（机械设计及理论专业论文）变载荷电液伺服控制技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 低速大扭矩控制系统在现代社会生产生活占有着重要的地位，它被普遍的应用于工 程以及矿山机械，军民重要建设设备，高载液压车床控制系统等场合之中。曾经，在这 些系统中，简单的低速大扭矩液压马达，就可以很好的满足设计以及使用的需要。然而， 随着现代社会的发展，针对各种极端工况，以及新的设计理念更安全，更便捷，更 环保等提出。低速大扭矩控制系统，现在也不仅是要实现运行速度调节的更快以及运转 扭矩更大，还要求设备实现一定的远程控制，以及更高的控制精度。 本文针对某公司变载荷电液伺服控制技术研究方案进行设计分析。研究在给定运动 轨迹、位移曲线、载荷曲线、转动惯量曲线等边界条件下，驱动轴的运动特征和控制规 律；研究并制定电液伺服驱动、定位的数字化控制方案；进行控制系统伺服模型建模和 系统仿真；根据分析结果优化电液伺服系统设计方案，基于r e x r o t l l 公司液压手册确定 关键元器件技术参数，拟定数字化控制算法，解决并验证驱动、定位控制等技术。 本文的设计方法是：进行液压系统原理图设计；针对该公司所提供的技术资料进行 分析，确定系统设计中最高的转矩，继而设计出所需要的液压马达排量、减速器、以及 液压泵的型号，再选取所需要配套的电机，油液以及液压伺服阀等的型号；根据系统运 行角速度选取位移传感器；选择交流变直流调解器。 根据所选取的液压元器件型号，对液压伺服系统的反馈性能进行分析，计算出系统 反馈元件参数，并最终得出液压伺服系统的动态反馈方程。 依据液压系统的伺服控制模型，设计p l c 控制系统图，针对所设计的p l c ，进行 p i d 校正设计。 对液压伺服系统模型进行m a t l a b s i r 舢l i n k 仿真，设计出系统的开环传递函数以 及求出系统的稳态误差。再按照设计要求，进行p i d 校正设计，得出结论。 关键词：低速大扭矩控制；液压伺服系统；m a t l a b s i m u l i i l k 仿真；p i d 校正设计 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t l o w s p e e db i gt o r q u ec o n 仃o ls y s t e i i lp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nm o d e m1 i f e ，锄di ti s w i d e l yu s e di ne n g i n e e d n gm a c h i n e m i n i n gm a c h i n e r y 锄dc i v i l - m i l i t a r yi m p o n a n t c o n s 觚l c t i o ne q u i p m e n t 弱w e u 嬲锄o n gh i 曲一l o a d e dh y 山a u l i cl a m e i nt h e s es y s t e m s ，吐l e s i m p l el o w s p e e db i gt o r q u eh y m 砒i l i cp r e s s u r em o t o rc o u l dm e e t 吐i en e e do fd e s i g na n du s e w e l l b u tw i mt t l ed e v e l o p m e n to fm o d e m s o c i e t y ，av “e 够o fn e wd e s i g nr e q u i r e m e n t sc o m e i n t o b e i i l gw i mr e s p e c tt 0d i 岱：r e n t e x n e 1 ：l l e w o r l ( i n gc o n d i t i o n s m o r es e c u r e ，m o r e c o n v e n i e n t ，m o r ee n v i r o 砌e n t a le t c a st 0l o w s p e e db i gt o r q u ec o n 仃d l ，i ts h o u l dn o to n l y r e a c hh i 曲e rs p e e dm o d u l a t i n g 她db i g g e rt o r q u er e v o l v i n gr e q u i r e m e n t s ，b u ti ti sa l s or e q u i r e d 1 a tm ee q u i p m e n tc a na c h i e v ec e r t a i nl o n g - m g ec o n 仃o la n d h i g h e rc o n 仃o la c c u r a c y a d e s i 伊孤a l y s i so f 也ev 撕a b l el o a de l e c 昀一h y d r a u l i cs e r v oc o n 仃o lt e d h n 0 1 0 9 yr e s e a r