基于虚轴原理的液压折弯机同步控制研究.pdf

第 1 0期 2 0 1 3年 1 0月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od ul a r M a c h i ne To ol Au t o m a t i c M a nuf a c t ur i ng Te c h ni q ue NO． 1 0 Oc t ．20 1 3 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 3 1 00 0 8 70 3 基于虚轴原理的液压折弯机同步控制研究 李素玲 ， 刘广飞 ， 崔振华 1 ． 山东理 工 大 学 电 气 与 电子 工 程 学 院 ， 山东 淄博 2 5 5 0 4 9； 2 ． 聊城 职 业 技 术 学 院 ， 山东 聊城 2 5 2 0 0 0 摘要 基 于液压折 弯机 工 作原 理及 存在 的 问题 ， 采 用运动 同步 控 制领 域 的 虚拟 轴原 理 ， 虚 拟 出一根 主 轴 直接 驱动 液压 折 弯机 同步 系统 ； 同 时 ， 建 立 了虚拟 主 轴模 型 以及 基 于虚 拟 主 轴 的液 压 折 弯机 系统 模 型 ， 并进行 了 MA T L A B仿 真 。结 果表 明 ， 采用 虚拟 主轴 同步控 制 策 略 的 液压 折 弯机 同步 控 制 系统 可 以获得 更好 的跟 随性 、 稳 态性 能和抗 干扰 性 ， 提 高 了液 压折 弯机 运动 的 同步性 和稳 定性 。 关键 词 液 压折 弯机 ； 虚 拟主 轴 ； 同步控 制 ； 液 压伺服 系统 中图分 类号 T H 1 6 5 ； T P 2 3 文献 标识 码 A The S t udy o f Sy nc hr 0 n i z a t i 0 n Co nt r o l o f t he Hyd r a u l i c Be nd i ng M a c h i ne Bas e d o n t h e Vi r t u a l Sh aft Co n t r ol Pr i n c i p l e LI S u- l i ng ，LI U Gu a n g ． f e i ，CUI Z h e n h u a 。 1 ． S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，S h a n d o n g Un i v e r i s i t y o f T e c h n o l o g y ，Z i b o S h a n d o n g 2 5 5 0 0 0，C h i n a ；2 ． L i a o c h e n g Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，L i a o c h e n g S h a n d o n g 2 5 2 0 0 0，C h i n a Abs t r a c tB a s e d o n t he wo r ki n g p r i n c i p l e of h yd r a u l i c be n d i ng ma c h i n e a n d e x i s t i ng p r o b l e ms，t h e p r i n c i p l e o f v i r t u a l a x i s i n mot i on s y nc h r O n i z a t i O n c o n t r o l f i e l d h a s b e e n u s e d ．