自動控制原理課程設(shè)計——旋壓機電液伺服系統(tǒng)設(shè)計

1、第一章 緒論1.1題目概述由原題目數(shù)據(jù)可畫出系統(tǒng)方框圖：技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求：1 p25%; ts0.25s; 2速度信號V=0.5m/min時，誤差e(t)0.05mm; 1 .2旋壓機電液伺服系統(tǒng)背景簡介旋壓技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成局部,是局部連續(xù)塑性成形工藝,屬于回轉(zhuǎn)成形范疇,主要用于形成薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、火箭、導(dǎo)彈、兵器等軍事工業(yè)和通用機械、汽車等民用工業(yè)中。旋壓機的仿形系統(tǒng)對旋壓加工產(chǎn)品的質(zhì)量及加工精度的影響至關(guān)重要。大型立式強力旋壓機采用的是電液仿形技術(shù),其液壓系統(tǒng)包含了旋輪座縱向和橫向液壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等主要系統(tǒng)。旋輪座橫向電液伺服系統(tǒng)和縱向電液伺服

2、系統(tǒng)組成了旋輪座仿形系統(tǒng),該系統(tǒng)利用電液比例伺服閥控制液壓油缸活塞桿的位移量,并通過按加工精度要求輸入預(yù)定變化規(guī)律的控制信號來實現(xiàn)對位移量的精確控制,從而到達所要求的加工精度。采用電液比例伺服控制技術(shù)不僅改善了系統(tǒng)的控制性能,而且大大簡化了液壓系統(tǒng),降低了費用,同時還提高了系統(tǒng)的可靠性。 旋壓技術(shù)，也叫金屬旋壓成形技術(shù)，是通過旋轉(zhuǎn)使工件受力點由點到線由線到面，同時在某個方向給予一定的壓力使金屬材料沿著這一方向變形和流動而成形為某一形狀的技術(shù)。旋壓成形過程是將金屬板料或空心零件的毛坯固定在旋壓機的芯模上，在毛坯隨機床轉(zhuǎn)動同時，用旋輪將毛坯逐點壓下，使其形狀或者壁厚發(fā)生局部連續(xù)塑性變形，從而制成所

3、需的產(chǎn)品的成形過程。可以生產(chǎn)更接近最終形狀(凈性)的金屬零件。這里，金屬材料必須具有塑性變形或流動性能，旋壓成形也不等同于塑性變形，它是集塑性變形和流動變形的復(fù)雜過程，特別需要指出的是，我們所說的旋壓成形技術(shù)不是單一的強力旋壓或普通旋壓，它是兩者的結(jié)合。強力旋壓用于各種筒、錐體異形體的旋壓成型殼體的加工技術(shù)，是一種比擬老的成熟的方法和工藝，也叫滾壓法。旋壓是綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)壓、橫軋和滾壓等工藝特點的少無切削加工的先進工藝。它通常被認為只能成形軸對稱回轉(zhuǎn)體零件，而近年來所開展的三維非軸對稱零件旋壓技術(shù)研究說明，旋壓已突破其原有的理論范疇及加工范圍。旋壓件的根本形狀大致可分為圓筒形

4、、圓錐形、凹形、凸形、管形、階梯形、縮口形等，還有由這些形狀組成的復(fù)合形狀。旋壓加工具有設(shè)備簡單、節(jié)省原材料、本錢低廉和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點。陶瓷的制坯工藝可能為金屬旋壓提供工藝雛型。在我國早在三千五百年至四千年前的殷商時代，就會應(yīng)用陶輪或陶車制作陶坯(例如罐、壺和盤等容器、器皿、裝飾品)，后來又在十世紀初期創(chuàng)造金屬旋壓工藝，并且將有色金屬薄板(如金、銀、錫和銅等)制成空心件如:精美的銀碗、銀碟等器皿。一直到十三世紀，金屬旋壓技術(shù)才傳播到英國，其后將近五百多年，在1840年左右，才由約旦傳播到美國和歐洲各國。強力旋壓技術(shù)是直到上個世紀五十年代才從普通旋壓技術(shù)的根底上開展起來的。最早是在瑞典、德國被

5、用于民間工業(yè)，到1953年美國的普拉特惠特尼公司和洛奇西普來機床廠合作才制成了三臺旋壓機床，初次成功將這種技術(shù)應(yīng)用到航空工業(yè)中。由于旋壓工藝的先進性、經(jīng)濟性和實用性，且該工藝具有變形力小，節(jié)約原材料等特點，近四十多年來，國外工業(yè)興旺國家的金屬旋壓工藝技術(shù)有了飛躍的開展，日趨成熟。其主要標志為:金屬旋壓設(shè)備己經(jīng)定型，工藝流程比擬穩(wěn)定，產(chǎn)品多種多樣，應(yīng)用日益廣泛。目前世界上在強力旋壓技術(shù)的開展和應(yīng)用上，美國和德國居于領(lǐng)先水平，其工藝已經(jīng)成熟，設(shè)備己系列化、性能最為先進。近幾年西班牙又異軍突起，其他國家在強力旋壓的探討和應(yīng)用上正在開展。目前，強力旋壓技術(shù)日趨成熟，己經(jīng)成為金屬壓力加工中的一個新的領(lǐng)域

