基于Simulink的仿手指自适应柔性夹具支腿液压系统仿真.pdf

2 0 1 2年 2月 第4 0卷 第 3 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUUCS F e b ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 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 2 ． 0 3 ． 0 3 8 基于 S i m u l i n k的仿手指 自适应柔性夹具支腿液压系统仿真 郑讯佳 ，罗天洪 重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 4 0 0 0 7 4 摘要悬臂支腿系统是仿手指自适应柔性夹具的重要组成部分。建立支腿液压系统的数学模型与仿真模型，分析系统 的稳定性。改变模型的主要参数，对系统进行仿真。仿真结果表明系统稳定性和动态性能受泄漏系数和放大器增益系数 的影响较大 ；采用 P I D控制后，系统的性能得到进一步的改善。 关键词仿手指 自适应柔性夹具 ；支腿液压系统；仿真；P I D控制 中图分类号T P 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1【 2 0 1 2 31 3 4 4 S i mu l a t i o n o f Ou t r i g g e r Hy d r a u l i c S y s t e m f o r Ad a p t i v e I mi t a t i o n F i n g e r s F l e x i b l e F i x t u r e Ba s e d o n S i mu l i n k Z HE NG Xu n i i a ．L U0 T i a n h o n g 、 C o l l e g e o f M e c h a t r o n i c s A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g J i a o t o 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 7 4， C h i n a Ab s t r a c t C a n t ale v e r o u t r i g g e r h y d r a u l i c s y s t e m i s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t p a r t s o f t h e a d a p t i v e i mi t a t i o n fi n g e fl e x i b l e fi x t u r e A I F F F ．T h e m a t h e m a t i c a l m o d e l and s i m u l a t i o n m o d e l o f t h e o u t r i gge r s y s t e m o f A I F F F w e r e e s t a b l i s h e d ．The s t a b i l i t y o f t h e s y s - t e rn wa s a n aly z e d ．Th e s y s t e m w a s s i mu l a t e d b y c h a n g i n g ma i n p a r a me t e r s o f t h e mode 1 ． T h e 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 s t a b i l i t y a n d d y n am i c p e rf o r manc e are mu c h a ffe c t e d b y t h e l e a k a g e c o e f f i c i e n t and a mp l i fi e r g a i n c o e ff i c i e n t ．T h e s y s t e m p e r f o rm anc e i s i m p r o v e d a f t e r u s i n g P I D c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s A d a p t i v e i mi t a t i o n fi n g e rs fl e x i b l e fi x t u r e A I F F F ；O u t r i gge r h y d r a u l i c s y s t e m；S i m u l a t i o n ；P I D c o n t r o l 夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向 高速、高效 、精密、复合、智能、环保方向发展的带 动下 ，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通 用、经济方向发展⋯。