Th e v i r t ua l s p i n d l e d r i v e s y n - c h r o n i z a t i o n s y s t e m o f h y d r a u l i c b e n d i n g ma c h i ne d i r e c t l y． At t h e s a me t i me，t he v i r t u a l s p i nd l e mo de l a n d hy d r a u l i c b e n d i n g ma c h i n e s ys t e m mod e l h a ve be e n e s t a bl i s h e d b a s e d o n t h e v i r t u a l a xi s ． And t h r o u g h t h e M ATLAB s i mu l a t i o n，t h e r e s u l t s s ho w t h a t t he s ys t e m c a n o b t a i n be t t e r f ol l owi n g p e r f o r m a n c e，s t a b l e p e r f o r ma n c e a n d r o bu s t n e s s o f s y n c h r o no u s c o n t r o l o f h yd r a u l i c be n d i ng ma c h i n e b y t he v i r t ua l s p i n d l e s y nc h r o n o us c o n t r o l s t r a t e g y．Th e s y n c h r O ni z a t i o n a n d s t a bi l i t y o f h yd r a u l i c b e n d i ng ma c h i n e ha s b e e n i mp r o v e d ． Ke y wor ds h y d r a u l i c be n d i n g ma c h i n e；vi r t u a l s pi nd l e；s yn c h r O n i z a t i O n c o n t r o l ；h y d r a ul i c s e r v o s ys t e m 0 引 言 液 压折 弯 机 是 一 种 通 用 的 金 属 板 料 折 弯 机 械 ， 在 常温 下利 用 模 具 将 板 料 弯 成 各 种 型 材 或 构 件 ， 如 在 机 床 电 器 、 家 电、 机 械 、 建 筑 等 制 造 行 业 都 使 用 了 大量 的板 料 折 弯 件 ⋯ 。为 减 轻 劳 动 强 度 、 降低 生 产 成本 、 改 善 劳动环 境 、 提 高 并 保 证板 料 折 弯 成 形 的质 量 ， 对折 弯机 自动 化 生 产 程 度 和控 制 水 平 的要 求 越 来越 高 。如 何 控 制 液 压 折 弯 机 滑 块 的精 确 运 动 ， 并 使 安装 于 横 梁两 端 的 两个 液 压 缸实 现 同步 驱 动 是解 决 问题 的关键 。 同步驱 动 是 液 压 折 弯 机 长 久 以 来 存 在 的 问 题 。 对 于精度 要 求 不 高 的小 型 液 压 折 弯 机 ， 一 般 均 采 用 机液 伺服 阀等 组 成 的机 械 反 馈 式 同步 闭环 控 制 ， 而 对于中型液压折弯机 或同步精度要求较 高的场合 ， 以采 用 电液 伺 服 阀、 比 例 控 制 阀或 数 字 控 制 阀 组 成 的电反 馈式 同步 控制 为 宜 。本 文 提 出将 用 于 电 机 驱 动元 件 的虚轴原 理 应 用 于液 压 折 弯 机 的 同步控 制 中 ， 以提 高折 弯机 的综合 性 能和控 制精 度 。 1 液压折弯机 结构 组成及 工作原 理 液 压折 弯机 的结 构 组 成 如 图 1所 示 ， 主 要 由机 架 、 工作 台 、 滑 块 、 上下 模 具 、 挡 料 架 等部 件 组 成 。 