6、我國是在六十年代起步，七十年代進行了大范圍推廣試用，對強力旋壓工藝已有了一定的掌握并有一些創(chuàng)新，也研制了一定數(shù)量的旋壓機，參加WTO后，國外各企業(yè)紛紛到國內(nèi)尋找商機，將中國視為他們的加工基地和零部件供給的合作者，加上國內(nèi)積極擴大需求，因此國內(nèi)旋壓產(chǎn)品近兩年呈現(xiàn)一片繁榮景象。大型立式強力旋壓機的液壓系統(tǒng)包含了，旋輪座縱向和橫向液壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等主要液壓系統(tǒng)，其中輔助液壓系統(tǒng)包括平衡系統(tǒng)、旋輪自轉(zhuǎn)系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)等。由旋輪座橫向電液伺服系統(tǒng)和縱向電液伺服系統(tǒng)組成的旋輪座仿形系統(tǒng)對旋壓產(chǎn)品的質(zhì)量、加工精度至關(guān)重要，因此本論文重點討論這兩個系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)用的是電液比例伺服閥控制液壓油缸活塞桿的速度和

7、位移量，通過輸入按加工精度要求預(yù)定變化規(guī)律的控制信號，可以實現(xiàn)對位移量的精確控制，從而到達所要求的加工精度。采用電液比例伺服控制技術(shù)不僅改善了系統(tǒng)的控制性能，而且大大簡化了液壓系統(tǒng)，降低了費用，同時還提高了系統(tǒng)的可靠性。在比例伺服閥問世以前，電液伺服系統(tǒng)的液壓缸控制閥采用比例閥或伺服閥。這兩種閥都是把來自數(shù)控系統(tǒng)的電器控制信號轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動液壓缸的油液流量控制信號，從而控制液壓缸的移動速度或者位移。比例閥本身沒有閥芯位置反應(yīng)，是一個開環(huán)環(huán)節(jié)，而伺服閥帶有閥芯位置反應(yīng)，是一個閉環(huán)環(huán)節(jié)，因而比例閥的控制精度沒有伺服閥高，但是比例閥對油液質(zhì)量的要求比伺服閥低。對于數(shù)控旋壓機來說，使用比例閥精度不夠高

8、，而使用伺服閥又使油液維護困難，故障率高。第二章 人工設(shè)計2.1處理數(shù)據(jù)設(shè)計滿足穩(wěn)態(tài)誤差要求的未校正系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性數(shù)據(jù) V=0.5m/mine(t)0.05mm需經(jīng)過變換，成為國際單位制V=1120m/se(t)0.05×10-3m假設(shè)要求e= Vkv = 1120kv0.05×10-3m,那么需要滿足kv1120120×10-3=166.67按性能指標要求試取 kv=200那么： G0(s)=200s(s22502+2×0.51250s+1)做出G0(s)的Bode圖，如下所示由計算得知，原系統(tǒng)剪切頻率wc0=217 rads 相角裕度0=15.4

9、。計算系統(tǒng)設(shè)計要求的相角裕度系統(tǒng)要求超調(diào)量 p25%有兩組經(jīng)驗公式可供借鑒：1 p=0.16+0.4(1sin 1) ; 2p=100Mr-1%50Mr-1%均可求得 Mr=1sin=1.25即 =53.13°(滿足經(jīng)驗公式適用范圍)計算系統(tǒng)設(shè)計要求的剪切頻率wc由于 1Mr1.8，可以使用下述經(jīng)驗公式： wc=ts2+1.5Mr-1+2.5Mr-12=31.81rad/s原系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)定要求的參數(shù)比照比照原系統(tǒng)參數(shù)及預(yù)定要求的參數(shù)結(jié)果如下：未經(jīng)校正的系統(tǒng)wc0=217 rads0=15.4系統(tǒng)設(shè)計要求即校正后系統(tǒng)wc=31.81rad/s=53.13°2.2為系統(tǒng)設(shè)計校正

10、環(huán)節(jié)確定校正方法比照分析得知，此時的系統(tǒng)是在原系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計要求后，相角裕度不滿足設(shè)計要求，而剪切頻率wc遠大于設(shè)計要求，符合串聯(lián)遲后校正的使用條件，因此采用串聯(lián)遲后校正。注：串聯(lián)遲后校正的適用條件：系統(tǒng)剪切頻率遠大于目標剪切頻率，而相角裕度遠小于目標值甚至出現(xiàn)負值時，使用串聯(lián)遲后校正會犧牲剪切頻率來大幅增大相角裕度使其到達目標相角裕度。對系統(tǒng)進行串聯(lián)遲后校正此次校正之后的目標是將剪切頻率降低到希望剪切頻率，而相角裕度有較大提升，以完成既定任務(wù)。按照串聯(lián)遲后校正的規(guī)定步驟進行校正： 1在G0'jw的相頻特性找出如下頻率：G0'jw=-180+=-180+53.13+10

