基于Simulink组合机床液压系统设计与仿真.pdf

仿真 ， 建旗 I C AD I C A MI C AE I C AP P 圃固四唾匾殛 基于S i m u l i n k 组合机床液压系统设计与仿真 查珊珊 ， 陆 中平 。 王 幼民 1 ． 浙江理工大学机械 与 自动控制学院 ， 杭 州 3 1 0 0 1 8 2 ． 杭州娃哈哈集 团有限公司 精 密机 械制造有 限公司 ， 杭州 3 1 0 0 1 8 ； 3 ． 安徽工程 大学 ， 安徽 芜湖 2 4 1 0 0 0 De s i g n a n d S i mu l a t i o n o f M o dula r Ma c h i n e Hy d r a u l i c S y s t e m Ba s e d o n S i mu l i nk Z HA S h a n - s h a n’ 。LU Zh o n g - p i n g ， W ANG Yo u - mi n 3 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 g a n d A u t o ma t i o n， Z h e j i a n g S c i T e c h Un i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 8 Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e s i g n h y d r a u l i c s y s t e m q u i c k l y a n d a c c u r a t e l y ，t h i s p a p e r wa s c o mb i n e d w i t h e l e c t r o- h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l s e r v o v a l v e ， w h i c h l e a d t h e f l u i d c o n t r o l s y s t e m a n a l y s i s me t h o d i n t r o d u c e d t o t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e ms． Afte r d e t e r mi ni ng o f hy d r au l i c s ys t e m pr o g r a m a nd ca l c ul at i n g a s e l e c t i on o f hy d r a u l i c c o mp o ne nt s ， t he n t r a ns f e r f un c t i on mo d e l w a s e s t a b l i s h e d ．Us i n g MAT L AB t o o ]S i mu l i n k f o r s i mu l a t i o n a n a l y s i s wo u l d g a i n e d s e v e r a l c u r v e s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r p i s t o n S e a c h p a r a me t e r v a r i a b l e s d i s p l a c e me n t ，v e l o c i t y c h a n g i n g w i t h t i me． T h e n t h e s e c u rve s w e r e a n a l y z e d ， a n d a r e a s o n a b l e s y s t e m d e s i g n i mp r o v e me n t p r o g r a m wo u l d b e a v a i l a b l e ． Ke y wo r d s mo d u l a r ma c h i n e - t o o l ； h y d r a u l i c s y s t e ms ； d e s i g n ； S i mu l i n k , s i mu l a t i o n 以前液压系统 的设计 常常凭借设计者的知识 和经验 用 真实的元部件构 成一个动态系统 ，然后通过在这个系 统上进行实验 ， 研究结构参数对系统动态特性的影 响， 以 检验该 液压系统设计是否合理 。这种方法耗费大量 的时 间、 人力 、 物力 。 另外 ， 液压系统 的换向功能主要是通过电 磁换向阀或换 向阀来实现换 向， 响应较慢 ， 精度较低。 本文利用电液伺服比例 阀来将流体控制系统分析方 法引入液压系统设计 中。电液伺服比例 阀响应速度快 ， 控 制精度 高， 系统运行平稳。本文利用液压仿真技术 ， 建立 液压系统 的分析数据模型。 目前用于液压系统仿真软件 主要有 Ma t l a b和 A d a ms 。A d a ms 中液压模块主要用于液 压系统 的运动学和动力学分析 。