c h p l 孤o fc e n a i nc o m p 锄yi s 百v e ni nm i st l l e s i s t h ed v es h a r sm o v e m e n tc h a r a c t s t i c sa n d c o n 仃0 ll a wi s r e s e a r c h e 也i f 百v 即m em o t i o n 的c kd i s p l a c e m e n tc u e ，l o a dc u r v e ，吐l e r o t a t i o ni n e n i ac u r v ee t c b o u n d a d ，c o n d i t i o n s ；m ed i 西t a lc o n t r o ls c h e m eu s e dt 0e s t a b l i s h e l e c n 0 h y d r a u l i cs e r v o 嘶v e 锄dp o s i t i o n i i l gi ss t u d i e d ；t t l em a m e m a t i c a lm o d e la n ds y s t e m s i m u l a t i o ni s c o n d u c t e d ；a c c o r d i i l gt o 也e 趾a l y s i sr e s u l t s ，e l e c 仃i d h y d m u l i cs e r v os y s t e m d e s i 印s c h e i l l ei s 叩t i m i z e d ，粕dm ek e yc o m p o n 朗t st e c h n i c a lp 绷n e t e 璐i sd e t e 肋i n e db a s e d 0 nr e ) m s h y d r a u l i cm 锄u a l ，d i g i t a lc o n 订o la l g o r i t l l mi sf o m m l a t e d ，吐l ed r i v e r t l l e p o s i t i o 血gc o n 缸0 l ，s y s t 锄d i g i t a la n do t l l e rt e c h n o l o g i e s 龇er e s o l v e da n dv e 一6 e d t h ed e s i g nm e l o d so fn l i sm e s i sa r e ：h y d i a u l i cs y s t e ms c h e m a t i cd i a g 姗i sd e s i g n e d ； b a s e do nm e 锄a l y s i so ft c c 硒c a ld a t ap r 0 v i d e db y l ec o n l p a n y n l em a ) 【i 彻l mt o r q u ei nm e s y s t e md e s i 印i sd e t e n i l i i l e d 锄dt t l 锄吐l er e q u i r e dh y d r a u l i cm o t o rd i s p l a c e m t s p e e d r e d u c 柚d 咖eo fh y d r a u l i cp u m pa 他w o f k c do u t ，m 1 em a t c h e dd y n 锄o ，o i l 觚d h y d r a u l i cs e ov a l v et y p ea r ec h o s e n ；d i s p l a c e m e n t 位髓s d u c e r 锄di sp i c k e do u ta c c o r d m gt 0 吐1 e 锄g u l a rs p e e do fm es y s t e m ；d e m o d u l a t o r w h i c hm o d u l a t e sa l t e n m t i i l gc u r r e n ti 1 1 t 0d i r e c t c u n e n ti ss e l e c t e d ， a c c o r d i n gt 0t 量1 e s e l e c t e dd e v i c et ) r p e ，t l l ef e e d b a c kp e r f o n n 锄c eo fh y d r a u l i cs e r v o s y s t 锄i s 衄a l y z e d ，a n dt | l ed y i l a m i cf e e d b a c ke q u a t i o n 觚ds y s t e ms t e a d y - s t a t em o d e lo f h y d r a u l i cs e n ，0s y s t e mi so b t a i n e d b a s e do ns y s t e m ss t e a d y - s t a t em o d e l ，m ep l cc o n d ls y s t e mi sd r a w nu p ，p l cc o