液壓壓力機設(shè)計說明書

液壓壓力機設(shè)計說明書

第1章緒論

近年來，世界各國經(jīng)濟迅猛發(fā)展。在經(jīng)濟發(fā)展的過程中，制造業(yè)起著支柱作

用。尤其在中國這一發(fā)展中國家，制造業(yè)的發(fā)展更是日新月異。制造業(yè)就是對各

種材料進(jìn)行加工制造，使其符合人們的使用需要。在制造加工的方法中，壓力加

工是不可缺少的一種加工方法。在制造業(yè)的每一個領(lǐng)域，例如航空、汽車、拖拉

機、機床、儀表這些行業(yè)都缺少不了壓力加工?？梢?，壓力加工是非常重要的。

壓力加工應(yīng)用的主要工具就是各種鍛壓機械。

鍛壓機械主要用于金屬成形，所以又稱為金屬成形機床。鍛壓機械是通過對

金屬施加壓力使之成形的，力大是其基本特點，故多為重型設(shè)備。鍛壓機械的發(fā)

展也是有一個漫長過程的。最初人們?yōu)榱酥圃旃ぞ?，用人力、畜力轉(zhuǎn)動輪子來舉

起重錘鍛打工件。這是最古老的鍛壓機械。14世紀(jì)出現(xiàn)了水力落錘。15?16世

紀(jì)航海業(yè)蓬勃發(fā)展，為了鍛造鐵錨等，出現(xiàn)了水力驅(qū)動的杠桿錘。18世紀(jì)出現(xiàn)

了蒸汽機和火車，因而需要更大的鍛件。1842年，英國工程師內(nèi)史密斯創(chuàng)制第

一臺蒸汽錘，開始了蒸汽動力鍛壓機械的時代。1795年，英國的布拉默發(fā)明水壓

機，但直到19世紀(jì)中葉，由于大鍛件的需要才應(yīng)用于鍛造。隨著電動機的發(fā)明，

十九世紀(jì)末出現(xiàn)了以電為動力的機械壓力機和空氣錘，并獲得迅速發(fā)展。二十世

紀(jì)60年代以后，鍛壓機械改變了從19世紀(jì)開始的，向重型和大型方向發(fā)展的

趨勢，轉(zhuǎn)而向高速、高效、自動、精密、專用、多品種生產(chǎn)等方向發(fā)展。于是出

現(xiàn)了每分種行程2000次的高速壓力機、六萬千牛的三坐標(biāo)多工位壓力機、兩萬

五千千牛的精密沖裁壓力機。各種機械控制的、數(shù)字控制的和計算機控制的自動

鍛壓機械以及與之配套的操作機、機械手和工業(yè)機器人也相繼研制成功。現(xiàn)代化

的鍛壓機械可生產(chǎn)精確制品，有良好的勞動條件，環(huán)境污染很小。

鍛壓機械主要包括各種鍛錘、各種壓力機和其他輔助機械。壓力機又根據(jù)不

同的動力及傳動形式分為機械壓力機和液壓機。機械壓力機是用曲柄連桿或肘桿

機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、螺桿機構(gòu)傳動，工作平穩(wěn)、工作精度高、操作條件好、生產(chǎn)率

高，易于實現(xiàn)機械化、自動化，適于在自動線上工作。

液壓機是以高壓液體（油、乳化液等）傳送工作壓力的鍛壓機械。液壓機的行程是

可變的，能夠在任意位置發(fā)出最大的工作力。液壓機工作平穩(wěn)，沒有震動，容易

達(dá)到較大的鍛造深度，最適合于大鍛件的鍛造和大規(guī)格板料的拉深、打包和壓塊

等工作。液壓機主要包括水壓機和油壓機。

油壓機就是用液壓傳動的壓力機，也稱液壓壓力機。這種壓力機的主要作用

是對可塑性材料進(jìn)行壓制，如沖壓、彎曲、翻邊、薄板拉伸等。也可從事校正、

壓裝、砂輪成型、冷擠金屬零件成型、塑料制品的壓制成型。許多液壓壓力機還

用于電器零部件的壓裝、成型落料、壓痕、壓印及粉末制品的壓制等工藝。液

壓壓力機的普遍外形如圖1-1所示。

液壓壓力機隨著工業(yè)發(fā)展程度的不同有兩種。一種是傳統(tǒng)的液壓傳動式的壓

力機，這種壓力機運用液壓傳動的基本原理，通過普通液壓元件的組合，組成了

液壓系統(tǒng)來完成壓力機的動作過程。另一種是在液壓傳動的基礎(chǔ)上加進(jìn)去液壓控

制技術(shù)，即在普通液壓系統(tǒng)中加入電液伺服閥或電液比例閥，同時加入傳感器，

形成精確的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對壓力機壓頭的速度、位置、壓力等物理量進(jìn)行控制。

液壓控制式的壓力機基礎(chǔ)還是液壓傳動式的壓力機。不過它更先進(jìn)、更精確。再

給控制系統(tǒng)中加入計算機，液壓控制式的壓力機就變成了一種很好的鍛壓機械，

也將有很大的發(fā)展利用空間。

在此次設(shè)計中，設(shè)計的就是上面提到的液壓控制式的液壓壓力機。在一開始,

通過對國內(nèi)外先進(jìn)的液壓壓力機進(jìn)行參考與分析，設(shè)計了液壓壓力機的結(jié)構(gòu)形

式，然后通過對液壓壓力機的作用及要求的分析，設(shè)計了液壓控制系統(tǒng)。接著對

液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。設(shè)計分析了液壓控制

系統(tǒng)后又設(shè)計了液壓油源部分，即液壓泵站。最后簡單介紹了一下控制過程，由

于時間關(guān)系，計算機系統(tǒng)的設(shè)計從略。

圖1-1

第2章總體方案設(shè)計

2.1總述

對于液壓壓力機來說，從總體上分析，它主要包括以下幾個部分。分別為液

壓控制與執(zhí)行部分、機械部分、計算機及電器控制部分。設(shè)計液壓壓力機，就是

要將各個部分設(shè)計出來并將其有機的結(jié)合起來，形成一個適用于各種生產(chǎn)實際的

液壓壓力機。從總體布置著手可以選出不同的方案。通過對各組成部分的各種布

置和結(jié)合,可以得到若干種方案。同時每一部分的具體設(shè)計又有許多不同的方案。

在本章的第二節(jié)通過對液壓壓力機的整體分析與設(shè)計得出了幾個方案。在第三節(jié)

通過對方案的綜合，定出最后的方案，并在綜合的基礎(chǔ)上作了補充。順便將各個

分部分的設(shè)計方案從大的角度上加以確定。

2.2各分方案的選擇

方案一：將壓力機機身分成兩部分。一部分為工作臺，另一部分為安裝各液

壓元件的箱體式結(jié)構(gòu)，其實也就是液壓泵站與液壓閥臺的組合。將工作臺與箱體

分開放置。工作臺采用四立柱帶滑塊式，四個立柱當(dāng)成滑塊的導(dǎo)軌。并布置上下

兩平板將四個立柱固定。上平板上裝上液壓缸，下平板上開出T形槽來安裝鍛

模，滑塊上也開出T形槽來安裝上模膛。將各種閥用焊接的方式固定在箱體內(nèi)

