新型铝卷翻转机液压驱动伺服系统设计及动态特性分析

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现代的翻转机大多采用液压驱动，其翻转台架绕固定支点进行倾翻，存在液压缸行程长、摆动角度大、土建基础范围大和坑深等缺陷。新型翻卷机的翻转形式利用了两次变换支点的原理方法，弥补了传统单固定支点翻转的不足。

大型操作机的大负载、大惯量和冲击载荷对传动系统的设计带来了很大的困难，通常需要采用机电液混合驱动的方式来实现快速和准确控制]。因此，其 中的液压驱动系统是翻转机的重要部分。针对铝卷翻转机重载高效操作要求，对该系统进行设计，其设计的基本要求是：铝卷外径 2 000 mm、铝卷内径 500 mm、最大承载 15 t、翻转角度 90。和翻转速度 0.05 m/s，并进行了快速性、准确性和可靠性等方面的研究。

1 翻转机液压驱动伺服 系统设计1.1 翻转机液压驱动伺服系统功能分析铝卷自动包装生产线对新型铝卷翻转机提出了新的生产要求：翻转机不仅能实现翻转功能而且应具备平移、升降、旋转和缓冲的功能。据此要求铝卷翻转机液压系统分为 3大系统，其中，第 1系统为翻转系统，实现铝卷翻转机的稳定、可靠翻转；第 2系统为水平移动系统、升降系统、旋转系统共同组成的旋转/平移台液压系统，实现旋转/平移台的水平运动、升降运动以及旋转运动；第 3系统为接收臂伸缩系统，实现接收臂的伸缩运动，对翻转中的铝卷起支撑辅助作用。

在铝卷包装生产线中，翻转机从上-工作站十《机械与电子》2O13(8)型 及字旋转输送机上接收铝卷。为了保证生产的顺利进行，翻转机上的旋转/平移台在水平移动系统及升降系统的共同作用下接收铝卷并将铝卷中心调节至旋转输送机传输杆的中心位置处，与此同时接收臂在伸缩系统的作用下夹紧铝卷，再次利用水平移动系统使得旋转/平移台脱离十字旋转输送机至安全距离，旋转/平移台依靠旋转系统使得铝卷旋转 90。，旋转/平移台右移并下降使铝卷紧靠安装在输送臂上的托板上，翻转机利用翻转系统实现铝卷的翻转，松开接收臂的夹紧装置，通过输送臂上的辊道将铝卷输送到下-工作站。

此新型铝卷翻转机可实现铝卷 3种状态的翻转。第 1种：铝卷在十字旋转输送机传输杆上呈轴向立式放置，经旋转/平移台接收并旋转 90。后呈周向立式放置，如图 1所示。铝卷在此基础上进行翻转必由轴向立式状态翻转成为周向立式状态。第 2种：假设旋转/平移台接收铝卷后未进行旋转，那么此时铝卷进行翻转必由轴向立式状态翻转成为轴向卧式状态。第 3种：假设翻转机的上-工作站为步进梁并且铝卷在步进梁上呈卧式状态放置，那么翻转机接收到铝卷后，会将铝卷从卧式翻转成为立式。

接收臂伸缩旋转/图 1 新型液压翻转机结构1.2 翻转机液压驱动伺服系统设计翻转机的翻转采用 2个液压缸对称驱动，为保证翻转机翻转过程中的稳定性，同样需设计同步动作回路及为了防止意外事故发生的锁紧装置。翻转机在翻转过程中所承受的负载质量较大，若突然停止翻转或换向时，会产生很大的冲击和振动。为了减少或消除冲击，应在液压系统的设计上采取-些办法实现缓冲L2]。

在设计的液压驱动伺服系统中，电液伺服阀根据 2个位移传感器的反馈信号持续地控制阀口开度，输出-个与三位四通换向阀相同的流量，使 2个液压缸获得双向同步运动。三位四通换向阀和电液伺服阀采用 O型阀，有-定锁紧作用，节流阀可起《机械与电子)2013(8)到-定缓冲作用。液压驱动伺服系统如图 2所示。

图 2 液压驱动伺服系统2 液压 系统参数的确定液压系统的主要参数是压力和流量，它们是选择系统方案及选择液压元件的主要依据。压力决定于外负载，流量撒于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

2.1 翻转机翻转过程中负载变化分析翻转机所承受的负载是随着负载的运动有规律的变化，因此要设计出与负载相匹配的液压执行元件，必须对铝卷翻转过程中的负载变化进行分析。