n n o i s y s t e mi s 锄a l y z e d ，锄dp i dc o n e c t i o nd e s i g ni sg i v b a s e do n 觚a l y s i so ft l l ed e s i 朗 p a 例m e t e r so fn l ep l c a c c o r d i n gt oa b o v ec o n c l u d e ds e r v os y s t e mm o d e l ，t h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ni s 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 c a 玎i e do u t ；m eo p e n l o 叩缸彻s f e r 如n c t i o na n dm es t e a d y - s t a t e 锕0 ro ft i l ed e s i g l l e ds y s t e m a r ew o r k e do u t b a s e do nc o n n o ls y s t e m ，p i dc o r r e c t i o nd e s i g ni sc o n d u c t e d ，觚dt t l e nt l l e c o n c l u s i o ni sr e a c h e d k e yw o r d s ：l o w - s p e e db i gt o r q u ec o n 仃0 l ；h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ；ma t l a b s i m u l i i l l 【 s i m u l a t i o n ；p i dc o r r e c t i o nd e s i 印 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 电液伺服控制技术发展历程 电液伺服控制技术隶属于电液比例控制技术，但是与电液比例控制技术相比又不尽 相同，在现代的设计生产中，占有很重要的位置。它被广泛的应用在机床液压控制、工 作台位置控制系统、以及工程机械液压马达的速度控制等广泛的领域。按照其发展历程， 大体可以分为以下几个阶段【1 23 4 】： 从1 9 6 7 年瑞士布林格尔公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研公司申 请了压力和流量比例阀两项专利止，是比例技术的诞生时期。 从1 9 7 5 年至1 9 8 0 年间可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。这是比例技术发 展最快的时期。 到了2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。 从1 9 9 0 年至今，是比例技术进一步完善的阶段。中国从1 9 7 0 年引进电液伺服技术， 针对电液伺服技术的研究，近4 0 年来在中国取得了长远的发展。 1 1 2 电液伺服控制技术特点 电液伺服控制系统的研究，主要集中在控制精度的掌控以及根据反馈信号进行校正 两个方面，国内外有很多学者对此做出了研究。本论文的研究，主要是基于郑州飞机装 备有限公司的设计条件，即针对低速大扭矩液压高精度控制系统，给出液压系统设计方 案，拟定针对设计方案的伺服控制系统，对控制系统基本元器件进行选型分析，以及设 计p l c 控制方案，最终针对设计系统进行设计仿真，以检验设计方案是否符合设计精度， 系统稳定性，加速性能强，反应响应快等要求，并最终给出总结。 电液伺服控制技术的特剧”8 】： ( 1 ) 动力元件的功率重量比和力矩惯量比较大，可以满足设计要求的体积小、重量 轻、加速能力强的特点； ( 2 ) 系统抗负载的刚度大，定位精度以及控制精度比较高； ( 3 ) 液压系统固有频率高，动力元件起动、加速、制动和反应响应快； 电液伺服控制的局限f 4 5 】：电液伺服控制阀的工作间隙较小，对油液污染较敏感，针 对液压油的选取以及系统定期换油需严格按照相关操作规范来做；安装过程，加工精度 比较高；操作过程中，系统油液的温度、液流雷诺数的变化都会影响控制精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 电液伺服技术国内外研究现状及成果 1 2 1 电液伺服技术国外研究现状 凡是输出能以一定的精度自动、快速、准确地复现输入变化规律的自动控制系统称 为伺服系统。而采用液压控制元件和液压执行元件的伺服系统称为液压伺服系统。液压 伺服系统具有下列基本特点：液压缸或液压马达的输出位移完全是跟随阀芯的输入位移 的；输出位移之所以能自动、快速而准确的复现输入位移的变化，是因为缸体或液压马 达和阀体连成一体，构成负反馈的闭环系统；当伺服阀的控制阀口有开口量x ，时，液压 缸的缸体或液压马达才有运动，才有位移输出、移动滑阀阀芯所需的信号输入功率很小 的，而系统的输出功率却可以很大，因此液压伺服系统实际上是一个功率放大装置。电 液伺服阀由于其高精度以及快速反应性，普遍应用于航空航天、机床塑机，轧钢机以及 机车车辆之中。