搅拌摩擦焊主轴位置液压伺服控制仿真与分析.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 43 No ． 2 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 5 ． 0 2 ． 0 2 2 搅拌摩擦焊主轴位置液压伺服控制仿真与分析 张建全 ，于今 ，蒋春梅 1 ．中国工程物理研究院总体工程研究所 ，四川绵 阳 6 2 1 0 0 0 ； 2 ．重庆大学机械工程学院，重庆 4 0 0 0 3 0 摘要搅拌摩擦焊接技术是一种新型固相焊接技术，由于其独特的技术优势正被广泛应用于铝合金等轻质合金板的焊 接中。分析了基于液压伺服技术的搅拌摩擦焊接系统，推导出主轴液压伺服系统的数学模型，在 MA T L A B软件的S i mu l i n k 模块中搭建控制模型，分别利用模糊 P I D和普通 P I D控制理论对控制模型进行仿真。通过分析仿真结果发现模糊 P I D和 普通 P I D控制方法虽然都能实现对主轴液压系统的伺服位置和力控制 ，但模糊 P I D控制不论是在响应时间、控制精度还是 抗干扰能力方面都优于普通 P I D控制，并且通过实验验证了模糊 P I D控制的可行性。 关键词搅拌摩擦焊位置液压伺服控制；模糊 P I D 中图分类号 T G 4 3 9 ． 8 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 2 - 0 6 6 4 Si mu l a t i o n a n d An a l y s i s o f t h e Po s i t i o n Hy d r a ul i c S e r v o Co nt r o l f o r S p i n dl e o f Fr i c t i o n S t i r W e l di ng z HANG J i a n q u a n ，YU J i n ，J I AN G C h u n me i 1 ． I n s t i t u t e o f S y s t e m s E n g i n e e ri n g ，C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e ri n g P h y s i c s ，Mi a n y a n g S i c hu a n 6 21 0 00。Ch i n a 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t F r i c t i o n s t i r w e l d i n g F S Wi s a n e w k i n d o f s o l i d p h a s e w e l d i n g t e c h n o l o g y ． F S W i s w i d e l y u s e d i n w e l d i n g o f t h e l i g h t we i g h t a l l o y s s u c h a s a l u mi n u m a l l o y p l a t e b e c a u s e o f i t p a r t i c u l a r a d v a n t a g e s ．F S W s y s t e m b a s e d o n h y d r a u l i c s e r v o t e c h n o l o gy w a s a n a l y z e d a n d t h e ma t h e ma t i c al mo d e l o f t h e p o s i t i o n h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m w a s d e d u c e d ．