M a t l a b 工具箱 S i m u l i n k 是实现 动态系统建模和仿真的集成环境 。预先模拟实际 系统的特性和响应 ，根据设计要求对 系统的仿真结果提 出合理改进和优化方案 。 这样可以提高制造环节效率 ， 达 到敏捷制造 ， 提高产品市场竞争力 。 本文正是利用 S i m u l i n k对设计的液压控制系统进行动 态仿真， 为此 ， 建立了系统 的数学模型， 对液压控制系统进 行动态分析。这样在设计完成以后 ， 直接在计算机上进行 仿真 ， 无需样 品加工 ， 便可获得一系列相关 的动态参数。 1 液压 系统设计 J ． J 工况要求 组合机床一般用 于加工箱体类或非凡外形 的零件 ， 其液压系统部分动力滑台能够实现 “ 快进一 工进一一工 进二一快退一死挡铁停留” 的工作循环。 通过对其液压缸外 负载分析 ， 可得 出表 l 所示参数。 表 1 液压缸各运动阶段负载表 1 ． 2 液 压 系统 原 理 图 组合机床是固定 外 ，考虑到实现动力 滑台快进快退 的工作 循环 ，通过计算确定 泵的最高压力及最大 流量 ，故泵源采用双 联叶片泵。速度换接 方式通过电液 比例阀 和电磁换向阀来实现 换 向。为简单方便决 定采用单杆活塞式液 压缸 ，初步选用差动 快进 回路 [4 _ 。初步拟定液压系统原理图如图 l 所示 ， 各元 机械工程师 2 0 1 0 年第7 期i 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 团固四回国口 8 i 件动作表如表 2所示 。 仿鼻 ， 毽赣 I C AD I C AMI C AE I C A P P 表 2 电磁铁工作情况表 动作名称 信号来源 1 D T 2 D T液动换向阀 行程闽 压力继电器 ， ． 3 液压 系统的计算及选择 据表初选液压缸工作压力 P 4 M P a ，初选液压缸背 压 为 0 ． 6 MP a 。根 据 表 G B ／ T 2 3 4 8 一 J 9 9 3选 择 l 1 0 ra m ， d 8 0 m m 。液压缸各阶段工作情况如表 3 所示 。 表 3 液压缸各工作 阶段的压力、 流量、 功率 液压元件明细表如表 4所示。 表 4 液压元件 明细表 3 电磁换 l 2 O D s G _ O 3 2 D 2 _ 1 2 0 6 ．3 1 6 向阀 N I 一 5 X EI 4 一 H1 0 B 其中电液比例控制阀是一种按输入的电气信号连续 按 比例地对油流 的压力 、 流量和方 向进行距离控制的阀。 它根据输入 电压或电流的大小和极性来改变输 出流量 的 大小和方向， 如果与执行元件相连接 ， 那 么可以根据输入 5 4 l 机械工程师2 0 1 0 年第7 期 电压或电流 的大小和极性 ，按 比例地控制液压执行元件 的速度和方向 J 。该液压系统选用 的 4 WR EI O E 一 1 0 B 一 2 4 滞环 l ％， 响应时间 5 0 ms 比例换 向阀 ， 直流 电压 1 2 V 或 2 4 V， T作行程 一 4 ． 5 一 十 4 ． 5 m m 。 2 液压系统数学模型的建立及仿真 2 ． J 数 学模型的建立 工作点在原点 即在 叮 1 。 、 0 处 ， 流量特陛方程 q l _- ． 一 K ． P L 1 式 1 中 g l～ 阀的负载流量 ， m 3 ／ s ； K 流量增 益 ， m 。 ／ s ； X v 一滑 阀位移 ， m ； 一负载压降 ． M P a ； K 广 流量 一 压力 系 数， M P a ／ s 。考虑液压缸流量连续方程， 由可压缩流体连续 性 方程， 经 推 导可 得 1q 争 lP 1 2 “ I pe “ ‘ 式中 一 活塞有效面积， m ； 广 活塞位移 ， m； 液压缸 的总泄漏系数 ， I n ， M P a S ； 厂 两个腔室 的总体积 n 1 ； 一 等效液体体积弹性模数 包括液体、 及T作腔体机械 柔度 ， N ／ m 。 忽略库仑摩擦等非线性负载及油液 的质量 ，列 f j { 液 压 缸和 负载的 力 平衡方 程 A m 粤 B 3 a￡ 一 I t 式 中， m ～活塞及负载总质量 ， k g ； B 一活塞和 负载粘性阻 尼系数 ， N ／ m ／ s ； 斤一作用在活塞上的外负载力， N 。 对式 1 ～ 式 3 进行拉式变换得 q l I 一 尸I ． q 嚣S g m P i P 1 ／ ,4 mS ％B ,S Y F r 联合x , KU U可由电液 比例阀参数查得 ； 为 0 ． 7 5 。 4 5 6 7 由于实际模型 B Km A 2由式 4 ～ 6 整理f ’ J s 导 s 1 y 鲁s ． 8 式 中 ， 为系统 的固有频率 ， C O lt 、 ／ ， r a d s 一 ； 8为系统阻尼系数 ， s 日 V 0 2 K m t o ／ 4 A 2 ． 2液压 系统仿 真 1 仿真模型的建立 由式 8 建立如图 3 所示的框图。 由传递函数框图建立 S i m u l i n k 仿真的仿真模型。