在现在的生产生活之中具有十分重要的应用价值【6 】。 近年来，国外对于伺服控制的研究主要涉及到p c 电脑与伺服控制的联系、机器人 可视化研究、机器人无线电伺服控制系统设计、以及液压阀的线性度研究。 s e mh 以及g 舱g o 巧掣7 】人在i e e 上所做的会议报告指出了机器人伺服控制操作可 视化的先决条件，其中包括变量转换，速度转换以及几何层面的成型等内容。文章结合 了基于视图和可变点等相关技术的分析方法，分析一系列的实验，得出对文章有指导意 义的总结。 a d a mf u l f 0 吐a n d r e wa l l e y e n 掣8 】人在美国控制会议上所做的关于嵌入式无线电伺 服控制技术的分析。文章结合大量的实验，分析无线电伺服控制技术于传统意义上的伺 服控制技术的区别，并为今后无线电伺服技术的应用做好了铺垫。 h a u g ed a v e ，k m e 讫j e l l r ) r 【别的研究主要是基于因特网对于基于个人电脑接口伺服控 制技术的促进作用。，他们的研究主要是集中在信息化时代，怎么利用因特网进行远程的 技术控制，以及怎样实现控制信号的及时更新问题。对于中国同类的研究，很具有帮助 意义。 日本学者y a m a d a 【lo 】在电气与电子工程师协会年度磁耦合会议上所做出的有关针对 液压控制阀的线性比例电磁阀技术分析中指出l p s ( 线性比例电磁阀) ，需要根据激励电 流产生成比例的液压与流量，才能满足控制精度的需要。如果l p s 的控制范围要增加， 那么与其相联系的电流也必须得扩展变化范围。同时他也对l p s 的结构以及工程参数进 行了详细的说明。 法国科学家v 抽d e rm e u l s ，v 锄i p e r e nr ，d ej a g e rb 【1 1 】等在a s m e 相关杂志上撰文 描述了，一种新型的基于可变载荷的驱动模型分析。 r y 锄m o n t a g u e ，c h sb i n 曲a m ，k a i sa t a l l a 【眩】在一篇论文中分析了磁力齿轮箱和磁力 耦合技术在高精度伺服反馈系统中的应用以及分析。其被证明在非线性扭矩转换特征泵， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 非线性泵，过载情况下的滑竿中有着很好的利用价值。目前来说，该项研究在高频宽的 机械传动链伺服机构中有着十分优秀的应用前景。 现代公司的t a l ( a s h iy a m a g u c h i 【1 3 】在s i c e i c a s e 国际联系会议上的报告指出，现代 企业对于新型的伺服控制技术有着很高的热情，但是对于技术的交流，却并不是太热衷。 从一定意义上反映了中国液压伺服技术的发展现状，必须更多的依靠自己的力量，来研 发出属于自己的新型产品。 1 2 2 电液伺服技术国内研究现状 我国自1 9 7 7 年开始涉足伺服技术相关的研究以来，众多的科研机构以及公司，都 对伺服控制在机床、发动机、工作中心等中的应用做出了大量的工作。这些研究，有的 是基于新的设备伺服控制系统的开发，有的是对于伺服基于在电机上的应用、有的是对 于伺服控制p l c 或p i d 、m a t l a b 实现算法的研究，也有一些是基于低速大扭矩液压 马达启动特性，圆柱多齿轮式液压马达参数的研究等。 席景翠、安高成等【1 4 】研究了低速大扭矩液压马达的启动特性，阐述了液压马达内部 摩擦副微小滑动模拟启动过程的概念，对影响液压马达启动性能的瞬时扭矩和摩擦扭矩 损失的大小进行了探讨。对于2 s j m d 1 0 0 型马达的性能研究具有很高的指导意义。 赵金阳等( 1 5 】对电液伺服装置在常规运行中出现的堵、卡、零偏、短线等误动作问题 做出了一定的探讨，对于优化设备的流程配置，降低机组的运行成本，提高机组运行的 安全性具有很高的指导意义。 唐晓颖、乔晶涛【1 6 】对于速度伺服控制系统的设计方法、步骤、以及仿真过程做出了 一定意义上的研究。 高志伟【l7 】对于大扭矩液压马达的基本概念、性能指标、大体分类以及几种新型齿轮 马达符合齿轮马达、套筒液压马达、少齿差液压马达的性能特点做出了自己的研究。 宋云清【l8 】对于冷轧带钢生产中的带材跑偏问题中伺服系统应用问题做了基本的原 理分析，并进行m 枷，a b s i m u l i l l l ( 分析。 胡明江、柴文掣1 9 】等对于柴油机电子调速系统的角位移传感器做出了设计，并通过 角位移传感器于角位移电磁执行器匹配，做调速系统的内外环模拟实验，进而得出角位 移传感器工作的最佳性能参数。 a b b 公司金属部的隋泉【2 0 】对现代化无缝钢管生产线中的抱芯功能进行了介绍，阐明 了液压伺服技术对于抱芯精度控制的重要性。 张林焕【2 i 】等对基于p l c 的液压无级调速变量施肥控制系统液压马达执行器的研究， 集中了信号采集，g p s 等三种方式控制，控制精度反馈等内容的研究。 李明掣2 2 】对于加工生产线搬运机械手的研究，分析了机械手的动作循环，液压系统 以及p l c 控制电路。与本论文设计的p l c 控制回路有很多相似的地方。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 唐德威等 2 3 】对于圆柱多齿轮式液压马达的参数设计。