負(fù)負(fù)載工況下打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)液聯(lián)合仿真

李文豪，包家漢，王智沖，宗藝墨

(1.液壓振動(dòng)與控制教育部工程研究中心，安徽馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032)

0 前言

高速線材打捆機(jī)是精整生產(chǎn)工序中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將處于散卷狀態(tài)的線材盤卷牢固地捆綁起來(lái)，以便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸。打捆機(jī)舉升裝置采用液壓缸驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)，托起盤卷，使線卷到達(dá)指定高度，進(jìn)行打捆動(dòng)作。

對(duì)于打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)，以往的研究對(duì)其升起過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，從而得出舉升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和受力趨勢(shì)，但舉升機(jī)構(gòu)是集機(jī)、電、液于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，利用常規(guī)的簡(jiǎn)化解析方法或者傳統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件無(wú)法獲得系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)參數(shù)，需進(jìn)行機(jī)械與液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真。同時(shí)，舉升機(jī)構(gòu)的液壓缸回程是在重力和液壓缸推力共同作用下完成的，如果設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)不能平衡負(fù)負(fù)載，則會(huì)由于返回速度加快，造成返回時(shí)驅(qū)動(dòng)力大于驅(qū)動(dòng)階段驅(qū)動(dòng)力，甚至超過(guò)所提供的最大驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于聯(lián)合仿真方法的選擇，大多數(shù)學(xué)者更傾向于多軟件之間的協(xié)同仿真，該方法雖能很好地模擬真實(shí)負(fù)載，反映機(jī)液系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但是協(xié)同仿真接口難以創(chuàng)建，安裝軟件較多，占用系統(tǒng)資源較大，同時(shí)調(diào)用軟件耗時(shí)長(zhǎng)。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能否很好地平衡液壓缸回程時(shí)產(chǎn)生的負(fù)負(fù)載，同時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)后的液壓缸驅(qū)動(dòng)力是否滿足要求，本文作者以某高速線材打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在考慮負(fù)負(fù)載情況下，利用MATLAB/Simscape工具箱中的Multibody和Fluids模塊，在統(tǒng)一的環(huán)境中完成舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)液聯(lián)合仿真，從而進(jìn)一步研究液壓系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的控制。并與單獨(dú)舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比，得出與動(dòng)力學(xué)仿真相比，基于Simscape的機(jī)液聯(lián)合仿真充分考慮了液壓系統(tǒng)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)和控制作用，可很好地模擬液壓缸回程時(shí)對(duì)負(fù)負(fù)載的平衡，且液壓缸的驅(qū)動(dòng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

1 聯(lián)合仿真工具簡(jiǎn)介

Simscape作為MATLAB的擴(kuò)展模塊，可在Simulink環(huán)境下創(chuàng)建物理模型的工具和語(yǔ)言，Simscape擴(kuò)展了Simulink的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多交叉物理建模系統(tǒng)的建模與仿真，通過(guò)Simscape,可以基于物理連接直接連接模塊框圖建立物理組件模型。Simscape由Simscape Electrical、Simscape Fluids、Simscape Multibody等模塊組成，集成了機(jī)械、液壓等多學(xué)科物理功能組件，提供了物理場(chǎng)模型與信號(hào)場(chǎng)之間的接口模塊，可以將機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等集成到模型中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。本文作者利用它對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后通過(guò)接口模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，完成聯(lián)合仿真模型的創(chuàng)建。

2 舉升機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)建模

如圖1所示，打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的主要部件包括底座、液壓缸、主動(dòng)曲柄、從動(dòng)曲柄、連桿、支撐輥、C形掛鉤、高線盤卷等，通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)改變舉升的高度。圖1所示為托舉盤卷到達(dá)最高位時(shí)的狀態(tài)。

圖1 打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)示意

由于舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)，在升降臺(tái)底座裝配的上部的托輥上還有高線盤卷。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取消盤卷和托輥的模型，將其總質(zhì)量(3 200 kg，其中托輥質(zhì)量1 000 kg、盤卷質(zhì)量2 200 kg)添加到支撐輥軸承上，從而滿足負(fù)載的要求。在Simscape工具箱中的Multibody模塊集里建模和裝配比較麻煩，所以在SolidWorks中建立舉升機(jī)構(gòu)的模型，通過(guò)SolidWorks的Simscape Multibody插件導(dǎo)出成xml格式的模型文件。在MATLAB中，通過(guò)Simscape Multibody模塊將導(dǎo)入的xml文件生成圖像化的剛體結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，如圖2所示，然后對(duì)其自動(dòng)生成的關(guān)節(jié)坐標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)修改，使其運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)位于運(yùn)動(dòng)的中心節(jié)點(diǎn)上。設(shè)置其他零件材料為鋼，密度為7.8×10kg/m，重力加速度為9 806.65 mm/s。

