基于AMESim的數(shù)字液壓缸建模與動態(tài)特性仿真

1、 基于 AMESim的數(shù)字液壓缸建模與動態(tài)特性仿真Modeling and Dynamic CharacteristicsSimulation of the Digital HydraulicCylinder Based on AMESim學科專業(yè)：機械制造及其自動化研究生：郭旭升指導教師：肖聚亮副教授天津大學機械工程學院二一二年十二月 獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其它人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的

2、任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名：簽字日期：年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解天津大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學位論文作者簽名：導師簽名：簽字日期：簽字日期：年月日年月日 中文摘要數(shù)字液壓是正在發(fā)展的液壓新技術，數(shù)字液壓缸作為其中一種執(zhí)行元件，已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。它可以運用到絕大多數(shù)電液伺服控制的場合，將傳統(tǒng)液壓復雜的速

3、度控制和位置控制變成了單一的脈沖控制，大大簡化了控制系統(tǒng)。本文主要通過 AMESim軟件對其中一種內(nèi)置反饋的步進式數(shù)字液壓缸進行了建模與仿真，分析了其在不同情況下的動態(tài)特性和跟蹤特性。全文的主要研究內(nèi)容和成果如下：（1）在研究數(shù)字化液壓傳動發(fā)展的基礎上，重點對數(shù)字液壓缸的概念以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹。利用 AMESim軟件進行物理建模和仿真，挖掘其優(yōu)勢和特點，并針對不足之處提出改進措施。（2）在研究數(shù)字液壓缸結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎上，針對特定工況，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了計算。同時，對閥控不對稱液壓缸進行了數(shù)學建模和分析，為數(shù)字液壓缸的 AMESim建模與仿真分析提供參考和對照。（3）根據(jù)所建

4、立的 AMESim模型，進行仿真。驗證了數(shù)字液壓缸增量式的工作原理，并通過改變單一變量保持其它變量不變的方法，仿真分析了負載變化、供油壓力變化、制造誤差、閥開口情況、連接管路楊氏模量等因素對數(shù)字液壓缸動態(tài)特性的影響，同時提出了減小相應影響的措施。以正弦跟蹤為例，仿真分析了數(shù)字液壓缸的跟蹤特性和改變運動方向時引起換向沖擊的原因，針對造成沖擊的原因，給出了相應改善措施。（4）搭建了數(shù)字實驗臺，對數(shù)字液壓缸的單缸重復精度和多缸同步運行情況進行了實驗，與仿真結(jié)果進行了比較分析。關鍵詞：數(shù)字液壓缸；AMESim；仿真與建模；動態(tài)性能；跟蹤特性I ABSTRACTAs one kind of actuat

5、ors of the digital hydraulic which is developing, the digitalhydraulic cylinder has showed great developed potential which can be used almost forany electro-hydraulic servo occasions. It makes the complex speed control andposition control in traditional hydraulic become single pulse control. Therefo

6、re, thecontrol system is greatly simplified. In this paper, one kind of the built-in feedbackstepping digital hydraulic cylinders is modeled and simulated by AMESim software.Its dynamic and tracking characteristics are analyzed under different circumstances.The main research contents and results of

7、the full text are listed as follows:(1) On the basis of the development of hydraulic transmission, we mainly introducethe concept and the development status of the digital hydraulic cylinder at home andabroad. By AMESim software, do the physical modeling and simulation, tap itsadvantages and charact

8、eristics and propose improvement measures for theinadequacies.(2) On the foundation of studying the structure and working principle, theparameters of the digital hydraulic cylinder are calculated against specific condition.At the same time, mathematical modeling and analysis are made for the asymmet

9、ricalhydraulic cylinder controlled by the valve so as to cross reference for simulationanalysis based on AMESim.(3) According to the AMESim model built, get the simulation. Incremental workingprinciple of the digital hydraulic cylinder is verfied. Through changing single variableand keeping the othe

10、r variables constant, simulate its impacts and proposeimprovement measures when there are load changes, oil source pressure changes,manufacturing errors, four-way valve opening and size, and so on. Taking sinusoidaltracking for example, tracking characteristics and the shock caused by the change ind

