多股簧數(shù)控機(jī)床張力控制器動態(tài)響應(yīng)特性的研究

1、多股簧數(shù)控機(jī)床張力控制器動態(tài)響應(yīng)特性的研究AuloManufaclunngTechn.J0gy汽車制造技術(shù)多股簧數(shù)控機(jī)床張力控制器動態(tài)響應(yīng)特性的研究程建宏王時龍周杰鄒政彭玉鑫(重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點實驗室,重慶400044)摘要:以CZ型磁粉制動器為研究對象,通過分析磁粉制動器的動態(tài)響應(yīng)特性.建立了磁粉制動器的數(shù)學(xué)模型及控制方程.通過matlab軟件進(jìn)行仿真.得出了多股簧數(shù)控機(jī)床張力控制器的響應(yīng)曲線,對多股簧數(shù)控機(jī)床的整體控制系統(tǒng)動特性的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù).關(guān)鍵詞:多股簧數(shù)控機(jī)床磁粉制動器動態(tài)特性控制系統(tǒng)StudyonDynamicResponseofTensionController

2、ofCNCMachineforMulti-coilSpringCHENGJianhong,WANGShilong,ZHOUJie,ZOUZheng,PENGYuxin(MechanicalTransmissionNationalKeyLaboratory,ChongqingUniversity,Chongqing400044,CHN)多股螺旋彈簧(簡稱多股簧)是由鋼索(通常由27股0.43mm的碳素彈簧鋼絲纏繞而成)卷制而成的圓柱螺旋彈簧,和單股彈簧相比,多股螺旋彈簧具有剛度強(qiáng)度好,吸振減振效果好等獨特性能,在汽車儀器儀表減振系統(tǒng),武器發(fā)射系統(tǒng)以及航空發(fā)動機(jī)等多個領(lǐng)域中都具有重要的應(yīng)用價值.多

3、股簧數(shù)控機(jī)床是加工多股螺旋彈簧的專用設(shè)備.由于多股螺旋彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多,制造工藝復(fù)雜,對數(shù)控系統(tǒng)提出了更苛刻的要求.在多股螺旋彈簧的繞制過程中,鋼索索距的均勻性和鋼絲直徑的一致性是決定多股螺旋彈簧的質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵因素.在擰索過程中,如果各股鋼絲張力不一致,各自的塑性變形相差很大,擰成鋼索后變形適當(dāng)恢復(fù),將造成鋼索索距均勻性和直徑一致性較差,從而無法保證鋼索的質(zhì)量.這樣的話,多股簧在工作過程中各股鋼絲的變形及內(nèi)部摩擦不均勻,也無法均勻承擔(dān)載荷,甚至可能造成某根鋼絲的過度磨損而斷裂,使多股簧的優(yōu)越性能和使用壽命大打折扣.因此,嚴(yán)格控制各股鋼絲張力趨于一致,并實現(xiàn)鋼絲張力的實時檢測,就成為多股

4、簧制造工藝中的關(guān)鍵技術(shù).基于磁粉制動器的張力控制器很好的解決了這一難題,使得多股簧在繞制過程中的各股鋼絲的張力恒定在給定范圍,并且實時監(jiān)測,從而保證多股簧的質(zhì)量1基于磁粉制動器的鋼絲張力控制系統(tǒng)1.1磁粉制動器的結(jié)構(gòu)及工作原理磁粉制動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.當(dāng)激磁線圈加上某一直流電壓時,線圈內(nèi)產(chǎn)生激磁電流,此電流流經(jīng)線圈后形成了如圖中虛線所示的閉合磁場,在磁場作用下工作間隙中的摩擦力產(chǎn)生制動力矩.磁粉制動器所消耗的功率變成熱能由冷卻水冷卻達(dá)到平衡.1一旋轉(zhuǎn)的圓柱形轉(zhuǎn)子;2-定子;3-激磁線圈;4-圓柱形轉(zhuǎn)子上的隔磁環(huán);5-磁粉;-定子冷腔.圖l磁粉制動器的結(jié)構(gòu)圖1.2磁粉制動器的特性磁粉制動器是一

