大噸位精沖機快速缸液壓系統的設計與仿真

噸位精沖機主要用于生產材料厚、形狀復雜、強度高的金屬板。與傳統的切割加工工藝相比，其效率高、能耗低、加工精度高。現在，它也適用于汽車、航空、工程機械等部件的制造領域。大噸位精沖機液壓系統主要包括快速缸液壓系統、主缸液壓系統、壓邊反頂液壓系統,其中快速缸液壓系統在精沖過程中起到快速合模、快速開模以及快速定位的作用,主缸液壓系統提供沖裁力。整個系統在高壓力、大流量的工況下高頻率循環換向工作,壓力波動大,液壓沖擊及其控制問題十分突出。系統壓力的急劇波動可能使壓力繼電器誤發信號,影響液壓系統的工作穩定性和可靠性,產生的誤動作使得滑塊的運動精度難以保證本文以武漢理工大學與黃石華力鍛壓機床有限公司共同研制的KHF1200型精沖機的快速缸液壓系統為研究對象,首先對大噸位精沖機的工作原理進行了概述,提出了一種大噸位精沖機快速缸液壓系統的設計方案;其次在AMESim軟件中搭建了大噸位精沖機的主沖裁液壓系統仿真模型,并提出了相應的控制方法;通過在精沖機樣機上進行實驗,對比仿真結果,驗證了模型的可靠性、準確性,最后對蓄能器的設計功能進行了分析驗證。1稱重精沖機的工作原理圖1為大噸位精沖機結構簡圖。整體為立式下傳動結構,機身穩固、傳動平穩2基于快速缸的運動方案設計本文研究的KHF1200型精沖機,設計公稱壓力為12000kN,設計沖裁頻率達每分鐘40次。在快速合模和快速開模兩個階段中,快速缸液壓系統中的液壓元件將長期在高壓力和大流量的環境中工作,同時還要保證滑塊較高的運動精度。現設計圖2所示快速缸液壓系統,該系統主要由定量泵、壓力插裝閥組、安全閥、單向插裝閥組、蓄能器、換向閥插裝閥組、伺服比例閥、快速缸、電磁溢流閥、換向閥等液壓元件以及壓力傳感器、位移傳感器組成。在液壓方案設計中:(1)采用的伺服比例閥通過控制器與滑塊上的位移傳感器相連構成閉環位置控制系統,充分保證了滑塊的運動精度,另外,雙伺服比例閥的并聯設計降低了成本,提高了控制精度;(2)大量采用了插裝閥組結構,即通過蓋板把不同的先導閥與錐閥組合成能夠實現壓力、流量和方向控制的組件,不但能夠滿足快速缸液壓系統大流量、高壓力、動作靈敏的要求,而且密封性也較好3基于阿爾斯基羅的建模和驗證分析3.1pid的仿真處理AMESim是一款高級工程系統建模和仿真軟件,它集成了液壓、機械、電磁和信號控制等領域的元件庫,不同的元件庫之間可進行交互,為液壓系統設計提供了良好的平臺關于模型的PID控制模塊,由于滑塊的運動分為快速上行、檢測上行、低速沖裁、泄壓、快速下行5個階段,液壓系統存在較多開關量,且各個階段的負載和閥的狀態不盡相同,使得系統的參數發生極大變化,依靠單一階段全程PID控制不能滿足精沖機各個階段的控制精度。為此,根據精沖機的動作,在滑塊運動的5個階段中分別設計了5個閉環控制器,如圖4所示。其基本思路是控制以時間為驅動信號,在某時刻,5個控制器中有且僅有1個控制器的輸出為有效量,而其他控制器的輸出均會被屏蔽為零。該設計保證了各個控制器之間不會相互干擾,且分別適應了該液壓系統在不同階段近似線性的特點,能夠提高控制精度。表2為各階段控制器的PID取值,是分別通過批運行仿真處理得到的最優取值。