高速开关阀先导控制注塑机注射液压系统的仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 8月 第 3 9卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS Au g ． 2 01 1 V 0 1 ． 3 9 NO ．1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 5 ． 0 2 9 高速开关阀先导控制注塑机注射液压系统的仿真研究 康磊 ，谢 英俊 浙江大学流体传动及控制 国家重点实验 室，浙江杭 州 3 1 0 0 2 7 摘要给出了高速开关阀先导控制的二通插装阀应用在注塑机上的注射系统液压原理图，并在 A ME S i m仿真环境 卜， 分析关键参数如系统液阻、调制频率、占空比、负载。仿真结果表明，采用高速开关阀先导控制实现 r对插装阀阀芯的位 置控制 ，验证了系统原理 的可行性 。 关键词高速开关阀；先导控制；注塑机 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 5 0 9 8 3 S i mu l a t i o n o f I n j e c t i o n Mo l d i n g Ma c h i n e Hy d r a u l i c S y s t e m B a s e d o n Hi g h- s pe e d o n ／o ff Va l v e Pi l o t Co n t r o l K A N G L e i ， X I E Y i n g j u n S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7，C h i n a A b s t r a c t r h e i n j e c t i o n s y s t e m h y d r a u l i c d i a g r a m o f i n j e c t i o n m o l d i n g ma c h i n e ，u s i n g t w o w a y c a r t r i d g e v a l v e s b a s e d o n o n／o f f v alv e p i l o t c o n t r o l ，wa s g i v e n．Ke y p a r a me t e r s o f t h e s y s t e m t l ui d r e s i s t a nc e，mo d ul a t i o n f r e q ue n c y，du t y c y c l e，l o a d we r e a n a l y z e d i n AMES i m． Th e s i mu l a t i o n r e s ul t s s h o w t h a t t h e pr i nc i p l e o f t h e s y s t e m i s f e a s i b l e， a n d t h e po s i t i o n c o n t r o l o f c a r t r i dg e v a l v e s c o r e i s r e a l i z e d b y o n ／ o ff v a l v e p i l o t c o n t r o 1 ． Ke y w o r d s H i g h s p e e d o n／o ff v a l v e ； P i l o t c o n t r o l ； I n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e 高速开关 阀具有结构简单 、成本低 、抗污染能力 强 、工作稳定可靠 、能耗低 、响应快等优点 ，尤其是 其与微机接 口方便 ，可 以使 用计算 机进行 连续 控制 ， 这使 得系统的性能 和控 制水平 得到大 大提 高 。插 装阀结构简单 ，密封性好 ，以高速开关 阀为先导级 的 二 二 通插装 阀可 以用 于大 流量 、大惯 性液 压 系统 的控 制C 3 ] 。高速注塑机注射系统所需流量较大，采用传统 的比例阀或伺服阀可以实现对注射速度的控制，但阀 的成本较大 。高速开关阀先导控制成本 低廉 ，过流流 量大，能满足注塑机的使用要求。