全数字液压驱动单元设计与仿真.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 0 Vo L 3 8 N o ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 2 全数字液压驱动单元设计与仿真 刘建新 ， 谭 平 1 ．西华大学机械工程与 自动化学院，四川成都 6 1 0 0 3 9 ；2 ．西华大学数学与计算机 学院，四川成都 6 1 0 0 3 9 摘要为满足节能和集成应用的需要，介绍一种全数字驱动的集成液压执行单元的工作原理，提出一种基于蓄能器的 流量平衡策略对单出杆液压缸的流量进行匹配，并采用变频定量液压泵作为动力源，以高速开关阀作为调节装置，以全数 字方式对执行机构的位移和力等参数进行控制。建立全数字液压驱动单元的 A ME S I M仿真模型。仿真结果表明所设计的驱 动单元的性能满足要求。 关键词闭式系统；集成液压驱动单元；数字控制；流量匹配 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 0 3 0 7 0 3 De s i g n a nd Si mu l a t i o n o n Al l -nu me r i c a l -- c o nt r o l I n t e g r a t e d Hyd r a u l i c Ac t u a t o r UU J i a n x i n ．T AN P i n g 1 ． 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 gA u t o ma t i o n ，X i h u a U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 9 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ma t h e m a t i c a l ＆C o mp u t e r S c i e n c e ，X i h u a U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 9 ，C h i n a Abs t r ac t A k i nd o f a l l n u me r i c al- c o n t r o l i n t e g r a t e d h y d r a u l i c a c t ua t o r wa s i n t r o d uc e d t o f u l fil l t h e r e q u i r e me n t o f e n e r g y s a v i n g a n d a p p l i c a t i o n i n t e gra t i o n， a n d t h e wo r k i n g p r i n c i p l e wa s d i s c u s s e d ． A k i n d o f fl o w ma t c h i n g s t r a t e g y o f s i n g l e r o d h y d r a u l i c c y l i n d e r b as e d o n a c c u mu l a t o r wa s p r o v i d e d ． T a k i n g c o n v e r t e r a n d c o n s t a n t r a t e p u mp as p o we r s o u r c e ． a n d h i g h s p e e d s t c h s p h e r e v a l v e a s a d j u s t e r ，t h e a c t u a t o r p a r a me t e r s s u c h a s d i s p l a c e m e n t a n d f o r c e a n d e t c w e r e c o n t r o l l e d b y n u m e r i c a l c o n t r o l m e t h o d ．