花鍵擠壓機數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖設(shè)計及液壓雙缸同步技術(shù)開題報告

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）之開題報告</p><p>　　花鍵擠壓機數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖設(shè)計及液壓雙缸同步技術(shù)</p><p><b>　　學(xué)院： </b></p><p><b>　　專業(yè)： </b></p><p><b>　　班級： </b></p>

2、<p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)號：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師： </b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）之開題報告</p><p>　　花鍵擠壓機數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖設(shè)計及液壓雙缸同步技術(shù)</p>

3、<p><b>　　課題相關(guān)背景</b></p><p><b>　　課題來源</b></p><p>　　花鍵擠壓機是常用的花鍵生產(chǎn)設(shè)備，能夠獲得質(zhì)量較高的花鍵，同時可以較好的提高花鍵的生產(chǎn)效率。本課題來自華中科技大學(xué)數(shù)控中心與青島生建公司的合同項目——16K花鍵軸擠壓機機床（以下簡稱花鍵擠壓機）數(shù)控改造?；ㄦI機的旋轉(zhuǎn)雙軸同步技術(shù)的

4、研究是花鍵擠壓機研制的重要技術(shù)之一。通過滿足一定精度要求的旋轉(zhuǎn)雙軸同步，使花鍵擠壓機生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。</p><p><b>　　課題目的</b></p><p>　　本課題采用16k數(shù)控擠壓機生產(chǎn)花鍵軸?；ㄦI擠壓機進行花鍵加工的關(guān)鍵技術(shù)是兩個成型壓（滾）輪之間的位移同步控制技術(shù)以及兩個成型壓輪旋轉(zhuǎn)同步控制技術(shù)。根據(jù)花鍵擠壓機的工作原理，成型壓輪的位移必須通過液壓油

5、缸驅(qū)動，以產(chǎn)生迫使金屬局部塑性變形所需要的擠壓力；在成型擠壓過程中，不僅兩個成型壓輪的位移量、位移速度要相同，即實現(xiàn)完全同步，而且位移速度要可調(diào)可控；同時兩個成型壓輪的旋轉(zhuǎn)速度也要保持同步，且旋轉(zhuǎn)速度要可調(diào)可控，且與成型壓輪的位移速度要匹配。</p><p>　　要達(dá)到上述的目的，傳統(tǒng)的機械同步時無法滿足要求的，必須采用數(shù)字化的控制技術(shù)予以實現(xiàn)。本課題擬在分析數(shù)控花鍵擠壓機工作原理，繪制花鍵擠壓機的結(jié)構(gòu)原理圖，用

6、狀態(tài)機圖繪制、描述數(shù)控花鍵擠壓機工作過程的基礎(chǔ)上，研究花鍵擠壓機數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一液壓雙缸同步技術(shù)。</p><p>　　花鍵擠壓機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 花鍵擠壓機結(jié)構(gòu)簡圖</p><p><b>　　3、課題意義</b></p><p>　　花鍵聯(lián)接具有面積接觸大，承載能力高，定心

7、性和導(dǎo)向性好等優(yōu)點，所以具有廣泛的應(yīng)用。以前的花鍵加工一般都采用切削加工，每件加工的時間一般都很長，切削出來的花鍵精度受刀具、毛坯、機床的影響，波動比較大。</p><p>　　花鍵擠壓機床是一種無切削、高效成型機床，在大批量花鍵制造行業(yè)具有重大作用，有著廣闊的應(yīng)用前景。相比于同一規(guī)格的花鍵銑齒機、花鍵滾齒機，花鍵擠壓機結(jié)構(gòu)簡單、效率高、加工精度基本相當(dāng)且齒面硬度大大提高，耐磨性也隨之提高。因此，在大批量花鍵生產(chǎn)

8、中，采用花鍵擠壓機具有無可比擬的優(yōu)點和優(yōu)勢。</p><p><b>　　4、國內(nèi)外慨況</b></p><p>　　主要針對液壓雙缸同步控制技術(shù)進行調(diào)查。</p><p>　　隨著對液壓傳動系統(tǒng)高效率、低噪聲、無震動、高精度、低故障等的要求，對同步的要求也越來越高，因此需用液壓同步的方法來保證同步的要求。按構(gòu)成回路的控制元件的不同，液壓同步回

9、路主要有流量控制和體積控制兩大類，按控制方式的不同，液壓同步控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　開關(guān)式(開環(huán)) 同步控制系統(tǒng)</p><p>　　1) 流量控制閥實現(xiàn)同步回路</p><p>　　(1) 節(jié)流閥的同步回路 如圖1.2b 所示, 選用相同型號的節(jié)流閥, 可以達(dá)到基本同步, 加上橋式整流回路可實現(xiàn)雙向同步。該系統(tǒng)簡單, 成本低,

10、 若同步精度要求高可采用帶溫度補償?shù)恼{(diào)速閥或在系統(tǒng)中設(shè)穩(wěn)流閥等。</p><p>　　(2) 分流集流閥的同步回路 用分流集流閥可使兩負(fù)載不同的液壓缸同步, 如圖1.2c 所示, 因壓降與流量成平方下降, 當(dāng)流量Q過小時分流精度將顯著下降, 故該系統(tǒng)流量范圍較窄, 不適用于低壓。</p><p>　　圖1.2 流量控制閥實現(xiàn)同步回路</p><p>　　2) 體積控

