鍛造操作機主運動機構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著我國科技發(fā)展對大型鍛件需求量的不斷增加，鍛造裝備正朝著重載化、自動化的方向發(fā)展，鍛造操作機是一種輔助鍛造液壓機工作的大型操作設(shè)備，其在大負載時的靈活性大大提升了工件的鍛造效率。作為輔助設(shè)備，操作機需要密切配合壓機的運動，這對操作機的控制性能提出了很高的要求，而電液系統(tǒng)承擔著操作機所有動作的完成，其控制性能決定著操作機的整機性能，因此電液系統(tǒng)的設(shè)計和控制是鍛造操作機的關(guān)鍵技術(shù)之一。環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜及負載慣量大等特點給操作機電液系統(tǒng)控

2、制帶來了很大的挑戰(zhàn)，而操作機主運動機構(gòu)電液系統(tǒng)，包括提升系統(tǒng)、俯仰系統(tǒng)和緩沖系統(tǒng)，存在著運動耦合，控制難度較其他系統(tǒng)更高，因此如何實現(xiàn)操作機重載下的精確控制和保證其與壓機配合過程中的良好緩沖性能，是鍛造操作機主運動機構(gòu)電液系統(tǒng)設(shè)計面臨的重大挑戰(zhàn)。
　　針對一種重載鍛造操作機，進行了主運動機構(gòu)電液系統(tǒng)的原理設(shè)計并建立了其數(shù)學(xué)模型，建立了鍛件的彈塑性形變模型以及操作機主運動機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)模型，結(jié)合電液系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，搭建了鍛造操作

3、機“鍛件-機構(gòu)-液壓”復(fù)合仿真模型。借助該復(fù)合仿真模型，分析了電液系統(tǒng)的負載特性和控制特點，研究了重載和軟管連接等對系統(tǒng)控制性能的影響，并針對比例方向閥和軟管特性，設(shè)計了閥芯位移補償算法和軟管補償算法，借助仿真和模擬試驗臺，驗證了補償算法的有效性。為了研究夾鉗的運動控制性能，仿真分析了主運動機構(gòu)電液系統(tǒng)之間的耦合特性，并提出了夾鉗運動策略，進行了雙動進給快速鍛造過程仿真。為了提高操作機的緩沖性能，借助復(fù)合仿真模型對工件的拔長過程進行了仿

4、真分析，研究發(fā)現(xiàn)，提高提升系統(tǒng)的位移跟蹤精度和增加蓄能器模塊都有助于提高夾鉗在豎直方向上的緩沖性能，在緩沖系統(tǒng)中增加配置合理的蓄能器模塊有助于提高夾鉗在水平方向上的緩沖性能。
　　本論文具體研究內(nèi)容如下:
　　第一章，概述了鍛造操作機的工作原理及國內(nèi)外發(fā)展歷程，闡述了鍛造操作機電液系統(tǒng)驅(qū)動與控制技術(shù)現(xiàn)狀，并對操作機常見構(gòu)型做了介紹，分析了本課題的研究背景及研究意義，介紹了課題的主要研究內(nèi)容。
　　第二章，針對一種巨型重

5、載鍛造操作機，分析了其主運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)特點，并設(shè)計了前后提升系統(tǒng)、俯仰系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)的液壓原理圖;在建立電液系統(tǒng)各元器件數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助MATLAB/Simulink軟件，搭建了三個電液系統(tǒng)的仿真模型，采用各電液系統(tǒng)最常用工況為對象，初步分析了提升系統(tǒng)位移控制性能以及緩沖系統(tǒng)的緩沖性能。
　　第三章，以一種新構(gòu)型重載操作機為對象，建立了主運動機構(gòu)電液系統(tǒng)的負載數(shù)學(xué)模型，包括鍛件塑性形變和彈性形變數(shù)學(xué)模型以及主運動機構(gòu)的動力學(xué)模

6、型，并搭建了操作機“鍛件-機構(gòu)-液壓”復(fù)合仿真模型，并給出了電液系統(tǒng)初始壓力設(shè)置方法。借助復(fù)合仿真模型，研究了提升、俯仰以及緩沖系統(tǒng)的等效重量負載和等效慣量負載，分析了三個系統(tǒng)的負載特性和控制性能。
　　第四章，針對鍛造操作機電液比例系統(tǒng)的控制特性，研究了控制閥與液壓缸之間的連接軟管、比例方向閥的低頻響及死區(qū)特性等對操作機提升系統(tǒng)控制精度的不利影響，針對大慣性負載及軟管彈性導(dǎo)致的系統(tǒng)頻響低、控制器參數(shù)調(diào)定困難等特點，設(shè)計了基于比例

7、閥壓力流量特性的閥芯位移補償策略。同時研究了控制閥與執(zhí)行器之間連接的軟管對軌跡跟蹤精度的影響，并針對性的設(shè)計了基于模型的軟管補償策略。
　　第五章，建立了操作機提升系統(tǒng)AMESim仿真模型，通過與常規(guī)PID控制的對比仿真，分析了比例方向閥閥芯位移補償策略及軟管補償策略的作用，并研究了補償策略對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。針對操作機系統(tǒng)位移跟蹤的實際要求，搭建了提升系統(tǒng)位移跟蹤負載模擬試驗臺，借助模擬試驗臺開展了補償策略對系統(tǒng)閉環(huán)位移控制的影

8、響研究，重點對比了帶補償策略的比例控制與常規(guī)PID控制的位移跟蹤性能。借助仿真模型對提升系統(tǒng)進行線性化分析，研究了補償策略對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　第六章，分析了操作機主運動機構(gòu)電液系統(tǒng)之間的耦合特性，設(shè)計了夾鉗位姿觀測器和夾鉗運動控制策略，并仿真研究了操作機的雙動進給快速鍛造過程。以工件的拔長過程為分析對象，針對操作機夾鉗的緩沖運動過程開展了仿真研究，分析了提升系統(tǒng)的控制性能對其緩沖性能的影響，研究了蓄能器在提升系統(tǒng)和緩沖系統(tǒng)中