T h e A M E S i m s i mu l a t i o n mo d e l f o r t h e a l l - n u me r i c a l c o n t r o l i n t e gra t e d h y d r a u l i c a c t u a t o r wa s b u i l t ，a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n e d a c t ua t o r p r o v i d e s s a t i s f a c t o r y p e r f o r ma n c e． Ke y wo r d s C l o s e d h y d r a u l i c s y s t e m ；I n t e gra t e d h y dra u l i c a c t u a t o r ； Nu me ri c al c o n t r o l ； F l o w ma t c h i n g 将传统液压系统的电动机、液压泵 、油箱、液压 阀组、油缸／ 油马达、检测元件和控制器集成于一体 后得到的封闭式液压系统，最早源于飞机电传系统 P B W 中的电动静 液压作 动器 E H A 的研究 。由于 取消了传统意义上的油箱，整个集成系统的体积小并 质轻高效，是近年来液压领域重要 的发展方向之一 ， 在航空 、车辆 、阀门控 制等方 面具 有 广 阔 的应 用 前 景 J 。封闭式液压 系统 的调速方式主要有节流调速和 容积调速两种模式。同节流调速相比，传统容积调速 的主要特点是系统效率高，但变量机构复杂、响应 速度慢 、油 泵工作 噪声大 。没有 阀参与控制时 ，按照 控制方式的不同可将容积调速系统分为以下 3种形 式 定排量 变转 速型 、变排量定 转速 型和 变排量 变 转速型 。 。无 阀容积控制系统较传统 的阀控系统效 率高 ，但其液压固有频率 只有 阀控 系统 的 1 ／ 2 ，因此 其动特性较阀控系统差 ，为了使封闭式系统既能够兼 顾系统效率和响应快速性，又不会导致系统结构和控 制复杂度的大幅度增加 ，考虑到降低成本的需要 ，在 典型容积控制系统 的基础上 ，作者提 出了一种变频器 交流电机 定量泵 开关阀 蓄能器的全数字液压 驱动单元设计方案 。此方案 中电机单 向旋转 ，回避了 电机换向或泵换 向的非灵敏区及大惯量 ，相对 于双 向 旋转电机提高了系统的频宽 ；通过适 当牺牲系统 的效 率来 达到提 高系统频响的 目的。这样既可以满足 系统 高工况时的频响要求，又可以在低工况时具有很高的 效率 。 1 系统结构与工作原理 封闭式全数字液压驱动单元的工作原理如图 1 所 示。通过改变变频器驱动的交流 电机 1的转速 ，可 以 控制定量泵 2产生的流量输出，进而实现单出杆油缸 8的位置和速度 的控 制。高 速工况下 ，高速 开关 阀 4 和 5用作普通换向阀，阀口全开，系统通过泵控方式 实现调速 ；由于泵 的最低 转 速 的限制 ，在 低速 工况 下 ，泵 2维持产 生额定压 力 的最 低转速 ，通 过 P WM 信号 1 3 和 l 4 控制高速开关阀，实现阀控。一般情况 下，可根据实际应用的需要选择泵控 、阀控或泵阀联 收稿 日期 2 0 0 9 0 2一l 2 基金项目i t J l l 省教育厅 自然科学重点资助项目 0 7 Z A 1 1 0 作者简介 刘建新，教授，硕士生导师，主要研究方向为机电测控技术、嵌入式系统。电话0 2 88 1 6 6 2 3 1 2 ，Em a i l j a ／ n s o n l i u 1 6 3 ． t o m。 第 3期 刘建新 等全数字液压驱动单元设计与仿真 7 l 合控制工作方式 。在系统 中设置 了补油和蓄能用的蓄 能器 9 ，通过蓄能器进出的油量大小由液控单向阀 1 0 和 l 1 控制 。整个 系统 中变频 器 、高速 开关 阀的控制 由控制器 1 5 根据位移 传感器 的检测 数据结 合控 制器 1 5中的控制算法实现。 2 流量平衡策略及器件选择 2 ． 1 流量平衡策略 考虑到安装空间 的限 制 ，驱 动单元 中的液压缸 采用单 出杆差动缸 ，有关 参数如 图 2所示 。由于差 动缸的非对称性 ，在活塞 杆伸 出和缩 回时 ，进 出油 缸的 液 压 油 的 流 量 不 一 致 ，具体情况 如下 1 活塞杆伸出时 图 1 全数字液压驱动单元原理图 图2 差动缸参数 。 d x c C i p 2 誓 1 2 活塞杆缩 回时 Q A d xC I p 一 P 2 一c 2 3 液压缸与负载力平衡方程 --p 2 m警邶警 K x F 3 式 中A ， ，4 分别 为差 动缸 无杆 腔 和有 杆腔 的截 面 积；C ，C i 分别为外部和内部泄漏系数 ； P ，P 分别 为差动缸无杆腔和有杆腔的油压； 。 ， 分别为差 动缸两侧初始容积 ； 为活塞位移；m和 ． 分别为 运动部件折算到活塞上的质量和负载力。 由于采用单出杆活塞缸作为执行装置 ，在活塞杆 伸 出和缩 回两种工况下 ，进 出油缸 的流量在忽略压缩 和泄漏的情况下，Q 和 Q 仍存在不匹配的现象。