基于虛擬主軸的液壓折彎機系統(tǒng)建模與仿真

基于虛擬主軸的液壓折彎機系統(tǒng)建模與仿真

0電反饋式同步控制液壓機是一種通用的金屬板料收獲機。在室溫下，使用模具將板料彎至各種板材和構(gòu)件。例如，廣泛應(yīng)用于機槍、家用電器、機械、建筑物和其他制造行業(yè)的許多板料收獲機。為減輕勞動強度、降低生產(chǎn)成本、改善勞動環(huán)境、提高并保證板料折彎成形的質(zhì)量,對折彎機自動化生產(chǎn)程度和控制水平的要求越來越高。如何控制液壓折彎機滑塊的精確運動,并使安裝于橫梁兩端的兩個液壓缸實現(xiàn)同步驅(qū)動是解決問題的關(guān)鍵。同步驅(qū)動是液壓折彎機長久以來存在的問題。對于精度要求不高的小型液壓折彎機,一般均采用機液伺服閥等組成的機械反饋式同步閉環(huán)控制,而對于中型液壓折彎機或同步精度要求較高的場合,以采用電液伺服閥、比例控制閥或數(shù)字控制閥組成的電反饋式同步控制為宜。本文提出將用于電機驅(qū)動元件的虛軸原理應(yīng)用于液壓折彎機的同步控制中,以提高折彎機的綜合性能和控制精度。1折彎機工作原理液壓折彎機的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,主要由機架、工作臺、滑塊、上下模具、擋料架等部件組成。由電液伺服閥控制液壓缸,并通過兩個液壓缸驅(qū)動滑塊,同時采用伺服電機驅(qū)動后擋料板以及送料。折彎機的工作原理:后擋料板首先移至某一確定位置,當送料機構(gòu)將板料移至與擋料板接觸時,液壓缸驅(qū)動滑塊并帶動上模向下移動。根據(jù)所需折彎角度,滑塊帶動上模下降至下模內(nèi)一定深度后致使板料成形,然后快速返回。其中,滑塊移動位置由兩端測量裝置-光柵尺隨時讀出并與要求位置進行比較,根據(jù)位置偏差來調(diào)節(jié)油缸的進油量,從而保證滑塊運動過程中的同步精度及定位精度。該折彎機由PLC作為主控制器,可以實現(xiàn)空程快速下行,滑塊慢、快速接近,加壓、保壓、卸壓、回程和任意停止等動作。2折彎機的調(diào)整與同步控制本系統(tǒng)共有四個控制軸,伺服電機控制的后擋料板定位軸,伺服電機控制的下模送料傳動軸以及兩個液壓缸驅(qū)動的滑塊位移調(diào)整軸。折彎機通過調(diào)整這4個軸的位移,即可折成各種不同形狀的折彎工件。在加工過程中,控制折彎機滑塊運動的兩個液壓缸需要達到同步運行,否則如果兩端液壓缸運動速度不一致,輕則影響折彎精度,嚴重時會損壞傳動機構(gòu)。而折彎機的同步控制通常采用主從控制方式,該方式復(fù)雜且適應(yīng)性較差,尤其在重載不平衡的工況下更是如此。本文基于以上分析,提出將用于電機驅(qū)動元件的虛軸原理應(yīng)用于液壓折彎機的同步控制中。2.1虛擬主軸驅(qū)動風力虛軸原理是虛擬主軸原理的簡稱。R.D.Lorenz與P.B.Schmidt.在文獻中首次涉及到虛擬軸,將其定義為相對剛度。進而,K.Payette.在文獻和中明確了虛擬軸的概念,并在運動軸間建立起耦合模型。在此基礎(chǔ)上,D.Sun在其文獻中詳細對虛擬主軸的物理意義進行闡述,并將其應(yīng)用于電機驅(qū)動運動系統(tǒng)。虛擬軸借鑒了傳統(tǒng)設(shè)備上所有運動都是由主軸來分配的原理。虛擬軸的中心思想就是在多軸運動裝備上,通過虛擬出一根主軸來分配和實現(xiàn)各運動軸間的協(xié)調(diào)同步。虛擬軸的提出是基于傳統(tǒng)設(shè)備中主軸的工作原理,由于各個運動軸是由連接結(jié)構(gòu)連接在主運動軸上的,虛擬主軸分配能量和控制各個運動軸運動是通過電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩帶動的,而各個運動軸上所受到的負載力通過機械裝置的反饋設(shè)備反饋給該虛擬主軸,進而使主軸與各運動軸間達到力矩相平衡的狀態(tài),即:其中,T是系統(tǒng)的輸入力矩,Ti是各個運動軸的反饋力矩,J是虛擬主軸的轉(zhuǎn)動慣量,ω為虛擬主軸的轉(zhuǎn)速,θ為虛擬主軸的運動位移。