仿手指 自适应柔性夹具包括机 械臂总成和夹持部组件；机械臂总成以足够多的自由 度设置于基座，为了能够保证其灵活性和运输的方便 性，基座体积较小 ，因此 ，如果夹持较重的工件，机 械夹具易侧翻 。在夹持较重工件时，为了保证夹 持工作顺利进行，基座一般采用固定的方式设置，避 免机械夹具在工作时出现侧翻。为适应较为复杂多变 的环境，采用液压方式的支腿系统。 通过 M a t l a b 对建立的系统稳定性数学模型进行 了分析。根据液压支腿的工作原理， 用 S i m u l i n k 建立 仿手指 自适应柔性夹具支腿液压系统的仿真模型，分 析泄漏系数和放大器增益系数对系统稳定性和系统动 态特性的影响规律。 1 液压支腿结构及系统原理 仿手指自适应柔性夹具机械结构如图 1 所示，减 速箱3内设置齿轮传动副 1 1 ，电动机4的动力输出轴 与齿轮传动副 1 1的主动齿轮在 圆周方向固定配合， 齿轮传动副 1 1的从动齿轮轴穿出减速箱 3与举升液 压缸缸体传动配合，底座滚轮 1 3支撑整个装置并控 制其移动，动力装置以液压的方式为主举升液压缸 5 和副举升液压缸 9提供动力，主副两个举升液压缸配 合使上臂能够做上下移动及摆动，主副两个举升液压 缸缸体立在基座上与其转动配合；减速箱上设置加强 筋 l O支撑 ，加强筋支撑设置配合举升液压缸缸体做 回转运动，最终完成夹具的夹持动作。 图1 仿手指自适应柔性夹具示意图 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 2 5 基金项目重庆市科技攻关项目 C S T C 2 0 0 9 A C 6 0 7 7 作者简介郑讯佳 1 9 9 0 一 ，男，土家族，主要从事工程机械设计与仿真方面的研究。E m a i l z h x u n j i a 1 3 9 ． c o m。 第 3 期 郑讯佳 等 基于 S i mu l i n k的仿手指 自适应柔性夹具支腿液压系统仿真 ‘1 3 5 为了防止夹具在工作过程中侧翻，加设 3 个液压 缸支腿，每个支腿包括一组收放液压缸 1和伸缩液压 缸 2 ，支腿液压系统回路如图2所示。 伸 一缩 缩一伸 收 l 放 收 { 放 l O 一伸缩液压缸 阀 图2 支腿液压回路示意图 由于滚轮的支撑能力有限，在夹持作业时必须放 下支腿，使滚轮架空，形成一个固定的工作基础平台。 液压泵2由原动机驱动，其输出的压力油经由二 位三通换向阀 3 左位 ，再分别通过三位四通换向阀 5 和6左位流人 6个支腿液压缸的无杆腔，使夹具放下 支腿 ，当支腿放到合适位置时，换向阀 5和 6置中 位 ，使支腿保持此位置。此时液压锁 7和 9可保证支 腿被可靠地锁住，防止在工作过程 中发生 “ 软腿” 现象 ，或工作过程中液压支腿 自行下落。当工作完毕 时需要收起支腿，这时使换向阀5和 6置右位，支腿 液压缸有杆腔进油，支腿被收起。 2 建立数学模型 阀门的流量方程可以定义如下 g L K 。 一 K c p P 1 其中 表示阀门的流量系数， 表示主阀芯的位 移， 表示流量压力系数。 根据方程 1 ，流动速率方程 的拉 氏变换表达 式可以表示为 Q X l A p 其中A p P P 。 2 液压缸的流量方程可以定义如下 C t ,, A p 1 V 。 3 其中A是液压缸无杆腔活塞有效面积；A 是液压缸 有杆腔活塞有效面积； 是液压缸活塞的位移；C 是液压缸总泄漏系数 ， c c ，C ； 是液压缸内 部泄漏系数 ，C 是液压缸外部泄漏系数 ； 是液压 油的体积模量； 是液压油初始流人体积； 是液 压油初始流出体积；V是压缩总量；P是无杆腔压力； p 是有杆腔压力；卸 表示无杆腔与有杆腔的压差。 根据方程 3 ，液压缸 流量方程拉普 拉斯变 换 表达式为 Q c 【 p △ P V l S k P s h P 4 液压动力装置的动力特性受负载影响。负载一般 包括惯性力、黏性阻尼力、弹性力和其他外部负载力。 该液压缸平衡方程可以被表示为 一a p， _m B p A p 5 一 m t 5 其中m 是仿手指的自适应柔性夹具的总质量；B 是活塞及负载的黏性阻尼系数。 根据方程 5 ，液压缸平衡方程的拉普拉斯变 换表达式为 A A A Pm s B s X 2 6 3 系统稳定性的分析 在该系统中，根据方程 2 、 4 和 6 ，流 量方程可以写成 x 而 - 7 其中 y 1 “ 1 V 2 m , 3 【 丽 K c e m t 【 】 s 是总流量压力系数 K K 。 C 。 8 根据方程 7 ，阀门与缸的位移拉普拉斯传递 函数可以写成 生 一 f 9 、 置 s 一Y A A 该夹具的支腿液压缸系统参数如表 1 所示。 裹 1 系统参数 参数 数值 K ／ m 8 一 A一 K J m N～ s 一 A1 ／ m A 2 ／ n 8 e ／ P a C ip ／ ／ In ’ s P a C e p ／ m 。 s ～ P a B p ／ N n l ～一一 1 m ／ k g 一 般来说 ，如果相位裕度超过 4 0 。 ，幅值裕度超 过 8 d B，系统是稳定的㈧。系统伯德图如图 3所示， 第二阶段的系统余量是 4 0 ． 1 。 ，幅值裕度是 2 6 ． 7 d B 。 因此 ，该系统是稳定的。 一 ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一 姗 1 5 6 机床与液压 第 4 0卷 参考文献 【 1 】 殷述广， 朱耀仲， 钟敏， 等． 全球海水质量季节变化研究 [ J ] ． 