的鋼架上，并用油管將其連接起來?？刂泼姘逯苯右较潴w前部適用于操作的地

方。油箱、液壓泵、電機按直線排列到箱體的鋼架上。

方案二：將工作臺置于箱體結(jié)構(gòu)上部，并和箱體用螺栓固定。工作臺仍采用

四立柱帶滑塊式。在工作臺下平板上加工出T形槽，而滑塊上則不加工T形槽,

只加工出與活塞桿連接的螺紋孔?；钊麠U可以和滑塊連接，也可以只和鍛模連接。

設(shè)計出閥板，用來集中安裝閥。設(shè)計底座來安裝液壓泵、電機、油箱。將閥板和

底座合理的安裝在箱體中，組成一個小液壓站。從外部引出一個控制臺。

方案三：工作臺采用門式帶滑塊式，上部用橫梁固定，下部用平板固定。箱

體與工作臺分開放置?；瑝K的導(dǎo)軌做成長方形，并仿照機床導(dǎo)軌制作?；瑝K和下

平臺都加工出T形槽用來安放鍛模。箱體中各元件的安裝和方案二基本相同。

從外部引出控制臺。

2.3方案綜合與論證

最后將以上三種整體布置方案加以綜合，得出一個相對較好的方案，做為液

壓壓力機的最終方案。將工作臺置于箱體結(jié)構(gòu)上部，并和箱體用螺栓固定。工作

臺采用四立柱帶滑塊式，四個立柱當(dāng)成滑塊的導(dǎo)軌。并布置上下兩平板將四個立

柱固定。上平板上裝上液壓缸，下平板上開出T形槽來安裝鍛模，滑塊上也開

出T形槽來安裝上模膛。設(shè)計一個閥板，將各閥及一些電器元件集中固定在上

面，同時設(shè)計底座來安裝液壓泵、電機、油箱。然后將兩個板安裝在箱體中。箱

體前部采用雙開門式以便與維修。從外部引出控制臺，安裝微機及電控按鈕。對

于液壓控制系統(tǒng)，采用閉環(huán)位置控制，還要加進(jìn)去計算機程序控制。工作臺的四

根立柱與上下平板之間用螺母連接。箱體采用焊接式，箱體與工作臺之間用螺栓

連接?？刂婆_安裝工業(yè)用計算機，無顯示，鍵盤輸入。各壓力表集中安在控制臺

上，控制臺的體積要盡量小。要設(shè)計專門的電源來給各傳感器、A/DD/A卡、比

例閥等元件供電。

第3章液壓壓力機機架設(shè)計計算

3.1結(jié)構(gòu)形式的布置

3.1.1工作臺結(jié)構(gòu)

整機機架由上半部分工作臺和下半部分支撐箱組成。工作臺采用四立柱式結(jié)

構(gòu)。四個立柱用螺栓固定在上下兩平板之間。上平板安裝液壓缸，液壓缸用法蘭

與機架上平板連接?；钊麠U前端裝滑塊，四個立柱作為滑塊的導(dǎo)軌。四個立柱的

材料直接選用棒料，兩端車出螺紋。兩個平板及滑塊的材料選用鍛件，通過機械

加工，加工出安裝孔和T形槽。在這個設(shè)計中，工作臺將承受全部工作載荷。

經(jīng)過分析，工作臺承受的工作載荷為工件對其的反作用力。工件的變形和應(yīng)力是

按照曲線1變化的，所以一定變形下總對應(yīng)一定的應(yīng)力。從曲線上分析，對于朔

性材料來講，在屈服應(yīng)力下將發(fā)生朔性變形，這樣屈服應(yīng)力的反力便是工件對工

作臺的反作用力。對于脆性材料，強度極限是它對工作臺的反作用力。對于確定

的材料這兩種力都是定值，所以工作載荷可以認(rèn)為是靜載荷。

3.1.2箱柜結(jié)構(gòu)

機架下半部分是箱體式結(jié)構(gòu)。其主要作用有兩點：第一，支撐上半部分的重

量。第二，安裝閥板、泵、電機、油箱等其它元件。

3.2工作臺的設(shè)計計算

3.2.1選擇材料、確定安全系數(shù)、許用應(yīng)力及材料的彈性模量

對于液壓壓力機工作臺，主要要求其具有足夠的強度，工作臺剛性足夠，導(dǎo)

軌立柱具有足夠的耐磨性和穩(wěn)定性。據(jù)GB699—88選優(yōu)質(zhì)碳素鋼。鋼號為50,

經(jīng)正火處理后強度高，切削性中等，塑性、韌性較差。用于要求強度較高、耐磨

性或彈性，動載荷及沖擊載荷不大的零件。據(jù)《機械設(shè)計手冊》第一卷表

3-1-9查得50號鋼的斷面收縮率2=14%）5%,屬于塑性材料，其屈服應(yīng)力

5=315MPao

液壓壓力機的工作臺所有組成零件（非標(biāo)準(zhǔn)件）都采用50號鋼，由于這種

材料具有上述特點，它的切削性中等，有利于對工作臺各組成零件進(jìn)行切削加工。

它具有很高的強度和硬度，一方面能夠滿足液壓壓力機工作臺受力大的要求；另

一方面使壓力機工作臺剛度增大，降低工作臺變形,從而保證活塞桿的位置精度。

工作臺的導(dǎo)軌力柱采用棒料作為毛坯，并進(jìn)行機械加工，使其達(dá)到要求的表面粗

糙度。工作臺上下平板均采用鍛件，這樣可以提高工作臺的剛度，減小受力變形。

由于立柱和工作臺的連接需用螺母，立柱兩端需要車出螺紋，這樣立柱的固

定相當(dāng)于螺栓連接。據(jù)《機械設(shè)計》書鳥68表U-5a查得〃.,=2口1.3取4=1.5。

㈤上=2=250加"