由 电液 伺服 阀 控 制 液 压 缸 ， 并 通 过 两 个 液 压 缸 驱 动 滑 块 ， 同 时采用伺 服 电机驱 动后 挡料 板 以及送 料 。 折弯机 的工作原 理 后 挡料 板首 先移 至 某一 确 定 位置 ， 当送料 机构将板料 移至与挡料 板接触 时 ， 液压 缸 驱动滑块并 带动 上模 向下移 动 。根据所 需 折弯 角度 ， 滑块带动上模 下降至下模 内一定深度后致使板料成 形 ， 然后快速 返 回。其 中 ， 滑块移动位 置 由两端 测量装 置一 光栅 尺随时读 出并与要求 位置进 行 比较 ， 根据 位 置 偏 差来调节 油缸 的进 油量 ， 从 而保 证 滑块 运 动过 程 中 收 稿 日期 2 0 1 30 42 4 作者简介 李素玲 1 9 6 O 一 ， 女 ， 山东淄博人 ， 山东理工大学 电气与 电子工程学 院教授 ， 主要研究 方向为 检测技术 与 自动化装 置 ， Ema i l l s l 6 08 1 6 3． c o m 。 8 8 组 合机床 与 自动化 加工技 术 第 1 0期 的同步精度及 定位精度 。该 折弯 机 由 P L C作 为主 控制器 ， 可 以实 现空程快速下行 ， 滑块 慢 、 快速 接近 ， 加 压 、 保压 、 卸压 、 回程 和任意停止等 动作 。 6 1 ． 滑块 2 ． 上模 3 ． 下模 4 ． 工作 台 5 ． 后 挡料架 6 ． 液压缸 7 ． 电液 阀 8 ． 机架 图 1 液 压 折 弯机 结构 图 2 同步控 制方案及模型建 立 本 系统共 有 四个控 制 轴 ， 伺 服 电机控 制 的后挡 料 板定 位轴 ， 伺服 电机 控制 的下模送 料 传动 轴 以及两 个 液 压缸驱动 的滑块位 移调整 轴。折 弯机通 过调 整这 4 个 轴的位移 ， 即可折成 各种不 同形状 的折弯工件 。 在加 工过程 中 ， 控 制折 弯机 滑块 运动 的两 个液 压 缸需 要达到 同步 运行 ， 否则 如果 两端 液压 缸运 动速 度 不一致 ， 轻则影响折弯精度， 严重时会损坏传动机构。 而折 弯机 的同步 控制 通常 采用 主从 控制 方式 ， 该方 式 复杂且适应性较 差 ， 尤 其在 重载 不平 衡 的工 况下更 是 如此。本文基 于 以上 分析 ， 提 出将用 于 电机 驱动元 件 的虚轴原理应用 于液压折弯机 的同步控制 中。 2 ． 1 虚 拟轴 原理 及其 建立 虚 轴 原 理 是 虚 拟 主 轴 原 理 的 简 称 。 R ． D ． L o r e n z 与 P ．B ．S c h mi d t ． 在文献 [ 5 ] 中首次 涉及 到虚 拟轴 ， 将其 定 义为 相 对 刚 度 。进 而 ， K．P a y e t t e ． 在 文 献 [ 6 ] 和 [ 7 ] 中 明确 了虚拟 轴 的概 念 ， 并 在 运动 轴 间 建立起耦合模型。在此基础上 ， D ．S u n在其文献 [ 8 ] 中详细对虚拟 主轴 的物 理意义进行 阐述 ， 并将其应 用 于电机 驱动运 动 系 统 。虚拟 轴 借 鉴 了传 统设 备 上 所有 运动 都是 由主 轴 来分 配 的 原理 。虚 拟 轴 的 中心 思想 就是 在 多轴 运 动装 备 上 ， 通 过 虚 拟 出一 根 主 轴 来分 配和 实现各 运 动轴 间的协 调 同步 。 虚拟 轴 的提 出是基 于传 统 设 备 中主 轴 的 工作 原 理 ， 由于各 个 运 动 轴 是 由连 接 结 构 连 接 在 主运 动 轴 上 的 ， 虚拟 主 轴 分 配 能 量 和 控 制 各 个 运 动 轴 运 动 是 通过 电机 驱 动 转 矩 带 动 的 ， 而 各 个 运 动 轴 上 所 受 到 的 负载 力通 过 机械 装 置 的反馈 设 备 反馈 给该 虚 拟 主 轴 ， 进而使主轴与各运动轴 间达到力矩相平衡 的状 态 ， 即 ， T 2 ． I， ， 1 一d t dt ’ 其 中 ， 是 系统 的输 入 力矩 ， 是 各个 运 动 轴 的反馈 力矩 ， I， 是虚 拟 主 轴 的 转 动 惯 量 ， 为 虚 拟 主 轴 的 转 速 ， 0为虚拟 主轴 的运 动位 移 。 