液压调速控制系统设计及分析1
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1998. [ 3 ] 易红. 数控技术[M ]. 北京: 机械工业出版社, 2005. [4 ] 钟启茂. 高速数控加工技术及应用 [J ]. 机电产品开发与
创新, 2005, 21 (2) : 427. [ 5 ] 罗睿梅. 高速数控系统的运动控制技术[D ]. 南京: 南京航
空航天大学, 2003: 12213. [ 6 ] 龚仲华. 保证高速、高精度加工的数控技术[J ]. 产品与技
度, L ′为活塞位移量的参考值;
A 4、A 5 ——油缸活塞两侧面积;
K L ——液压缸工作腔的泄漏系数;
V ′(V " ) ——液压工作腔和进油管内的油液体积;
K ——油液的体积模量。
(4) 位移传感器为差动变压器型 (D FT ) , D FT 及
其二次仪表的传递函数可写成:
7
2 (s) =
1 液压调速系统自动化的实现 图 1 为采用微机控制的液压调速系统回路。此系统
的基本原理为: 由三相电机带动单作用叶片泵把液压油 经油箱送入整个液压调速系统中, 其出口压力经直动式 溢流阀调定, 流量经叶片泵调定。液压油经电磁比例调 速阀和换向阀流入液压缸, 再推动活塞从而推动负载工 作。负载的移动速度由装在活塞杆的位移传感器反映出
空航天业、 造船业、 军事工业。 它的主要特点是机床
主轴功率大、 转速高, 能够满足粗、 精加工的各种要 求, 从而在大批量生产中, 既能够得到高度的柔性, 利 于产品快速地更新换代, 同时又不降低生产效率。
参考文献: [ 1 ] 林宋, 田建君. 现代数控机床 [M ]. 北京: 化学工业出版
社, 2003. [ 2 ] 王志平. 机床数控技术应用[M ]. 北京: 高等教育出版社,
1——位移传感器; 2——压力传感器; 3——温度传感器 图 1 液压调速系统原理图
212 液压系统的动态分析 在分析此系统的动态特性时, 对其进行了相应的
简化。电机和叶片泵组成的泵站可以看成是稳定的, 暂 不考虑它的动态特性; 电磁换向阀只有在换向时才会
收稿日期: 2007201218; 修回日期: 2007202220 作者简介: 陈刚 (19742) , 男, 湖南株洲人, 工程师, 硕士, 研究方向为流体传动与控制、机电产品设计。
用是减小摩擦、降低温度、提高加工精度和表面质量、 提高刀具耐用度、 促进断屑和排屑。 但是使用大量冷 却液不但增加了生产成本, 而且造成严重的环境污染。 美国一些企业消耗在冷却液和废液处理方面的费用目 前已占总成本的 14%～ 16% , 而刀具费用只占 2%～ 4%。为保护环境和降低成本, 最好的办法是不采用冷 却液而采用干切削, 同时选用合适的刀具材料, 并进 行专门的刀具结构设计, 选择经过试验的工艺参数。
术, 2001, 7 (3) : 21225.