大地测量与地球动力学， 2 0 0 5 ， 2 5 4 3 3 3 7 ． 【 2 】 郑炳新． 超大型船舶超载与海水密度的关系[ J ] ． 世界 海运 ， 2 0 0 5 ， 2 8 5 1 2 ． 【 3 】 王德政． 浅议货船超载监管[ J ] ． 中国水运， 2 0 0 8 9 1 9 21 ． 【 4 】 刘可忠， 朱明． 海水淡化的缺点分析 [ J ] ． 人民长江， 2 0 0 9 ， 4 0 1 6 3 6 5 ． 【 5 】 廖华明． 密度系数计算及使用中应注意问题[ J ] ． 工业 计量 ， 2 0 0 2 s 2 2 1 2 4 ． 【 6 】 魏胜飞， 陈彩云， 姜风怡． 相对增量传感器实验的设计 [ J ] ． 物理实验， 2 0 0 3 ， 2 3 1 3 73 8 ． 【 7 】吕霞付， 舒红字 ， 蔡绍皙． 一种高精度微量体液密度声传 感器的研制[ J ] ． 传感器技术， 1 9 9 8 ， 1 7 1 2 2 6 02 6 9 ． 【 8 】 冯正鸣， 赵学红 ， 王永洪． 浮子电容式石油密度传感器的 研究[ J ] ． 天津大学学报， 1 9 9 8 ， 3 1 5 6 9 4 7 0 0 ． 【 9 】 蒋正雄 ， 肖凝． 放射性燃油密度测量技术的应用[ J ] ． 航 空计测技术 ， 2 0 0 3 ， 2 3 1 1 2一l 4 ． 【 l 0 】 余新平， 刘传清． c射线密度传感器[ J ] ． 传感器技术 ， 1 9 9 8 ． 1 7 4 4 7 4 8 ． 【 1 1 】卜 英勇， 王纪婵 ， 赵海鸣， 等． 基于单片机的高精度超声 波测距系统的设计 [ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 0 ， 2 9 6 1 0 01 0 5 ． 【 l 2 】 胡燕祝， 王仰东 ， 林振锋． 科里奥利质量流量计在线连 续测量流体 密度的理论分析 [ J ] ． 中国机械工 程， 2 0 0 2 ， 1 3 6 4 6 7 4 7 0 ． 【 l 3 】 王国文， 李长海 ， 田晓飞， 等． 振动管式液体密度计的原 理、 电路组成及应用[ j ] ． 电测 与仪表 ， 1 9 9 8 ， 3 5 6 1 61 8． 【 1 4 】 谭宝海 ， 鞠晓东． 振动管式流体密度传感器研究 [ J ] ． 测井技术， 2 0 0 4 ， 2 8 4 3 4 1 3 4 3 ． 【 l 5 】 刘文滨 ， 梁玉红． 高精度振动式密度传感器 [ J ] ． 计量 测试 ， 2 0 0 3 5 3 7 3 8 ． 【 l 6 】J A I N M K， S C H M I D T S ， G ri m e s C A ． M a g n e t o a c o u s t i c S e n s o r s f o r Me a s u r e me n t o f L i q u i d T e mp e r a t u r e ， Vi s c o s i t y ， a n d D e n s i t y [ J ] ． R e v i e w o f Sci e n t i fi c I n s t r u m e n t s ， 2 0 0 9 ， 7 1 2 4 1 7 7 4 1 8 2 ． 【 l 7 】 俞宽新， 刘韬． 压电晶体本征声表面波倒速度曲线的计 算[ J ] ． 北京工业大学学报， 2 0 1 0 ， 3 6 8 1 1 4 8 1 1 5 1 ． 【 1 8 】 裴先茹， 高海荣． 压电材料的研究和应用现状 [ J ] ． 安 徽化工， 2 0 1 0 ， 3 6 3 41 0 ． 【 1 9 】M U N K W， WU N S C H C ． O c e a n A c o u s t i c T o m o g r a p h y A S c h e me fo r L a r g e S c a l e M o n i t o ri n g [ J ] ． D e e p S e a R e s e a r c h ， 1 9 7 9 ， 2 6 2 1 2 31 6 1 ． 【 2 0 】M U N K W， WO R C E S T E R P ， WU N S C H C ． O c e an A c o u s t i c T o m o g r a p h y [ M] ． C a m b ri d g e C a m b ri d g e U n i v e rs i t y P r e s s ， l 9 9 5 ． 【 2 l 】L Y N C H J F ， M I L L E R J H， M U E N C H R ， e t a1 ． A c o u s t i c T r a v e 1 ． ．t i me P e r t u r b a t i o n s D u e S h all o w．． w a t e r I n t e r n a l Wa v e s a n d I n t e r n a l T i d e s i n t h e Ba r e n t s S e a P o l a r T h e o r y a n d E x p e ri m e n t [ J ] ． T h e J o u rnal o f t h e A c o u s t i c a l S o c i e t y o f A m e ri c a ， 1 9 9 6， 9 9 2 8 0 3 8 2 1 ． 