圖2 舉升機(jī)構(gòu)剛體結(jié)構(gòu)關(guān)系

3 舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)建模

3.1 三位四通電磁換向閥子系統(tǒng)

由于Simscape Fluids工具包中的換向閥沒(méi)有Y形的中位機(jī)能，因此采用6個(gè)可變節(jié)流閥和1個(gè)三位閥執(zhí)行器進(jìn)行搭建，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。將不同初始開(kāi)口和閥口方向的可變節(jié)流閥進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)所需的中位機(jī)能；三位閥執(zhí)行器通過(guò)調(diào)節(jié)可變節(jié)流閥的開(kāi)口實(shí)現(xiàn)換向控制和流量控制。

圖3 三位四通電磁換向閥子系統(tǒng)

3.2 舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理

根據(jù)舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求，三位四通電磁換向閥控制液壓缸的伸縮(圖4)，在液壓缸的進(jìn)出油口增加單向節(jié)流閥,通過(guò)改變閥口開(kāi)度來(lái)控制油液的流量。單向節(jié)流閥通過(guò)控制流量調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)運(yùn)行速度或者形成一定背壓，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，且在液壓缸回程時(shí)能夠調(diào)節(jié)流量控制系統(tǒng)運(yùn)行速度，平衡負(fù)負(fù)載。由雙液控單向閥和電磁換向閥組成的鎖緊回路，在中位時(shí)不給液控單向閥提供控制油，使得雙液控單向閥可靠地鎖緊。

圖4 舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理

3.3 液壓系統(tǒng)模型的建立

Simscape工具箱中的Fluids模塊提供用于建模和模擬液壓系統(tǒng)的組件庫(kù)。圖5所示為依據(jù)液壓系統(tǒng)原理，在Simscape中建立的舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)模型。

圖5 舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)模型

在Simscape中完成舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)模型的搭建后，根據(jù)液壓原理圖明細(xì)表中標(biāo)注的某品牌液壓元件型號(hào)，確定各參數(shù)的數(shù)值，完成參數(shù)設(shè)置。

4 舉升機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型建立

使用Simscape Multibody工具箱對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，只需要在生成的剛體結(jié)構(gòu)關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，添加力、力矩和運(yùn)動(dòng)輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)模型，并使用傳感器測(cè)量其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。使用模型中的連接塊來(lái)驅(qū)動(dòng)這些關(guān)節(jié)，建立它們的內(nèi)部力學(xué)模型，并感知特定關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)變量。圖6中給定了移動(dòng)關(guān)節(jié)塊所需的運(yùn)動(dòng)輸入信號(hào)，然后通過(guò)移動(dòng)關(guān)節(jié)中的位移和速度傳感器端口測(cè)量其系統(tǒng)響應(yīng)。設(shè)置舉升液壓缸在初始2 s內(nèi)的行程為180 mm，停3 s后再在2 s內(nèi)運(yùn)動(dòng)180 mm，驅(qū)動(dòng)速度均為85 mm/s；在第28 s(停止了21 s)后再在2 s內(nèi)返回360 mm的行程。為節(jié)省時(shí)間在舉升階段按前面的描述，在第9 s開(kāi)始返回，第11 s運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

圖6 舉升機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型

5 聯(lián)合仿真模型建立

5.1 聯(lián)合仿真轉(zhuǎn)換模塊的建立

在進(jìn)行機(jī)液聯(lián)合仿真的過(guò)程中，機(jī)械模塊和液壓模塊之間的轉(zhuǎn)換需要轉(zhuǎn)換模塊。轉(zhuǎn)換模塊是基于液壓庫(kù)里的基礎(chǔ)元件搭接的，如圖7所示。利用Prismatic Translational Interface 模塊,將打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)液壓缸的流體壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械系統(tǒng)中移動(dòng)副的機(jī)械能,從而將液壓和機(jī)械2個(gè)子系統(tǒng)連接成1個(gè)統(tǒng)一的多域物理仿真系統(tǒng)，最后只需對(duì)其創(chuàng)建子系統(tǒng)即可。