由于本论文中所选用的液压马 达以及液压泵是r e x r o t l l 系列的，因此本论文对于马达参数的设计更多意义上是选择以 及综合分析。但是唐先生根据外啮合与平衡式液压马达性能指标的计算公式，在排量相 同的情况下，综合体积最小的原则，对两者进行了参数化设计，从而为以后的设计提供 了一个方便、快捷、实用、可靠的手段。相同的，汤晶宇掣2 4 】对于液压驱动链锯马达的 参数也做出了一定的分析，也具有十分普遍的应用意义。 关于液压伺服控制p l c 算法的实现相关的研究，在国内来说就更加的多了，p l c 作 为现代设计控制的重要手段，被广泛的应用于液压搬运机械手，液压拧结机以及液压自 动循环控制系统中，在此就不再一一而割2 5 2 6 2 7 1 。 李龙海等【2 8 】在第三届信息技术革新计算会议上，针对原材料堆存机中液压控制系统 比例放大器和电液控制器的数学模型进行分析，得出了系统液压缸和负载的受力传递函 数，并拟定了一些数学模型以供设计选择。 上述各位学者的研究，对于液压伺服系统的原理以及在生产中的应用，都做出了广 泛而深刻的研究。对于大扭矩液压马达中国的发展概况也给出了一个基本研究说明。为 我们进行进一步的研究，提供了理论依据。 壬3 本文的主要研究目的及意义 1 3 1 本文的主要目的 电液伺服系统是由一些基本元件组成，可用图1 1 方块图表示【1 2 2 7 1 。 ( 1 ) 指令( 输入) 元件：给出与反馈信号具有同样形式和量纲的控制信号，在本设 计中采用p c ，输出信号为电压值。 ( 2 ) 反馈检测元件：检测被控制量，给出系统的反馈信号。本设计中采用的是角位 移传感器，测量液压马达转轴输出端的角位移。 ( 3 ) 放大、转换控制元件：把偏差信号加以放大，并以电流形式传送，在伺服阀内 变成液压信号，控制执行元件运动，本设计中采用的是液压伺服阀的内置放大 器。 ( 4 ) 比较元件：把控制信号和反馈信号加以比较，给出偏差信号。比较元件在本设 计中并不单独存在，而是作为一种算法，存在于p l c 控制系统中上。 ( 5 ) 执行元件：直接对控制对象起控制作用的元件，本设计中采用的是阀控液压马 达。 ( 6 ) 控制对象：它是系统中所控制的对象，本设计针对的是设计系统中的减速器输 出转轴的角位移。 此外，设计系统中还包括有各种校正装置，以及能源装置( 本设计中采用的是y 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 2 2 5 m 型电动机) 和其他辅助控制装置等。 图1 1 液压伺服控制系统的组成框图 本研究的主要工作是，基于某公司的技术要求，根据作用在控制模型上的各种载荷 曲线以及设计输出轴要求输出转速和角加速度，基于r e x r o t t l 液压元器件进行液压元件 选型以及进行整体的液压系统设计；并根据设计参数进行伺服控制研究：建立相关的p l c 控制回路；进行整体的仿真分析设计，并最终给出结论。 本设计研究的主要工作，涉及到液压系统元件参数的确定、系统运动学分析、伺服 反馈控制计算、p l c 电路控制设计、p i d 反馈校正、m a t l a b 仿真等多方面的知识，需 要结合多方面的知识，进行综合分析设计。 本研究的目的，是针对本设计的特殊工况输出力矩大，转速低，提供一个可供 参考的设计方法，探索其一般分析方法，以及针对分析设计中可能出现的问题，进行解 决。 1 3 2 课题研究的意义 液压马达是将液体的压力转换为机械能的一种执行器，在液压系统中有着十分重要 的地位。近年来，随着液压技术不断向高压，大功率和高精度方向发展，加上人们对于 环境保护的日益重视，要求所涉及的液压系统具备低污染、运转平稳、高反应精度等特 点。低速大扭矩马达以及具备与其相关性能的液压系统成为了矿山机械，工程机械以及 船舶甲板机械和军工机械的重要选择f 6 】。 目前低速大扭矩的开发面临着以下问题： ( 1 ) 低速大扭矩马达在国内的应用经验相对较少，技术难度相对较大； ( 2 ) 在国内，使用p l c 等数字控制技术处理相关设计的前例相对比较少； ( 3 ) 有关其控制系统设计涉及到多学科、多领域，模型的建立比较困难； ( 4 ) 与国外技术相比，设计高度相对显得不足，与远程信息技术联系不紧。 1 4 本文的主要研究工作 本文的立文启发点，是对于小流量大扭矩的液压马达控制系统设计，在现代的社会 生产中，出现了越来越多的针对该问题的讨论，也提出了各种不同的解决方案。本文在 综合很多设计方案的前提下，给出了自己的解决构思以及很具体的解决方案。对变载荷 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 液压伺服系统的设计，选型，仿真，控制精度校正都进行了一定程度的研究。主要完成 了以下工作： ( 1 ) 查阅大量的资料，了解大扭矩变载荷电液伺服系统的形成以及国内外发展现状； ( 2 ) 学习m a t l a b s i m u l i r l k 以及p l c 等相关设计性软件，为后面的设计工作做好 基础知识的储备； ( 3 ) 熟悉设计对象，并根据分析，以及了解相关的课程来进行具体的设计； ( 4 ) 基于r e x r o t h 公司各种元件的参数，依照设计分析得出的参数，进行选型： ( 5 ) 对设计的伺服系统进行系统仿真，并结合设计要求，进行校正。 