5、種新型的自動控制執(zhí)行元件.它根據(jù)電磁原理,利用磁粉來傳遞轉(zhuǎn)矩,所傳遞的轉(zhuǎn)矩在其額定轉(zhuǎn)矩內(nèi)通過激磁電流可任意調(diào)節(jié),激磁電流(,)和轉(zhuǎn)矩()在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系(圖2).國家自然科學(xué)基金(50775226);教育部科學(xué)技術(shù)研究重點項目(109129);重慶市科技攻關(guān)計劃項目(CSTC2009AC3049)汽車制造技術(shù)AutoManufaingTechn0Iogy當(dāng)激磁電流不變,轉(zhuǎn)矩將會穩(wěn)定輸出,不受滑差速度()的影響(圖3).12O,i00輯80苦錐6O402O0/./r/2O4O6O80100120激磁電流/%圖2激磁電流與輸出扭矩M的關(guān)系圖20040060080010001200滑差速度V/

6、min圖3滑差速度v與輸出扭矩M的關(guān)系1.3多股簧數(shù)控機(jī)床張力控制器的工作原理多股簧數(shù)控機(jī)床張力控制器的控制系統(tǒng)原理如圖4所示,鋼絲從鋼絲盒出絲后,由磁粉制動器恒定扭矩達(dá)到控制其張力,之后鋼絲進(jìn)給軌跡到達(dá)檢測機(jī)構(gòu)張力傳感器,對張力實時檢測并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸D-AM5017控制模塊,經(jīng)處理后由ADAM5024將控制信號輸出到變送器,從而達(dá)到實時調(diào)節(jié)磁粉制動器以恒定張力.整個系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖5所示.?146?圖4張力控制器的控制系統(tǒng)原理上位機(jī)+控制模塊竺網(wǎng).A/D轉(zhuǎn)換器H前置濾波放大器H稱重傳圖5張力控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2張力控制器的動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型2.1磁粉制動器的傳遞函數(shù)通常磁粉制動

7、器的響應(yīng)時間與勵磁電壓,勵磁電流及磁通大小有直接的聯(lián)系.本系統(tǒng)中的磁粉制動器可以近似地看作一階慣性環(huán)節(jié).故傳遞函數(shù)為?1(S)/u(s)=Koe”/(s)+1)(r(s)+1)/(5)+1)(.(s)+1)()+1)(1)式中:(s)為磁性線圈勵磁電壓一勵磁電流間慣性滯后關(guān)系的電磁時間常數(shù);r(s)為勵磁電流一磁通量問純滯后關(guān)系的磁滯時間常數(shù);丁(s)為磁通一磁粉運動間慣性滯后關(guān)系的機(jī)械時間常數(shù);Ko為靜態(tài)系數(shù),Nm/V.磁粉制動器的輸出力矩與勵磁電流,或勵磁電壓的穩(wěn)態(tài)值近似成正比,其一般式為T=.廠(,)=g(U)(2)本系統(tǒng)采用40V直流電壓作為電源來調(diào)整勵磁電流,通過WLK一1A型控制器

8、,整流濾波后,以調(diào)節(jié)脈寬占空比的方式調(diào)節(jié)輸出電流的大小,從而改變磁粉制動器的輸出扭矩.用階躍響應(yīng)曲線法可以求出傳遞函數(shù)中的未知參數(shù),r,.,下.在實驗時,在磁粉離合器的輸入端加上一個階躍信號(激磁電壓),然后用光線記錄示波器可以記錄到電極絲張力的響應(yīng)曲線.2.2PWM功率放大器PWM的基本原理是利用大功率場效應(yīng)管開關(guān)時間的控制,將直流電壓轉(zhuǎn)換為一定頻率的方波電壓.加在磁粉制動器電樞的兩端,通過對方波脈沖寬度的控制,即通過軟件或硬件方式改變輸出脈沖波形的占空比,改變電樞的平圖6PID校正裝置均電壓,從而達(dá)到輸出調(diào)節(jié)的目的,實現(xiàn)無級調(diào)速.在文獻(xiàn)4中提到,當(dāng)PWM勵磁電壓的脈沖幅值E足夠大時,有:t