具 体来说，活塞杆伸出时，需要对油泵进行补油；在活 l 一 交流 电机和变 频 器 2 一 高压 齿轮 泵 卜 溢流 阀 4 、5 - _ 高 速开 关 阀 6 、7 、1 o 、1 1 一 单 向阀 液压 缸 9 _ _ 蓄 能 器 l 2 一 位 移传 感器 l 3 、l P w M装置 l 5 - - 模 糊控 制器 1 6 -- - 指 令装 置 塞杆缩 回时 ，需要将 油缸无杆腔 的回油 的一部分从油 泵的进油 口引开 ，保证进 出油缸 的流量 的匹配 。封闭 时液压系统常采用单向阀作为流量匹配装置进行油泵 补油和油缸 回油 。 2 ． 2蓄 能器 的选 用 由于系统 中的执行机构 为单 出杆差动液压缸 ，为 了保证活塞杆伸缩过程中的速度保持一致 ，并补偿整 个系统工作过程中的泄漏，在驱动单元中设置有蓄能 器。常见 的蓄能器按加载方式有弹簧式 、重锤 式和气 体式 。气体式蓄能器 中的囊式蓄能器具有惯性 小、反应灵敏的特点，选用气囊式蓄能器。囊式蓄能 器 的工作 原 理 以波 义 耳定 律 p Vc o n s t 为基 础 ， 通过气体 如氮气压缩和膨胀完成能量转换。使 用时先向蓄能器中充入预定压力P 。 的气体 v o ；当系 统 中的压力 超 过 蓄能 器 内部 压力 时 ，油 液 压缩 气体 ，将油 液 的 压力转换为气体 的内 能；当系统压力低于 蓄能 器 内 部 压 力 时 ， 蓄能 器 中的 高压 油在 气体 的作用下 ，实现 补油 功 能 。蓄 能 器 压 力与 容 积 关 系如 图 3 所示 。 等温变化情形下 ， 导如下 蓄能器 的流量 一压力方程可推 1 因为 p V c o n s t 7 2 机床与液压 第3 8卷 故 ．0dV 一 一 ’ d t pd t 2 p 1 p 0 v o P 2 p 0 v 0 蓄能器充气压 力 P 。 为 9 M P a ，最 低工作 压力 P 。 为 1 0 M P a ，工作 时间为 4 S ，最 大工作压力 P ，为 1 4 MP a 。由实际应用系统 的工作参数要求得知，补 油工况时，蓄能器需提供的流量为 2 L ／ m i n ，所 以， 蓄能器需提供的液压油体积为A V 2 x 4 ／ 6 0 0 ． 1 3 L 。 因此 ，等 温 过程 时 蓄 能 器 总容 积应 该 为 V o _ _ ，则 0 ． 5 L ，选 N XQ - L O ． 6 3 ／ 2 0型 气 P 。 一 囊式蓄能器 。 2 ． 3 其他元件的选择 该驱动单元的油源最大压力为P1 6 MP a ，单出 杆油缸的最大伸出速度 4 0 m m ／ s ，行程L 8 0 m m。 1 泵 的选择 根据设计要求，Q 4 L ／ m i n ， P ≤1 6 MP a ，选 内 啮合齿轮泵 ，转速 n1 8 0 0 r ／ m i n ，容积效率 叩 0 ． 9 5 ，则泵 的排 量 为 qQ ／ 1t 田 4 ／ 1 8 0 0 Z 0 ． 9 5 2 ． 3 4 m L ／ r ，选用 最大 压 力为 1 6 M P a ，排 量 为 3 ． 6 ，转 速 为 4 0 0～3 0 0 0 r ／ m i n的 内 啮 合 齿 轮 泵 I GP- 1 3 ． 5。 2 电机 的选择 泵的总效率取为 卵 0 ． 8 5 ，则电机功率应为 N P Q ／ 7 1 1 6 X 4 ／ 6 0 Z 0 ． 8 5 1 ． 2 6 k W 选择 电机的额定功率为 1 ． 5 k W。 3 变频器 的选择 变频器容量和型号的选择应遵循的准则如下 ① 变频器的额定电流大于驱动电机的额定电流；② 变 频器 的额定 电压 大于驱动 电机 的额定 电压 ；③ 变频 器的额定功率大于驱动电机的额定功率；④ 根据系 统 的控制 性能特 点选 择变 频 器 的类 型 。根据 以上准 则 ，选 择 艾 默 生 公 司 的 S P 一 1 4 0 3变 频 器 ，功 率 为 2 ． 2 k W 。 4 开关 阀的选择 采用 自行研制的立式两位三通开关球阀 ，主要性 能参 数 为额定 供 油压 力 2 1 M P a ，额定 流 量 大于 1 0 I Mm i n ，开关频率大于 1 0 H z 。 5 伺 服油缸 的选择 选用 A T O S伺 服油缸 C K P - 0 0 4 0 。 3 调速方式及 A ME S i m仿真 根据速度的调节范围，所设计的液压驱动单元采 用如下调速方式 1 高速模式。基于变频定量泵和大流量换 向 阀，通过变频 电机 的调速 ，以容积调速方式 ，实现对 单出杆油缸活塞杆的位置／ 速度的控制，可将系统的 能耗控制在最低水平 ，实现节能 ； 2 低速模式。