Research on H igh- speed Num er ica l-con trol M anufactur ing
CHEN Cheng
(Co llege of M echan ical Eng ineering, Sou theast U n iversity, N an jing 210096, Ch ina)
2 液压调速系统的动态分析 211 液压调速系统的基本组成
液压调速系统是速度闭环控制系统, 其基本参数
为: 输出压力 p = 613M Pa, 额定流量Q = 9L m in。直 动式溢流阀起着调节系统压力的作用; 电磁比例调速 阀采用 “力士乐”牌 BQ F - B 8H - S 型, 公称通径 5 8mm , 额定流量 25L m in, 最小稳定流量 215L m in, 公称压力 3115M Pa; 电磁比例调速阀还配有专门的电 液控制器, 型号为 T I- A 系列, 方便与微机进行数据 通信 (其输入电压为 0V～ 5V ) ; 电磁换向阀的型号为 4W E6A , 输入电压为直流 24V , 功率 26W , 三位四通 阀型; 液压油缸为不对称缸, 其负载分为定载与变载 两种, 定载是通过滑轮吊起的固定砝码块, 变载是固 定在箱体中的弹簧组。
图 2 系统总体结构框图
(1) 由于 T I- A 型电液控制器的动态特性很高, 故可看成是比例环节, 放大器传递函数为:
7
1 (s) =
Ui Ue
。
……………………………… (1)
式 (1) 中不包括比例电磁铁里的放大器增益。
(2) 电磁比例调速阀传递函数为:
G 4 ′(s)
=
Q U
3 c
(s) (s)
图 3 接口电路方框图
311 模拟输入通道 系统有 4 个模拟输入通道, 可以采用 4 个转换器
同时采集从传感器传来的模拟信号。 考虑到经济性和 系统配置要求, 此系统采用 1 个A D 转换器和 1 个多 路模拟开关, 通过编程控制多路模拟开关的开、 关状 态, 从而实现多路模拟输入信号的采集输入, 多路模 拟输入系统框图见图 4。 但是考虑到数据采集转换以 后要送到微机的数据总线 (DB ) 上, 数据总线可能正处 于BU SY 状态, 从而导致数据丢失, 或者出现混乱状 态, 故要在 CPU 数据总线之间增加一级数据缓冲器, 使刚采集转换完成的数据暂时寄存在数据缓冲器中, 等 DB 线处于 R EAD Y 状态时, 再把数据输送到 DB 线上去, 这样就保证了数据正确有序地进行传送, 不 会发生数据丢失现象。 312 模拟输出通道
(3) 直线电机作为产品广泛应用于高速进给系统 中, 但同时还存在发热严重、 功率较小、 价格较高和 对周围环境要求过高等缺陷。 所以, 在加工时要注意 通过选择合适的材料和制造工艺来解决这些问题。 4 结束语
目前, 高速数控加工主要应用于大批量生产的工 业领域, 如汽车制造业、模具制造业、机床制造业、航
2007 年第 4 期 陈刚, 等: 液压调速控制系统设计及分析
·145·
存在动态性, 只考虑它在不换向时的工作特性, 故换 向阀的动态特性可暂不考虑, 把它看作是油管的一部 分。 系统总体结构框图见图 2, 其中, U g 为系统输入 量, U e 为放大器输入, U i 为放大器输出, U f 为系统反 馈, X p 为活塞位移。
Abstract: T h is p ap er in troduced the techno logy of h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring, exp la ined the rela tive concep ts and cha racteristics and app lica tion s of h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring, ana lyzed the p ivo ta l techno logy of h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring, and discu ssed the m ethod to so lve the p rob lem s occu rred in h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring. Key words: h igh2sp eed; num erica l2con tro l m anufactu ring; p ivo ta l techno logy
