電液比例伺服閥控容積調(diào)速在拉床上的應(yīng)用研究

唐敬東，劉軍營(yíng)，胡鑫，朱艷飛

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255049)

拉削加工主要應(yīng)用在成批大量生產(chǎn)中。液壓傳動(dòng)憑借其易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、功率質(zhì)量比大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于拉床動(dòng)力系統(tǒng)［1］。由于拉刀的結(jié)構(gòu)特性，就整個(gè)拉削過(guò)程而言，是連續(xù)切削過(guò)程，但對(duì)單個(gè)刀齒而言，又是斷續(xù)切削過(guò)程，同時(shí)工作齒數(shù)在Z 和Z－1 之間波動(dòng)，因此切削負(fù)載是在不斷地有規(guī)律地變化。故切削速度也隨負(fù)載變化產(chǎn)生周期性改變。此外，刀具在切入和脫離工件時(shí)產(chǎn)生的沖擊也影響著拉削質(zhì)量和刀具壽命［2－4］。拉削速度作為一個(gè)關(guān)鍵的因素影響著工件的拉削質(zhì)量［5］。研究采用閉環(huán)電液比例伺服閥控制變量泵的容積調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉削速度波動(dòng)的抑制，能夠使拉削速度自動(dòng)跟蹤給定速度信號(hào)，達(dá)到提高拉削質(zhì)量的目的。變量泵輸出隨負(fù)載變化，減小功率過(guò)剩，較傳統(tǒng)采用背壓的方式節(jié)約能源，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方便，控制成本低［6－7］。同時(shí)通過(guò)容積調(diào)速系統(tǒng)無(wú)級(jí)變速特性對(duì)拉削速度進(jìn)行控制，減小了對(duì)刀具的沖擊，達(dá)到了提高刀具使用壽命的目的。應(yīng)用AMESim 仿真軟件建立了應(yīng)用比例伺服閥控容積調(diào)速系統(tǒng)的液壓拉床拉削系統(tǒng)，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了良好的仿真結(jié)果。證明了比例伺服閥控容積調(diào)速系統(tǒng)在液壓拉床上應(yīng)用的可行性及效果。

1 拉床拉削系統(tǒng)原理圖

圖1 為基于L6120 臥式拉床設(shè)計(jì)的應(yīng)用比例伺服閥控容積調(diào)速系統(tǒng)的拉床主回路原理圖。

當(dāng)拉床進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，電磁鐵1YA、3YA 得電，換向閥15、16 換向，插裝閥9、11 打開(kāi)，插裝閥10 關(guān)閉，液壓油通過(guò)插裝閥9 進(jìn)入拉削缸有桿腔，無(wú)桿腔液壓油通過(guò)插裝閥11 返回油箱，拉削速度由拉刀位移決定。通過(guò)PLC 控制器輸出速度信號(hào)，使用比例伺服閥調(diào)節(jié)變量泵排量，達(dá)到無(wú)級(jí)變速的要求，并通過(guò)實(shí)現(xiàn)多級(jí)工作速度和泵輸出的自適應(yīng)性，提高拉削過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖1 臥式液壓拉床拉削系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

當(dāng)拉削結(jié)束后，電磁鐵1YA、2YA 得電，插裝閥9、10 打開(kāi)，插裝閥11 關(guān)閉，拉削缸有桿腔與無(wú)桿腔連通，系統(tǒng)進(jìn)入差動(dòng)連接，刀具快速返回，同理返回速度由PLC 控制器輸出信號(hào)控制。

拉床故障時(shí)，由于拉削速度達(dá)不到設(shè)定值，調(diào)速系統(tǒng)控制變量泵提高輸出，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到安全閥設(shè)定壓力，二位四通安全閥換向，進(jìn)入變量缸油路換接，迅速降低變量泵輸出，防止系統(tǒng)過(guò)載。

2 液壓系統(tǒng)的組成與建模

2.1 伺服比例閥

拉削速度是影響拉削質(zhì)量的重要參數(shù)，故希望拉床能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)拉削速度，抑制因拉削速度波動(dòng)產(chǎn)生的危害。這就要求調(diào)速系統(tǒng)能夠有較好的控制精度與響應(yīng)頻率。拉床主回路采用電液比例伺服閥控變量泵容積調(diào)速系統(tǒng)，使用電液比例伺服閥作為控制閥。電液比例伺服閥是一種高性能和價(jià)格介于伺服閥和普通開(kāi)關(guān)閥之間的控制閥。該閥采用大電流單個(gè)位置調(diào)節(jié)型比例電磁鐵，提高了前置級(jí)的控制精度;采用具有伺服閥特點(diǎn)的閥芯+閥套結(jié)構(gòu)，且閥套為鋼質(zhì)材料，以確保耐磨性和中位時(shí)閥口精確零遮蓋;采用差動(dòng)變壓器檢測(cè)閥芯位置，將位置信號(hào)反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成一個(gè)閉環(huán)位置電控系統(tǒng)，提高了比例電磁鐵的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性［8－10］。仿真參數(shù)值如表1 所示。