4L5

其中：［司一許用應(yīng)力

3.2.2對工作臺立柱進(jìn)行受力分析，并計算其最小直徑。

3.2.2.1中間部分受力

由于工作臺受工件的反作用力F=12T。其作用點在工作臺的上平板的中

心。通過力線平移定理，將中間力分別平移到四個立柱的軸線上。每個立柱兩端

受拉力，其大小為F'=：=3T。選擇重力加速度g=10m/s2。

F=12X103X10=1.2X105N

F/=3X1O3X1O=3.OX1O42V

0㈤

A=Q

4

其中：。一立柱中間部分直徑

/4x3.0xl04

=12.36mm

V3.14x250

3.2.2.2螺紋部分受力

螺紋部分受力和螺栓受軸向力相似。剛開始不受外力時，螺紋部分只受初始

預(yù)緊力在軸向外力作用下，螺紋部分總的受力為外力F與剩余預(yù)緊力Q；之

和，即Q=Q；+P。據(jù)《機械設(shè)計》書取5表11-2選擇Q；=（0.2□0.6）/，

選Q；=0.4f'。

F/=3X1O3X1O=3.OX1O4/V

Q；=0.4X3.0X104=1.2X104N

「c

。。=。；+盧丁尸'據(jù)《機械設(shè)計》書鳥6$表11-2選擇盧才=0.2口0.3,

G+G￡+G

取梟=°3。，云=軍a=0,

,444

2/;=2/+0.7F=1.2xl0+0.7x3.0xl07V=3.3xl0/V

Q=Q；+尸=1.2x104+3.0X1()4=4.2X104N

考慮到連接在工作載荷/作用下可能要補充擰緊，所以將螺紋部分的總受

力。增大30%,以考慮擰緊時螺紋力矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的影響。則螺紋部分危險

截面的拉伸強度條件為

0=￥引司

其中：d-螺紋小徑

,4xl.3x4.2xd

=16.68mm

V-3.14x250

取螺紋小徑4=25.5mm則螺紋公稱直徑d=30。設(shè)計立柱中間部分的直

徑為40mm,螺紋部分的公稱直徑為30mm。同時據(jù)《新編機械設(shè)計手冊》4y

表6-35選連接立柱與平板的六角厚螺母。其型號為：螺母GB56M30。

對立柱直徑進(jìn)行計算：

=_Lx3.14x30?=510.45相機2

44

3.2.2.3根據(jù)上述計算及參考國內(nèi)外液壓壓力機外形尺寸，初步設(shè)計液壓壓力機

工作臺尺寸。

工作臺尺寸：500X500mm滑塊厚度：25mm

上下平板厚度：70mm立柱中間部分長度：520mm

立柱總長度：780mm立柱螺紋部分長度：44mm

據(jù)工作臺尺寸估算滑塊質(zhì)量:

滑塊質(zhì)量

M,=V/?=f0.5x0.5x0.25+0.4x0.092x3.14x^-jx7.8xl03=507.3Z:g

其中：p一鋼的密度

據(jù)《機械設(shè)計手冊》第一卷乙表1-8選取p=7.8xl()3處/加3

⑴導(dǎo)軌力柱尺寸設(shè)計

由上述計算可得，導(dǎo)軌立柱的螺紋部分小徑4216.68o為了與標(biāo)準(zhǔn)螺母相

配套，選取螺紋直徑4=30。同時在立柱上要留出臺階來支撐工作臺上下平板。

選取導(dǎo)軌立柱光桿部分直徑為40,選取上下平板上與導(dǎo)軌連接的孔的直徑為34,

這樣留出了3mm做為支撐平板的臺階。其具體尺寸形狀如圖3-1所示：

/

--—-------O

I/1

圖3-1

⑵導(dǎo)軌運動副的選擇

由于液壓壓力機采用四立柱滑塊形式，滑塊以四個立柱作為導(dǎo)軌，在上下平

板之間滑動。為減小摩擦，提高液壓壓力機性能，在導(dǎo)軌和滑塊之間采用直線滾

動導(dǎo)套副連接。將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。據(jù)《機電一體化手冊》4*8選取滾

動導(dǎo)套。

其型號為：GTB-40-1/2X400-P

滾動導(dǎo)套與內(nèi)孔的配合為：H7/J7,導(dǎo)軌軸的制造誤差為g6。滾動導(dǎo)套用

專用工具裝入，專用工具由廠家提供。

⑶工作臺下平板尺寸設(shè)計

工作臺下平板的主要作用是支撐被壓工件，同時他也要用來固定導(dǎo)軌立柱、

安裝鍛模、與下面的箱體連接。所以在下平板上加工出四個直徑為34的孔來固

定導(dǎo)軌立柱。中間加工出直徑為100的孔和T形槽來對沖壓件進(jìn)行加工和安裝

鍛模。下底面加工出8個M8的螺紋孔，用來與下箱體連接。其具體尺寸見零件

圖。

⑷工作臺上平板尺寸設(shè)計

工作臺上平板與工作臺下平板尺寸形狀基本相同，也加工出固定導(dǎo)軌立柱的

孔。不同的是沒有T形槽。并且在其中間加工出孔來安裝液壓缸。液壓缸采用

頭部法蘭連接，且要安裝成是法蘭受力而非螺栓受力的形式。

⑸滑塊尺寸設(shè)計

滑塊的長寬高尺寸分別為500x500x25。同樣為了固定鍛模，在滑塊的下平

面上加工出T形槽。滑塊和活塞桿采用法蘭連接。法蘭的尺寸據(jù)滑塊上的連接

螺紋孔的分布尺寸和活塞桿頭部螺紋尺寸來確定?；瑝K與導(dǎo)軌采用滾動導(dǎo)套連

接，所以在滑塊四個角上加工出光孔，與滾動導(dǎo)套的外圈配合。并在每個滾動導(dǎo)

套的前后安裝端蓋，用M6的螺栓固定?；瑝K的具體尺寸及要求間零件圖。

3.2.2.4剛度計算。

剛度：/=EA'=216x1()3MPax510.45〃2〃22=Llxl()9N

其中：E—材料彈性模量

據(jù)《材料力學(xué)》今表22選取E=216GPa

4.2X104^X580/W77

變形：□/==0.22mm

~EA~~EA216x103N/mrn2510A5mm2

其中：/一立柱變形部分長度

□/一立柱變形量

應(yīng)變：￡=以=些=0.00038機

I580

第4章液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1液壓系統(tǒng)控制方案設(shè)計

4.1.1分析設(shè)計要求

液壓壓力機的主要用途是對工件進(jìn)行壓力加工，使其產(chǎn)生一定的塑性變形，

達(dá)到設(shè)計者的要求。液壓壓力機在完成一個工件的加工時，必須要經(jīng)歷幾個工作

階段來完成一個工作過程。這幾個工作階段完全由壓力加工的特點和液壓缸活塞

桿的運動形式所決定。壓力加工的特點是固有的，既給工件一定的壓力，使其達(dá)