【 2 2 】 S H A N G E C ． O c e a n A c o u s t i c T o m o g r a p h y B a s e d o n A d i a b a t i c M o d e The o ry『 J ] ． T h e J o u rna l o f the A c o u s t i c a l S o c i ． e t y o f A me ri c a ， 1 9 8 9 ， 8 5 4 1 5 3 11 5 3 7 ． 【 2 3 】 T O L S T O Y A ， D I A C H O K 0 ， F R A Z E R L N ． A c o u s t i c T o m o - g r a p h y v i a Ma t c h e d F i e l d P r o c e s s i n g [ J ] ． T h e J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c al S o c i e t y o f A m e ri c a ， 1 9 9 1 ， 8 9 3 1 1 1 91 1 2 7 ． 【 2 4 】T O L S T O Y A ． M a t c h e d F i e l d P r o c e s s i n g fo r U n d e r w a t e r A c o u s t i c s [ M] ． S i n g a p o r e Wo rl d Sci e n t i fi c P u b l i s h i n g C o mp a n y ， 1 9 9 3 ． 【 2 5 】W E S T WO O D E K ． B r o a d b a n d M a t c h e d fi e l d S o u r c e L o - c a l i z a t i o n f J ] ． The J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c a l S o c i e t y o f A m e ri c a ， 1 9 9 2 ， 9 1 5 2 7 7 7 2 7 8 8 ． 【 2 6 】 杜嘉， 赵云升， 吕云峰， 等． 利用多角度偏振信息计算海 水密度研究初探 [ J ] ． 红外 与毫米 波学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 4 3 0 7 3 1 1 ． 【 2 7 】 汪骏发， 高晓萍， 陈志峰， 等． 多角度遥感及其航空成像 仪[ J ] ． 红外与毫米波学报， 2 0 0 1 ， 2 0 5 3 2 9 3 3 4 ． 【 2 8 】 周旭华， 吴斌 ， 钟敏． 海水密度对海面高变化的影II J [ J ] ． 中国科学院研究生院学报， 2 0 0 2， 1 9 4 4 1 0 4 1 4 ． 上接第 1 3 7页 便 ，同时 P I D的采用将会 大大减 少系统 的响应 时间 ， 减少液压冲击 ，提高系统的性能。 3 泄漏系数对系统的动态特性有很大的影响， 泄漏系数过大将影响系统的正常工作。通过仿真实验 所得到的曲线对现场管理者及时了解液压系统的动态 特性以及对系统进行调整和改造都具有一定的参考意 义，有助于后续的仿手指 自适应柔性夹具支腿系统的 设计 。 参考文献 【 1 】隋聚艳． 夹具的发展及其趋势分析[ J ] ． 现代商贸工业， 2 0 0 9 1 9 3 2 3 3 2 4 ． 【 2 】 李净仪， 李秋红 ， 郑耘杰． 简述机械液压控制系统设计 [ J ] ． 农机使用与维修 ， 2 0 1 0 3 2 72 8 ． 【 3 】 王焱玉， 田玲． 数控机床液压机械手的 P L C控制系统 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 4 1 1 31 6 3 ． 【 4 】 孙成通， 韩虎， 曾清 良． 基于 M A T L A B液压系统仿真技 术研究[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7， 2 8 7 3 9- 4 1 ． 【 5 】 邓鹏， 崔胜民． 基于 S i m u l i n k 和L a b V l E W 的液压转盘机 构运动学仿真[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0 1 2 4 1 2 4 7． 【 6 】Y u Y o u h o n g ， C H E N L i n g e n ， S U N F e n g r u i ， e t a 1 ． M a t l a b ／ S i mu l i n k ． b a s e d S i mu l a t i o n for Di st a l c o n t r o l S y s t e m o f Ma r i n e Thr e e - s h a f t G a s t u r b i n e[ J] ．A p p l i e d E n e r g y ， 2 0 0 5 ， 8 0 1 11 0 ．