定量 泵维持在最低转速 工况下 ， 通过高速开关阀的调节，以节流调速的方式实现对单 出杆油缸活塞杆 的位置／ 速 度的控制 。 基于系统 的工作原 理 图，采用 F U Z Z Y控制 策略 对低速模式下 的高速开关阀进行 了仿真 ，仿真环境为 A ME S i m 和 S i mu l i n k 。AME S i m Ad v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n m e n t f o r S i m u l a t i o n o f E n g i n e e r i n g S y s t e m s ，简称 A M E S i m是法 国 I m a gi n e公 司于 1 9 9 5年推 出的基 于 键合图的液压／ 机械 系统建模 、仿真及 动力学分析 软 件 ，至今 已经发 展 到 A M E S i m 8版本 。A M E S i m 为 用 户提供了一个时域仿真建模环境 ，可使用已有模型和 或建立新的子模型元件，构建优化设计所需的实 际原型 ，采用易于识别的标准 I S O图标和简单直观的 多端 口框图 ，方便用户建立复杂 系统及用户所需 的特 定应用实例 ，可修改模型和仿真参数，进行稳态及动 态仿真、绘制曲线并分析仿真结果。在 A ME S i m建模 过程 中，需依 次完成 S k e t c h M o d e、S u b m o d e l Mo d e、 P a r a m e t e r M o d e和 S i m u l a t i o n Mo d e四步 。A M E S i m提 供了与 MA T L A B ／ S i m u l i n k和 M S C ． A d a m s 等的联合仿 真接口。作者采用 A M E S i m和 S i m u l i n k联合仿真方 式 ，通过在 S i m u l i n k中实现相应的控制算法来实现对 驱动单元特性 的联 合仿真 ，由于控 制算法 的复杂性 ， 限 于 篇 幅， 将 另 文 叙 述。 奏 舅 鑫 裹 望 眷 号 输入方 波位置信 号时， 差动缸 活塞 杆 的位置 输g 出情况仿真结果如图 4蠢 所示 。可 以看 出 ，高 速 开关 阀采用 F U Z Z Y控制 策略时 ，在外 负载为 1 O k N的情形下，该执行单 元 的方波跟随性 能较好 。 4结论 时 间／ s 图 4 液压驱动单元方 波跟随仿真结果 介绍了一种全数字控制 的液压集成驱动单元 ，该 单元取消 了传统意义上 的油箱 ，采用变频器和定量泵 作为液压源，通过引入高速开关阀，可根据应用需求 联合采用 阀控或／ 和泵控 的方 式实现 调节。介绍 了一 种基于蓄能器和液控单向阀的流量匹配策略，并详细 讨论了有关元件的选择。基于 A M E S i m仿真结果，可 以看 出该数字化液压驱动单元具有较为理想 的响应特 性。但是，如何设计更为简洁有效的控制算法，保证 驱动单元的性能，则有待下一步的深入研究。 参考文献 【 1 】H a b i b i S a e i d ， G o l d e n b e r g A n d r e w ． D e s i g n o f a N e w H i g h P e r f o m a n c e E l e c t r o H y d r a u l i c A c t u a t o r [ J ] ． I E E E ／ A S ME T r a n s a c t i o n s o n Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 0 ， 5 2 1 5 81 6 4 ． 下转第 1 2 0页 机床与液压 第 3 8卷 由于工件工艺要求不同，夹具定位方案具有很大 的灵活性。因此采用定位误差公式辅助定位误差计算 就存在很 大的局 限性 ，本文利用 S o l i d Wo r k s 强大 的尺 寸测量工具提出了专用夹具定位误差的计算方法。其 中基准位移误差的设计思路用图4流程图表达。重合 误差的算法与基准位移误差类似，在此就不做详细介 绍 。 应用 S d i d Wo s 的虚拟装配功能 ，调用夹具 定位 元件和工件进行装配模拟定位方案 ，从而可直观 的看 出定位方式的组成 。此外 ，S o l i d Wo r k s 装配体 的尺寸 测量工具可以测量几何体上任意点、边线、面的距 离。考虑加工尺寸方向上工件或定位件的两个尺寸极 限位置，测量工序基准或定位基准在两种状态下的变 化量及变动方向是否相同，进而对定位误差合成计 算 ，图5 a ， b ， C 是工件 内孔 2 0 0 m m 以圆柱孔定位，且工件 1 8 m m与定位心轴间隙 配合时，用 s 0 l i d wo r k s 模拟的定位方式，通过对基准 位移变化量 的测量 ，可得 出定位误 差为 1 ． 