11、irection of motion are analyzed. In view of the causes of the shock, give thecorresponding improvement measures.(4) By building the digital experimental platform, experiments which includerepeat accuracy of single cylinder and synchronous operation of multi-cylinder arecarried out. At last, make com

12、parison between the experimental results and thesimulation analysis.Keywords: Digital Hydraulic cylinder, AMESim, Modeling and Simulation,Dynamic Characteristic, Tracking PerformanceII 目錄中文摘要英文摘要.目錄.第一章緒論.1課題的研究背景和意義.1數(shù)字液壓缸的國內(nèi)外研究與現(xiàn)狀.2國外研究與現(xiàn)狀.2國內(nèi)研究與現(xiàn)狀.3數(shù)字液壓缸的應用.41.4 AMESim軟件的特點和仿真優(yōu)勢.41.4.1 AMESim軟件模塊

13、和特點的介紹.4利用 AMESim對數(shù)字液壓缸進行建模仿真的優(yōu)勢.5本文主要研究內(nèi)容.5第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析.7引言.7數(shù)字液壓缸的組成元件及工作原理介紹.7數(shù)字液壓缸的組成元件.7數(shù)字液壓缸的工作原理介紹.8四通閥控制不對稱液壓缸的數(shù)學模型.10數(shù)學建模的條件.10四通閥控制不對稱液壓缸的流量連續(xù)性方程.11四通閥控制不對稱液壓缸的位移輸出方程.13數(shù)字液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算與選取.14基于 AMESim的數(shù)字液壓缸建模分析.16建模過程分析.16建立數(shù)字液壓缸的 AMESim模型.19III 本章小結(jié).20第三章數(shù)字液壓缸的仿真與動態(tài)特性分析.22引言.22子模型的選擇和運行

14、參數(shù)的設置.22給元件選擇子模型.22設置具體運行參數(shù).23運行仿真.23動態(tài)特性仿真.27外在因素對動態(tài)特性影響的仿真分析.27數(shù)字液壓缸制造精度對動態(tài)特性影響的仿真分析.32其它因素對動態(tài)特性影響的仿真分析.36本章小結(jié).39第四章數(shù)字液壓缸的跟蹤特性和影響因素仿真分析. 40引言.40數(shù)字液壓缸正弦跟蹤理論分析.40數(shù)字液壓缸的正弦跟蹤仿真及影響因素分析.41數(shù)字液壓缸正弦跟蹤仿真.41數(shù)字液壓缸正弦跟蹤影響因素的仿真分析.43本章小結(jié).49第五章數(shù)字液壓缸現(xiàn)場運行實驗.51引言.51數(shù)字實驗臺及 PLC控制系統(tǒng)簡述.51數(shù)字液壓缸實驗研究與分析.52單個數(shù)字液壓缸運行重復精度的實驗.5

15、3多個數(shù)字液壓缸同步運行實驗.54本章小結(jié).55第六章結(jié)論與展望.56結(jié)論.56展望.57IV 參考文獻.58參加科研情況和發(fā)表論文說明.62致謝.63V 第一章緒論第一章緒論課題的研究背景和意義液壓技術從出現(xiàn)以來，就不斷運用到工業(yè)的各個領域上。閥控液壓缸是液壓傳動中一種重要的直線傳動形式，運動規(guī)律容易控制，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠1-2。用作控制的液壓閥，種類很多。其中，常用而且可以滿足一定精度要求的，主要有電液伺服閥和電液比例閥。電液伺服閥是一種精密液壓元件，死區(qū)小、3頻帶寬、響應快，而且重復控制精度也很高。然而，它對流體介質(zhì)的清潔度要求十分苛刻，對工作場合溫度敏感，制造成本和維修費用比較高，因

16、此難以在普通的工業(yè)產(chǎn)品中得到廣泛應用。為了降低成本，電液比例閥有一定的中位死區(qū)，工作頻寬比電液伺服閥要略低一些。但是在滯環(huán)長短、重復精度等性能上與電液伺服閥已相差不多；而對油液過濾精度、閥內(nèi)壓力損失和價格因素上卻接近于開關閥，因此它在工業(yè)上得到了廣泛的應用4-6。但是它們的共同缺點是：難以實現(xiàn)遠距離和智能控制，運動形式單一，很難實現(xiàn)復雜的運動形式。7隨著數(shù)控技術和數(shù)字化技術的不斷發(fā)展，液壓技術和計算機技術結(jié)合已成為一種必然趨勢。于是，數(shù)字閥應運而生了，常見的數(shù)字閥主要有兩種：高速開8關閥和步進式數(shù)字閥。它們可以直接與計算機相連，不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換等中間環(huán)節(jié)。相對于傳統(tǒng)的液壓閥，它們結(jié)構(gòu)簡單，對油液