到一定變形量后再將工件取出。在這里要控制的就是活塞桿的行程及速度，讓其

適應(yīng)這一壓力加工的特點。在前面的方案設(shè)計中，已經(jīng)設(shè)計出液壓缸及滑快的安

裝方案，在這里主要確定怎樣利用液壓系統(tǒng)來控制液壓缸活塞桿帶著滑塊移動。

控制其移動速度，移動位置，在哪一個位置停止，哪一個位置移動。還要控制滑

塊給工件的力的大小。壓力大小一經(jīng)設(shè)定在這里是不變得，所以這里主要對速度

和位置進(jìn)行控制。而對于工件來說，速度并不能決定其變形量，速度只是決定了

一個工作過程所用的時間，所以速度控制不需要特別精確，而這里更重要的是位

置控制。在自動控制系統(tǒng)中，決定是位置控制、或速度控制還是壓力控制的主要

原因就是傳感器的選擇。選壓力傳感器則此系統(tǒng)是壓力控制，選速度傳感器則是

速度控制。在此設(shè)計中選擇位置傳感器，所以此次設(shè)計的控制系統(tǒng)為位置控制系

統(tǒng)。這也適應(yīng)了壓力機的要求。

對于控制系統(tǒng)來講，這次的負(fù)載力主要是工件的變形反作用力。根據(jù)一般塑

性材料的變形規(guī)律可知，對于塑性材料其變形分為彈性階段、屈服階段和強化階

段。從曲線上可以看出材料在屈服階段和強化階段的應(yīng)力變化相差不是太

大，而相同外力作用下變形是很大的。所以在一般變形情況下，不同變形所需要

的力基本不變。這樣工件的反作用力幾乎不變，則控制系統(tǒng)的負(fù)載力基本保持不

變，設(shè)計中認(rèn)為這一變形反作用力是長值力。負(fù)載力除了工件的反作用力外還要

考慮導(dǎo)軌的摩擦力及滑塊和活塞桿運動的慣性力。在計算中這兩個力也認(rèn)為是長

值力。除此之外在設(shè)計液壓控制系統(tǒng)時還要考慮到滑塊和活塞桿的重力。

對控制系統(tǒng)一方面要求其達(dá)到預(yù)期的控制目的，另一方面還要求其具有一定

的控制指標(biāo)。即穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的要求。穩(wěn)定性要求是保證系統(tǒng)正常工

作的前提條件，如果系統(tǒng)不穩(wěn)定，發(fā)生震蕩，那么系統(tǒng)就不能正常工作?？焖傩?/p>

主要是要求系統(tǒng)對于指令信號響應(yīng)要快。在輸入指令信號后，整個系統(tǒng)馬上動作

起來，達(dá)到穩(wěn)態(tài)過程。系統(tǒng)的準(zhǔn)確性也很重要，它直接影響系統(tǒng)的工作精度，應(yīng)

用到工件上，具體就變成了工件的加工精度。以上三方面指標(biāo)是整個控制系統(tǒng)的

指標(biāo)，不過在不同系統(tǒng)中其側(cè)重點又有所不同。

在設(shè)計液壓控制系統(tǒng)時，不僅要考慮被控量的物理性質(zhì)、負(fù)載特性、控制精

度、動態(tài)品質(zhì)等上面提到的這些指標(biāo)，還要考慮到工作環(huán)境、限制條件等。一般

情況下，液壓壓力機總是工作在室內(nèi)，所以環(huán)境不會太惡劣，周圍也沒有什么介

質(zhì)來侵?jǐn)_。對于控制系統(tǒng)，主要注意周圍不能有強的磁場干擾。這樣就不用考慮

由磁場干擾引起的系統(tǒng)誤差了，不僅簡化了設(shè)計還降低了成本。一般在廠房里沒

有太大的沖擊和震動，如果有，在壓力機上加上減震器就可以了。從限制條件方

面考慮，主要考慮壓力機的尺寸和體積。因為工作臺尺寸較小，而安裝空間又需

要很大，為了協(xié)調(diào)二者就要調(diào)整壓力，選擇體積小功率大的電機以及做一些其他

工作。

考慮到經(jīng)濟性要求，液壓壓力機控制系統(tǒng)的主要控制元件應(yīng)用電液比例方向

閥。電液比例方向閥與伺服閥相比具有很多優(yōu)點，例如其維護(hù)方便、抗污染能力

強、壓力損失小等。最主要一點時其價格便宜。所以對于精度要求不高的系統(tǒng)應(yīng)

用電液比例方向閥代替伺服閥是非常有實用價值的?？刂葡到y(tǒng)的電源需要專門設(shè)

計，以適應(yīng)不同電壓用電設(shè)備的供電。閥板也要專門設(shè)計，這樣有利于批量生產(chǎn)

和安裝維護(hù)。

以上分析了整個控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，下面總結(jié)得出其工作過程和具體參數(shù)

要求。

4.1.1.1工作過程

快進(jìn)一減速加壓一保壓一釋壓一快速回程一原位停止

4.1.1.2系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)計要求

工作臺參數(shù)：行程：S=400mm滑塊質(zhì)量：=507.34依

壓制力：12T重力加速度：g=\Qm/s2

工作臺尺寸：500x500〃〃〃導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：/=0。5

慢速加壓速度:lOnrn/s快速移動速度：150mm/s

控制參數(shù)：位置精度：0.1mm頻寬：%，加＞3%

4.1.2擬定控制方案，畫出系統(tǒng)原理圖及系統(tǒng)方塊圖

4.1.2.1擬定控制方案

根據(jù)對設(shè)計要求的分析和系統(tǒng)參數(shù)要求來擬定控制方案。據(jù)控制參數(shù)可知，

系統(tǒng)的位置精度為0.1機機，頻寬為九由＞3ao從位置精度來判斷，系統(tǒng)的控制

精度是很高的，可以說這個系統(tǒng)對準(zhǔn)確性的要求是主要的，也是很嚴(yán)格的。而閉

環(huán)控制正好適應(yīng)這種高精度的要求。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于對外界干擾敏感，控

制精度要求高的場合。而且應(yīng)用閉環(huán)控制可以用一些簡單的元件經(jīng)過合理的組合

組成一個精確的系統(tǒng)。所以這里決定采用閉環(huán)控制。由于在前面考慮了壓力加工

的特點，所以在機架設(shè)計時已經(jīng)決定采用液壓缸作為執(zhí)行器，同時為了降低成本,

選用了電液比例方向閥作為主要的控制元件。也就是說在這個液壓控制系統(tǒng)中動

力元件采用閥控液壓缸。閥控液壓缸結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，在小行程幾小慣量負(fù)

載時液壓固有頻率高。但隨行程增加固有頻率隨之降低，系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性

均變壞，系統(tǒng)效率較低。閥控液壓缸適用于高性能要求的小慣量負(fù)載及小行程直

線運動的中小功率場合；大慣量負(fù)載，但對快速性要求較低的中小功率場合。對

于此次設(shè)計的系統(tǒng)，其功率不是太大，活塞桿行程較短且為直線運動，所以選用

閥控缸動力元件。對于控制系統(tǒng)的反饋形式，則采用電器形式的反饋。因為電器

反饋形式一方面它以電流或電壓作為信號流，信號處理靈活、迅速、功率小、系

統(tǒng)的開環(huán)增益調(diào)整方便、系統(tǒng)易實現(xiàn)校正。另一方面電器元件占地面積小，可以

集成，而且適用于時代發(fā)展。此系統(tǒng)的指令元件、比較元件及對其它閥的控制都

由計算機程序進(jìn)行集中控制。人們都知道現(xiàn)在計算機控制控制精度高、控制操作

性好，而且計算機的價格又不貴，像壓力機這種環(huán)境條件好，控制要求高的系統(tǒng)