系 统 中虚 拟 主 轴 输 入 的力 矩也 是 虚 拟 的 ， 是 根 据 机械设 备 的性 能 要 求 以及 工 作 状 况 计 算 得 出 的。 假设模拟 出的该运动 主轴是一根 弹性机械轴 ， 其参 考 输入 转速 为 ∞ ， 各 实 际轴 的转 速 为 ∞ ， 故该 主轴 由 此 产生 的驱 动力矩 为 T k ，一 2 其 中 ， k 为虚拟 主轴 的弹性 系数 。 各 个运 动轴 的反馈 力矩 ， 为 T b ， ∞ 一∞ K 0 一0 K f 0 一0 d t 3 其 中 ， b ， 为 阻尼增 益 ， K ， 为 刚 度增 益 ， K 为积 分 刚 度 增 益 ， 0 为各 轴角 位移 ， 0 为实 际角位 移 。 2 ． 2 折 弯机液 压 同步控 制模型 的建 立 由于在传统机械设备上 ， 不论是真实存在的主 轴还 是虚拟 出 来 的 主 轴 ， 各 运 动 轴 都 是 利 用 连 接 机 构连 接在 主轴 上 的 ， 主 轴 通 过 提 供 驱 动 转 矩 带 动 和 控制 各个运 动 轴 来 完 成 运 动 ， 各 运 动 轴 上 的 输 出负 载力 通过 同步 机 械 反 馈 装 置 送 回主 轴 ， 与 参 考 输 入 进行 比较 。 基 于 虚 轴 原 理 的 液 压 折 弯 机 模 型 框 图如 图 2所示 。 输入 电压“ 传感器 传感器 一 传感器 藉 I l 零 件l 位移x 图 2 液 压 折 弯 机 虚 拟 轴 控 制 系 统 结 构 图 折 弯机液 压伺 服位 置系统 模型 如 图 3所示 ， 其 中 为伺服 放 大 增 益 ， 为 伺 服 阀 静 态 流 量 增 益 ， K 为伺 服 阀 的流 量放 大系 数 ， A 为液 压 缸 的有 效 面积 ， K ， 为位移 传感 器放 大系数 ， “为系统 参考输 入 ， 为系 统 输 出位移 ， F为负 载扰 动 。 图 3 液 压 伺 服 位 置 系 统 模 型 3 系统仿真与分析 3 ． 1 仿 真模型 的建 立 考虑到虚轴控制方式易产生共振 ， 根据文献 [ 6 ] 提供的参数调整方法 ， 本文只针对两路液压伺服系 统作 为研 究对 象 进行 仿真 。 其 中 ， 两 轴 的 电流 和 速度 回路 均 为异 步采 样 ， 位 置反 馈也 由微分 器 给予 提 供 。 为 了 比较 主从 方 式 和 虚 轴 方 式 的 同步 精 度 ， 分 别 建 立 了两 种 同 步 方 式 的 MA T L A B ／ S i m u l i n k仿 真 模 型 仿 真模 型 图略 。 根 据 WC 6 7 Y一 1 0 0 ／ 3 2 0 0型液压 折 弯 机的模型参数 ， 两个液压伺服系统 的开环传递 函数 分 别为 7 l 2 3 B 4 5 2 0 1 3年 1 0月 李 素玲 ， 等 基 于虚 轴原 理 的液压 折 弯机 同步控 制研 究 8 9 Y l s 3 ． 3 61 0 一 U． s s 8 ． 6 5 2 s 1 0 6 0 9 s Y 2 s 4 ． 1 91 0 一 U 2 s s 1 1 ． 5 s 1 3 3 2 5 s 4 5 WC 6 7 Y一 1 0 0 ／ 3 2 0 0型 液 压 折 弯 机 的滑 块 最 大 位 移 为 6 0 ram。 根 据 对 折 弯 机 的液 压 缸 实 时 观 测 ， 得 到 其 输入 位移 信号 即 系统 输 出 Y 与 液 压 缸 实 际输 出位移 Y 和 Y 存 在某 种 函数 关 系 。 根 据 实测 结 果 与 输入信号， 按 照最小二乘数据处 理和 曲线拟合 的方 法 ， 得 出 Y与 Y 、 Y 之 间的关 系 为 y一 1 ． 