统 动作 ，能根据不 同的型材规格调整控制程序。 2 采用 比例 阀同步方案使控 制系统较 简单 ， 工作平稳 ，控制精度较高 ，不 会形成与液压缸 行 程有关 的累计同步误差 ，并有耐油液污染能力强 ， 能实施较高精度 的连续调节 ，以及具备与普通 液 压阀可互换 、成本低等优点。 3 节能效果 明显 ，系统工作 时液压 泵加载 ， 系统不工作时 ，系统卸载。 4 采用单 向节流 阀、双 向液压 锁技术 ，使执 行机构速 度可调 ，升 降液压 缸在换 向阀 中位 时 ， 不会因负载而出现回退现象。 5 泵电动机组有安全保护设施 ，泵 出 口处设 有电磁调压组件 ，压力表及 电接点压力表双重保 护 ，控制系统工作压力 。电动机起动 时，电磁溢 流阀得电，1 0 S 后 电磁溢流阀失 电，电动机不带载 起动 ，起到保护电动机的作用 。 6 增加 了系统的刚度 ，因活动机架主要零部 件大多是焊 接而成 ，受安装 空 间等 条件 的 限制， 主要采取在构件原来基础上增加加强筋等加强方 法提高了系统刚度 。 经过使用企业安装 调试 ，取 得 了同步控制最 佳参数 ，本系统达到 了较好 的 同步控 制效 果 ，能 满足生产工艺要求 ，值得推广。 一 39 F u z z yP I 控制器在钢轨同步 吊运系统上 的应用 田海 王晓红 耿 军令 1内蒙古科技 大学 包头0 1 4 0 1 0 2包头钢铁 集团公司 包头0 1 4 0 1 0 摘要针对并车吊运 1 0 0 m钢轨时要求 2车各运行机构严格同步的情况，提出基于 P L C的复合模糊 P I D 控制算 法 ，模糊 控制 器和 P I 调节器均 由 P L C编程来实现 ，既保 留了 P L C控制系统灵活 、可靠 、抗干扰 能力的特 点，还增强了控制系统的动态响应速度和智能化程度。实践结果表明该系统同步控制精度高、适应性好、抗 干扰能力强 、鲁棒性 好。 关键词 控 制网络 ；模糊控制 ；吊运 ；同步 ；系统 中图分 类号 T M5 7 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 2 0 0 4 0 0 5 Ab s t r a c t Fo r t he s i t u a t i o n wh i c h r e qu i r e s s t ric t s y n c h r o n y o f t r a v e l l i n g me c ha ni s ms of t h e t wo c r a n es d u rin g t he 1 0 0 m s t e e l r a i l h o i s t i n g wi t h t wo c r a n e s，t h e PLC- ba s e d c o mp o s i t e f uz z y PI D c o nt r o l a l g o rit h m i s pr o po s e d，bo t h t h e f uz z y c o n ． t r o ll e r a n d t h e P I a d j u s t o r a r e a c h i e v e d b y t h e P L C p r o g r a m m i n g ， w h i c h r e t a i n s t h e f e a t u r e s l i k e fl e x i b i l i t y ， r e l i a b i l i t y ， a n d a nt i i n t e rfe r e n c e c a p a b i l i t y o f t h e PLC c o n t r o l l i n g s y s t e m wh i l e s t r e ng t h e ns t h e d y na mi c r e s p o n s e s pe e d a n d i nt e l l i g e n t i z a t i o n e x t e n t o f t h e c o n t r o l s y s t e m．T h e p r a c t i c e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s h i g h s y n c h r o n y c o n t r o l p r e c i s i o n，g o o d a d a p t a b i l i t y ，s t r o n g a nti i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a n d e x c e l l e n t r o b u s t n e s s ． Ke y wo r dsc o n t r o l ne t wo r k；f uz z y c o n t r o l ；h o i s t i ng；s y nc h r o n y；s y s t e m 0 引言 对于超长工件 的 吊装 ，现有 的设 备实现单车 起吊工作较困难 ，需要 2台吊车并车同步 吊运 1 0 0 n l 钢轨这样 的超 长工件。因此 ，有 必要开发和研 制安全性好 、动态响应快和 同步控制精度高 的对 应起重设备 。成 品 1 0 0 i n钢轨 由制造 厂通过滚道 运输到 1 0 0 m钢轨生产线末 端台架 上，因轨钢超 长 ，需要 2台磁盘起 重机联合并车才能完成 吊装 和运输任务。在并车运行时 ，2台起重机配合操作 将成组重轨从 台架上 吊运到成品库进行堆垛存放 ， 或 由成品库 吊运到火车上 ，在 吊运成熟的条件下 ， 也可直接从钢轨生产线 台架上进行装 车。在此过 程中，为避 免发 生钢轨 损伤 、变形 和掉轨事 故， 要求 2台磁 盘起 重机的大车机构 、小 车机构、起 升机构必须严格 同步运行 ，保证并车系统有较高 的作业效 率 、操作 精度 和快速 实 时的动态 响应， 由此对 2台磁 盘起重机并 车的电气控 制系统、控 制方式及软件设计提出了较高要求。 1 并车 同步控制 系统 的组成 1 ． 1 并车电气传动系统 2台桥式起重机 以下简称桥机的并车结构 如 图 1 所 示 。 参考文献 [ 1 ]陈文伟，卞建，孙美玲 ．苏州河河口水闸液压启闭机 设计与 同步控制 [ J ] ．水利水 电科技 进展 ，2 0 0 7 4 8， 9 ． [ 2 ]刘延俊 ，王辉 ，顾国利 ．轮胎脱模机 三缸 同步 液压 系 统的设计[ J ] ．液压与气动，2 0 0 6 6 3 ，4 ． [ 3 ]王守城，容一鸣 ．液压传动 [ M] ．北京北京大学出 版社 ，2 0 0 6 ． [ 4 ]杨叔子 ，杨克冲 ，吴波 ，等 ．机械控 制工程基础 [ M] ． 武汉 华 中科技大学 出版社 ，2 0 0 2 ． ． ． ． ． 4 0 ．．．． [ 5 ]龚炳锌 ．机电一体化技术应用实例[ J ] ． 北京机械工 业 出版社 ，1 9 9 4 ． [ 6 ]刘培基，王安敏 ．机械工程测试技术 [ M] ．北京机 械工业 出版社 ，2 0 0 3 ． 作 者 陈洁 地 址重庆九龙坡区西郊支路 l 9号 1 3幢 1 单元 6 3室 邮 编 4 0 0 0 5 0 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 9 起重运输机械 2 0 1 1 f 2