最適合用計算機實現(xiàn)控制。通過各方面的綜合考慮，得出最終控制方案，即采用

微機電液比例位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。

4.1.2.2系統(tǒng)原理圖設(shè)計

液壓控制系統(tǒng)的基本組成是液壓動力元件加反饋元件。但同時為了實現(xiàn)別的

控制功能，必須在基本控制系統(tǒng)中加入一些基本回路。而且需要設(shè)計出合理的油

源部分來為電液比例方向閥進(jìn)行能量輸入以達(dá)到控制目的。從液壓傳動系統(tǒng)的角

度講，由于電液比例方向閥具有截流作用，他和液壓缸的組合就相當(dāng)于定壓截流

調(diào)速回路。而且是進(jìn)口截流調(diào)速回路。截流調(diào)速回路的工作原理是通過改變回路

中的流量控制元件的通流截面積的大小來控制流入執(zhí)行器或流出執(zhí)行器的流量，

以調(diào)節(jié)其運動速度。對于進(jìn)口截流調(diào)速回路，其基本組成是使用定量泵并且必須

并聯(lián)一個溢流閥?；芈分斜玫膲毫τ梢缌鏖y設(shè)定后便基本上保持不變，液壓泵輸

出的油液一部分經(jīng)過節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸工作腔推動活塞桿運動，多余的油液經(jīng)溢

流閥排回油箱，這是此類調(diào)速回路能夠正常工作的必要條件。只要調(diào)節(jié)節(jié)流閥的

通流面積，即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)通過節(jié)流閥的流量，從而調(diào)節(jié)液壓缸的運動速度。這里

的節(jié)流閥就是電液比例方向閥。定壓節(jié)流調(diào)速回路具有兩個回路特性，一是液壓

缸工作速度與負(fù)載之間的關(guān)系，稱為調(diào)速回路的速度負(fù)載特性。經(jīng)研究表明在節(jié)

流閥通流面積為一定的情況下，重載工礦比輕載工礦的速度剛性差；而在相同

負(fù)載下，通流面積4大時亦即液壓缸速度高時速度剛性差，所以這種回路只適

用于低速輕載場合。另一方面，調(diào)速回路具有功率特性。液壓泵輸出的功率為常

量，其主要損失有三個方面：一是液壓缸輸出功率，二是節(jié)流功率損失，三是溢

流功率損失。所以回路的功率損失由節(jié)流損失和溢流損失組成，這些損失將轉(zhuǎn)化

為熱量，使液壓系統(tǒng)溫度升高。所以在此系統(tǒng)中必須加冷卻器來降低油溫。定壓

節(jié)流調(diào)速回路結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但速度平穩(wěn)性差、效率較低。而對于此系統(tǒng)

來講，不要求速度的精確性，也不過多計較功率損失，所以基本回路采用閥控缸,

即定壓節(jié)流調(diào)速回路。

在調(diào)速回路的基礎(chǔ)上，需要加入其它回路。根據(jù)工作過程可知，在控制系統(tǒng)

中需要加入保壓回路、釋壓回路、平衡回路，在油源設(shè)計時需加入泄荷回路。保

壓回路有許多種，其中液控單向閥保壓和蓄能器保壓是比較典型的兩種。但在控

制系統(tǒng)中，加進(jìn)去蓄能器后容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以不用蓄能器保壓。由于此壓

力系統(tǒng)保壓時間不是太長，保壓壓力也不大，所以采用液控單向閥保壓是能夠達(dá)

到要求的。釋壓回路主要采用順序閥釋壓，從回路圖中可以看出，這種回路將釋

壓和釋壓后反向運動作了很好的銜接。這里的釋壓回路和保壓回路共同用了一個

液控單向閥，對于釋壓回路則要求液控單向閥具有泄荷閥芯。為了防止壓力機停

機時滑塊在重力的作用下自行下行，在回路中設(shè)計了平衡回路，即在回油路上加

了一個平衡閥。在工作時他可以作為背壓來保證平衡，停機時又可以作為平衡閥

來抵消重力。設(shè)計油源時要求有泄荷回路，此系統(tǒng)采用帶電磁閥的先導(dǎo)式溢流閥

來完成。它既可以起到溢流定壓作用，在需要泄荷時打開電磁閥又可以泄荷，可

謂一舉兩得。由于控制系統(tǒng)對油液質(zhì)量有一定要求，所以在吸油管上設(shè)置粗過濾

器來攔截大的顆粒。在壓油管上設(shè)置精過濾器，濾掉細(xì)小顆粒，來保證電液比例

方向閥正常工作。同時安裝順序閥來保證精過濾器堵塞后濾芯不被損壞。以上是

對液壓控制回路的具體設(shè)計，其系統(tǒng)原理圖見圖4-1。

4.1.2.3據(jù)系統(tǒng)原理圖及控制方案得出控制系統(tǒng)方塊圖

JL

I超的號I-告"T蠕放燒I~一蚊加J°I/腌穌卜

Em

圖4-2

4.2靜態(tài)設(shè)計

4.2.1供油壓力的選擇

由于液壓壓力機需輸出較高的力，且為了縮小液壓動力元件、液壓能源裝置

和連接管道部件的尺寸，取供油壓力為億=21MPa。同時較高的壓力可以減小

壓縮性容積和減小油液中所含空氣對體積彈性模量的影響，有利于提高液壓固有

頻率，即系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4.2.2進(jìn)行動力分析并繪制負(fù)載軌跡圖

4.2.2.1求功率最大時的負(fù)載力

（1）工作臺受力圖如圖3-3

圖中：FY—液壓缸輸出的推力

與一滑塊受到的摩擦力

入一慣性力

月一工件的反作用力

G一滑塊受的重力

⑵分別計算各力的大小

重力：G=M,g=507.34x10=5073.4N

摩擦力：由于在滑塊和導(dǎo)軌之間裝了滾動導(dǎo)套，使摩擦系數(shù)下降到

/=0.005o同時由于重力和摩擦力在同一條直線上，所以導(dǎo)軌表

面不受正壓力，這樣摩擦力就很小。為了更可靠一些，將摩擦力向

大的方向考慮。同時考慮到液壓缸的摩擦，將總的摩擦力加大二倍。

鳥.=Gx/x2=2x5073.4x0.005=50.74N

慣性力：。皿=入2”3dB

。皿=015x2x3.14x3=2.83m//

FN==2.83x507.34=1433.74N

其中：《由一滑塊最大加速度

%ax一滑塊下行速度

f3曲一系統(tǒng)頻寬

/+Ff=1433.74N,在考慮工作臺重力的情況下，將摩擦力與慣性力之和

放大到與重力相抵消，即G+%=5073.4N。大約為總受力的5%。

4.2.2.2繪制負(fù)載軌跡圖

負(fù)載軌跡圖如圖4-4

0.15

v/m/s

5073.40

G/N

假設(shè)各力都不隨時間變化。且認(rèn)為最大負(fù)載力與最大速度同時出現(xiàn)，即

vmax=0.15/n/5吊max=L2xl05。

4.2.3計算液壓缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.2.3.1計算缸筒直徑

P,4-/?2A=F,max

P.、+PL

P\=

2

PS-PL

Pi=

2

A=2A,

其中：P1一液壓缸無桿腔壓力

P2一液壓缸有桿腔壓力

Ps一系統(tǒng)供油壓力P*=P]+〃2

PL—負(fù)載壓力PL=PI-P2

4—液壓缸無桿腔面積

&—液壓缸有桿腔面積

億3、

F

+7見\=Lmax

47

A_K.max

1-

ps3-

44￡

7

對于滑閥來講，當(dāng)力=；2時，滑閥的輸出功率最大。

A_FLmax==1.2x10'=7.6x10"2

/1.———

P,32

P,J,-X21X106

443s

缸筒直徑為:

D=98mm

4.23.2選擇液壓缸標(biāo)準(zhǔn)件

據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷片9.202表19-6-3選取液壓缸內(nèi)徑(GB2348-80)

D=100mm

A)=2A,

D

d=69.30mm

其中：d—活塞桿直徑

據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷《9.202表19-6-3選取活塞桿直徑(GB2348-80)

d=70/nm

據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷/一236選取標(biāo)準(zhǔn)液壓缸。

其型號為：YHG^EWO/JQxS,LF5HL,OTX

其主要技術(shù)規(guī)格：

D=WQmmd=70wm壓力級：E-l6MPa行程：S=400mm

最大推力：[=1.26xl()5

據(jù)《機械設(shè)計手冊》4_236表19-6-41選取安裝尺寸，見裝配圖。

423.3活塞桿的校核

⑴活塞桿抗壓強度校核

。=￡文4[團(tuán)N/,初找2據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷/22。表19-6-20

-d2

4

無縫鋼管：cr=100-110ZV/zw?/2

其中：P一活塞桿受到的壓力2=七儂=1.2x10”

1.2X105X10^

o-=31.19M&

3.14

xO.072

4

<7<[cr]抗壓強度符合要求。

⑵活塞桿穩(wěn)定性校核

據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷/_22i表19-6-20可知42(10-15)1時需驗算

活塞桿彎曲穩(wěn)定性。據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷片》38表19-6-37查得ZJ=300。

Le=ZJ+S+400=300+400+400=1100

Lo>15。=1050

其中：品一活塞桿與缸筒的總長

s一活塞桿行程5=400

時

PKJEQXp<P!L據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷/_221表19-6-20

K~LB~nK

其中：&一實際彈性系數(shù)耳=1.80x105N/〃Z〃，

/一活塞桿截面慣性矩/=0.049/ui.igxlO-6

nK一安全系數(shù)nK=3.5-6取〃”4.75

K一液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)據(jù)表19-6-21查得K=0.5

5

4一活塞桿受力/]=F/max=1.2xlO7V

外一計算得活塞桿最大理論受力

*1256

3.14X1.80X10X1.18X10^X105

PK=69.23xlOA^

0.25x1.12

經(jīng)=14.57x1()5N

〃K

P、占活塞桿穩(wěn)定性符合要求

nK

4.23.4計算液壓缸實際面積

A=-^-D2=-x3.14xO.l2=7.85xlO-3/n2

144

4=3.93x10-3加2

4.2.4比例閥選型計算

4.2.4.1計算通過比例閥的負(fù)載流量

據(jù)《液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計》&2表6-10選比例閥閥芯機能為C型，則

PTA的節(jié)流口面積是P-B節(jié)流口面積的,倍。

2

通過比例閥的負(fù)載流量按最大速度確定。

333

Qmax=%ax4=0.15x7.85x1O-=1.18x1O_m/s=70.65L/min

為了補償泄漏，將流量擴大20%。

Qmm=70.65xl.2=84.78L/min

3

AQm.in=vm.inA*1=0.01x7.85X1O-=4.71LI/min

同樣，為了補償泄漏，將流量擴大20%。2min=4.71xl.2=5.65L/min

4.2.4.2據(jù)液壓缸面積計算負(fù)載壓力1兀

PIA-P24=，

F

A-Lmax

4E-pA4xl.2xl05-7.85X10-3X21X106

max=13.38MPn

PL34―3x7.85x10-3

p.=，'+'，,=17.19MPa

12

p,=P'-P，=3.81MPa

22

4.2.4.3比例閥壓降的計算

p、_Pi=p?=Ap=3.8IMP。

2bp=1.62MPa

△P\i-bp、+、p?+2Ap=14-14-7.62=9.62MPa

其中：曲1一比例閥與液壓缸之間的管路壓降及閥壓降A(chǔ)p尸TMPa

△生一液壓泵至比例閥之間的管路壓降及閥壓降如2WMPa

△p〃一總的比例閥壓降

4.2.4.4據(jù)《機械設(shè)計手冊》選取比例閥

比例方向閥的選擇，不是按執(zhí)行元件的運動速度所需流量直接確定的，而是

根據(jù)比例閥進(jìn)出口壓差（即系統(tǒng)工作壓力同負(fù)載壓力之差）按其工作曲線選擇。

Qg、=84.78〃min

Qmin=5.65〃min

=9.62MPa=10MPa

據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷6。_252選擇力士樂4WRE10型/10系列比例方向流

量閥。選取閥額定流量為32〃min（△%=IMPa時閥的流量為32〃min）。

2,nax=84.78L/min時的額定電流為88%。

2nm=5.65〃min時的額定電流為30%。

電流調(diào)節(jié)范圍為88%-30%=58%。閥的辨別能力是很好的。

比例閥型號為：4W/?EE232-10/24Z4/M

其主要性能參數(shù)如下：

額定供油壓力：A.B.P□：31.5MP。

T口：\5MPa

最大流量：120〃min

額定電壓：24V

滯環(huán)：2%

頻率響應(yīng)：0—10"z(—3")

重復(fù)精度：1%

響應(yīng)靈敏度：<5%的額定最大信號

配套放大器：VT5006才(有一個斜坡時間)

24V直流

油液：礦物油

過濾精度：<20///7?