铝卷翻转机翻转角度为 90。，液压系统承受的力主要有两部分，-部分为负载重力 G在运动方向上的分量，另-部分为负载在翻转运动中产生的惯性力 F。铝卷翻转机负载变化如图 3所示。由图 3可以看出 ，状态 1进入状态 2时，翻转角度从 0。逐渐变化至 45。，液压缸承受正负载，并且随着翻转角度逐渐增大。当翻转机运动到状态 2时，液压缸承受负载为 0 N，方向开始转换。当翻转机离开状态 2进入状态 3时，翻转角度从 45。逐渐变化至 9O。，液压缸开始承受负负载，并且随着翻转角度逐渐增大，在翻转运动的末端，液压缸承受的负载最大，此时，负负载造成翻转机超速下降的趋势会越来越明显。

G状态 lF状态 2 状态 3图 3 铝卷翻转机负载变化· 41 ·2.2 执行元件的设计压力根据铝卷翻转机所驱动的负载变化特性及翻转机设计的基本要求，选取系统供 油压力 P。30MPa。

2.3 液压缸的主要结构尺寸a.液压缸参数。翻转机在翻转运动的末端时，液压缸承受的负载最大，最大负载力为 F。190kN。

伺服阀输出功率为最大值时的负载压力 P·与供油压力的关系为：Pl- -21 M Pa故最大功率点的负载力为：Fl- lAp-号乡 Ap设计出液压缸的有效面积为：Ap- 3 Fl。.。。8 9 m2b.根据所设计的液压缸的有效面积，可确定液压缸的结构如图4所示。

图 4 液压缸结构 原理A ，A ，A。为液压缸有效作用面积，此液压缸的作用面积相同，A。A ，比双出杆液压缸所 占工作空间小 ，所构成的液压系统在运动方 向发生变化时，往复运动的差异不大，速度特性对称，符合对称型液压缸的运动特性。

2.4 确定伺服阀规格伺服阀的负载流量按最大速度确定为：ql-A。 -26.7 L/min7-)max为液压缸的最大速度。

P P -Pl ： P - ： 12 MPa， 1p考虑到泄露等因素，将负载流量 q-放大 20 9/6，取 ql-32 L/rain。根据 ql和 P ，由伺服阀-流量关系曲线查得 q -40 L/min的伺服阀可以满足要求。

· 42 ·选定 QDY6型电液伺服阀叫，其性能参数如表 1所示 。

表 1 QDY6型电液伺服阀主要性能参数参数名称 数值 参数名称 数值Q 40 L/rain 滞环 <3P 31.5 MPa 零漂 <2I 340 mA 频宽 >60 Hz阻尼 比 0.7不灵敏度 <0.5固有频率 400 rad/s3 动态分析3.1 各组成元件的传递函数及系统框图动态分析时，需首先建立系统的传递函数，它不仅可以表征系统的动态特性，而且可以用来研究系统的结构或参数变化时对系统性能的影响嘲。

a.伺服放大器和位置传感器均响应速度很快，可视为比例环节。其增益分别为 k 和 k 。

b.鉴于所选择的伺服阀为四通阀，所设计伺服阀的传递函数为：KsvG - KsvK。 ： -3.1X10 m s/s.A即 V- 3. 1X10-340O 。 4O0 。。

K 为伺服阀的流量增益；qo为伺服阀的空载流量；Q 为伺服阀的额定流量；I 为伺服阀的额定电流；P。为实际供油压力；P。 为伺服阀通过额定流量时的阀压降；G (s)为 K。 -1时伺服阀的传递函数；c，。 为伺服阀的固有频率； 为伺服阀的阻尼比。

c.鉴于对称缸特性，液压缸的传递函数为 ：v - Q0-gAe；e(1K s)Fls( Oh ) 、 ∞h ，由对称缸特性，可计算出液压缸总控制容积为：V ≈ Ap 7.12×10-。m。

取液体有效体积弹性模量 -1 000 MPa，则液压固有频率为：-N/V巡tm48.4 rad/s型 及动态特性分伺服阀的零位流量压力系数为：K-。 厶 己C取阀芯直径 D-12 mE；零开 口阀径向间隙 r-5×10～ 1TI；液体动力粘度 -1.4×10。Pa.s；系统总流量系数 K ≈K 。6.6×10 。(m。/s.Pa)。

动态柔度系数为：Kl Yt- 0·27 s则液压缸和负载的传递函数为：Xp12 10 - 0 (10.27 7. × (7.12×1 。”) s(南 )d.根据前述各部分传递函数可确定系统框图，如图 5所示。由此可确定系统开环传递函数为：G ) Sv由经验可知，系统开环增益为：K -K KfK < (。.2～。.4) n-5K 为伺服放大器增益，K -0.11 A/E；K 为位置传感器增益，K -100 V/m。