表1 伺服閥仿真參數(shù)

2.2 電液比例伺服閥控容積調(diào)速系統(tǒng)

(1)工作原理

如圖2 所示，調(diào)速系統(tǒng)由高壓小排量泵提供動(dòng)力，調(diào)速系統(tǒng)壓力由溢流閥決定。系統(tǒng)工作時(shí)由位移傳感器與速度傳感器測(cè)量刀具位移與速度，速度信號(hào)通過(guò)PLC 控制器根據(jù)拉刀位移變化輸出設(shè)定的速度信號(hào)，與速度反饋信號(hào)比較，其差值通過(guò)PID 放大器處理作為比例伺服閥的輸入信號(hào)，控制比例伺服閥閥芯動(dòng)作，通過(guò)其節(jié)流特性控制雙作用變量缸，通過(guò)變量缸調(diào)節(jié)斜盤(pán)式變量柱塞泵的輸出功率，使變量泵的輸出功率－流量與拉床工作所需功率相匹配，并在拉削速度發(fā)生突變時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變量泵的排量，使拉削速度穩(wěn)定在設(shè)定速度上。通過(guò)位移與速度信號(hào)的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)拉刀快速接近工件，在切入工件時(shí)減速，慢速平穩(wěn)切入，降低刀具與工件的沖擊;進(jìn)入拉削后提高拉削速度，通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)抑制刀具速度變化，使拉削過(guò)程勻速平穩(wěn);結(jié)束拉削時(shí)降低拉削速度，刀具平穩(wěn)脫離工件，避免刀具產(chǎn)生較大前沖。系統(tǒng)故障時(shí)，拉刀速度達(dá)不到設(shè)定值，調(diào)速系統(tǒng)迫使主回路壓力升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)安全閥設(shè)定壓力時(shí)，二位四通安全閥閥芯克服彈簧力向右移動(dòng)，安全閥換到左位，迅速降低變量泵排量，防止系統(tǒng)過(guò)載。

圖2 電液比例伺服閥控容積調(diào)速系統(tǒng)原理圖

(2)雙作用變量缸模型的建立

建立雙作用變量缸仿真模型如圖3 所示。

圖3 雙作用變量缸仿真模型

設(shè)置雙作用變量缸相關(guān)參數(shù)如表2。

表2 雙作用變量缸仿真參數(shù)

2.3 液壓拉床拉削系統(tǒng)模型的建立

在AMESim Sketch Mode 下根據(jù)原理圖1 利用AMESim 軟件中的液壓庫(kù)(HYD)、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD)和機(jī)械庫(kù)等搭建其仿真模型如圖4 所示。

圖4 拉床拉削系統(tǒng)仿真模型

對(duì)系統(tǒng)模型做以下設(shè)定:

(1)建立系統(tǒng)模型過(guò)程中忽略變量柱塞泵容積效率隨負(fù)載壓力的變化，將其簡(jiǎn)化為排量隨輸入信號(hào)改變的理想泵。

(2)簡(jiǎn)化了拉削過(guò)程中復(fù)雜的負(fù)載變化，采用多種信號(hào)疊加與力轉(zhuǎn)換器模擬負(fù)載變化的主要規(guī)律。

(3)仿真主要是分析電液比例伺服容積調(diào)速系統(tǒng)使用效果，直接采用外部速度信號(hào)作為系統(tǒng)速度輸入量并忽略了安全閥，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，其中:拉削缸活塞直徑250 mm，拉削缸拉桿直徑90 mm，最大行程1 250 mm，額定負(fù)載200 kN;設(shè)置變量柱塞泵額定排量200 mL/r，配套電動(dòng)機(jī)1 500 r/min;控制用定量泵10 mL/r，配套電動(dòng)機(jī)1 000 r/min;溢流閥設(shè)定壓力12 MPa。

PID 調(diào)節(jié)器初始參數(shù):比例系數(shù)Kp=1，積分時(shí)間常數(shù)Ti=1，微分時(shí)間常數(shù)Td=0.1。

3 系統(tǒng)仿真和分析優(yōu)化

3.1 速度與負(fù)載仿真曲線

應(yīng)用AMESim 軟件進(jìn)行仿真，設(shè)定采樣頻率Δt=0.01 s。

圖5 為期望速度曲線，為方便仿真縮短了拉刀拉削時(shí)間，拉刀從低速切入工件到結(jié)束拉削切出工件為止。

t=0 ～0.25 s，拉刀低速切入工件;t =0.25 ～1 s，拉刀平穩(wěn)提速到達(dá)設(shè)定拉削速度;t =1 ～5 s 拉刀在設(shè)定速度下工作，拉削速度6 m/s;t =5 ～5.45 s拉刀降速準(zhǔn)備切出工件;t =5.45 ～6 s，拉刀低速切出工件，拉削結(jié)束。

查閱資料設(shè)定負(fù)載變化仿真曲線如圖6 所示，負(fù)載曲線主要表現(xiàn)隨著刀具同時(shí)工作刀齒數(shù)變化引起的負(fù)載變化。最大負(fù)載210 kN。