摘要: 液压调速控制系统是液压自动控制系统的重要组成部分。就液压调速控制系统的设计作了详细的阐述, 包括系统的工作原理、动态分析和微机接口电路设计。此系统的设计对相似液压控制系统的设计具有一定的参 考价值。 关键词: 液压系统; 速度调节; 微机接口 中图分类号: T P 271+ 131 文献标识码: A
第 4 期 (总第 143 期) 2007 年 8 月
机械工程与自动化 M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G & AU TOM A T ION
文章编号: 167226413 (2007) 0420144202
N o 14 A ug1
液压调速控制系统设计及分析
陈 刚, 肖燕子
(株洲职业技术学院 机械工程系, 湖南 株洲 412000)
来。 其位移传感器的输出信号经微分器 (或软件微分) , 再和给定的速度信号相比较, 其差值再经过功率放大器 的放大送给电磁比例调速阀, 推动电磁比例调速阀的推 杆从而实现了调节负载速度的目的。
111 速度闭环控制的实现 当由于某种原因导致处于平衡状态的负载速度突
然降低时, 其位移传感器的输出信号经微分后的值会 变小, 而给定的设定值大小不变, 故其差值会增大, 输 入电磁比例调速阀的信号也会变大, 其节流口的开口 度也会增大, 接着流过比例阀的流量也增大, 即负载 的速度升高。如果负载速度由于某种原因突然增大, 同 理也可实现调速控制。
道。 液压系统的数据要传输到微机中去, 采用压力传 感器、 温度传感器、 速度传感器把相应量转化为模拟
电压信号, 再经过A D 转换即可实现; 同样, 微机中 的数字量信号要去控制电磁比例调速阀等执行元件, 也需进行D A 转换后才能进行控制。如果外部执行元 件的输入信号为开关量, 则只需要加上相应的驱动电 路即可实现。 同样, 外部的开关量信号输入微机也无 需A D、D A 转换, 可直接与微机相连。接口电路方 框图见图 3。
m g ′K L s2+
A
2 5
s
。
…
………………………………………………… (4)
式中: m g (m g ′) ——活塞、油液及负载等效到活塞上的
总质量;
K ′—— 弹簧刚度, 当 X p < L ′时, K ′= K 1,
如果 X p > L ′, K ′= K 1+ K 2, 其中
K 1 为大弹簧刚度, K 2 为小弹簧刚
但是考虑到数据采集转换以后要送到微机的数据总线db上数据总线可能正处于busy状态从而导致数据丢失或者出现混乱状态故要在cpu数据总线之间增加一级数据缓冲器使刚采集转换完成的数据暂时寄存在数据缓冲器中等db线处于ready状态时再把数据输送到db线上去这样就保证了数据正确有序地进行传送不会发生数据丢失现象
塞面积。
(3) 液压缸的传递函数: 变载时:
5 1′(s) =
Xp Q3
(s) (s)
=
m
gV K
′s3+
m
gKL
A4 s2+ (V
′K
K
′ +
A
2 4
)
s+
KL
K
。 ′
……
………………………………………………… (3)
定载时:
5 3′(s) =
X Q
p 3
(s) (s)
=
m g ′V ″s3+
K
A5
=
-
b1s5+ b2s4+ b3s3+ b4s2+ b5s+ b6 A 3 (a1s4+ a2s3+ a3s2+ a4s+ a5)
。…
………………………………………………… (2)
其中, Q 3 为电磁比例阀输出量; U c 为电磁比例阀输入
量; b1～ b6 及 a1～ a5 分别为参数; A 3 为定差减压阀活
Uf Xp
(s) (s)
=
Ke
1+ s Ξx
。 …………………
(5)