9、=(34).r.從而大大縮短了磁粉等;zuu平弗口刪oo/0,輯丑舞Aul.ManufacfugTechn010gy汽車制造技術(shù)表1輸入電壓與對應(yīng)磁粉制動器輸出扭矩輸入電壓/VOl2345678910l1l2輸出扭矩/(N?m)O0.2054O.3l370.4527057250.72580.9I2O1.04521.2l751.38261.52041.63921.8742輸入電壓/Vl3141516l718l9202l222324輸出扭矩/(N?m)1.95012.19682.30422.45232.56722.70l42.8l782.98833.13253.45363.56l53.68l2制動

10、器的電磁響應(yīng)過程,提高了動態(tài)響應(yīng)的快速性.則式(1)可改寫為G.(S)=T(s)/U(S)/(丁(s)+1)(7.(s)+1)(7-(s)+1)(3)2.3PID校正器的應(yīng)用及實現(xiàn)本系統(tǒng)采用了PID控制算法,可以實現(xiàn)超前一滯后的校正作用,其工作原理圖如圖6所示.G)=Kp+去=(4)式中:.為比例單元;Tds為微分單元;1/()為積分單元.3張力控制器系統(tǒng)的應(yīng)用及實現(xiàn)張力控制器的結(jié)構(gòu)原理如圖7所示,所有控制元件全部集成在機(jī)床旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中,經(jīng)過ADM5510數(shù)據(jù)交換模塊,67891O11l_旋轉(zhuǎn)架;2-磁粉制動器齒輪軸;3-磁粉制動器;4一大制動齒輪;S一鋼絲盒6一滾輪;7-傳藤器;8一制動器;9

11、-軸承;10一調(diào)節(jié)螺栓;11-軸承.圖7張力控制器機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖分別通過8通道數(shù)據(jù)輸出模塊5017,雙4通道數(shù)據(jù)輸入模塊5024進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和反饋,形成穩(wěn)定可靠的自鎮(zhèn)定控制.該系統(tǒng)主要用于繞制具有雙層結(jié)構(gòu)的多股螺旋彈簧,WLK一1A穩(wěn)流電源是一種直流開關(guān)穩(wěn)流電源.電源經(jīng)變壓器輸出,整流濾波后,以調(diào)節(jié)脈寬占空比的方式調(diào)節(jié)輸出電流的大小,解決了大功率晶體管管壓降高,發(fā)熱嚴(yán)重的問題,同時也使整機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊,提高了可靠性.4結(jié)語在實驗中保持鋼絲盒半徑不變,即將鋼絲一端固簪定在張力控制器上,由計算機(jī)設(shè)置張力,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出電壓值,控制磁粉制動器輸出扭矩.通過張力傳感器感知鋼絲張力,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換

12、后輸入到工控機(jī).經(jīng)計算機(jī)相應(yīng)濾波處理后存人數(shù)據(jù)文件中.此試驗的目的就是檢測磁粉制動器的工作特性曲線.將檢測到的鋼絲張力數(shù)據(jù)與磁粉制動器的半徑相乘,便得到磁粉制動器的輸出扭矩.輸入電壓與對應(yīng)磁粉制動器輸出扭矩數(shù)據(jù)如表1所示.其圖線關(guān)系如圖8所示,即磁粉制動器的特性曲線.從圖中可以看出,曲線中間部分的線性關(guān)系較好.圖8輸入電壓與對應(yīng)磁粉制動器輸出扭矩關(guān)系CZ系列磁粉制動器用于多股簧數(shù)控機(jī)床的張力控制器,提高了張力控制的相應(yīng)速度及恒定了張力的大小,不僅提高了多股簧鋼索索距均勻性和直徑一致性,而且提高了多股簧的質(zhì)量和使用壽命.同時也為提高多股簧加工手段的改進(jìn),擁有自主產(chǎn)權(quán)的自動化設(shè)備奠定了基礎(chǔ).參考文獻(xiàn)1朱驥北.控制工程基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.2于道文.多股螺旋彈簧的動應(yīng)力及其