圖5 期望速度曲線

圖6 負(fù)載變化仿真曲線

3.2 仿真結(jié)果

圖7 所示為在初始參數(shù)下拉刀拉削速度曲線。當(dāng)設(shè)置參數(shù)為初始值時(shí)，仿真曲線存在較大的誤差，不能很好地跟蹤設(shè)定速度，拉削過(guò)程速度變化很大，不能滿足工作要求。

圖7 Kp =1，Ti =1，Td =0.1 拉刀速度仿真曲線

3.3 仿真結(jié)果分析和優(yōu)化

從圖5 和圖7 可以看出，速度曲線與期望曲線之間存在明顯的滯后和較大的穩(wěn)態(tài)誤差，結(jié)合電液比例伺服閥控容積調(diào)速系統(tǒng)原理和PID 控制特性進(jìn)行分析。變量缸動(dòng)作決定了變量泵輸出功率－ 流量的變化，故變量缸單位時(shí)間內(nèi)位移量直接影響變量泵分辨率。根據(jù)電液比例伺服閥控制原理，比例伺服閥接收信號(hào)的強(qiáng)弱與閥芯位移成正比且比例伺服閥具有節(jié)流特性即通過(guò)改變開(kāi)口量控制進(jìn)入變量缸的流量［11－12］。比例增益決定了調(diào)速系統(tǒng)靈敏度，速度反饋量經(jīng)PID放大器處理變?yōu)楸壤欧y輸入信號(hào)，其中比例系數(shù)作用為將信號(hào)成比例放大，故比例伺服閥輸入信號(hào)強(qiáng)弱與比例系數(shù)成正比。當(dāng)比例系數(shù)較小時(shí)進(jìn)入變量缸流量低，系統(tǒng)反應(yīng)滯后，變量泵排量不能及時(shí)根據(jù)速度變化作出調(diào)整，導(dǎo)致速度擬合度差和較大的沖擊。當(dāng)比例系數(shù)變大時(shí)，導(dǎo)致進(jìn)入變量缸流量過(guò)大，系統(tǒng)對(duì)速度變化過(guò)于敏感即產(chǎn)生大的超調(diào)量，誤差經(jīng)不斷積累使系統(tǒng)處于震動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法使用。因此在使用中應(yīng)根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)腜ID 參數(shù)。

由于物理定律與實(shí)際工況決定了不可能完全消除速度波動(dòng)，只能達(dá)到較好的抑制效果。當(dāng)設(shè)定Kp=12.6、Ti=8、Ti=0 時(shí)，取得較好的效果，如圖8 所示，此時(shí)變量缸位移變化如圖9 所示。

圖8 Kp =12.6、Ti =8、Td =0時(shí)拉刀速度曲線

圖9 變量缸活塞位移曲線

當(dāng)拉削速度變大時(shí)，比例伺服閥控制變量缸位移變小，降低變量泵排量，反之變量缸位移增大提高變量泵排量，達(dá)到了抑制速度波動(dòng)、穩(wěn)定拉削速度的目的。

將仿真結(jié)果與使用背壓閥(設(shè)定背壓1.5 MPa)的定量泵系統(tǒng)比較(如圖10 所示):在相同負(fù)載條件下，使用電液比例伺服閥控容積調(diào)速系統(tǒng)的液壓拉床工作過(guò)程明顯更加平穩(wěn)，由于拉刀速度可控，使用多段工進(jìn)速度下拉刀與工件的沖擊明顯減小，達(dá)到了良好的使用效果。由于不采用溢流閥與背壓閥，變量泵只輸出系統(tǒng)所需功率，可明顯節(jié)約能源。同時(shí)系統(tǒng)壓力降低亦減輕了液壓系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、軟管振動(dòng)及油路沖擊。

圖10 速度曲線對(duì)比

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了應(yīng)用電液比例伺服閥控容積調(diào)速的臥式拉床主回路。

(2)利用AMESim 圖形化的建模方法對(duì)電液比例伺服閥控容積調(diào)速拉床液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在無(wú)需復(fù)雜公式推導(dǎo)和建立繁瑣數(shù)學(xué)模型的條件下，可以對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行方便、高效、直觀的仿真分析及參數(shù)優(yōu)化，大大減小了仿真及優(yōu)化難度，提高了工作效率。

(3)通過(guò)對(duì)PID 控制器參數(shù)的優(yōu)化形成比例積分控制，使應(yīng)用電液比例伺服閥控容積調(diào)速的拉床液壓系統(tǒng)能夠有效提高工作穩(wěn)定性。系統(tǒng)能夠無(wú)極調(diào)速，通過(guò)對(duì)速度的控制減小系統(tǒng)沖擊，同時(shí)明顯節(jié)約能源、減輕拉床負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)的仿真結(jié)果為電液比例伺服閥控容積調(diào)速拉床液壓系統(tǒng)的使用提供了一定的理論依據(jù)。

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