基于malabsimulink的数控液压垫系统仿真分析

基于malabsimulink的数控液压垫系统仿真分析

随着汽车制造商对产品质量和生产效率的适应性，以及制造成本要求的增加，传统的研磨垫无法满足新生产工艺的技术要求。然而，由于节省准备的时间和地点，数价机械的制造质量正逐渐提高。目前,国内机械压力机所使用的数控液压垫大多为国外品牌的产品,价格太高,严重制约我国汽车制造企业的发展。为此,本文介绍一种新型数控液压垫系统,该系统可以实现国外液压垫的所有功能,成本仅为国外同规格产品的50%,接近于传统气垫的制造成本。本文在介绍了该新型数控液压垫系统工作原理的基础上,利用matlabsimulink结合实例对系统进行了建模仿真研究。1顶冠的回流污染控制数控液压垫执行机构由回程闭锁缸和液压垫主缸两部分组成。回程闭锁缸为活塞式液压缸,数量1件,安装在机械压力机顶冠的中心位置。通过回程闭锁缸可以实现液压垫的预加速、下死点闭锁、回程取料位置停止和返回上死点等动作。液压垫主缸为柱塞式液压缸,共4件,分别安装在顶冠的四角。通过液压垫主缸可以实现变压边力和不同吨位的设定功能。当数控液压垫工作时,顶冠的运动由四周的导板负责导向,所以设计液压垫系统时不必考虑同步问题1.1回用回压机及回压系统回程闭锁缸的动作均由先导比例电磁换向阀和位移传感器来控制,通过调整比例阀的开口度和换向,以实现预加速、下死点闭锁、回程取料位置停止和返回上死点等工艺需求。因此,回程闭锁缸必须具有足够的刚度,在确定缸径和系统工作压力时要充分考虑惯性力、摩擦力、顶冠及活动部件的重量因素的影响,并且必须保证系统具有足够的回程加速度,以适应压力机的生产节拍。主要参数有活塞直径D回程所需的系统工作压力P回程所需的系统流量QQ拉延时活塞侧的排流量QQ拉延时杆侧所需流量QQ液压泵的排量要根据所计算的最大供油量来确定,并考虑泄漏等因素的影响;先导比例电磁阀换向阀的通径要根据系统所需的最大控制流量和对应压差来选择,比例阀的位数和中位机能要根据系统的工艺需求来选择;系统压力由系统所需的最大供油量,根据比例阀负载流量曲线得到最大供油量时的压差,以及系统的压力损失来最终确定。1.2液压垫主缸的回流在压力机滑块的作用下,液压垫主缸被动建立起压力并完成拉延。每个液压垫主缸均由一个带比例溢流阀盖板的插装阀和压力传感器控制,通过调整比例溢流阀的电信号来设定变压边力和不同的吨位。盖板中设置有一个常规溢流阀作为高压保护装置,以防止因比例溢流阀出现故障而损坏设备。液压垫主缸的回程由回程闭锁缸来完成,每个主缸上设置一个充液阀,主油箱安装在高于液压垫主缸的位置,回程时,由主油箱经充液阀为液压垫主缸充油。液压垫主缸为柱塞缸,共4件,主要参数有柱塞直径d通过式(7)可以看出,d每个液压垫主缸回程时所需的系统充油量QQ每个液压垫主缸拉延时所需的排油量QQ本文根据最大拉延计算流量和对应的工作压力来确定插装阀的通径;根据最大计算充油量确定充液阀的通径。根据上述分析,若设计一个350t的数控液压垫,已知参数有v2系统稳定性和动态响应要实现对数控液压垫预加速、下死点闭锁、回程取料位置停止和返回上死点的稳定控制,就要求比例阀控制回程闭锁缸系统必须具有良好的稳定性和动态响应性能;而要实现对数控液压垫变压边力和变吨位设定的稳定控制,其控制液压垫主缸,带比例溢流阀盖板的插装阀系统必须具备良好的阶跃响应性能。下面分别对上述系统建模,以数字仿真分析各系统能否满足要求。2.1压力缸工作方程先导比例电磁阀控回程闭锁缸为典型的阀控非对称动力执行机构,是比例位置控制系统的关键元件,其特性对系统性能有很大影响,因此,做数字仿真时应该建立线性数学模型;由于液压垫工作时顶冠由四面导板导向,而不必考虑回程闭锁缸的偏载问题(见图2)。