17、精度要求低，對工作場合溫度要求低，成本相對低廉；而且重復精度高，穩(wěn)定可靠，驅(qū)動功率小9-11。本文研究的數(shù)字液壓缸，就是把增量式數(shù)字閥與液壓缸進行適當?shù)倪B接，以實現(xiàn)液壓缸運動的數(shù)字化控制。它的工作原理是：把絲杠作為反饋元件，放置在液壓缸的中空式活塞桿中，通過一定方式，對活塞的位置進行反饋，而活塞桿速度由輸入步進電機的脈沖頻率來決定。這一技術雖然已出現(xiàn)很長時間，但在我國真正利用的時間還不長，許多問題還有待解決。數(shù)字液壓缸是一種高精度產(chǎn)品，然而液壓系統(tǒng)本身存在響應滯后、死區(qū)、管道布置、制造誤差等非線性影響因素；系統(tǒng)本身存在泄露，且受到溫度、負載等參數(shù)變化的影響；液壓缸運動時產(chǎn)生各種沖擊等，如在啟動

18、、換向和停止時。這些因素都會導致實際運行情況與理12想情況存在一定的差別。因此，針對具體的工況，通過前期的仿真，分析運行中，可能出現(xiàn)的各種不同狀況以及這些狀況對其正常工作的影響情況，判斷、分析甚至量化這些影響和1 第一章緒論差別，是十分必要的。這些分析和結(jié)果對數(shù)字液壓缸的設計、制造和具體應用，有很大的參考價值和指導意義。數(shù)字液壓缸的國內(nèi)外研究與現(xiàn)狀國外研究與現(xiàn)狀早在上世紀六七十年代，在國外就已經(jīng)開始進行對數(shù)字液壓缸的研究與開發(fā)，當時的第一臺數(shù)字液壓缸是在德國奧林匹亞會堂出現(xiàn)的，雖然它有很多缺點，但在當時仍然引起廣大液壓同行的轟動與震驚。隨后，德國力士樂公司研制出一種基于螺紋伺服機構(gòu)的液壓脈沖缸

19、，但在今天看來，它仍屬于機液伺服機構(gòu)的領域13-14。1982年，美國的 Ford Motor公司開發(fā)了一種環(huán)形多極的高速電磁開關閥，該閥的響應時間為 2ms。之后，宮本正彥等人開發(fā)出了三通型超高壓高速電磁開關閥，當工作壓力為 120MPa時，閥的開啟和關閉時間分別為 和 。這些閥與液壓缸相連后，便實現(xiàn)了液壓缸的數(shù)字化控制，是數(shù)字液壓缸的一種類型15。但是這種數(shù)字液壓缸的實際輸出流量小，一般小于 10L/min，不能直接用于大流量的控制系統(tǒng)中?，F(xiàn)在常用脈寬調(diào)制的方式去控制高速開關閥，再用其作為先導級控制二級閥，可有效提高控制流量16-18。1985年，Ramchandran等人開始對利用步進電

20、機控制的增量式數(shù)字閥進行性能分析19。不久，日本的東京計器公司設計出一種電液脈沖缸，利用位置反饋的原理，對液壓缸的運動進行控制。其結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高。之后，這一技術在日本、德國和美國等發(fā)達國家得到了不斷改進與創(chuàng)新。日本某公司為了監(jiān)測數(shù)字液壓缸的工作情況，在液壓缸內(nèi)部裝上傳感器，用來監(jiān)測油液的壓力波動和沖擊等情況。如果出現(xiàn)異常情況，傳感器連接系統(tǒng)就會發(fā)出報警聲音，以提醒操作者改變運行條件，消除影響，這一系統(tǒng)可以及時預防突發(fā)情況的發(fā)生，極大的促成了液壓缸在重載條件下的安全運行20-2216。除此之外，還有許多在數(shù)字液壓缸不同部位安置傳感器的例子，目的都是用來提高和改善工作性能與工作環(huán)境。2003