!- -(图 5 液压伺服 系统3.2 频域响应分析要使所设计的液压伺服系统能够稳定可靠地工作，刚好满足稳定性条件是不够的，还必须留有稳定裕度[4]。图 6是本液压伺服系统的频率特性曲线，由系统频率特性曲线可以看出，相角稳定裕度 7-87。，这说明系统不仅稳定，而且有很大的稳定裕度，满足稳定性要求；系统开环穿越频率 叫 -5.1 rad/s，fo叫 /27c0.8 Hz，对于阻尼比较小的工型液压伺服系统，可以认为闭环频宽 ，-。ae近似等于 ，c。

《机械与电子2013(8)兽葛蠡董//rad·s图 6 液压伺服系统频率特性曲线3.3 时域响应分析系统在阶跃函数输入作用下的工作条件是比较严峻的，同时也比较具有代表性。如果系统在阶跃函数作用下的性能能够满足要求，那么在其他形式作用下的性能也能够满足要求。图7是本液压伺服f/s图 7 液压伺服系统对阶跃信号的响应曲线系统对阶跃信号的响应曲线，由系统对阶跃信号的响应曲线可以看出，系统运行平稳，无超调量，但上升过程中有几次很小的震荡。过渡过程时间 t。<1s，能够满足同步跟踪要求。

3.4 误差分析控制系统的稳态误差是系统控制精度的-种度量，是系统的稳态性能指标，对系统进行误差分析可知系统控制的精确性。

通过对控制作用下闭环系统的误差 、扰动作用下的稳态误差 e。 以及伺服阀存在的不灵敏区、间隙、零漂等非线性因素引起的位置误差 er进行仿真分析，再根据叠加原理可得系统的总稳态误差为：eP 4-e 。 4-et"0.002 m误差比较小，完全满足控制系统精确性要求。

· 43 ·数控加工速度前瞻及插补算法的研究 凡 ，樊留群 ，齐党进(1.同济大学中德学院，上海 200092；2.同济沈阳机床研究院，上海 201804)Research on CNC Look Ahead and Interpolation AlgorithmsBU Fan ，FAN Liu-qun ，QI Dang-jin(1.The Sino-German Postgraduate School of Tongji University，Shanghai 200092，China；2.The Tongji-Shenyang Machine Tools Research Institute，Shanghai 20 1 804，China)摘要 ：在保证数控加工的加工精度和速度稳 定性的基础上 ，研 究了数控机床连续直线段加 工的速度前瞻和回溯优化方法。根据速度前瞻的结果和进给倍率的变化，采用直线加减速的方法进行插补 ；采用 C和 Matlab对本算 法进行 了开发。仿真结果表明了算法的有效性。

关键词：速度前瞻；回溯；插补；CNC中图分类号 ：TP273文献标识码 ：A文章编号：1001-2257(2013)08-0044-O4Abstract：In consideration of improving themachining tolerance accuracy and reliability of ve-locity control，the linear continuous machining ve-locity is optimized via the Look Ahead and BackTracking algorithms.According to the maximumacceleration allowed by the machine tool and theangle of two adj acent lines the transition velocity收稿 日期 ：2013-O2-O4and acceleration was proposed.Should the hard-'gare condition of the computer be met，the BackTracking is ended.Considering the real-time de-mand of CNC system ，the interpolation is integrat-ed in the Look Ahead algorithm.The simulationand analysis of the algorithmstructure and processusing C and M atlab helpsbetter evaluate thealgorithms。

Key words：velocity look ahead；back tracking；interpolation；CNC0 引言在由GO1代码产生的连续微小直线段加工中，通过线段连接处 的速度是制约加工速度的瓶颈[1j。

为了解决这-问题，现代数控系统引入了前瞻控制算法。所谓前瞻”就是在加工过程中向前预览-段加工路径，判断各段加工进给速度大型方向差异，以及是否有大的速度波动，如果有这样的点，就要提4 结束语通过合理设计翻转机液压驱动伺服系统，降低了翻转机运行过程中的冲击，振动；使翻转机翻转平稳，提高了系统的安全性和可靠性￠绍的伺服阀的选择，以作用面积相同的单出杆液压缸作为对称缸进行性能分析以及对液压系统的动态特性分析，可为各种大型机械设备液压驱动伺服系统的设计提供理论指导。