主缸液壓系統的簡化模型主要是模擬主缸在低速沖裁階段為系統提供動力,并在沖裁結束后完成泄壓這兩個過程,使得在仿真過程中滑塊的運動更加連貫和完整。3.2子模型模式下的參數設置首先在草圖模式下,選擇所需機械元件、液壓元件、信號控制元件后,依次連接成圖4所示的精沖機主沖裁液壓系統仿真模型;然后在子模型模式下,根據設計原理,為元件選擇合適的子模型,在此模型中蓄能器選為絕熱模型,其余使用首選子模型;而后在參數模式下,結合設計計算結果為子模型設置參數,子模型主要參數如表3所示,其余使用默認值,同時以滑塊的運動軌跡為信號源設置圖5所示的給定信號;最后在仿真模式下,設定運行參數,仿真時間為3.34s,采樣周期為0.01s,即可進行仿真。3.3速度、速度和實驗速度仿真結果為了對所建立的精沖機主沖裁液壓系統AMES-im仿真模型進行驗證,將圖5所示給定信號輸入到KHF1200型精沖機樣機中,在空載狀態下進行實驗,并提取快速缸壓力和滑塊速度曲線。通過人機交互界面(HMI)能夠輸入給定信號,并在實驗結束后能夠提取實驗數據。圖6為快速缸壓力的仿真和實驗曲線。可以看出,給定速度下,快速缸的仿真和實驗壓力時間曲線趨勢基本一致,從而驗證了液壓系統仿真模型的可靠性。在快速上行和檢測上行階段,快速缸液壓系統為滑塊提供動力,快速缸壓力維持在11MPa左右;進入到沖裁階段,伺服比例閥處于中位,快速缸液壓系統停止供油,快速缸在主缸的帶動下被動上行完成沖裁動作,快速缸壓力呈階躍性增大后迅速降低至零值直到泄壓階段結束;在快速下行階段,快速缸液壓系統重新為滑塊提供動力,快速缸壓力迅速上升,維持在10MPa左右。圖7為滑塊速度的仿真和實驗曲線。可以看出,在給定速度、仿真速度、實驗速度的時間曲線趨勢基本一致,而且仿真和實驗結果能夠很好地反映出滑塊在實際運動過程中的響應時間、最大超調量和調整時間等特性。以給定速度為基準對比仿真速度和實驗速度,可以看出,滑塊速度明顯受到了壓力急劇波動的影響,存在一定的超調量,但仿真和實驗的加速響應時間基本一致,為0.75s,響應速度較快,從而驗證了液壓系統仿真模型的準確性。仿真結果不但驗證了建模方法的正確性,而且還說明了該液壓設計方案能夠滿足大噸位精沖機快速缸液壓系統高壓力、大流量的工況。3.4滑塊的仿真位移在液壓仿真模型得到驗證后,對蓄能器在系統中的功能進行分析。圖8為滑塊位移曲線。其中,圖8a為圖3所示模型的滑塊位移仿真結果,可以看出,滑塊仿真位移曲線與給定位移曲線基本吻合,滑塊上死點的定位誤差在0.01mm內,仿真位移曲線與給定位移曲線之間的延時誤差為0.02s。圖8b為在圖3所示模型中關閉蓄能器后的滑塊位移仿真結果,可以看出,在關閉蓄能器后,滑塊不能在給定時間內到達上死點,且在快速下行階段滑塊位移存在波動。圖8c為在圖3所示模型中關閉蓄能器且把泵的輸出流量加倍至110L·min4在實驗中的應用(1)介紹了大噸位精沖機的工作原理,設計了一種快速缸液壓系統和分階段PID控制方法,并在AMESim軟件中建立了仿真模型,對快速缸的壓力、速度、位移進行了仿真。(2)在精沖機樣機上進行了實驗,給定曲線、仿真曲線、實驗曲線基本吻合,驗證了仿真模型的正確性的同時,也說明了設計的快