详细的设计内容，在论文中会具体的提到。本论文分为五章，各章的内容如下： 第一章：基于国内外学者在液压伺服控制技术上的研究，展开本论文研究的讨论， 从而明确本论文研究的意义以及目的。同时对于本文的内容进行一个大体的描述性的介 绍。属于综述内容。 第二章：介绍了系统问题的由来，以及在设计中所面临的技术难题，针对这些难题 所做出的选择元器件的技术分析，最后给出系统原理图。针对系统工作参数进行计算， 对于系统元器件进行初步的选型。同时针对系统原理图进行分析，阐明各元器件在液压 系统中的用途以及设计分析。 第三章：基于以上工作，对系统进行伺服设计。给出系统的传递函数方程和液压伺 服阀控马达的传递函数。介绍各液压控制参数选取的依据以及进行数据的初步选定。 第四章：设计出p l c 控制原理图，对基于p l c 控制算法的实现，以及p i d 控制方 式进行仿真调节。 第五章：主要介绍液压系统的伺服系统建模和基于m a t l 镪仿真，利用控制系统 模型参数以及阀控马达的传递函数对系统的稳态误差进行分析和计算，同时对液压系统 进行校正分析。并最终给出总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 1 研究课题描述 第2 章液压系统设计 2 1 1 设计要求 根据某航空公司设计要求，拟定液压系统设计方案，建立液压伺服系统模型，编写 p l c 控制程序，针对所建立的液压伺服模型进行校正仿真，使液压系统满足系统稳定性、 控制高精性等一系列的设计要求。 本论文的研究工作主要针对图2 1 所示的驱动模型进行分析，根据驱动模型的特点， 给出以下的研究方向： ( 1 ) 研究在给定运动轨迹、位移曲线、载荷曲线、转动惯量曲线等边界条件下，驱 动轴的运动特征和控制规律； ( 2 ) 研究制定电液伺服驱动、定位的数字化控制方案； ( 3 ) 液压伺服系统数学模型的建模和仿真； ( 4 ) 根据分析结果优化电液伺服系统控制方案，确定关键元器件技术参数、数字化 控制算法，解决并验证驱动、定位控制及系统数字化等技术。对于系统的给定值进行计 算，并初步给定系统的计算值以及对液压元件选型； ( 5 ) 所设计的液压系统，应该符合航空机械所要求的尺寸和重量尽量小，运动平稳， 无明显震荡冲击现象的原则； ( 6 ) 位置控制方式：采用机械定位和伺服定位相配合使用。 2 1 2 技术研究边界条件 系统供电电压：2 8 5 助c l o ； 系统压力：2 8 m p a ； 驱动模型见图2 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 42356 图2 1 系统驱动模型图 1 液压马达：2 角位移检测器；3 埔0 动装置；4 等效转动惯量：5 等效负载： 6 信号输入控制器 依实验数据所绘出的重力矩见图2 2 ： 爪 一 、 ? 、 、 图2 2 重力矩图 分析图2 2 重力矩图可知：最大重力转矩2 2 5 0 0 n m 。 负载转动惯量依据实验分析见图2 3 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 图2 3 转动惯量图 根据图2 3 分析可知：转动惯量最大取为以= 6 0 0 0 n m 2 ；作用在系统上的等效负 载力矩实验数据参照图2 _ 4 。 x1 0 4 厂j 、n ； y 厂 卜 n 、 0 r - 一 f f 、二一l 弋 ) a f 一一 i 。7 一 、 一。“。 。、，、y 一 ； 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 图2 - 4 实验负载力矩图 作用在转轴上的负载总力矩可以根据下式表示： t f = t o + j 口t g ( 2 - 1 ) 式中t 0 一摩擦力矩，( n m ) ，t o = l o o o n m ； ，一为转动惯量，( n m 2 ) ； 口一为角加速度( r 删s ) ； 瓦一为重力转矩，( n m ) ，重力转矩方向与旋转方向相反为正，相同为负。 系统角速度时间位移曲线见图2 5 所示。 5 2 5 ， 5 0 5 1 5 2 5 2 1 0 0 1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 5 运动角速度与时问关系曲线 分析图2 5 分析可知：最大运动角速度o 3 5 m d s ，平均角速度0 2 6 r a d s 。 角加速度与时间关系曲线见图2 6 所示。 a ( r ad ，s ) o 3 5 - o 3 5 0 图2 6 运动加速度与时问关系曲线 分析图2 - 6 可知，在o 1 s ，角加速度a = 0 3 5 r 删s 2 ；在3 4 s ，a = 0 3 5 r a d s 2 。 负载转轴输出角位移曲线见图2 7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 l 图2 7 角位移一时i 司曲线 设计要求：液压马达输出轴角位移时间曲线应该符合图2 7 所示曲线，所设计的液 压系统输出角位移控制精度要求达到：p 3 0 = o 5 。 2 2 液压系统设计 根据系统已知，液压系统的工作压力设计为2 8 m p a 。