21、年，德國的美圖 Vikers公司在漢洛威展品會上，展示了其生產(chǎn)的專家智能伺服缸。終端執(zhí)行器由多種高新產(chǎn)品組合而成，包括了過濾器、伺服閥、內(nèi)置式位置傳感器、微機控制器等。在美國，某公司開發(fā)出了一種帶磁致伸縮位移傳感器的液壓缸反饋裝置，由于采用了特殊的結(jié)構(gòu)、安裝方式和非接觸的測量技術，使其在高溫、高壓和高振蕩的惡劣環(huán)境下也可以使用，使得數(shù)字液2 第一章緒論壓缸技術又一次得到改進23-24。國內(nèi)研究與現(xiàn)狀國內(nèi)對該技術的研究，始于上世紀 70年代末，直到 90年代，一直處于初步研究與探索的階段，幾乎沒有成形化的工業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)。從上世紀 90年代起，浙江工業(yè)大學“數(shù)字化裝備與控制實現(xiàn)室 ”的阮健教授及其團

22、隊利用單個閥芯的旋轉(zhuǎn)和滑動的雙自由度構(gòu)成新型的二維閥（簡稱 2D閥），并對其理論及應用作了大量研究25-27。進入 21世紀，尤其是 2002年，數(shù)字液壓缸技術納入國家“十五”攻關項目后，在我國得到了快速的發(fā)展。其中，以北京億美博為代表，該公司研制出了多種性能先進的數(shù)字液壓缸，如圖 1-1所示。它的結(jié)構(gòu)設計巧妙靈活，充分運用了計算機技術、傳感技術、機械技術和液壓技術的優(yōu)點?？梢耘c專門研制的簡易可編程數(shù)字控制器配合，能高精度的對液壓缸運動進行控制28。圖 1-1億美博公司生產(chǎn)的數(shù)字液壓缸及智能數(shù)字控制器除此之外，重慶大學的魏祥雨，針對現(xiàn)有數(shù)字液壓缸不能對系統(tǒng)溫度、壓力負載、內(nèi)泄及死區(qū)等因素給運行

23、位移和速度造成的影響進行補償，提出了一種采用光電編碼器檢測液壓缸運行的方法，從而形成閉環(huán)控制的思想，并且對其進行了設計、計算12。前面介紹的研究，都是利用步進電機進行增量式控制的數(shù)字液壓缸。湖南師范大學的李偉，對一種利用高速開關數(shù)字閥組成的數(shù)字液壓缸，進行了基于AMESim的建模和仿真分析。該數(shù)字液壓缸以高速開關閥作為邏輯錐閥的先導控制閥，在一定程度上彌補了高速開關閥輸出流量小的缺點。通過仿真分析，驗證了這一驅(qū)動方案的可行性，得出了其具有較高控制精度和滿足高壓、大流量的液壓驅(qū)動的結(jié)論16。另外，中國礦業(yè)大學的趙繼云、曹紅波等，對大推力的數(shù)字液壓缸（例如推3 第一章緒論力大于 100kN）通過

24、Matlab建模，進行了仿真分析，提出了設計大推力數(shù)字液壓缸時應注意的問題。數(shù)字液壓缸的應用相對傳統(tǒng)的液壓技術，數(shù)字液壓缸運動特性完全數(shù)字化，適合多參數(shù)化系統(tǒng)協(xié)同工作；抗干擾能力強，對溫度不敏感，可在最高 200左右的環(huán)境下工作；控制功率小，輸出功率大，容易實現(xiàn)大型機械數(shù)控化；控制系統(tǒng)簡單，大大減少了調(diào)試工作，對從業(yè)人員的專業(yè)技術要求降低了很多29-30。因此，可以廣泛應用于國民領域的各個方面，已經(jīng)在冶金、國防軍事、機械制造、能源、化工等領域中獲得廣泛推廣，帶來一系列技術進步。隨著微機技術、傳感技術和制造技術的高速發(fā)展，實現(xiàn)液壓控制數(shù)字化是未來液壓發(fā)展的方向。目前，這一技術在國內(nèi)外的研發(fā)，都已