3 2 6Y 1 y 2 由式 4 、 5 和 6 进 而得 到 Y与 、 之 间 的 关 系为 y ㈠一 7 由于 驱动 折弯 机 滑块 的两 个 液 压伺 服 系 统 的输 入 电压信号 u 。 与 “ 是相同的， 故式 7 可变为 盟 鱼 f 8 、 Ul2 s 9 ． 3 6 s 1 0 7 5 9 s 3 ． 2仿 真 结果 与分 析 加 入 随机 扰 动 时 ， 对 主 从 方 式 和 虚 轴 方 式 的 液 压折弯机 同步 系统分别 加入 单位 阶跃信 号进行 仿 真 ， 在 传统 P I D控 制方 式 下得 到 响应 曲线 分别 如 图 4 和 图 5所示 ， 在 模糊 P I D 川 控 制 方 式 下得 到响 应 曲 线 分别 如 图 6和 图 7所 示 。 由图 可得 出两 种 同步 方 式 下 的动态 特性 如 表 1和表 2所 示 。 表 1 主从 同步方式 下液压 伺服 系统的动态特性 ＼ 特性 上升 调节 超调 最 大同 跟随 控制方 ＼ 时间 时间 量 步误差 性 P I D 液压伺服 1 2 ． 5 s 2 5 S 3 6 ． 7 ％ 0 ． 9 2 差 控制 液压伺服 2 2 4 s 2 5 S 0 模糊 液压伺服 1 3 S 2 0 S 5 ． 6 ％ O ． 5 7 较 差 P I D 液压伺服 2 2 2 S 2 5 S O 表 2虚轴同步方式下液压伺服 系统的动态特性 ＼ 特性 上升 调节 超调 最大 同 跟随 控制 方式＼ 时间 时间 量 步误差 性 P I D 液压伺服 1 0 ． 5 2 s 4 s 3 0 ． 5 ％ O ． 1 5 好 控制 液压伺服 2 0 ． 6 l S 4 ． 2 5 S 3 6 ． 7 ％ 模糊 液压伺服 1 0 ． 5 2 S O ． 5 2 s O ％ 0 ． 0 3 8 很 好 P I D 液压伺服 2 0 ． 5 S 0 ． 5 8 0 ％ | _j ‘ 液压 伺服 系统1 ● -● ● 芟 压 日 服孬 统2 一 ● 一 _t，_ ● ， ’ ● ．、 、 ， _ _f， ● ● ‘ 图 4主从式 同步 控制系统 P I D控制方式下 阶跃 响应 A 液压伺服系统1 ， ． ． ， l 图 5虚 拟主系统同步控制系统 P I D 控制方式下阶跃响应 液压伺服系统 1 ⋯ 液压伺服系统2 图 6 主从式 同步控制 系统模糊 P I D控制方式下 阶跃响应 。 液压 司服系统 l 厂 图 7 虚 拟 主 系统 模 糊 P I D 控 制 方 式 下 阶 跃 响 应 对 比表 1和 表 2 ， 在 虚 轴 同步 控 制 系 统 中 ， 两 个 液压 伺服 驱 动系统 的响 应 速度 远 远 快 于主 从 式 同步 控制 系统 ， 调 节 时 间也 明 显 小 于 主 从 式 同步 控 制 系 统 ， 更重 要 的是 同 步误 差 要 远 远 小 于 主 从 式 同步 控 制 系统 。尤 其 是 在 模 糊 P I D控 制 方 式 下 ， 虚 轴 同步 控制系统 的同步性能和跟 随性 能都有 明显的改善 ， 两个 液压 伺服 驱动 系 统 几乎 同步 ， 响 应无 振 荡 ， 调 节 时间缩短 ， 稳定性大大提高。 4 结 论 根据 以上 分析 可 以得 出 以下 结论 1 虚 轴 法 同 步控 制 系 统在 同步 性 能 和跟 随性 能上 优于 主从 同步 控制 方式 。 2 虚轴法同步控制秉承 了主从式、 耦合式等 同 步方式 的优点 ， 并 克服 了它们 所 存 在 的缺 点 ， 具 有 更 高 的同步 精度 和更好 的抗 干扰 性 能 。 3 模糊 P I D控制策 略使虚轴 同步控制在液压 同步控 制 系 统 中如 虎 添 翼 ， 系 统 性 能 良好 。 当 工 况 发 生 变 化 时 ， 具 有 更 好 的 鲁 棒 性 ， 适 用 于非 线 性 、 强 干扰 的不确 定复 杂 系统 。 下转 第 9 4页 1 1 0 0 O O 4 2 l 8 6 4 2 0 l l 0 O 0 0