圖7 聯(lián)合仿真轉(zhuǎn)換模塊

5.2 機(jī)液聯(lián)合仿真模型的建立

與動(dòng)力學(xué)仿真模型的處理相似，在聯(lián)合仿真的機(jī)械系統(tǒng)模型中需要對(duì)移動(dòng)副進(jìn)行設(shè)置，添加力來(lái)驅(qū)動(dòng)模型，然后通過(guò)位移和力傳感器測(cè)量其動(dòng)態(tài)響應(yīng)。輸出的速度傳遞給液壓系統(tǒng)，最后由液壓系統(tǒng)計(jì)算得到力反饋給機(jī)械系統(tǒng)。

圖8 聯(lián)合仿真機(jī)械系統(tǒng)模型

在機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)模型建成后，對(duì)它們進(jìn)行封裝，最終的模型框架(見(jiàn)圖9)由機(jī)械系統(tǒng)模塊、轉(zhuǎn)換模塊和液壓系統(tǒng)模塊組成，直觀地反映了模型之間變量的交換。圖10所示為打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)。

圖9 基于Simscape的舉升機(jī)構(gòu)機(jī)液聯(lián)合仿真模型

圖10 打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)

5.3 仿真結(jié)果與分析

圖11所示為舉升機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真和機(jī)液聯(lián)合仿真液壓缸的實(shí)際位移對(duì)比?？芍?條曲線基本吻合，在C形吊鉤將線圈運(yùn)送到圓柱導(dǎo)軌上后，為0～2 s內(nèi)運(yùn)動(dòng)位移為180 mm,停3 s后,在為5～7 s內(nèi)運(yùn)動(dòng)位移為180 mm,再停2 s后,在為9～11 s內(nèi)返回360 mm的行程,與設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑一致。

圖11 液壓缸運(yùn)動(dòng)行程對(duì)比 圖12 液壓缸驅(qū)動(dòng)力對(duì)比

圖12所示為舉升機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真和機(jī)液聯(lián)合仿真液壓缸驅(qū)動(dòng)力對(duì)比?？芍簞?dòng)力學(xué)仿真驅(qū)動(dòng)力在液壓缸啟動(dòng)時(shí)刻驅(qū)動(dòng)力直接達(dá)到2.9×10N；聯(lián)合仿真驅(qū)動(dòng)力由于有液壓系統(tǒng)的控制作用，驅(qū)動(dòng)力存在一個(gè)變化過(guò)程，在為3～5 s液壓缸停止時(shí)，驅(qū)動(dòng)力為2.802×10N,為托輥等重力(質(zhì)量3.2×10kg)的87.5%，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，最大驅(qū)動(dòng)力為3.01×10N，而CDM1MT4-100/70-400的液壓缸能提供的最大推力為12.56×10N，超過(guò)了所需的最大驅(qū)動(dòng)力3.01×10N(實(shí)際壓差只需5.35 MPa)，因此液壓缸驅(qū)動(dòng)力足夠，能夠滿足使用需求。在液壓缸回程時(shí)，由于動(dòng)力學(xué)仿真中未考慮到負(fù)負(fù)載工況的影響，同時(shí)受到重力和液壓缸推力的共同作用，造成返回時(shí)驅(qū)動(dòng)力大于驅(qū)動(dòng)階段驅(qū)動(dòng)力，但由于機(jī)液聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)了機(jī)械和液壓系統(tǒng)間的耦合作用，可通過(guò)液壓元件的調(diào)節(jié)作用平衡負(fù)負(fù)載，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了保障。通過(guò)驅(qū)動(dòng)力的對(duì)比，驗(yàn)證了機(jī)液聯(lián)合仿真對(duì)于負(fù)負(fù)載工況的模擬是有效的、真實(shí)的。

6 結(jié)論

本文作者基于一種新型打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作原理，運(yùn)用MATLAB/Simscape工具箱成功實(shí)現(xiàn)了打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真和機(jī)液聯(lián)合仿真。通過(guò)仿真結(jié)果的對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1)在舉升機(jī)構(gòu)的整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，尤其是在液壓缸回程時(shí)，在考慮負(fù)負(fù)載情況下，液壓缸能提供的最大推力遠(yuǎn)超所需的最大驅(qū)動(dòng)力，液壓缸驅(qū)動(dòng)力足夠，能夠滿足使用需求；

(2)基于Simscape的機(jī)液聯(lián)合仿真技術(shù)可以更加精確地對(duì)打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)械-液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，真實(shí)地模擬出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，驗(yàn)證了該液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)平衡負(fù)負(fù)載是有效的。聯(lián)合仿真分析可以為打捆機(jī)舉升機(jī)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。