式中: K e ——D FT 及其二次仪表的总增益;
Ξx ——D FT 及其二次仪表的转折频率。
(5) 系统的总体传递函数为:
7 (s) = X p (s) U g (s) 。 …………………… (6)
3 接口电路的设计
接口电路是液压系统与微机进行数据交换的通
112 人为调整负载速度的实现 当负载速度处于恒速时, 把设定值调大, 那么其
差值信号也变大, 经功率放大器进行功率放大后, 也 同样会导致比例阀的开口度变大, 从而流量也变大了, 即速度增大了。 如果速度值与设定值还有偏差, 则系 统会不断地自动调节, 直到等于设定值为止。 在速度 调节中, 存在着一系列的动态响应问题。 此液压调速 系统还可以实时显示系统压力、 温度变化曲线等, 这 些功能由压力传感器、 温度传感器实现。
系统有 1 个模拟输出通道, 是微机发出指令去驱 动执行器工作的通道。它是通过D A 转换器把经过微 机处理运算过的数据转化为对应大小的模拟值, 再经 过功率放大器把弱电模拟值信号放大以驱动执行器工 作的重要接口, 即功率接口。 模拟输出通道见图 5。
图 4 多路模拟输入系统框图
图 5 模拟输出通道
313 数字量通道 (1) 数字量输入通道 (D I) 只有“1”和“0”两种
数字量。一般“1”代表高电平, “0”代表低电平, 故 数字量输入通道不需要经过什么变换, 可直接与CPU
(下转第 148 页)
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机 械 工 程 与 自 动 化 2007 年第 4 期
创新, 2005, 21 (2) : 427. [ 5 ] 罗睿梅. 高速数控系统的运动控制技术[D ]. 南京: 南京航
空航天大学, 2003: 12213. [ 6 ] 龚仲华. 保证高速、高精度加工的数控技术[J ]. 产品与技
度, L ′为活塞位移量的参考值;
A 4、A 5 ——油缸活塞两侧面积;
K L ——液压缸工作腔的泄漏系数;
V ′(V " ) ——液压工作腔和进油管内的油液体积;
K ——油液的体积模量。
(4) 位移传感器为差动变压器型 (D FT ) , D FT 及
其二次仪表的传递函数可写成:
7
2 (s) =
1 液压调速系统自动化的实现 图 1 为采用微机控制的液压调速系统回路。此系统
的基本原理为: 由三相电机带动单作用叶片泵把液压油 经油箱送入整个液压调速系统中, 其出口压力经直动式 溢流阀调定, 流量经叶片泵调定。液压油经电磁比例调 速阀和换向阀流入液压缸, 再推动活塞从而推动负载工 作。负载的移动速度由装在活塞杆的位移传感器反映出
空航天业、 造船业、 军事工业。 它的主要特点是机床
主轴功率大、 转速高, 能够满足粗、 精加工的各种要 求, 从而在大批量生产中, 既能够得到高度的柔性, 利 于产品快速地更新换代, 同时又不降低生产效率。
参考文献: [ 1 ] 林宋, 田建君. 现代数控机床 [M ]. 北京: 化学工业出版
社, 2003. [ 2 ] 王志平. 机床数控技术应用[M ]. 北京: 高等教育出版社,
1——位移传感器; 2——压力传感器; 3——温度传感器 图 1 液压调速系统原理图
212 液压系统的动态分析 在分析此系统的动态特性时, 对其进行了相应的
简化。电机和叶片泵组成的泵站可以看成是稳定的, 暂 不考虑它的动态特性; 电磁换向阀只有在换向时才会
收稿日期: 2007201218; 修回日期: 2007202220 作者简介: 陈刚 (19742) , 男, 湖南株洲人, 工程师, 硕士, 研究方向为流体传动与控制、机电产品设计。
用是减小摩擦、降低温度、提高加工精度和表面质量、 提高刀具耐用度、 促进断屑和排屑。 但是使用大量冷 却液不但增加了生产成本, 而且造成严重的环境污染。 美国一些企业消耗在冷却液和废液处理方面的费用目 前已占总成本的 14%～ 16% , 而刀具费用只占 2%～ 4%。为保护环境和降低成本, 最好的办法是不采用冷 却液而采用干切削, 同时选用合适的刀具材料, 并进 行专门的刀具结构设计, 选择经过试验的工艺参数。
术, 2001, 7 (3) : 21225.