A f t e r t h e c o n t r o l s y s t e m mo d e l wa s b u i l t i n t h e MA TL A B ／ S i mu l i n k mo d u l e ，t h e s y s t e m wa s s i mu l a t e d b y u s i n g f u z z y P I D c o n t r o l me t h o d a n d P I D c o n t r o l me t h o d ． B y a n a l y z i n g t h e s i mu l a t i o n r e s u h s ，t h e f o l l o w i n g r e s u l t s a r e a c h i e v e d b o t h o f t h e f u z z y P I D a n d P I D c o n t r o l me t h o d a r e e f f e c t i v e i n c o n t r o l l i n g t h e p o s i t i o n o f t h e s p i n d l e h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m． T h e f u z z y PI D c o n t r o l me t h o d wo r k s b e t t e r t h a n t h e P I D c o n t r o l me t h o d i n r e s p o n s e t i me ，c o n t r o l a c c u r a c y a s we l l a s a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ． T h e r e s u l t s o f c o r r e s p o n d i n g e x p e r i me n t s h o w t h a t t h e f u z z y P I D c o n t r o l me t h o d i S e f f e c t i v e ． Ke ywo r dsFric t i o n St i r We l d i ng；Po s i t i o n h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l ；F uz z y PI D 铝合金在航空、航天、汽车、船舶、轨道交通等 行业 领域 的应用越来越 广泛 ，而针对铝合金 的焊接技 术 也在不 断发展 和革新 _ l ] 。搅 拌摩擦焊 作为一种 新 兴 固相 焊接技术 ，在铝合金等轻质合金 的焊接 中得到 青 睐 ，使 得铝合 金 的焊 接工 艺 和质量 有 了很 大 的提 高。和传统熔焊技术相比，搅拌摩擦焊接技术有一些 独特的特点 ．根 除了传 统熔焊产生 的气孔 、裂纹等缺 陷，降低了焊接变形等。而正是这些技术特点才使得 搅拌摩擦焊接技术在很短的时间内完成了从 发明到工 业化应用的历程，显示出逐渐取代传统焊接技术的趋 势。 目前 ，这项 焊接 技术 在铝合 金构建 焊接制 造 中 ， 已经展示出显著的技术和经济效益。 搅拌 摩 擦 焊 F S W 技 术 是 英 国焊 接 研 究 所 T wI 于 1 9 9 1 年发明并被迅速在全球范 围内广泛应 用 的一种新 型 固相 焊 接技 术 。其工 作 原理 为 如 图 1 所示 Z向主轴在液压伺服 系统 的驱 动下进给 ， 搅 拌头插 入焊接 材料 高速旋转 与焊接 材料摩擦产生 大 量热量，使得材料处于塑性状态，随着搅拌头的移 动 。高度 塑性变形 的材料流 向搅拌头 的背后 ，从而形 成搅拌 摩擦 焊焊 缝。此过程不需要材 料熔化 属于固相 焊接 ．但 在焊接过程中需要热 量使得 待焊接 部位处 于 塑性状态，因此在焊接过程中采用伺服液压系统提供 焊接所需的 z向正压 力及 对搅 拌头 进行 实 时位 置控 制以确保焊接工艺和质量。 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 0 7 作者简介 张建全 1 9 8 8 一 ，男 ，硕士研究 生 ，助理 工程师 ，从 事离心机 非标 结构设计 方面 的研究 。E m a i l q s c d s g 1 6 3． c o m。 第 2期 张建全 等搅拌摩擦焊主轴位置液压伺服控制仿真与分析 6 7 图 1 搅拌摩擦焊接过程示 意图 1 主轴液压伺服系统 搅拌摩擦焊接机 在焊接 合金板时 ，主要工作部件 是主轴系统。