25、經(jīng)取的了一定的成績。在國內(nèi)，這一技術已經(jīng)應用到了一系列傳統(tǒng)液壓難以解決的液壓系統(tǒng)中31-32。東方電機公司于 2009年 7月，在灘坑 3號機上，把圓筒閥控制改為數(shù)字液壓缸控制，截止到 2010年 5月，已成功開啟筒形閥 270余次，沒有出現(xiàn)過一次卡阻故障，且運行維護非常方便33。利用超高精度數(shù)字液壓缸，成功實現(xiàn)洲際導彈裝彈機構(gòu)同步舉升和移動控制，已經(jīng)穩(wěn)定運行數(shù)年，很少出現(xiàn)故障。鋼鐵研究院，在極薄非晶帶鋼的厚度控制上，運用數(shù)字液壓缸技術后，穩(wěn)定性和控制精度都超過原來的伺服液壓技術。以上所列只是數(shù)字液壓缸眾多應用中的一小部分，隨著這一技術的不斷完善和推廣，相信它一定會應用到更多、更新的領域。這也

26、是本文對其進行建模仿真的目的，就是為了充分了解和分析它的性能，針對有瑕疵的地方不斷改進，為現(xiàn)有的應用和再次的開發(fā)制造提供參考。1.4 AMESim軟件的特點和仿真優(yōu)勢1.4.1 AMESim軟件模塊和特點的介紹AMESim軟件是一個完整的系統(tǒng)工程設計平臺，包括了機械、液壓、電氣、自動化等眾多學科領域，使用戶可以在一個平臺上建立復雜的多學科領域系統(tǒng)模型。由其是運用在機電液一體化上的建模與仿真，相對其它軟件，優(yōu)勢更加明顯。AMESim軟件的主要特點有34-37：4 第一章緒論（1）實現(xiàn)了多學科建模仿真，應用范圍廣泛。AMESim軟件可以在同一平臺上實現(xiàn)不同領域的系統(tǒng)工程建模，而且不同領域模塊之間可

27、以直接連接。（2）AMESim軟件使用的是圖形化的物理建模方式，仿真模型的建立、修改都是通過圖形界面來進行的，不再需要建立復雜的數(shù)學模型和編寫程序代碼。（3）AMESim軟件中，每個基本元素都是構(gòu)成工程系統(tǒng)的最小元素，使得用戶可以用盡可能少的元素，完成復雜模型的建模與仿真。（4）AMESim軟件具有魯棒性極強的智能求解器。當使用者建好模型后，軟件能自動選擇最佳積分方法進行仿真計算，而且積分算法和積分步長能隨時間變化進行動態(tài)切換，達到縮短仿真時間和提高仿真精度的目的。（5）AMESim軟件提供了與很多其它軟件兼容的接口。例如控制軟件接口（Matlab，MatrixX），多維軟件接口（Adams，

28、VL Motion，F(xiàn)lux）和實時仿真軟件接口（dSPACE）等。雖然 AMESim是個比較成熟的軟件，但在元件模型的參數(shù)設置上有些不便，很多參數(shù)需要設置，有的參數(shù)很難確定。另外，基本元件偏少，當系統(tǒng)比較復雜時，建模存在一定難度。同時，在信號控制方面不夠靈活，函數(shù)相對較少。利用 AMESim對數(shù)字液壓缸進行建模仿真的優(yōu)勢傳統(tǒng)的數(shù)學建模難以建立精確的模型，而且建模周期長，過程也非常復雜。一旦對結(jié)構(gòu)中元件進行改變或修改，建模就可能要重新開始。數(shù)字液壓缸是機、電、液一體化集成的系統(tǒng)，對性能影響的參數(shù)較多。若利用其它方式建模，過程復雜，不容易調(diào)試。而利用 AMESim軟件進行建模與仿真，只需要根據(jù)數(shù)