系统最大工作扭矩：依据图 2 2 ，可知系统最大重力矩：t 疗= 2 2 5 0 0 n m ；依据图2 3 ，可知系统最大转动惯量： j z = 6 0 0 0 n m ；摩擦扭矩瓦= 1 0 0 0 n m ；依图2 6 可知，角加速度口在( o 1 ) s 取 口= o 3 5 r a d s 2 ，转动惯量与负载一致，在( 3 4 ) s 取口= - o 3 5 r 删s 2 转动惯量与负载方向 相反，知马达最大扭矩为： 殛2 瓦+ ，口= l o o o + 6 0 0 0 o 3 5 + 2 2 5 0 0 = 2 5 6 0 0 n m 2 2 1 液压泵与液压马达选型 齿轮式液压泵：结构简单，具有良好的自吸能力，对油液污染不敏感，耐冲击性负 荷。但齿轮泵的零件在磨损后不易修复，零件组装是选配，互换性差，常因个别零件损 坏而不得不换新的【2 9 3 03 1 3 23 3 3 4 3 5 3 6 1 。 齿轮泵的转速范围比较大，但转速不能太高，否则油液在离心力的作用下不能充满 整个工作空间，并对吸油形成阻力，产生“吸空 现象；转速也不能太低，否则由于流 量减小，容积效率下降。工作压力，内啮合3 0 0 m p a ，外啮合2 5 m p a 。 叶片式液压泵的工作特点：( 1 ) 为使叶片泵可靠地吸油，转速必须在 5 0 0 一1 5 0 0 r a d m i n 的范围。转速太低时，叶片不能紧压定子的内表面和吸油；转速过高， 则容易造成泵的“吸空现象。 ( 2 ) 叶片对油液中的污物很敏感，污物会影响叶片泵工作的可靠性。油液不清洁会使 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 叶片卡死，因此必须保证油液良好过滤和环境清洁。 ( 3 ) 因叶片有安装倾角，故转子必须按规定的旋转方向使用。 柱塞式液压泵工作特点：它依靠柱塞在缸孔中往复运动形成密封工作容积的变化实 现吸油与排液。与齿轮泵和叶片泵相比，它具有以下特点： ( 1 ) 工作压力高，因柱塞与孔易加工，尺寸及表面质量可以达到很高的精度，所以配 合精度高，泄漏小，容积效率高，工作压力一般为2 0 4 0 m p a ，最高可达lo o m p a ： ( 2 ) 流量范围大，适当增加柱塞数目或增大柱塞直径，即可增大流量； ( 3 ) 变量形式多，改变柱塞行程，即能改变泵的排量，可构成多种变量型； ( 4 ) 柱塞泵主要零件均受压，材料强度可以得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。 柱塞泵按其结构形式，又可以分为：斜盘式轴向柱塞泵，斜轴式轴向柱塞泵，径向 柱塞泵三种。轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，易于实现变量 控制，油压可以达到3 0 m p a 以上，但是其对油液的污染比较敏感；径向柱塞泵径向尺寸 比较大，结构更加的复杂，自吸能力不好，进油轴受到不平衡压力作用后，容易磨损， 这些都会影响其转速和压力。 依据系统工作压力大，流量低的特点，液压泵必须能够实现低速大扭矩液压泵的功 能，结合以上的分析，液压泵初步选定为斜盘式轴向柱塞泵。具体型号，需要在确定了 其流量后才可以确定【1 7 1 。 按照液压马达排量估算式： 匕= t 臁( p 7 7 一) ( 2 - 2 ) 式中圪一液压马达排量； 只一为额定工作压力； 、 舻一电液伺服阀进出口压差，前期设计依据经验公式a p = 钐只来定； 一液压马达机械效率，齿轮式马达和柱塞式马达取0 9 一o 9 5 ，叶片式马达取 o 8 一o 9 ，结合t l l 公司提供的液压马达相关技术参数，取定为，7 。= 0 9 3 。初步计 算如下： 以t 一= 2 5 6 0 0 n m ，刁。= o 9 3 ，p = 2 8 m p 口= m p 口代入，算出： 圪= 2 5 6 0 0 ( 8 1 3 1 0 6 0 9 3 ) = 3 3 8 5 l r a d 液压马达流量计算： g m ：警 ( 2 - 3 ) 二兀h ” 依照珂= 兰可知：= o 0 5 6 r a d s ； 仉一液压马达的容积效率，在此取0 9 5 ，将数值代入得： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 曰懈= 1 9 8 n “s 依据系统的受力以及液压马达输出转速，选用带行星齿轮减速器的液压马达，初步 选定型号为g f t 3 6w 3 的卷扬减速机【3 13 7 1 。 具体设计参数选取如下： 卷扬减速机传动比：汪1 1 6 6 ，齿轮啮合传动效率刀= 0 9 ； 根据液压系统设计公式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 分析。 瓦= 彰五 ( 2 - 4 ) = 加 ( 2 - 5 ) 吒：也 ( 2 6 ) m 一一 1 1 印m jl l m j l | 式中瓦作用在液压马达上的力矩； 一满足设计要求所需要的液压马达转速； 吒一满足设计要求所需要的液压马达排量； 计算出：五= 2 1 9 5 5 n m ，吒= 8 1 2 l l o 。3 蝴，= 6 5 0 m d s 。 选择a 2 f e 9 0 6 l w 二也插装式定量马达，装有轴向锥形柱塞旋转体的斜轴式马达， 其排量为吒= 9 0 l o 。