龙门铣床横梁和滑枕的液压自动平衡系统研究.pdf

第 4期 总第 1 7 3期 2 0 1 2年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E CHANI CAL ENGI NE ERI NG AUT0MATI N NO ．4 Au g ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 4 - 0 1 7 7 0 3 龙 门铣床横梁和滑枕 的液压 自动平衡系统研究 喻 悠然 ，王 野牧 沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 1 1 0 8 7 0 摘要 介绍 了龙 门铣床横梁 、滑枕液压 自动平衡 系统 的工作原理 。着 重分析 了龙 门铣床在上移 、停止 、下移 3种工况下溢流型三通减压 阀在平衡横梁 自重过程 中的工作机理 ，对三通减压 阀的减压 过程、溢流过程分 别 建立状态方程 ，同时给 出了三 通减压 阀控 制平衡 油缸 的动 态过程 数学模 型，完成 了基 于 MAT L AB S I MU L I N K软件包 的平 衡系统仿真。仿真结果表 明基于三通减压 阀的液压 自动平衡 系统 能够较好地 实现龙 门铣床 横梁、滑枕 的 自重平衡作用。 关键词 龙 门铣床；液压平衡 ；三通减压 阀；数学模型 ；MA TL A B仿真 中图分类号 TG 5 4 2 文献标识码 B 0 引 言 数控龙门铣 床中横梁及滑枕 的 自身重量均 比较 大 ， 为了消除 自重对机床控制的影响 ， 必须将其 自身重 量平衡掉 。传统 的解决方法是 为横 梁滑枕增加平 衡 块 ， 其优点是结构简单 、 维护及安装调试方便 ， 但 平衡 块的力跟随性能差 ， 设备重量大 、 占用空间大[ 】 ] ， 对要 求高精度和快速响应 的数控龙 门铣床已不适合。基于 三通减压阀的液压闭环力平衡系统具有响应速度快 、 压力控制精度高和跟随特性好等特点， 可满足机床 高 精度控制的要求 。 1 液压 平衡 系统方 案 的确定及 工 作原理 龙门铣床横梁滑枕 的液压 自动平衡 系统有上移、 停止 、 下移 3种工况 ， 采用三通 比例减压阀实现适应这 3种工况的液压平衡 。液压 自动平衡 系统原理图如 图 1所示 。 平衡系统启动后 ， 电磁 阀的电磁铁 1 YA、 4 YA带 电， 换向阀换 向， 液控单 向阀打开。压力油由柱塞泵排 出经单向阀 8 、 出口滤油器 9 ， 进入三通 比例减压阀 1 3 的一次压力 口进行减压 ， 使二次压力 口输 出压力保持 在调定的平衡压力 ， 再经液控单向阀 1 6进人平衡油缸 无杆腔， 实现龙 门铣床横梁 、 滑枕的 自动平衡 。平衡油 缸采用单作用液压缸 ， 比例 溢流阀 l 7与三通减压 阀 l 3构成三通 比例减压阀。 当平衡油缸上移及停止时， 三通比例减压阀起减压 阀作用； 当平衡油缸下移时， 三通 比例减压阀起溢流阀 作用。实际工作中由压力传感器与三通 比例减压阀一 起构成压力闭环控制系统， 实现对负载力的平衡控制。 滑枕平衡 Y A 1 一风式冷却器 ； 2 一回油过滤 器； 3 一液位控制器 ； 4 一空气过滤 器； 5 一电机 6 一吸油过滤 器； 7 一柱塞泵 ； 8 一单向阀 ； 9 一出口过滤器 ； 1 O 一活塞式蓄能器l 1 1 一压力继 电器 I 1 2 一测压接头； 1 3 一三通减压阀 l 1 4 一电磁阀； 1 5 一压力传感器 ； 1 6 一液控单向阀 } 1 7 一比例溢流阀 } 1 8 一测 压装置 含压力表 ； 1 9 一溢流 阀 图 l 液压 自动平衡系统原理图 2 液压 平衡 系统 的数学 建模 三通比例减压阀的结构原理如图 2所示。其中， 为先导级控制压力， 为输入信号电压值 ， 为平衡系 统控制压力， P j 为进油 口压力 ， 为主阀下腔容积， 收稿 日期 l 2 0 1 2 0 2 0 9 ，修 回日期 2 0 1 2 0 3 1 5 作者简介 喻悠然 1 9 8 7 一 ，男 ，河南信 阳人 ，在读硕士研究生 ，研究方向为液压控制 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 8 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 2年第 4期 为主阀上腔容积 ， 为平衡油缸无杆腔容积。 先 导阀 R 图 2 三 通 比 例 减 压 阀 结 构 原 理 图 2 ． 1 三通比例减压阀先导级数学模型[ 2 。 ] 三 通 比例 减 压 阀先 导级 实际 上是 一个直 动式 比例 溢流阀， 由于其响应与主阀相比比较快 ， 可以把它简化 成 一个 放大环 节 处理 。简化 后 的力 平 衡方程 为 P Kp U 一K P 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 其中 K 为电压一压力系数； K 为压力传感器放大系数。 2 ． 2 三通 比例 减压 阀主 阀控制 平衡 油缸 的数 学模 型 忽略液动力及摩擦力 2 ． 2 ． 1 当三通比例减压阀主阀起减压阀作用时 当三 通 比例 减 压 阀 主 阀起 减 压 阀作 用 时 ， 主 阀下 腔 流量连 续方程 为 Q v Q 一 瓦Y o 警 A 警 。 ⋯ ⋯ ⋯ 2 其中 为主阀进油 口流量； A为主阀芯上下端有效作 用面积 ； 为通 过 阻尼节 流 口 R的流 量 ； 为 主阀 出 油 口流量； Xv 为主阀芯位移量； 为油液弹性模量。 通过 主阀节流 口的流量 方程 为 Q V G L 一 X v ／ 。 ⋯⋯ 3 lu 其 中 为流量 系 数 ； 。为 主 阀芯 面 积 梯 度 ； L 为 主 阀芯进 油 口处 的预开 口量 ； ID 为油 液密 度 。 通 过 阻尼节 流 口 R 的流量 方程 为 其 中 d 为固定阻尼节流口 R的直径。 平 衡 油缸上 移产 生 的流量 方程 为 Q Ae v e 。⋯⋯ 5 u 其中 A 为平衡油缸无杆腔的作用面积 ； 为平衡油 缸活塞杆下移速度 ； X，为活塞杆伸出位移量。 将式 3 、 式 4 、 式 5 代入式 2 则有 Cd C O l Ll Xy 2 PA-- P ．一 AP P一 ～ lD V3 AP XP d P 4 Vo d P l 十 一 d t 。 A 警 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 主阀力平衡方程为 P A P 警 K ＆ x 。 X 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 7 其 中 M 为主阀移动部件的质量 ； D 为主阀芯黏性阻 尼系数； Ks x 为主 阀弹簧刚度； X 为主 阀弹簧预压缩 量 。 由式 6 、 式 7 得 Lid t A X V o 一 一一t I 。 ， 1． ‘ ． 一 ．，● ● P P 、 、 “ J 2 P ,p P A ． 一 警√ 一 一 。 一 d ■ f__ ■ ～一 A P P A 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 8 d 2 Xv 一 1 P A Pz A D 一 K x。 Xv 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 9 设状态变量为 X。 一P A ； X2 一X ； X。 一x 。则 可得三通减压阀起减压作用时的控制状态方程为 x 丽 ∞ L - 一 X 。 J 2 P , -- X 1． 一 警√ 一 一 ’ 一 乙 d ■ r √ 一 一 A P V P AX。 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 X2 X。 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 1 x s 焘 x A P A D x K s ． x 。 x z 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 2 2 ． 2 ． 2 当三通比例减压阀主阀起溢流阀作用时 当三通比例减压阀主阀起溢流阀作用时 ， 主阀下 腔流 量连续 方程 为 QA-- - Q1 ’ Q “q - A d XvY 。 d PA 。 ⋯⋯ 1 3 其 中 Qt为主阀回油 口流量。平衡油缸活塞杆下移产 生的 流量 为 Q n - A 一 百d P A 。 ⋯⋯ 1 4 通过 主阀 回油 口的流量 方程 为 Q C dO12X v √ 。 ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ 1 5 其中 。 为回油 口阀芯面积梯度。通过节流 口 R流量 方程 为 。 ⋯⋯⋯⋯ 1 6 将式 1 4 、 式 1 5 、 式 1 6 代 入式 1 3 则有 AP P AP XP dPA ∞2 Xv 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m