29、字液壓缸的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，取得合適最小元素，進行連接便可。建模中，任何一個元件的改變，都不影響其它元件已經(jīng)建好的模型，更不用從頭開始建模過程。大大減小了建模的時間和復雜程度，可抽出更多的時間，專注于物理系統(tǒng)本身的設計研究和對問題的仿真分析上38-39。此外，AMESim具有強大的繪圖功能。在仿真分析階段，可以方便的進行圖形分析；針對同一參數(shù)設置不同的數(shù)值，進行批運行，觀察該參數(shù)對系統(tǒng)的影響；通過它的回放功能，可以更直觀的觀察系統(tǒng)的動態(tài)變化。本文主要研究內(nèi)容本文研究的對象是一種利用數(shù)字脈沖進行控制的增量式數(shù)字液壓缸。這一5 第一章緒論技術在國內(nèi)出現(xiàn)時間還不夠長，還有諸多不完善的地方有待改進。

30、針對這些問題，對該數(shù)字液壓缸進行建模和仿真就顯的十分必要。本文是通過 AMESim軟件，對該數(shù)字液壓缸進行建模與仿真。針對其在實際運行中可能出現(xiàn)的問題，進行了原因分析，并提出了改進的措施和再次設計、運行時，應注意的問題。從而達到進一步挖掘其性能和改善不足的目的。全文內(nèi)容編排如下：第一章，簡述了課題的研究背景和意義，介紹了數(shù)字液壓缸的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和在國內(nèi)的應用情況；然后綜述了 AMESim軟件的特點和利用它進行建模仿真的優(yōu)勢；最后提出本文的主要研究內(nèi)容。第二章，簡要介紹了數(shù)字液壓缸的主要組成元件和元件選型，在此基礎上介紹了它的工作原理；并建立了閥控不對稱液壓缸的數(shù)學模型，為最終的AMESim仿

31、真結(jié)果提供一定的參考，然后針對特定工況，計算了液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)；最后完成了本文研究的數(shù)字液壓缸基于 AMESim的建模工作。第三章，本章主要對數(shù)字液壓缸的動態(tài)特性進行了仿真分析。主要從負載干擾、供油壓力變化、制造誤差、四通閥開口方向和大小等因素出發(fā)，分析了它們對系統(tǒng)運行的影響，包括對響應速度、滯后量、速度波動等性能的影響，并給出了減小這些影響應該注意的問題。第四章，繼續(xù)利用所建立的 AMESim模型，改變輸入方式。對其正弦跟蹤特性進行了仿真分析，主要考慮了液壓缸運動方向發(fā)生改變時，出現(xiàn)速度沖擊的問題。除此之外，還分析了其位移曲線誤差，跟蹤滯后等問題。針對相應問題，給出了改進的措施和建議。第五章

32、，通過進行現(xiàn)場實驗，對該數(shù)字液壓缸的增量式工作原理、多個數(shù)字液壓缸同步運行情況進行了驗證，根據(jù)實驗結(jié)果與仿真情況作了對比分析。第六章，對全文的主要研究內(nèi)容進行總結(jié)，提出今后的工作展望。6 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析引言本章首先介紹了數(shù)字液壓缸的工作原理，并對閥控不對稱液壓缸進行了數(shù)學建模；其次，針對特定工況，對數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了計算；最后，對數(shù)字液壓缸的各個組成模塊進行了 AMESim建模分析，完成建模工作，為下一章的仿真作準備。數(shù)字液壓缸的組成元件及工作原理介紹數(shù)字液壓缸的組成元件數(shù)字液壓缸的主要組成元件包括：步進電機、四通閥、螺桿結(jié)構(gòu)、

33、反饋絲杠、缸體等。這些元件的種類和結(jié)構(gòu)很多，下面主要介紹一下該數(shù)字液壓缸中這些元件的相應選型。（1）步進電機。系統(tǒng)中選擇的步進電機為兩相混合式步進電機，步進角為度。這種類型的步進電機輸出轉(zhuǎn)距相對較大，而自身體積又相對較小，最高工作溫度在 100以上，性能非常適合該數(shù)字液壓缸40。（2）四通閥。選擇三位四通的 O型滑閥，簡稱四通閥。它能較好的適應該數(shù)字液壓缸對控制閥的要求，但是用在數(shù)字液壓缸上，閥芯和閥的配合精度比其它一般應用場合要高。閥芯在移動的同時，還在發(fā)生轉(zhuǎn)動，對密封性和制造精度也提出了更高的要求?；y有三種開口形式，如圖 2-1所示。（a）正開口（b）零開口（c）負開口圖 2-1滑閥的三