Research on H igh- speed Num er ica l-con trol M anufactur ing
CHEN Cheng
(Co llege of M echan ical Eng ineering, Sou theast U n iversity, N an jing 210096, Ch ina)
2 液压调速系统的动态分析 211 液压调速系统的基本组成
液压调速系统是速度闭环控制系统, 其基本参数
为: 输出压力 p = 613M Pa, 额定流量Q = 9L m in。直 动式溢流阀起着调节系统压力的作用; 电磁比例调速 阀采用 “力士乐”牌 BQ F - B 8H - S 型, 公称通径 5 8mm , 额定流量 25L m in, 最小稳定流量 215L m in, 公称压力 3115M Pa; 电磁比例调速阀还配有专门的电 液控制器, 型号为 T I- A 系列, 方便与微机进行数据 通信 (其输入电压为 0V～ 5V ) ; 电磁换向阀的型号为 4W E6A , 输入电压为直流 24V , 功率 26W , 三位四通 阀型; 液压油缸为不对称缸, 其负载分为定载与变载 两种, 定载是通过滑轮吊起的固定砝码块, 变载是固 定在箱体中的弹簧组。
图 2 系统总体结构框图
(1) 由于 T I- A 型电液控制器的动态特性很高, 故可看成是比例环节, 放大器传递函数为:
7
1 (s) =
Ui Ue
。
……………………………… (1)
式 (1) 中不包括比例电磁铁里的放大器增益。
(2) 电磁比例调速阀传递函数为:
G 4 ′(s)
=
Q U
3 c
(s) (s)
图 3 接口电路方框图
311 模拟输入通道 系统有 4 个模拟输入通道, 可以采用 4 个转换器
同时采集从传感器传来的模拟信号。 考虑到经济性和 系统配置要求, 此系统采用 1 个A D 转换器和 1 个多 路模拟开关, 通过编程控制多路模拟开关的开、 关状 态, 从而实现多路模拟输入信号的采集输入, 多路模 拟输入系统框图见图 4。 但是考虑到数据采集转换以 后要送到微机的数据总线 (DB ) 上, 数据总线可能正处 于BU SY 状态, 从而导致数据丢失, 或者出现混乱状 态, 故要在 CPU 数据总线之间增加一级数据缓冲器, 使刚采集转换完成的数据暂时寄存在数据缓冲器中, 等 DB 线处于 R EAD Y 状态时, 再把数据输送到 DB 线上去, 这样就保证了数据正确有序地进行传送, 不 会发生数据丢失现象。 312 模拟输出通道
(3) 直线电机作为产品广泛应用于高速进给系统 中, 但同时还存在发热严重、 功率较小、 价格较高和 对周围环境要求过高等缺陷。 所以, 在加工时要注意 通过选择合适的材料和制造工艺来解决这些问题。 4 结束语
目前, 高速数控加工主要应用于大批量生产的工 业领域, 如汽车制造业、模具制造业、机床制造业、航
2007 年第 4 期 陈刚, 等: 液压调速控制系统设计及分析
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存在动态性, 只考虑它在不换向时的工作特性, 故换 向阀的动态特性可暂不考虑, 把它看作是油管的一部 分。 系统总体结构框图见图 2, 其中, U g 为系统输入 量, U e 为放大器输入, U i 为放大器输出, U f 为系统反 馈, X p 为活塞位移。
Abstract: T h is p ap er in troduced the techno logy of h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring, exp la ined the rela tive concep ts and cha racteristics and app lica tion s of h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring, ana lyzed the p ivo ta l techno logy of h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring, and discu ssed the m ethod to so lve the p rob lem s occu rred in h igh2sp eed num erica l2con tro l m anufactu ring. Key words: h igh2sp eed; num erica l2con tro l m anufactu ring; p ivo ta l techno logy
摘要: 液压调速控制系统是液压自动控制系统的重要组成部分。就液压调速控制系统的设计作了详细的阐述, 包括系统的工作原理、动态分析和微机接口电路设计。此系统的设计对相似液压控制系统的设计具有一定的参 考价值。 关键词: 液压系统; 速度调节; 微机接口 中图分类号: T P 271+ 131 文献标识码: A