系統(tǒng)中虛擬主軸輸入的力矩也是虛擬的,是根據(jù)機械設(shè)備的性能要求以及工作狀況計算得出的。假設(shè)模擬出的該運動主軸是一根彈性機械軸,其參考輸入轉(zhuǎn)速為ωr,各實際軸的轉(zhuǎn)速為ωm,故該主軸由此產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為:其中,km為虛擬主軸的彈性系數(shù)。各個運動軸的反饋力矩Ti為:其中,br為阻尼增益,Kr為剛度增益,Kir為積分剛度增益,θi為各軸角位移,θm為實際角位移。2.2基于虛軸原理的液壓折彎機模型由于在傳統(tǒng)機械設(shè)備上,不論是真實存在的主軸還是虛擬出來的主軸,各運動軸都是利用連接機構(gòu)連接在主軸上的,主軸通過提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩帶動和控制各個運動軸來完成運動,各運動軸上的輸出負載力通過同步機械反饋裝置送回主軸,與參考輸入進行比較?；谔撦S原理的液壓折彎機模型框圖如圖2所示。折彎機液壓伺服位置系統(tǒng)模型如圖3所示,其中Kd為伺服放大增益,Ksv為伺服閥靜態(tài)流量增益,Kq為伺服閥的流量放大系數(shù),Ap為液壓缸的有效面積,Kf為位移傳感器放大系數(shù),u為系統(tǒng)參考輸入,x為系統(tǒng)輸出位移,F為負載擾動。3系統(tǒng)的模擬和分析3.1同步方式下的matlab/sim作為考慮到虛軸控制方式易產(chǎn)生共振,根據(jù)文獻提供的參數(shù)調(diào)整方法,本文只針對兩路液壓伺服系統(tǒng)作為研究對象進行仿真。其中,兩軸的電流和速度回路均為異步采樣,位置反饋也由微分器給予提供。為了比較主從方式和虛軸方式的同步精度,分別建立了兩種同步方式的MATLAB/Simulink仿真模型(仿真模型圖略)。根據(jù)WC67Y-100/3200型液壓折彎機的模型參數(shù),兩個液壓伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)分別為:WC67Y-100/3200型液壓折彎機的滑塊最大位移為60mm。根據(jù)對折彎機的液壓缸實時觀測,得到其輸入位移信號u(即系統(tǒng)輸出y)與液壓缸實際輸出位移y1和y2存在某種函數(shù)關(guān)系。根據(jù)實測結(jié)果與輸入信號,按照最小二乘數(shù)據(jù)處理和曲線擬合的方法,得出y與y1、y2之間的關(guān)系為:由式(4)、(5)和(6)進而得到y(tǒng)與u1、u2之間的關(guān)系為:由于驅(qū)動折彎機滑塊的兩個液壓伺服系統(tǒng)的輸入電壓信號u1與u2是相同的,故式(7)可變?yōu)?3.2虛軸同步方式下的動態(tài)特性加入隨機擾動時,對主從方式和虛軸方式的液壓折彎機同步系統(tǒng)分別加入單位階躍信號進行仿真,在傳統(tǒng)PID控制方式下得到響應(yīng)曲線分別如圖4和圖5所示,在模糊PID控制方式下得到響應(yīng)曲線分別如圖6和圖7所示。由圖可得出兩種同步方式下的動態(tài)特性如表1和表2所示。對比表1和表2,在虛軸同步控制系統(tǒng)中,兩個液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)的響應(yīng)速度遠遠快于主從式同步控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)時間也明顯小于主從式同步控制系統(tǒng),更重要的是同步誤差要遠遠小于主從式同步控制系統(tǒng)。尤其是在模糊PID控制方式下,虛軸同步控制系統(tǒng)的同步性能和跟隨性能都有明顯的改善,兩個液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)幾乎同步,響應(yīng)無振蕩,調(diào)節(jié)時間縮短,穩(wěn)定性大大提高。4虛軸法同步控制系統(tǒng)根據(jù)以上分析可以得出以下結(jié)論:(1)虛軸法同步控制系統(tǒng)在同步性能和跟隨性能上優(yōu)于主從同步控制方式。(2