3 m i m d ，额定压力4 0 m p a ，与减速器直接用法兰连接，减速器内 带多片制动器，可作为马达停转的机械制动。 马达所需的最大工作流量，按式( 2 3 ) 可知： = 3 6 9 2 l m i n 一 2 万 2 3 1 4 1 6 o 9 5 结合第一节设计条件，本系统中所应选用的液压泵以及液压马达应与变速器联系起 来后可以实现低速大扭矩液压马达的功能。能达到这种功能的液压马达的主要特点如下： ( 1 ) 工作转速低、输出扭矩大；( 2 ) 结构紧凑、体积小、重量相对比较轻；( 3 ) 液压马达流量 可变。为了简化设计，液压泵选为定量泵。 参考r e x r o t h 公司技术参数，大体选型如下【2 3 】： 系统压力高流量小，取泄漏修正系数七= 1 3 ，则所需液压泵的流量： g 。七g 脚= 1 3 3 6 9 2 = 4 8 l m i n 设驱动电机转速为3 1 5 0 r p m ，泵容积效率仇= o 9 5 ，求得泵的排量为： 圪= j l 兰些坠_ 1 5 9 8 l o 一3 p 刀p 3 1 5 0 0 9 5 液压泵的型号：a 2 f o 5 1 6 r ； 液压泵的参数：排鼍圪= 1 6 l o 。3 l r a d ，进油口尸= 3 1 5 m p a ，g 。= 5 0 l m i n ，斜 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 轴式结构定量泵，可用于开式回路，泵轴顺时针方向转动。定量泵具有十分高的容积效 率，在液压系统中可以使供油更加的平稳。 液压泵站的型号：a b h s g 4 0 0 s 爪，t h m a 。 该液压泵站油箱规格为4 0 0 l ，选用y 22 2 5 m 型电动机，电动机在负载效率为 仉= 7 5 时可以实现工作最优化，电机级数选为1 0 级，此级数下原动机工作在恒功率 下，效率最高。 2 2 2 液压控制元件选型 电液比例与伺服控制系统的选择：电液比例系统用于一般要求的工业控制系统，而 电液伺服控制系统主要用于基本上没有死区，响应较快，精度较高的场合。在本文的设 计中，由于系统控制精度要求高，系统的反应周期比较短，所以选择电液伺服控制系统 【l 3 83 9 】 o 阀控系统和泵控系统以及液压试验台的选择。阀控系统的优点是：响应速度快、控 制精度高、结构简单；缺点是效率低。由于阀控系统的性能优越，所以阀控系统在设计 生产中有很广泛的应用，特别是在快速，高精度的中、小功率系统中。泵控系统的缺点 是响应速度较慢，结构较复杂。泵控系统适用于大功率、对响应速度要求不高的场合。 依据本论文的设计要求，要求系统具备很高的反应速度，以及高精度，在这里选择阀控 液压系统。液压试验台是生产和开发液压元件和液压系统的重要实验设备，它在很多公 司和高校中也有着很普遍的应用，如果条件许可，在试验台中进行运作，可以让本系统 的设计更加的完善m 。 电液伺服阀采用o 位机能【4 。o 位机能的特点是泵以及液压马达进出油口全部封闭， 液压系统不卸荷。液压马达进出油腔充满油液，启动平稳，换向控制精度比较高，但是 制动时，运动惯性引起的液压冲击较大。 电液伺服阀的设计参数确定【4 】： 一 额定压力：只罡= 1 8 7 m p a ，累积液压系统流量损失，取伺服阀额定工作压力 j 只= 2 l m p a ； 额定流量：考虑到制造安装中存在的制造误差、执行器泄漏，以及设计中对于系统 快速性的要求，伺服阀负载流量应该保留一定的设计余量，因此伺服阀的负载流量应该 取为： g 工= ( 1 1 5 1 3 0 ) g p ( 2 - 7 ) 式中g ，一伺服阀负载流量； 额定流量的选取应根据所选用液压阀来设计阀降，在实际设计中，当最大负载流量 工作点对应设计阀的压降和额定工作时不等时【4 】，可以根据式( 2 8 ) 选取： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 铲吼摇 q - 8 ) 式中吼一额定流量，取吼= 1 2 5 g ，= 6 0 l s ； 见一额定流量对应的阀压降，取：n = 8 1 3 m p a ； a 一负载流量对应的阀压降。 分析系统的流量负载曲线图3 2 1 ，结合以上设计参数，适当取大，电液伺服阀额定流 量应选取为： 吼= 6 0 l m i n = l u s 结合以上得出的系统设计参数，以及液压控制系统的方案，初步选定液压系统的电 液伺服阀为【2 34 2 】： 4 w s e 2 e d1 0 5 x6 0b l l3 1 5 k 3 1e v 。放大器内置，液压油入口压力范围为 1 0 3 1 5 m p a ，额定流量为6 0 i m 曲。二级伺服阀，机械与电反馈。板式连接结构，孔型 符合d i n 2 43 4 0a l o 型，正开口。 伺服阀的阀芯直径取为2 4 m m ，液压油选取为h f b 油液，油液的运动粘度取为 u ：l o _ 4 m 2 s ，带入系统雷洛数选取公式4 5 】： r e ：鱼遮j ( 2 9 ) 万d 1 0 - 式中g 一= g 口o = 1 8 0 m 珧，r e 9 5 0 2 0 ，系统液流属于层流，以此选取阀口流量系数 e = 0 6 4 0 伺服阀动态指标分析：对于开环系统，伺服阀的频宽相对比较宽泛；对于本设计所 要求