焊接时主轴需要完成如下动作主轴转 动 、主轴下压 、主轴 沿 焊 缝 移动 、完 成 焊接 主轴 退 出。对 于不 同厚度 的工件 ，搅拌头在下压 的过程 中压 人工件的深度不一样，需要对下压位移做精确控制。 另外在焊接过程中。为确保焊接质量，需要主轴搅拌 头在 z轴方 向上保 持位 置 ，也 需要 对 搅拌 头 进行 精 确位置控 制 ．同时 需要 对 主轴 的下 压 力进 行 伺 服调 节 。因此 ，搅拌头 的动作要 求如下 行程可调 ，且下 压速度缓慢平稳 ；下 压力 较大 ，且可调 。焊接 中的主 轴进给 以及搅 拌头出力 由液压伺服 系统来完成 。 器 图 2 搅拌摩擦焊主轴液压伺服系统原理图 液压伺服 系统采 用 高频 响 比例 阀控 液 压 缸 的形 式 。当需要对搅拌头进行位 置伺 服控制 时 ，液压泵工 作 ，打出高压油，比例阀驱动器发出指令控制 比例 阀，同时液压缸中的位移传感器实时检测活塞位移． 同时反馈信号 给 比例 阀驱动器控制 比例阀开 口大小以 及 开关 ，以达到精确 控制 活塞位移的 目的。位置控 制 采用 比例阀控缸闭环系统，能够很好地实现位置控 制。液 压系统 原理图如图 2 所示 2 位置液压伺服 系统数学建模 位 置液压伺服控制是典型 的电液 比例位置压力控 制系统 ，以高频响 比例方 向阀为控制核心元件 ，利用 输入信号实现系统检测或控制，精确地控制液压缸活 塞的位 移和输 出压 力 ，进 而实 现控 制 主轴 z向位 移 和液压缸压力的 目的。液压缸 内的位移传感器检测实 际位移并与输入值比较，经控制器处理后又经比例阀 的放大器放大 ，作为 比例阀的控制电流信号 ，驱动 比 例阀阀芯 移动 ，从 而 控制 压 力油 推动 液压 缸活 塞 运 动 ，实现对主轴 z 向位置 精 确控 制。位 置伺 服控 制 主要由放大环节、比例阀环节、比例阀控缸环节和反 馈环节组成 。 2 ． 1放 大 环 节 该系统选用的高频响 比例方 向阀带有集成 电控装 置，内含有比例放大器，反馈位移与输入位移比较经 数字控制器处理后，再转化为模拟电流信号 ，由比例 放大器放大后控制 比例 电磁 铁运动 ，进 而调节 电液 比 例控制 系统。相对 于机械部分 ，比例放大 器 固有频率 较高，响应速度快，作为比例环节处理，其传递函数 为 0 2 ． 2比例 阀环 节 在工程实 际应 用 中，根 据实 际情况 和测试 结果 ， 将 比例方 向阀作 为一个 二阶振荡 环节来 处理 ，其 传递函数如下 G。 2 2 ， ， ， ， 、 一 s 1 m ‘ m 式中P为比例方向阀流量，m ／ s ；， 为 比例方向阀 输入电流，A；K m为 比例方 向阀流量 一 电流增益 ． m ／ s A ；∞ 为比例方向阀固有频率，r a d ／ s ； 为 比例方 向阀阻 尼 比 ， 取值 范 围为 [ 0 ． 5 ，0 ． 7 ] ， 取 0 ． 6 。 2 ． 3 比例 阀控缸 环 节 主轴在 z 向运 动 时 ，通 过 电流模 拟 量 的输入 调 节比例阀流量，精确控制主轴的位置。阀控缸的动态 特性不仅 取决 于 阀 和液压 缸 的特 性 ，而且 与 负 载有 关，为了简化分析建模，按集中参数考虑，假定负载 6 8 机床与液压 第 4 3 卷 是 质量 、弹簧 和黏 性 阻尼构 成 的单 自由度 系统 。忽 略非线性 因素 ，研究某一稳态工作点 附近 的微小线性 运 动。并假设 供油压力恒定 ，油液 的温度和密度均 为常数 ，比例阀工作时阀I I 处于紊流状态 。 根据比例阀线性化流量方程、阀控缸流量连续性 方程和液 压缸 与 负 载 的力 平 衡 方 程 式 3 5 得 到 系 统 位 置 伺 服 控 制 数 学 模 型 式 6 q L 3 一 十 L j q A。鲁 c c4 ， F d Z x p 州 d x p k x pF 5 一 去s M V , 3 c 圳 f 6 2 ． 4 反馈环节 为了精确控制主轴位移 ，采用 闭环反馈控制系 统 ．实时检测液 压缸 活塞位置 和液压缸压力并转化 为 电信号，快速准确地反馈给比例阀控制器。位移检测 反馈元件为高精度位移传感器。位置反馈增益为 K 1 7 根据式 1 、 2 、 6 、 7 ，代入参数得系 统位置控制传递 函数 G s l 5 。 