34、種開口形式7 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析其中，正開口滑閥的閥口總是處于打開狀態(tài)，因此該類型滑閥適用于系統(tǒng)有連續(xù)液流的要求，最好用在采用恒流量的系統(tǒng)中。零開口的滑閥有最好的線性流量特性，這正好滿足了伺服系統(tǒng)盡可能具有線性增益特性的要求，但是它的密封性能差，制造成本高。負開口滑閥的流量增益特性具有死區(qū)，導致一定的穩(wěn)態(tài)誤差，但是通過一定的補償可以減小這一影響，而且負開口滑閥的制造成本相對零開口滑閥要低很多，密封性能又好，所以該數(shù)字液壓缸系統(tǒng)中采用了有一定負開口量的滑閥41。（3）液壓缸。本文中數(shù)字液壓缸的執(zhí)行元件液壓缸，選用的是一種具有中空式活塞桿結(jié)構(gòu)的液壓缸，在活塞桿內(nèi)部可以安裝絲杠。具

35、體的三維結(jié)構(gòu)如圖 2-2所示，當有液壓油流入時，絲杠只發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，不作左右移動，而螺母跟隨活塞只作左右移動，而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖 2-2中空式活塞桿液壓缸三維結(jié)構(gòu)圖液壓缸中的絲杠，有三種類型的支承形式。分別為兩端固定式，主要用于長絲桿或高速度，高拉壓強度的場合；一端固定、一端簡支的方式，一般用于較長的、需要臥式安裝絲桿的場合；一端固定、一端自由的方式，一般用于較短和豎直絲桿的場合。本數(shù)字液壓缸選用的是第三種類型的絲杠，它便于安裝，而且比較節(jié)省空間42。數(shù)字液壓缸的工作原理介紹本文所要研究的數(shù)字液壓缸的三維結(jié)構(gòu)，如圖 2-3所示。它是將步進電機、四通閥、螺桿結(jié)構(gòu)、反饋絲杠、缸體等作為一個整體進行集

36、成。它的工作原理如下所述：首先，由控制器向步進電機發(fā)送已調(diào)制好的脈沖信號，當步進電機接收到脈沖信號后，就會按相應的規(guī)律，輸出一定的角速度或者角位移。這一運動通過花鍵、萬向聯(lián)軸器和四通閥閥芯傳到外螺紋 5上，8 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析外螺紋 5和缸外轉(zhuǎn)軸 6配合，其中的缸外轉(zhuǎn)軸 6位置固定，只能轉(zhuǎn)動，不能移動。在旋轉(zhuǎn)作用下，外螺紋帶動閥芯產(chǎn)生軸向位移。因為四通閥采用的是有一定死區(qū)的負開口形式，所以剛開始的幾個脈沖不能使液壓油源接通。死區(qū)過后，繼續(xù)輸入脈沖信號，閥口打開，液壓油通過四通閥流入液壓缸。當閥芯向右運動時，P口和 B口接通，A口和 T口接通，前腔增壓，液壓缸開始向右運動，帶

37、動固定在活塞上的螺母一起向右運動；絲杠 10開始按比例發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向正好和步進電機運行的方向相反，絲杠帶動缸外轉(zhuǎn)軸 6轉(zhuǎn)動，使外螺紋 5向左移動，也就是閥芯向左移動，閥口關閉，一個步進過程結(jié)束12。死區(qū)過后，每個脈沖使液壓缸前進的位移為：Ñs = Ñq ´t1360（2-1）式中Ñq 步進電機的步距角；t1絲杠導程。連續(xù)輸入脈沖，閥芯的位移為：t22pxv =(qr -qm)（2-2）式中t2 閥芯連接的螺桿導程；qr 步進電機輸入轉(zhuǎn)角；qm 絲杠反饋轉(zhuǎn)角。1步進電機；2花鍵；3萬向聯(lián)軸器；4閥芯；5帶外螺紋的軸；6帶內(nèi)螺紋的缸外轉(zhuǎn)軸；7端蓋；8空心