因此,本文仅以活塞正向运动(即y(1)比例阀负载流量方程如图2所示,假设回油压力P式中,Q由式(12)和式(10),并对所采用的增量形式线性化处理,可得比例阀的负载流量方程为:(2)非对称液压缸流量连续方程设则,由式(10)和式(11)可得则有由式(12)、式(14)和式(18)可得式中,C(3)液压缸与负载动力学平衡方程有式中,M—液压垫活动部件质量(kg);B将式(18)代入(20)得因在系统中阀控回程闭锁缸所受负载以惯性负载为主,弹性负载很小,故取K通过式(22)、(23)、(24)得到阀控回程闭锁缸的开环传递函数方框图(见图3)。将对应的系数代入方框图中,用matlabsimulink建模,并绘制系统的开环Bode图(见图4、图5)。为了保证系统稳定,必须保证系统有正的幅值裕度和正的相位裕度,而图5中系统的幅值裕度为-4.98dB,相位裕度为-11.6deg,表明系统不稳定。因此,必须对系统进行校正。本文通过引入PID控制器,采用试凑法,不断变化控制器参数,观察对应Bode图的变化,最后取P的参数为0.1,I和D的参数为0,得到校正后的系统开环Bode图(见图6、图7)。校正后,系统的幅值裕度为15dB,相位裕度为41deg,均大于0,开环系统稳定,由此可保证闭环的先导比例电磁阀控回程闭锁缸为稳定系统。因相位交界频率为7.16rad/s,如果压力机最高工作次数为18spm,换算为对应频率为1.9rad/s,则该开环系统有较好的动态响应性能,由此可知,闭环的先导比例电磁阀控回程闭锁缸应该具有更好的动态响应性能,可以满足工艺需求。2.2比例溢流阀单次拉延与变压边力幅值的关系液压垫在拉延工作过程中必须保证建压时的阶跃响应≤0.2s,变压边力幅值变化次数区间2~10次,并保证4个缸的偏载在20%以内。本文以液压垫的动力平衡为基础对该系统建模,并分析系统的阶跃响应(见图8)。(1)控制盖板的压力方程由于液压垫所受来自主传动系统和滑块的负载远大于液压垫自重,故控制盖板中压力的设定过程与盖板中的直动式比例溢流阀一致。查看样本中压力与输入信号的曲线,得到压力与输入电压的关系方程:式中,F对式(27)取增量形式,则有对式(28)进行拉氏变换,得到若以液压垫350t为例,系统压力设定为23MPa,故U(s)取7.3V;因为压力机主传动施加的负载按周期变化,为了分析F由阶跃曲线可以看出,液压垫主缸系统建立压力达到稳定状态所需时间约为0.13s,小于0.2s,所以建压过程的阶跃响应符合工艺要求。同时,从样本中查得控制盖板比例溢流阀的切换时间为0.03~0.15s,当变压边力的幅值变化区间较小时,比例溢流阀切换时间取0.03s,假设压力机最高工作次数为18spm,则单次拉延工作时间约为0.43s,当液压垫在建立压力后,压边力幅值最多变化10次;如果变压边力的幅值变化区间较大,而比例溢流阀切换时间取0.15s,则变压边力幅值最少变化2次。由于18spm为本文假设的压力机工作次数的极限情况,而压力机多数情况下工作次数在13spm左右,因此实际设计数控液压垫时压力幅值的变化次数要大于上述分析结果,完全可以满足变压边力工艺的需要。3伺服阀系统比例阀选用的一般在数控液压垫通过原理分析和数字仿真可知,本文介绍的新型数控液压垫系统具有很好的稳定性和动态响应性能,完全可以满足当前用户的实际使用需要,其价格与传统气垫价格更接近,远低于同规格国外品牌产品。而且,由于该系统选用的主要控制阀均为比例阀,相对于伺服阀系统抗污染能力更强,工作更可靠,维修保养更容易,也就更加有利于该数控液压垫的推广应用。式中,v式中,