S 1． 1 6 3 ． 2 8 1 6 3 ． 2 8 1 - S 4 0． 2 0 2 l 7 ． 5 8 s 1 3 仿真分析与实验 3 ． 1 仿真分析 8 在研究位置液压伺服系统数学模型和分析其动静 态特 性 时 ．采用 模 糊 P I D控 制 并 在 M A T L A B ／ S i m u ． 1 i n k 中进行 仿 真 。根 据 式 8 系 统 传递 函数 在 S i m u l i n k 模块中搭建仿真框图，如图 3 所示。 图 3 模糊 P I D位置控制 S i m u l i n k仿真框图 根据模 糊 P I D控制原理 ，利用 S i m u l i n k 模块建立 位置控制的模糊 P I D控制模 型。图 3中 F u z z y C o n t r o 1 ． 1 e r 模块是模糊控制器，实现 P I D三个参数 的模糊化 和解模糊过程 P I D C o n t r o l l e r 为 P I D控制器 ，用来对 系统进行校正和优化。图中分别建立 了模糊 P I D控 制位 置模 型 和 P I D控 制位 置模 型 ，并且 输 出到 同一 个示波器，用来对比两种控制方式的优劣。整个系统 的输入为阶跃信号与脉冲信号的叠加。输出有两种不 同控制方式 的误差 以及动态 响应 。 设置各个模 块参 数 ，在模 糊 P I D控 制 模 型 中输 入初始 P I D三个参数 k 0 ． 1 ，k ， 5 ，k d 0 ． 0 1 ；把 上述叠加信号作为输入信号，令负载为 0 并运行，分 别得到不 同控 制方 式 的动 态输 出和稳 态误 差 ，如 图 4 、5 所示 。经分析仿真 曲线 ，k 。 、k i 、k 。 分别 收敛于 0 ． 1 1 、5 、一 0 ． 0 0 1 ；模糊 P I D位置控 制模 型对单 位 阶 跃 的响应 时间 约为 0 ． 1 S ，稳 态误 差 为 0 ． 0 1 m m，而 P I D位置控制模型的响应时间为 0 ． 1 5 S ，稳态误差为 3 m m图 5 显示 在 t 0 ． 5 s 时，加载冲击信号，发 第 2期 牟东 等 硬岩掘进机截割升 降回路液压 冲击控制方法的研究 7 3 在液 压冲击较低时开始卸荷 ， 的灵 敏度。 提高溢流 阀对压力 变化4结论 图 1 0 给 出了不 同参数 下截 割升 降油 缸截 割抬升 至最高点时油缸无杆腔的压力变化曲线。由图 1 0可 见 缸径 由 2 2 0增大 至 2 5 0 m m．无杆 腔液 压 冲击 压 力峰值 3 8 ． 3 MP a 。但仍超 出平衡阀、溢流阀的耐压 等级 ；缸径 2 5 0 m m、平衡 阀开启 压力 2 5 MP a 、溢 流 阀开启 压 力 2 8 MP a ，无 杆 腔 液 压 冲击 压 力 峰 值 2 9 M P a ，满足平衡阀、溢流阀的许用要求。 l 一 原模 型 2 一缸 径2 5 0 mm 矗 塞 图 1 0 不同参数时油缸无杆腔压力曲线 3 ． 2整机 验证 大 功率硬 岩掘进机液压系统 自2 0 1 1 年 1 0月开始 批量应用 改进 方案 缸 径 2 5 0 m m、平 衡 阀开启 压力 2 5 M P a 、溢流阀开启压力 2 8 MP a ．截止 目前 ，所有 在外设备 未见 一例密封损坏故障发生 ，实践验证 了改 进方案 的有效 性。 基 于 A ME S i m环境建立 了某型硬岩掘进机截割升 降液压 回路模 型 ，为其 动态 特性 分 析提 供 了一 种手 段。通过仿真分析和实验结果可知 截割部抬升至最 高点 时 ，截割 升降油缸无 杆腔的液压冲击 是平衡 溢流 阀组密封损坏的根本原因。合理增大油缸缸径、降低 平衡溢流阀组的开启压力，可以显著降低油缸无杆腔 内的冲击压力峰值 ，避免密封损坏现象的发生。 参考文献 [ 1 ]李晓豁． 掘进机截割头随机载荷的模拟研究[ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 0 0 5 5 2 5 - 5 2 9 ． [ 2 ]李宁， 张玉峰， 王建成． 液压系统冲击的分析与控制[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 1 4 9 1 5 1 ． [ 3 ]刘宗宏， 李亚， 王征峥． 