11、=-116.87°這一點所對應(yīng)的頻率將作為校正后的剪切頻率。 2在G0'jw的幅頻特性上找到wc所對應(yīng)的幅值20lg|G0'jw|。在Bode圖上找到G0'jw=-116.87°處，有wc1'=35rads3為使校正后在wc的幅頻特性為0dB,應(yīng)有20log=20lg|G0'jc|20log=15.2求出校正環(huán)節(jié)=5.7544 4為了減小串聯(lián)遲后校正對系統(tǒng)相角裕度的影響，要求校正環(huán)節(jié)wc處的遲后相移在5°-10°以下。確定校正環(huán)節(jié)參數(shù)和T=10wc1'=0.2857T=1.6445確定串聯(lián)遲后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

12、為：Gcs=200×（0.2857s+1）1.644s+16畫出校正環(huán)節(jié)的Bode圖如下：2.2.3 校正結(jié)果分析經(jīng)此前一步串聯(lián)遲后校正，系統(tǒng)整體的Bode圖如下：從圖中可看出，同時經(jīng)過手工計算，得知滿足系統(tǒng)預(yù)定性能指標要求。第三章 計算機設(shè)計3.1 Simulink仿真框圖3.2系統(tǒng)串聯(lián)校正裝置后的Bode圖3.3階躍響應(yīng)曲線3.4性能指標要求的其他曲線有關(guān)調(diào)整時間ts取到達穩(wěn)態(tài)值5%范圍內(nèi)的某一點，時間為0.238s,小于規(guī)定要求的調(diào)整時間0.25s，證明調(diào)整時間的設(shè)計滿足預(yù)期要求。有關(guān)超調(diào)量p當階躍響應(yīng)曲線峰值到達1.25時，p=25%，由此曲線可以看出，峰值高度遠不及1.25

13、，其超調(diào)量p<25%，滿足題目技術(shù)要求。有關(guān)穩(wěn)態(tài)誤差e(t)當速度信號V=0.5m/min時，穩(wěn)態(tài)誤差如下圖，放大后取某點進行計算， e(t) = 0.01mm 0.05mm滿足設(shè)計技術(shù)要求。綜合所有圖進行分析，由計算機分析得知，串聯(lián)校正后的系統(tǒng)滿足所有預(yù)定性能指標參數(shù)。第四章 校正裝置電路圖串聯(lián)遲后校正裝置電路的傳遞函數(shù)為：Gcs=Kcs+1Ts+1=200×（0.2857s+1）1.644s+1其中 =R1C1=0.2857 T=R2C2=1.644Kc=R2R1R4R3=200可繪制串聯(lián)遲后校正裝置電路原理圖： 第五章 設(shè)計總結(jié)5.1設(shè)計結(jié)論本系統(tǒng)的校正利用頻率特性進行。

14、原性能指標對超調(diào)量和調(diào)整時間及穩(wěn)態(tài)誤差有要求，利用一些經(jīng)驗公式將這些指標變換成相角裕度和剪切頻率進行比照。在滿足穩(wěn)態(tài)誤差的設(shè)計要求后，相角裕度不滿足設(shè)計要求，而剪切頻率wc遠大于設(shè)計要求，采用串聯(lián)遲后校正方法對系統(tǒng)進行校正。使用一次串聯(lián)遲后校正即可很好解決原問題，犧牲剪切頻率換取了所需的相角裕度，且兩個指標都很圓滿到達了預(yù)定要求，經(jīng)換算，超調(diào)量，調(diào)整時間和穩(wěn)態(tài)誤差也均滿足指標要求，且通過MATLAB仿真證實設(shè)計的準確合理，不需其他校正環(huán)節(jié)，省去了其余的工作量，也使系統(tǒng)簡單可靠。5.2設(shè)計后的心得體會其一，溫故而知新。課程設(shè)計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我深感“書到用

15、時方恨少，于是溫故而知新，重拾上學(xué)期的自動控制原理教材，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了根本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計的靈感。課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識方面的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設(shè)計讓我感觸很深，使我對抽象的理論有了具體的認識。 其二，思路即出路。當初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，條條大路通羅馬。頓悟，沒有思路便無出路，原來思路即出路。 其三，體驗“小小工程師。通過這次課程設(shè)計，我淺顯的了解了一個工程師在面對某個工程上的一些簡單的處理思路。正是這些簡單的接觸