38、活塞桿；9絲杠；10液壓缸圖 2-3數(shù)字液壓缸三維結(jié)構(gòu)圖該數(shù)字液壓缸克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)對油溫變化敏感的缺點，可以充分利用步9 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析進電機的調(diào)速性能進行數(shù)字化控制，實現(xiàn)復雜的機械運動。方便操作者在后臺進行操作，而且無累積誤差，滯環(huán)小，對四通閥的閥芯、閥體沒有特殊要求。缺點就是對元件的制造精度要求比較高，加工裝配有一定的難度，當液壓缸發(fā)生內(nèi)泄露時不容易發(fā)現(xiàn)，會造成傳動比的不穩(wěn)定43-45。四通閥控制不對稱液壓缸的數(shù)學模型數(shù)字液壓缸通過脈沖頻率和數(shù)量來決定輸出情況，但最終還是靠控制閥的開啟、關閉和開啟量的大小來控制工作油液輸出的壓力和流量。因此，對四通閥控制的液壓缸進

39、行壓力、流量方程等建模分析，是非常有意義的，它可以為AMESim仿真結(jié)果分析提供一定的參考和指導。文中數(shù)字液壓缸系統(tǒng)中的液壓缸，是一種兩端不對稱的液壓缸。數(shù)學建模的條件圖 2-4是零開口四通閥控制不對稱液壓缸的原理圖。四通閥的壓力流量特性對液壓缸系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性具有很大影響。當閥芯處于中間位置時，由于凸肩的棱邊與油槽的棱邊分別對齊，從而把油槽完全封住，即四個節(jié)流口都關閉，此時沒有壓力和流量輸出。當四通閥在外力的作用下，有一個正向位移時，則油液經(jīng)節(jié)流口通往液壓缸；由液壓缸另一端流回的油液，經(jīng)另一個節(jié)流口流回油箱。為了簡化分析，作以下假定：（1）液壓油源是理想的，油源壓力恒定不變，回油壓力

40、近似為 0；（2）四通閥是理想的：四通閥是絕對的零開口、閥的幾何尺寸絕對正確，也沒有泄露，各節(jié)流口的流量系數(shù)相等；（3）液體是理想的，無黏性、不可壓縮；（4）液體在管道中流動會有壓力損失，但這種損失比起節(jié)流口處的節(jié)流損失要小的多，可忽略；（5）液體的壓縮性極小，靜態(tài)時密度的變化很小，也可忽略。10 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析psq1p0q2xvFkp1p2V1V2mtBpCep1CipLCep2FLxp圖 2-4零開口四通閥控制不對稱液壓缸的原理圖四通閥控制不對稱液壓缸的流量連續(xù)性方程閥芯的動態(tài)位移為 xv，假定節(jié)流閥口為矩形窗口，其面積梯度為 w，那么閥開口面積為：A = w xv

41、（2-3）（2-4）當閥芯在外力作用下，移動了 xv時，那么它的壓力流量方程：qL = Cdwxv r2 (ps -xvxvpL)當閥芯向右移動時， xv取正值；當閥芯向左移動時， xv取負值。式中Cd 閥口的流量系數(shù)，對于薄壁型閥口Cd = ；r 油液的密度，一般取 r =900kg/m3；ps 油源壓力；pL負載壓力。零開口的四通閥，一般工作在零點附近，它的流量增益和壓力增益分別為：Kq0 = ¶¶q（2-5）（2-6）Lxv¶qLKc0 = - ¶pL11 第二章數(shù)字液壓缸的工作原理和建模分析由于伺服閥通常在零點附近工作，因此計算流量和壓力增益時，

42、采用時間的零點進行流量壓力增益計算，即：p rc2w64mKc0 = Kc1 =（2-7）式中： rc 閥芯與閥套間的徑向間隙，取rc = 5´10-6m。流量增益取理想值：psrK q0 = Kq1 = Cdw（2-8）從式（2-4）可以看出，該閥的流量方程是一非線性方程，要用線性化理論對該動力元件進行分析時，必須對其進行線性化處理。處理后，得出四通閥的線性化流量方程為：DqL = Kq0Dxv - Kc0DpL（2-9）這是一個增量方程，DqL表示閥在零點附近工作的負載流量變化，它是由閥芯的位移變化Dxv和負載壓力變化DpL兩種因素引起的流量變化之和，這兩種因素所引起的負載流量變化的變化率分別為該工作點的流量增益 K q0與流量壓力增益 Kc0。當閥芯有