高速开关阀先导控 制的二通插装 阀的性能与系统 中液阻 、占空 比、调制 频率及负载都有很大关 系，作 者建立 系统 的 A ME S i m 模型，对这些关键参数进行了仿真研究，验证了系统 的可行性 。 1 系统原理 以某公司型号 G E K 1 2 0高速注塑机为原型，图 1 所示是其注射部分液压系统原理 图。 换向阀4控制小泵给蓄能器充油以及与大泵合流 两个工况 ，在非注射工况下 ，高速开关阀不通电，小 泵给蓄能器充油，蓄能器压力 同时作用在插装 阀 A 口和 C口，插 装 阀 被 锁 死 ，没 有 流 量 通 过 插 装 阀； 充油完成后小泵可与大泵合流 ，同时给系统供油。在 注射工况下 ，大小泵合流 ，高速开关阀 8 在一定 占空 比下 工作 ，插装 阀打 开 ，蓄能 器流量 通过 插装 阀 9 ， 在注射控制 阀 1 1 控 制下进 入注射 油缸 有杆腔 ；与此 同时，泵流量也会通过阀 1 1 参与注射，但注射油液 主要还是来 自蓄能器。高速阀占空比大小影响插装阀 l 一 电机 2 一 双联 泵 卜 溢流 阀 4 一 电磁 换 向 阀 5 一 单 向阀 单 向阀 7 一 蓄 能器 8 一 高 速开 关 阀 ．卜 带 缓冲 凸 头 的插 装 阀 i l 卜 梭 阀 l 1 一 电磁 换 向阀 1 2 一 电磁换 向 阀 1 3 一 注 射液 压缸 1 4 一 回 油箱 一 液阻 图 1 注塑机注射系统部分液压系统原理图 收稿 日期 2 0 1 0 0 81 0 作者简介康磊 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生，主要从事高速注 塑机液压系统设计方面研 究工作。Em a i l h u t e k l z j u ． e d u ． c n 。 1 0 0 机床 与液压 第 3 9卷 位移变 大 ；而 在瞬 态时 ，液阻 变小 ，P 也 变小 ，阀 芯运动的阻尼变小，阀芯运动快速性变好。若保持 R 不变 ，液 阻 孔径变 大而液 阻变 小 ，稳态 时 ，流 过液 阻 尺 ． 的流 量变 大 ，同样地 流 过 尺 的流量 也 变 大 ，所 以 P 变 大 ，阀稳态 位移变 小 ；而在 瞬态 时 q 的变大 会使 q 同样变 大 ， P 增 大 ，阀芯 阻 尼变 大 ， 快速性变差 。图 5 、6是在 不 同阻尼 值下 ，阀芯位 移 的阶跃 响应线 。 5 不同R 值下的阀 芯位 移阶跃响应 R， 0 ． 8 mm 图6 不同R ， 值下的阀 芯阶跃响应位移 R 2 1 ． 6 mm 由于高速 开 关 阀过 流量 都 很 小 。在这里要想使插装 阀位 移按 l 审 比变化成 比例 输 出 ， ． 可 以看成 是插 装 阀 的阻尼固有频率。由于 ， 的作用使 得 阻尼 自然频率 不易确定 ，不过在 A ME S i m里可 以通过分析低频下插 装阀的阀芯位 移变 化 曲线 来确 定 调制频 率 的变 化 范 围。如图 7为 f 5 H z ，D 0 ． 6 5 ，仿 真 步 长 为 0 ． 1 I l l S 的阀芯位移及速度 曲线 。 I I f l 0． 0 0． 20 0． t l s f a 位 移 O． O0 0． 10 0． 20 0． 30 t l s b 速度 图 7 阀芯仿真曲线 仔细分析阀芯运动规律 ，在一个完整周期 内经过 r以下 J L 个阶段 1 开启 延时 t 。 由高速 阀开 启延时引起 ； 2 开启 加速 ； 3 开启减 速 ； 4 完全 开启稳定状态 ； 5 关闭延时 z 。由高速 阀 关 闭延时引起 ； 6 关闭加速 ； 7 关闭减速 ； 8 完全关 闭。 从 图中可 以分析 得 到 ，要使 阀芯开 启 ，需 要使 t ≥t 。 阀芯开启延时时间 ；而要想 使阀芯稳定在 一 定 的开启量 的平 衡位 置 ，必须 使低 电平 持续 时间 t 尽可 能短 。t ≤t 阀芯关闭延时 时间 阀芯关 闭运 动时 间 一阀芯开启延 时时 间。而对于一般的高速 开关 阀 ，占空 比的工作范 围为 D[ 0 ． 2 ，0 ． 8 ] ，由此 叮以 得到最小 的调 制频 率 同样 对 于在一 定／1 二 作 下 的高速开关 阀 ，可 以据 以上条 件求得 占空 比 ， 先 导 控制 的具体 变化范围。 3 ． 