第 4 期 (总第 143 期) 2007 年 8 月
机械工程与自动化 M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G & AU TOM A T ION
文章编号: 167226413 (2007) 0420144202
N o 14 A ug1
液压调速控制系统设计及分析
陈 刚, 肖燕子
(株洲职业技术学院 机械工程系, 湖南 株洲 412000)
来。 其位移传感器的输出信号经微分器 (或软件微分) , 再和给定的速度信号相比较, 其差值再经过功率放大器 的放大送给电磁比例调速阀, 推动电磁比例调速阀的推 杆从而实现了调节负载速度的目的。
111 速度闭环控制的实现 当由于某种原因导致处于平衡状态的负载速度突
然降低时, 其位移传感器的输出信号经微分后的值会 变小, 而给定的设定值大小不变, 故其差值会增大, 输 入电磁比例调速阀的信号也会变大, 其节流口的开口 度也会增大, 接着流过比例阀的流量也增大, 即负载 的速度升高。如果负载速度由于某种原因突然增大, 同 理也可实现调速控制。
道。 液压系统的数据要传输到微机中去, 采用压力传 感器、 温度传感器、 速度传感器把相应量转化为模拟
电压信号, 再经过A D 转换即可实现; 同样, 微机中 的数字量信号要去控制电磁比例调速阀等执行元件, 也需进行D A 转换后才能进行控制。如果外部执行元 件的输入信号为开关量, 则只需要加上相应的驱动电 路即可实现。 同样, 外部的开关量信号输入微机也无 需A D、D A 转换, 可直接与微机相连。接口电路方 框图见图 3。
m g ′K L s2+
A
2 5
s
。
…
………………………………………………… (4)
式中: m g (m g ′) ——活塞、油液及负载等效到活塞上的
总质量;
K ′—— 弹簧刚度, 当 X p < L ′时, K ′= K 1,
如果 X p > L ′, K ′= K 1+ K 2, 其中
K 1 为大弹簧刚度, K 2 为小弹簧刚
但是考虑到数据采集转换以后要送到微机的数据总线db上数据总线可能正处于busy状态从而导致数据丢失或者出现混乱状态故要在cpu数据总线之间增加一级数据缓冲器使刚采集转换完成的数据暂时寄存在数据缓冲器中等db线处于ready状态时再把数据输送到db线上去这样就保证了数据正确有序地进行传送不会发生数据丢失现象
塞面积。
(3) 液压缸的传递函数: 变载时:
5 1′(s) =
Xp Q3
(s) (s)
=
m
gV K
′s3+
m
gKL
A4 s2+ (V
′K
K
′ +
A
2 4
)
s+
KL
K
。 ′
……
………………………………………………… (3)
定载时:
5 3′(s) =
X Q
p 3
(s) (s)
=
m g ′V ″s3+
K
A5
=
-
b1s5+ b2s4+ b3s3+ b4s2+ b5s+ b6 A 3 (a1s4+ a2s3+ a3s2+ a4s+ a5)
。…
………………………………………………… (2)
其中, Q 3 为电磁比例阀输出量; U c 为电磁比例阀输入
量; b1～ b6 及 a1～ a5 分别为参数; A 3 为定差减压阀活
Uf Xp
(s) (s)
=
Ke
1+ s Ξx
。 …………………
(5)
式中: K e ——D FT 及其二次仪表的总增益;
Ξx ——D FT 及其二次仪表的转折频率。
(5) 系统的总体传递函数为:
7 (s) = X p (s) U g (s) 。 …………………… (6)
3 接口电路的设计
接口电路是液压系统与微机进行数据交换的通
112 人为调整负载速度的实现 当负载速度处于恒速时, 把设定值调大, 那么其
差值信号也变大, 经功率放大器进行功率放大后, 也 同样会导致比例阀的开口度变大, 从而流量也变大了, 即速度增大了。 如果速度值与设定值还有偏差, 则系 统会不断地自动调节, 直到等于设定值为止。 在速度 调节中, 存在着一系列的动态响应问题。 此液压调速 系统还可以实时显示系统压力、 温度变化曲线等, 这 些功能由压力传感器、 温度传感器实现。
系统有 1 个模拟输出通道, 是微机发出指令去驱 动执行器工作的通道。它是通过D A 转换器把经过微 机处理运算过的数据转化为对应大小的模拟值, 再经 过功率放大器把弱电模拟值信号放大以驱动执行器工 作的重要接口, 即功率接口。 模拟输出通道见图 5。
图 4 多路模拟输入系统框图
图 5 模拟输出通道
313 数字量通道 (1) 数字量输入通道 (D I) 只有“1”和“0”两种
数字量。一般“1”代表高电平, “0”代表低电平, 故 数字量输入通道不需要经过什么变换, 可直接与CPU
(下转第 148 页)
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机 械 工 程 与 自 动 化 2007 年第 4 期