5 m m，通 过观察该动态过程 ，可以清晰地显示定位误差 的形成 原因。 a 理 想 配合 间隙 c 最 小 配 合 间 隙 图5 定位误差的测量 6结 论 1 通过使用 S o l i d Wo r k s 软件提供 的二次开发 接口和设计库，分别建立专用夹具标准元件库和非标 件特征库，从而实现在 V B界面输人相关参数即可驱 动标准件三维模型的自动生成；将保存的特征从文件 夹拖人到模型指定位置可以为零件添加特征。夹具元 件库的开发方法 ，对 S o l i d Wo r k s 二次开发技术应 用有 一 定的参考价值 ，也使 S o l i d Wo r k s 更加本地化、用户 化 ，有效地提高设计效率，提高了设计 的自动化水 平 。 2 在 S o l i d Wo r k s 装 配环境 中模拟定位方案 ， 运用 S o l i d Wo r k s 装配体尺寸测量工具计算定位误差 ， 避免了繁琐的数学计算 ，简单、直观、方便，为定位 误差辅助计算提供了一种新方法，也为 C A F D的完善 和发展提 出了一种新思路 。 参考文献 【 1 】高颖颖 ， 张耀宗， 梁士红． S o l i d Wo r k s 环境下模具标准件 的开发[ J ] ． 锻压技术， 2 o o 6 1 5 4 5 6 ． 【 2 】熊丞政 ， 邹江， 石新营． 应用 S o l i d Wo r k s 设计库提高设计 效率的探讨[ J ] ． 机械制造与自动化， 2 0 0 8 4 5 1 5 4 ． 【 3 】廖晶晶， 韩祖行． 基于 P r o ／ E的机床组合夹具三维元件 库的建立和定位误差的分析[ J ] ． 机械， 2 0 0 8 5 3 8 41． 【 4 】于善平， 吴斌， 管莉娜． 典型机床夹具定位误差计算机辅 助计算[ J ] ． 大连民族学院学报， 2 0 0 6 3 l 92 0 ． 【 5 】 刘让贤， 郭紫贵， 凡进军． 基于图形法的机床夹具定位误 差计算[ J ] ． 装备制造技术， 2 0 0 7 5 3 4 3 5 ． 【 6 】 王宗彦， 吴淑芳 ， 秦慧斌， 等． S o l i d Wo r k s 机械产品高级 开发技术[ M] ． 北京 北京理工大学出版社， 2 0 0 5 ． 【 7 】 S o l i d Wo r k s 公司． S 0 l i d w0 r k s A P I 二次开发[ M] ． 生信实 维公司 ， 译 ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 8 】江洪， 魏峥， 王涛威． S o l i d Wo s二次 开发实例解析 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 4 ． 上接第 6 9页 【 3 】张政， 吴序堂， 马书根， 等． 基于软件化体系结构的数控 机床主控系统的开发[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 2 9 397． 【 4 】郝钢， 韩秋实， 孙志永． 基于P MA C的开放式数控系统性 能的研究[ J ] ． 北京机械工业学院学报， 2 0 0 3 ， 1 8 2 2 4 28． 【 5 】白建华， 刘恒娟， 范剑． 基于P MA C运动控制器的开放式 数控系统[ J ] ． 机电工程， 2 0 0 4 ， 2 1 4 1 61 9 ． 上接第 7 2页 【 2 】齐海涛， 付永领， 王占林． 泵阀协调控制电动静液作动器 方案分析[ J ] ． 北京航空航天大学学报， 2 0 0 8 ， 3 4 2 1 31 1 3 4． 【 3 】王鹏， 焦让． 新型的电动静液作动器研究[ J ] ． 液压与气 动， 2 0 0 8 3 5 0 5 1 ． 【 4 】许宏光， 桂文浩， 刘庆和． 液压闭式回路无动力补油的试 验研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 2 1 2 1 1 2 3 ， 3 4 ． 【 5 】马雅丽， 黄志坚． 蓄能器实用技术[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 6 ． 【 6 】 李壮云． 液压元件与系统[ M] ． 2 版． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 6 ． 5 ．