3 高速 开 关阀 比例 控 制 虽然 调 制 频 率 越 高 ， 阀芯变化 频率越快 ，阀芯 的振幅越小，但是高速开 j 关 阀工作 的调制频率 不可 -q 能太 高 ，取调 制 频 率 f 1 0 0 H z ，设 计 D ，0 ． 7 、 D． 0 ． 6两组 对 比仿 真实 验。仿 真步 长 5 Il l s ，阀芯 位移 运动规 律与 占空 比如 图 8 不删 占空 比 卜 芯位移变化 曲线 图 8 所示 。由图可 知在不 同 占空 比下 ，插装 阀 芯能 稳定在不 同位置 ，改变 占空 比就可以改变插装 阀阀芯 的开 口大小 ，这就实现 _『高速阀先导控制二通插装阀 的流量 比例控制 。 3 ． 4 负载的影响 在 f1 0 0 Hz ，D 0 ． 6情 况 下，分 别 仿 真 P 。 0 、 6 ． 0 MP a 时 插 装 阀 l 阀芯位移 的开启情 况。如 图 9所示 。 由图 9可 知 ，有 负载 阀芯开启位 移反而要 大 于 无负载 时的情况 ，这 主要 是 由于插装 阀负载压 力作 f ， s 图 9 同负载 卜闵芯 位移变化曲线 用在 B口面积 上 ，加 大 了开 启 阀芯 的作 用力 ；另 方面 ，负载变大 ，插装阀阀 口压差变小 ，稳 态液动力 也变小 的缘故 。 4结论 针对注塑机注射系统大流量速度控制的要求，提 出了使用高速开关阀先导控制的二通插装阀的设汁思 想 ，相 比传统 的比例 阀流量控制 ，成本低 、与计算 机 接 口方便 。仿真分析各个关键控制参数 ，验证了系统 下转第 1 2 2页 ，l 1 l 0 0 0 0 0 2 0 8 6 4 2 0 2 4 6 1 l O 0 0 0 0 O 0 0 1 2 2 机床与液压 第 3 9卷 时器循 环 次 数 ，从 而 调 节 两脉 冲 之 间 的延 时 时 间 ， 实现步进 电机加减速。定 时器初始值定义后 ，通过按 s P 一 5 1 8 8 单 片机学 习实验 板上加 速键或减 速键改 变定 时器循环次数 ，即可实 现步进 电机 的加减速调节 。输 出频率延 时序列为 9 3 7 ，3 1 2 ，1 8 7 ，l 3 3 ，1 0 4 ，8 5 ， 7 2 ，6 2 ， 5 5 ，4 9 m s ，对应 的 电机 速 度为 1 ，3 ，5 ， 7，9， 1 1 ， 1 3， 1 5， 1 7， 1 9 r ／mi n。 程序设计中要注意设 置串行 中断的优先级应高 于 定时器 1 1 D中断 ，因为默认 的 E T 0中断优 先级是 高于 串行 中 断 E S ，使 用 语 句“ P T 00 ；／ ／ 低 优 先 级 ， P S1 ；／ ／ 高优先级” 即可 。只有 当 串行 通信优 先 级最高时 ，才 能实 现外 部实 际硬 件 电路 板对 P r o t e u s 虚拟仿真电路的实时控 制。 1 ． 4 系统 调试 与仿 真 在 k e i l 软件 中 ，根 据软件 流程 图编制 好源程 序 。 分别将 外部实际硬 件 电路 部分 和 P r o t e u s 虚拟 仿真 电 路部分源程序 编译 成机 器码 ，即生 成 ． H E X文 件 ； 然后将 外部实际硬件电路部分 的 ． H E X文件直 接通 过 s P ． 5 1 8 8 单 片机学 习实验 板并 口在线编程烧 录到该 实验板的 A T 8 9 5 1 单片机上 ；再将 P r o t e u s 虚拟仿真 电 路部分的 ． H E X文件加载到图 3中虚拟仿真 电路 中的 A T 8 9 C 5 1 单片机上。具体步骤为用 P r o t e u s 打开仿真 电 路 文 件 ，右 击 选 中 A T 8 9 C 5 1 ，再 用 左 键 单 击 A T 8 9 C 5 1 ，在出现 的属性对话框 里点击 P r o g r a m F i l e 后 的打开按钮 ，找到 P r o t e u s 虚拟仿真电路部分的 ． H E X 文件 后 单 击 打 开 ，然 后 在 C l o c k F r e q u e n c y后 填 写 1 1 ． 0 5 9 2 M H z ，正 确设 置时钟 频率很重要 ，否则 会影 响串口通信，使得半物理仿真失败，单击 O K加载程 序文件，按下仿真按钮开始全速启动仿真。 1 电机加减速控制 按下 S P 一 5 1 8 8 单 片机学 习实验板上 的加速键 ，实 验板和 P r o t e u s 虚拟仿 真 电路 中的数码 管所显 示 的转 速为 1 r ／ m i n ，每次按下加速 键后转 速加 2 r ／ m i n ，直 至最大转速 1 9 r ／ m i n ；反之每次按下 S P - 5 1 8 8 单片机 学习实验板上的减速键 ，数码 管所显示 的转 速递减 2 r ／ rai n。 