油溫范圍：-20-70。。

4.2.4.5傳感器的選擇

⑴位移傳感器的選擇

據(jù)《光機電一體化設(shè)計使用手冊》/6表2-14-54選直線大位移傳感器。其

主要技術(shù)參數(shù)如下：

測量范圍：300mm線性度：±0.15%

分辨率：0.01%重復(fù)性：0.01%

溫度范圍：0-75頻率響應(yīng)/K”z：0-1

供電電壓：15-30V電流：50mA

輸出信號/"?A：4-20/1-5V

據(jù)所選傳感器計算其增益為：="2=1-=16.67上

f年（$）0.3m

⑵壓力傳感器的選擇

據(jù)《光機電一體化設(shè)計使用手冊》表2-14-131選CYZ型高輸出壓力傳感器。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

量程：0-20MPa滿量程輸出：3±0.W

電源電壓：±6V零壓力輸出：＜±100mV

4.3動態(tài)設(shè)計

靜態(tài)設(shè)計的主要目的是確定控制系統(tǒng)的各主要組成元件的參數(shù)。動態(tài)設(shè)計的

目的是在靜態(tài)設(shè)計之后進(jìn)一步了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性等動態(tài)性能是

否滿足設(shè)計要求。動態(tài)設(shè)計可用對數(shù)頻率特性法（波德圖法）進(jìn)行近似分析，也

可以利用計算機數(shù)字仿真法分析。此設(shè)計中，采用對數(shù)頻率特性法（波德圖法）

進(jìn)行分析。此方法的理論基礎(chǔ)是自動控制原理。從大的方面分析，對數(shù)頻率特性

法分三步。第一步是得出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；第二步是通過系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，

即傳遞函數(shù)，繪制對數(shù)頻率特性圖（波德圖）；第三步是通過對數(shù)頻率特性圖及

傳遞函數(shù)來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)確性指標(biāo)。

數(shù)學(xué)模型是描述控制系統(tǒng)各變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在控制系統(tǒng)中，常

采用微分方程和傳遞函數(shù)。其中傳遞函數(shù)是在零初始條件下，用微分方程描述的

控制系統(tǒng)的輸出與輸入的拉氏變換之比。從前面的設(shè)計我們知道，控制系統(tǒng)是由

一個個元件組合而成的，而每一個元件運用輸出和輸入的關(guān)系都可以寫成一個或

幾個微分方程式。這些微分方程式經(jīng)過簡化可以得出總的關(guān)于最終輸入和最終輸

出的微分方程式。這樣可以將總的微分方程式經(jīng)過拉氏變換得出總的傳遞函數(shù)。

也可以將每一個微分方程式分別拉氏變換后，得出分的傳遞函數(shù)后，再經(jīng)過輸入

輸出變量的抵消與化簡得出總的傳遞函數(shù)。一般過程是這樣的，先得出系統(tǒng)的元

件方塊圖，再根據(jù)元件方塊圖寫出每一個元件包含的微分方程式。然后對每一個

微分方程式進(jìn)行拉氏變換，找出輸入與輸出的關(guān)系，然后將其按輸入到輸出的方

向連成一個元件的傳遞函數(shù)方塊圖，再對傳遞函數(shù)方塊圖進(jìn)行化簡，求出總的關(guān)

于最終輸入和最終輸出的傳遞函數(shù)?？梢钥闯?，一個控制系統(tǒng)有許多的傳遞函數(shù),

即許多個輸入與輸出的關(guān)系。而最終描述這個系統(tǒng)的是那個將分傳函綜合聯(lián)系起

來的總的傳遞函數(shù)，即最終輸入與最終輸出的關(guān)系。此次設(shè)計的系統(tǒng)也是根據(jù)這

樣的步驟下來的。首先據(jù)系統(tǒng)的元件方塊圖寫出每一個元件或幾個元件綜合的傳

遞函數(shù)，再將這些傳遞函數(shù)組成系統(tǒng)傳遞函數(shù)方塊圖，然后通過對傳遞函數(shù)方塊

圖的簡化，得出總的傳遞函數(shù)，即系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)。

系統(tǒng)傳遞函數(shù)求出后，便要通過傳遞函數(shù)來繪制對數(shù)頻率特性圖，即波德圖。

用對數(shù)頻率特性法研究閉環(huán)系統(tǒng)，主要是先繪制閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)波德圖，然

后根據(jù)開環(huán)波德圖來研究閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及快速性。繪制頻率特性圖

有兩步，首先通過傳遞函數(shù)求出控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，然后根據(jù)頻率響應(yīng)函

數(shù)的模和幅角來繪制頻率特性曲線?？刂葡到y(tǒng)的正炫輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)稱為頻率特

性或頻率響應(yīng)。求頻率響應(yīng)函數(shù)，只需把傳遞函數(shù)中的S換成_/0就可以了。我

們知道傳遞函數(shù)的S是一個復(fù)數(shù)，s=b+"y。令。=0,那么S="y,這樣就得

到了頻率響應(yīng)函數(shù)了。從中可以看出，頻率響應(yīng)函數(shù)是傳遞函數(shù)的一個特例。還

可以這樣理解，給控制系統(tǒng)輸入正弦信號，其輸出也是同頻率的正弦信號，只是

幅角和模變了，這樣求輸出與輸入的拉氏變換之比后得出系統(tǒng)傳函為

0cos夕+ssin。

G(s)=A?)

(1)

在上式中，令$=汝，則G(s)=G(_/a)=A(0)*0)［用歐拉公式變換］?？梢婎l

率特性就是特殊輸入下的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，即系統(tǒng)傳遞函數(shù)的特例。將傳遞函數(shù)

中s換成j①后,再將G(/a)化成上述標(biāo)準(zhǔn)形式，即G(〃y)=A(o)e例°)。用1g。作

為橫坐標(biāo)，L=201gA(o)作為縱坐標(biāo)，在。-8的過程中可繪制出對數(shù)幅頻特

性曲線。用1g。作為橫坐標(biāo)，火⑼作為縱坐標(biāo)在的過程中可繪制出對數(shù)

相頻特性曲線。二者綜合起來便成為對數(shù)頻率特性曲線。通過分析微分方程變化

后得出的傳遞函數(shù)，我么知道，任何傳遞函數(shù)都是典型傳遞函數(shù)之積。同樣任何

頻率特性函數(shù)也都是典型環(huán)節(jié)的頻率特性函數(shù)之積。通過求對數(shù)，將乘積變?yōu)橄?/p>

加。那么總的對數(shù)頻率特性就是每一個典型環(huán)節(jié)對數(shù)頻率特性之和。這樣通過典

型環(huán)節(jié)的對數(shù)頻率特性曲線就可以求得總的對數(shù)頻率特性曲線，大大簡化了制圖

工作。在此次設(shè)計中，首先將總的頻率特性函數(shù)化成各典型環(huán)節(jié)的頻率特性函數(shù),

然后根據(jù)各典型環(huán)節(jié)的頻率特性曲線求出了總的頻率特性曲線。

判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性是研究系統(tǒng)及動態(tài)設(shè)計的最終目的。系

統(tǒng)的穩(wěn)定性是最重要的，因為一個系統(tǒng)如果不穩(wěn)定就不能正常工作，更談不到準(zhǔn)

確和快速了。如果一個系統(tǒng)受到外界干擾，偏離原來的平衡狀態(tài)，而擾動消失后,

經(jīng)過充分長的之間，系統(tǒng)能以足夠的精度逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)

定的。判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性有許多方法，其中最具有代表性的有兩種，一種是勞斯

判據(jù)；另一種是對數(shù)頻率特性的穩(wěn)定性判據(jù)。勞斯穩(wěn)定性判據(jù)的基本原理是首先

求出系統(tǒng)的特征方程，然后將特征方程的系數(shù)列入勞斯陣列，并計算陣列中的元

素。若計算出的勞斯陣列中的第一列元素不為零且均為正，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否

則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。對數(shù)頻率特性的穩(wěn)定性判據(jù)是指：如果開環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，

則閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。如果系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)P個極點在右半S平面內(nèi)，他在閉

環(huán)狀態(tài)下穩(wěn)定的充分必要條件是,幅頻特性曲線在所有乂。）>0的頻率范圍內(nèi)，

相頻特性曲線夕W）在（-左）線上的正負(fù)穿越之差為〃/2次。此次設(shè)計的系統(tǒng)由于

階數(shù)比較低，應(yīng)用勞斯判據(jù)直接可以判定，所以就應(yīng)用了勞斯判據(jù)。系統(tǒng)的快速

性一般用時域指標(biāo)描述。在頻域中，用閉環(huán)截止頻率?，來描述。例是指在閉環(huán)

波得圖上，當(dāng)幅頻特性的增益下降到零頻率處增益值以下3—8時所對應(yīng)的頻率。

0-例稱為系統(tǒng)頻寬。一般要求你=0-400rad/s。系統(tǒng)頻寬有時稱幅頻寬，用

表示。一般系統(tǒng)頻寬就表征了系統(tǒng)的快速性指標(biāo)。此次設(shè)計中用

￡%加=師來計算。一般情況下這3曲與開環(huán)幅頻特性的穿越頻率外相等。所以

用「3,加=2來表征系統(tǒng)的快速性?？刂葡到y(tǒng)的準(zhǔn)確性主要是系統(tǒng)的精度要求，

也即誤差要求?？刂葡到y(tǒng)的誤差包括動態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差。一般工程系統(tǒng)中只提

出穩(wěn)態(tài)誤差的要求。故一般只需按照求出的開環(huán)增益對穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行計算?？刂?/p>

系統(tǒng)總的穩(wěn)態(tài)誤差為跟蹤誤差、干擾誤差和靜態(tài)誤差之和。求誤差主要是先求出

誤差傳遞函數(shù)，然后利用拉氏變換的終值定理求出系統(tǒng)的誤差。跟蹤誤差是輸出

跟蹤輸入造成的穩(wěn)態(tài)誤差，其大小與系統(tǒng)類型及輸入信號有關(guān),可以據(jù)公式求得。

干擾誤差是干擾作用下引起的穩(wěn)態(tài)誤差。靜態(tài)誤差是一些非線性因素引起的穩(wěn)態(tài)

誤差。其中干擾誤差和靜態(tài)誤差都可以用靜態(tài)方塊圖求簡，在此次設(shè)計中就是應(yīng)

用靜態(tài)方塊圖求簡的。

以上是對總的動態(tài)設(shè)計的步驟與方法進(jìn)行分析與選擇。下面進(jìn)行動態(tài)設(shè)計的

具體計算，其中動力元件傳遞函數(shù)的具體求法在科技論文中推導(dǎo)，以下的公式則

直接搬過來應(yīng)用，敬請讀者注意。

4.3.1系統(tǒng)方塊圖與開環(huán)傳遞函數(shù)

4.3.1.1確定各組成元件的傳遞函數(shù)，畫出系統(tǒng)方塊圖

⑴繪制職能方塊圖，確定各環(huán)節(jié)組成元件

圖4-5

該系統(tǒng)屬于慣性負(fù)載位置飼服系統(tǒng)。從圖中可看出各個環(huán)節(jié)的組成元件，分

別由比例放大器、電液比例方向閥、液壓缸、反饋傳感器等元件組成。圖3-5為

元件的職能方塊圖。

⑵確定各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，繪制傳遞函數(shù)方塊圖

圖3-5中的比例放大器的增益為￡。位移傳感器的增益為K/。電液比例

方向閥與液壓缸負(fù)載的總的傳函由科技論文式（24）給出，即

VV

3AK1「4/+&翁s+K,AK

Vi~29-^

-^-M/+4M,KCS+-A：S

A4

繪制出的傳遞函數(shù)方塊圖如圖3-6.

圖4-6

圖中：Un(1v)—輸入電壓

q(s)—反饋電壓

u(s)一比較電壓

K”一比例放大器增益

/($)一比例放大器輸出電流

《一比例電磁鐵增益

X/s)一比例電磁鐵輸出位移

勺一比利閥流量增益

A一液壓缸無桿腔活塞面積

匕一總壓縮容積

月一有效體積彈性模量

M,一工作臺質(zhì)量

K,一流量壓力系數(shù)

FL一外負(fù)載力

《一供油壓力

的一傳感器增益

Xp（5）一輸出位移

⑶確定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

G⑹H⑸=3%九七峪&

-^M,s3+4MKx2+-Ars

Al4

4

_獲KMK人

一5（"『+2夕$+1）

K

~s（T2s2+2^Ts+i）

其中:

（4）求傳遞函數(shù)中各系數(shù)值

①液體有效體積彈性模量￡,=700MPa

②工作臺質(zhì)量此=507.34依

③液壓缸無桿腔面積4=7.85x10'加2

④液壓缸兩腔總控制容積匕

如圖3-7

匕=44

S—活塞桿行程S=400/77/7?

A—2A)=>=2L]

TTaTST2S

LI+L2=5=>L1=y,L2=—

Vj=LJA=yA,

2S2

V=2V=—A.=-X0.4X7.85X10-3=2.09X10-3W3

'1t313

4

圖4-7

⑤求系統(tǒng)阻尼比？

據(jù)《液壓控制系統(tǒng)設(shè)計》/也表6-6公式:

一叫2

Kb而

其中：W一閥的面積梯度W^TTD

6

rc—零開口徑向間隙4,=5xlO_機

4-液體動力黏度4=1.98x1CT?網(wǎng).$

據(jù)《液壓控制系統(tǒng)設(shè)計》%圖6-6查得0=25x10-3根據(jù)此求得:

W=%。=3.14x25x10-3=7.85x10-2機

不卬/3.14x7.85xlO-2x(5xlO-6)2

=9.73xl()T2機3/$,尸。

32〃―32x1.98x10-2

從科技論文（9）式的推導(dǎo)可知，推出的K,與普通四通滑閥的K他相差士3倍,

cCP4

即KC=K”；。所以，求出的K’o應(yīng)乘以;，即：

3

-12-2

^,0=9.73x-x10=7.3x10'n^/s-Pa

12

4K,\M,/3e_4x7.3xlO~/507.34x700xl￥

拓《匕一3x7.85x10-3義寸-2.09x10-3=0.016

由于J=的計算值較小，取J=$,=0.2（系統(tǒng)阻尼比短受系統(tǒng)總流量壓力

系數(shù)K,和黏性阻尼系數(shù)紇等多種參數(shù)影響，由于參數(shù)估算誤差而造成當(dāng)?shù)挠嬎?/p>

誤差。特別對小流量系統(tǒng)，阻尼比的計算值較實際值偏低。如果阻尼比的計算值

小于0.1,可取芻=0.1-0.2）

2IV,M_2/2.09xIO與*507.34

一拓如