图中 S 0 ／ 2 A B 3 K JA 9 G ‘ 5 1 ‘ 0 A s 兰 s l S i m u l i n k模 块 库 提 供 了 大 量 子 模 块 ，其 中 有 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m S o u r c e 信 号源 模块 、 S i n k s 输 出方式 模 块 、 m a t h 数 学 模 块 等 。通 过 以上 子模 块 ， 通 过 对 其进 行 动 态操 作 ， 可 以将 数学模 型转变为仿真模 型 。为 了仿真 简便 ， 初 始化各参数 ， 参 数的选取如表 5所示 。 本仿 真模 型输 入源为阶跃信号 s t e p如图 4昕示 ，增益模 块依次 对应 于 K、 K V ， 2 A f 3 K ／ A， 数 学模块 的子模 块 s u m 求 和 对 应 如 图 4所示 ， 连续 系统模 块 的子 模块 d e r i v a t i v e 微分 对 应 图 中的示 波器 s c o p e 1 ， s c o p e 2 ， 用 于观 察 结果 ， 从 而实现可视化 建模 。 B 尻 K K 丝 l 2 0 0 0 0 ．0 8 l 0 4 2 ．5 9 Xl 0 一 2 O 0 0 4 ．4 8 x 1 0 2 l 】 0 1 ．4 Xl 0 ． O 2 1 ．4 9 5 X l 0 2 系统仿真 结合仿真模型 ， 采用刚性系统的 o d e 4 5 s 求解器进行 仿真计算 ， 可得其仿真结果如图 6 、 7所示 。 在仿真结果的基础上 ，分析系统的参数对其动态特 性 的影响 ， 为液压系统的优化设计 提供可靠的改进方案。 基于表 5 调整个别参数后 ， 观察仿真曲线 的变化 ， 然后与 改 变参数前 的仿真 曲线 图 6、 图 7 对 比 ， 分 析部分参数 变化对液压系统动态特性的影响。由图 8和 9可见 ， 当系 统 阻尼系数增加 ， 其他数据参 照表 5 ， 其液压 冲击明显减 小 ， 活塞速度更加稳定。 表明较高阻尼 的动态特性 比低阻 尼的动态特性好 。 由图 l 0和 1 1可以看 出， 当 K。 减小 时 ， 系统液压 冲 仿真 ， 建礞 I C A DI C AMI C AE I C AP P 圃固四匣团哩 击明显减小 ， 活塞速度较为平稳 ， 说明系统在低流量增益 情况下 的动态特性要优于高流量增益 的动态特性 。南速 度图可 以看出 ， 液压缸启动 阶段加速度较小 ， 液压缸速度 很快就趋于稳定， 而且阀芯位移增 加 ， 这样有利于提高系 统精度。 3 解决液压冲击及提高系统稳定的措施 对于液压缸启 动过程中有液压冲击问题 ，可以从 以 下两个方面解决 ①通过在液压 系统中安装蓄能器来缓 解液压冲击 ， 并储蓄能量 ， 节约能源。② 在液压缸活塞上 打阻尼孔。 另外 ， 若 要增 强 系 统稳 定 性 ， 有 以下 两 条可 行 的 措 施 ，但 同时 要 考 虑 系 统 的 工作 效 率 及 精 度 要 求 ① 适 当增 加 系 统 阻 尼 系 数 ， 提 高 响应 速 度 及 系统 稳 定 性 。② 减少流量增 益 ， 可 以减 小液压 冲击 ， 提 高系统 精度 。 3 结论 1 传统 的液压 系统设计 只有在样机完成后才能 了 解检验系统设计 的合理性 ， 本文在无样机前 ， 通过利用仿 真软件 ， 得到了液压缸的运动参数 ， 从而能判断 系统是否 稳定 以及设计是否合理。 2 本 文通过 电液 伺服 比例阀 ， 将 控制 系统 分析方 法 引 入 液 压 系统 设 计 中 ，建 立 传 递 函 数 模 型 ， 用 S i m u l i n k进行仿 真 ， 进 而分析各 项 曲线 ， 得 到 了系 统的 动态特性 。 3 通过仿 真可见 ， 液压缸的速度 比较平稳 ， 误差波 动在 8 ％以 内。满 足设 计 要 求 ， 系统启 动 时仅 有一 次 冲击 ， 且 冲击 较 小 ， 压力 损 失小 ， 结 构简 单 ， 系统工 作 平 稳 。 [ 参考文献 ] [ I ] 臧 贻娟 ． 数控 高速 冲床 液 压 系统设 计及 仿真 [ D] ． 济 南 山东 大 学 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 袁子荣． 液压传动与控制[ M] ． 重庆 重庆大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 李 自光 ， 游张平． 基 于 s i mu l i n k的液 压伺服系统动态 仿真[ J ] ． 中 国工程机械学报 ， 2 0 0 4， 2 1 3 0 3 4 ． [ 4] 王茂军 ， 唐铃风 ． 基于 Ad a ms的组合铣 床液压 系统设 计 与 P L C 控制[ J ] ． 机械工程师 ， 2 0 0 8 7 7 0 7 1 ． [ 5 ] 冀宏 ， 唐铃 凤． 液压气 压传动 与控制 [ M] ．武 汉 华 中科 技大学 出 版社 ， 2 0 0 9 ． 编辑 黄获 作者 简介 查珊珊 1 9 8 6 - ， 女， 硕士研究生， 研究方向为机械 电子工程。 收 稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 3 机械工程师 2 0 1 0 年第7 期i 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m