2 电机正反转控制 按 下 S P - 5 1 8 8单 片 机学 习 实验 板 上 的 正 转 键 ， P r o t e u s 虚拟仿真电路 中的单片机 P l口输出序列为 0 x 0 8 ，0 x 0 4 ， 0 x 0 2 ，O x 0 1 ，步进 电机 正 向转 动。 当按 实验板 上的反 转键 时 ，P r o t e u s 虚拟 仿真 电路 中单 片 机脉 冲反 向输 出，即可实现步进电机的反 向转动 。 如 图 1 、2所 示 为按 加 速键 使 转 速 到 1 9 r ／ m i n ， 按下正转键时 的外部实 际硬件 电路 部分 和 P r o t e u s 虚 拟仿真 电路联合仿真时 的结果。 2 结束语 仿真结果表 明 ，通 过 串行 电缆 和 P C机 串行 口使 得外部实 际硬 件 与 P r o t e u s虚拟 仿 真 电路 无缝 连 接 ， 所构建 的半物理仿真系统能很好地实现通过外部 实际 硬件对虚拟 步进 电机 的 同步控 制 与速 度大 小显 示功 能 ，实现 了程序所预期要求的控制过程 ，从而说 明基 于 P r o t e u s 的半物理电路仿真技术是可行的。这为单 片机教学解决 了硬件资源匮乏问题 ，同时义为最大 限 度地利用硬件资源进行开放性综合性实验提供 丁新的 途径 。此外 ，还为单片机产品开发避免不 必要 的资源 浪 费、节省资金提供 了新途 径。在单 片机产 品开发前 期部分 电路不确定 、个别硬件昂贵易损坏 ，而利用基 于 P r o t e u s 的半物理 电路仿 真技 术采用 虚拟 电路 来代 替它们 ，与其他 已确定的硬件电路 进行仿 真 ，待仿真 成功后 ，再全部用实物调试 ，这样 既节省 了资金 ，又 保证开发 的顺利 。 参考文献 【 1 】 袁锋伟， 赵立宏 ， 朱慧玲， 等． 基于 P r o t e u s 的单片机课程 教学 与实验改革 [ J ] ． 实验 室研究 与探 索， 2 0 0 7， 2 6 1 2 7 5 7 8 ． 【 2 】张德伟． 单片机课程教学模式的探索与实践[ J ] ． 中国 科技信息， 2 0 0 7 6 2 6 8 2 7 0 ． 【 3 】刘邹， 丁青青． 基于 P r o t e u s的硬件在回路仿真[ J ] ． 汁算 机仿真 ， 2 0 0 9 ， 2 6 2 3 1 2 3 1 4 ． 【 4 】 谭辉， 潘涵， 邢芳， 等． 基于单片机和串口通信的高速步 进电机控制系统设汁[ J ] ． 舰船科学技术， 2 0 0 8 ， 3 0 5 8 28 5． 【 5 】肖 茂， 孙毅， 张华兴． 基于P r o t e u s 的P C机对步进电机 运动控制仿真[ J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 0 9 4 1 8 8 1 9 0 上接第 1 【 】 页 的可行性 ，具有 理论 和实践指 导的意义 。 参考文献 【 1 】曾文武。 基于 P WM高速开关阀控制的旋转平台液压系 统的研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 9 3 4 0 4 2 ． 【 2 】施光林 ， 钟廷修． 高速电磁开关阀的研究与应用[ J ] ． 机 床与液J玉， 2 0 0 1 2 7 9 ． 【 3 】 刘忠， 廖亦凡． 高速开关阀先导控制的液压缸位置控制 系统建模与仿真研 究[ J ] ． 中国机械上程， 2 0 0 6 7 7 4 57 4 8． 【 4 】 刘金榕． 基于高速电液阀的变气门执行系统关键技术研 究[ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 9 6 8 ． 【 5 】 王庆国， 苏东海． 二通插装阀控制技术[ M] ． 机械j 二 业} l I 版社 ， 2 0 0 1 ． 4 6 4 6 6 ． 【 6 】 荆宝德， 殷涌光 ， 刘顺安， 等． 装载机中数字电液比例控 制系统的仿真[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 5 2 4 7 5 0 ．