负载敏感系统压力脉动控制方法 的研 究 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 2 6 4 0 4 2 ． [ 4 ]J E A N C H A R L E S E S M． C o n t r i b u t i o n t o t h e Mo d e l i n g ， t h e S i mu l a t i o n a n d t h e C o n t r o l S y n t h e s i s o f a n Ae r o s p a c e E l e c t r o - H y d r o s t a t i c A c t u a t o r [ C ] ／ ／T h e 5 t h I n t e r n a t i o n a l F l u i d P o we r C o n f e r e n c e ， Aa c h e n I F K， 2 0 0 6 2 01 - 2 1 2 ． [ 5 ]邢彤， 杨华勇， 龚国芳． 盾构机液压系统多泵优化组合驱 动技术[ J ] ． 浙江大学学报 工学版， 2 0 0 9 ， 4 3 3 5 1 1 51 6． [ 6 ]冀宏， 梁宏喜， 胡启辉． 基于 A ME S i m的螺纹插装式平衡 阀动态特性的分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 1 0 8 0 8 3 ． [ 7 ]冀宏， 傅新 ， 杨华勇． 几种典型液压阀口过流面积分析及 计算[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 5 1 4 1 6 ． 上接第 6 5页 变矩器 与搭 载其他变 矩器 的 Z L 3 0装载 机相 比，在跑 车工况 下节油 1 7 ％，负载作业工况下节油 1 5 ％。 3结论 1 该变 矩器 开 发方 法相 比以前大 大缩 短 了开 发周期 ，难度相应降低 ，成本大大 降低 。 2 通 过实 验 表 明 Y J S W3 1 5 ． 8 A和 Y J Z 3 4 0这 两款变矩 器能很好地 匹配降转速 发动机。均节油 1 0 ％ 以上 3 由于变矩器流体模 型的复杂性和理论水平 的限制 ，文 中没 能在理 论层 面 总结归 纳 C F D流场 分 析和修正方法，今后的主要工作重点也将在此。 参考文献 [ 1 ]陶曾香， 徐成云， 饶鸿才． 大能容宽高效可调式变矩器设 计实验研究[ J ] ． 工程机械， 1 9 9 4 1 0 2 7 3 1 ． [ 2 ]王彦 ， 王玉鹏 ， 马文星 ． 液力变矩器循环 圆的综合描述 及 导数修正法 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ， 2 0 0 2 ， 3 2 1 7 9-82 上接 第6 9页 控制 系统校正 的可行性和有效性 。 参考文献 [ 1 ]张文毓． 铝合金焊接技术研究进展 [ J ] ． 轻金属， 2 0 1 0 4 5 3 - 5 6 ． [ 2 ]MA J I M E J ， C A S O N O R E M J ， L A P A S S E T G， e t a 1 ． D i s l o c a t i o n Me c h a n i s ms I n v o l v e d i n a 1 5 0 。 C Cr e e p T e s t o f a n A 1 C u M g A l u m i n i u m A l l o y [ J ] ． M a t e r i a l s S c i e n c e F o r u m， 2 0 0 2 ， 3 9 6 4 0 2 1 3 8 3 1 3 8 8 ． [ 3 ]张华 ， 林三宝， 吴林， 等． 搅拌摩擦焊研究进展及前景展 望[ J ] ． 焊接学报， 2 0 0 3 ， 2 4 3 9 卜9 7 ． [ 4 ]高翔， 朱芸， 梁栋． 电液伺服系统的建模与仿真研究『 J ] ． 海军工程学院学报 ， 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