11、制實現(xiàn)同步回路體積控制實現(xiàn)的同步精度比流量控制閥實現(xiàn)的同步精度高。</p><p>　　(1) 串聯(lián)缸的同步回路 對單伸桿串聯(lián)</p><p>　　缸要求一個缸的有桿腔有效面積等于另一個缸的無桿腔有效作用面積, 對雙伸桿如圖1.3a 所示可實現(xiàn)雙向同步。</p><p>　　圖1.3 體積控制同步回路</p><p>　　(2) 同步缸的同步

12、回路 如圖1.3b 所示的同步缸起著配流的作用, 在其2 個活塞上設(shè)有雙作用單向閥,可在行程端點消除兩液壓缸的同步誤差。</p><p>　　(3) 并聯(lián)馬達(dá)的同步回路 如圖1.3c, 用2 個同軸等排量的液壓馬達(dá)作配流環(huán)節(jié), 輸出相同流量保證缸的同步。由單向閥和溢流閥組成的補油回路可消除行程端點的同步誤差。</p><p>　　(4) 并聯(lián)泵的同步回路 如圖1.3d, 用2 個同軸等排量

13、泵直接向兩缸供油, 兩換向閥應(yīng)同時動作, 在消除端點誤差時, 換向閥可單獨動作。</p><p>　　3) 力同步和位置同步上述主要是速度的同步, 對力同步只要保證執(zhí)行器的尺寸大小相同并由同一個溢流閥設(shè)定壓力很容易實現(xiàn)力的同步, 位置同步則需在系統(tǒng)中設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)或行程控制機構(gòu)等。但也可像對速度同步一樣實現(xiàn)對力、位置的控制。</p><p>　　液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)</p>&

14、lt;p>　　實際上一個液壓系統(tǒng)不是一個單一回路的系統(tǒng),通常是由幾個回路組成, 多個回路之間會相互影響,即使在一個回路中通常設(shè)有溢流閥調(diào)壓、安全閥保護、節(jié)流閥或調(diào)速閥調(diào)速及換向閥換向等, 它們對執(zhí)行器的同步均會產(chǎn)生靜態(tài)或動態(tài)的影響。同時由于不同工況下負(fù)載的擾動、執(zhí)行器的摩擦阻力、系統(tǒng)泄漏、控制元件間的性能差異、空氣的混入量以及系統(tǒng)各組成部分的制造和安裝誤差等因素的影響, 都會影響執(zhí)行器同步運行的精度。當(dāng)采用開環(huán)控制的液壓同步回路,

15、 同步精度較低; 當(dāng)采用液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng), 可對執(zhí)行器的輸出進行檢測與反饋來構(gòu)成閉環(huán)控制, 盡管該系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本高, 但能消除和抑制對高精度同步控制的不利因素的影響, 可獲得高精度的同步驅(qū)動控制。特別是隨著現(xiàn)代控制理論、智能控制理論以及計算機控技術(shù)的發(fā)展, 這種控制形式在高精度的、自動的液壓同步控制回路中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　閉環(huán)同步控制原理</b></

16、p><p>　　一個執(zhí)行缸跟蹤另一個執(zhí)行缸 原理圖如圖1.4上半部分所示。執(zhí)行缸2 的輸出跟蹤執(zhí)行缸1 的輸出, 加上D/ A、A/ D、放大等元件以及位置控制器的設(shè)計可實現(xiàn)計算機自動控制。控制元件1 可用普通閥,控制元件2 用伺服閥或比例閥。該系統(tǒng)還可與普通控制系統(tǒng)配合實現(xiàn)組合控制。按控制元件設(shè)置的位置。</p><p>　　圖1.4 閉環(huán)同步控制原理</p><p>

17、;　　兩個缸同時跟蹤理想輸入.. 原理圖如圖1.4下半部分所示, 對兩個執(zhí)行缸同時用一套反饋元件進行跟蹤設(shè)定的理想輸入, 也可以用兩套反饋機構(gòu)分別實現(xiàn)對理想輸入的跟蹤控制, 該系統(tǒng)要求每套裝置中元件的性能完全一致。按此原理實現(xiàn)系統(tǒng)如圖1.5。</p><p>　　圖1.5 兩缸同時跟蹤理想輸入</p><p><b>　　2) 分類</b></p>&l

18、t;p>　　按控制元件、反饋檢測裝置的不同, 液壓同步閉環(huán)控制主要有下列類型: 伺服閥組成的系統(tǒng)、比例閥組成系統(tǒng)、數(shù)字缸( 模擬缸) 組成的系統(tǒng)等。</p><p>　　(1) 伺服閥的同步回路.. 根據(jù)反饋方式的不同,又可分為機液伺服閥和電液伺服閥的同步回路: 前者以機械方式將活塞位置誤差反饋給伺服閥, 由伺服閥的隨動調(diào)節(jié)流量, 實現(xiàn)兩缸的同步; 后者將活塞位置以電信號反饋給伺服閥。該系統(tǒng)響應(yīng)速度快, 同

19、步精度高, 但閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 價格高且抗污染能力差, 所以一般適用于高同步精度要求的場合。</p><p>　　(2) 比例閥的同步回路.. 控制元件為電液比例閥。它是介于普通液壓閥的開關(guān)式控制和電液伺服控制之間的控制方式, 它能實現(xiàn)對液流壓力和流量連續(xù)地按比例地跟隨控制信號而變化, 它的控制性能優(yōu)于開關(guān)式控制, 控制精度和響應(yīng)速度低于電液伺服控制,但它的成本較低, 抗污染能力強, 易于實現(xiàn)計算機控制。適合于大功率

20、及較高同步精度的場合。</p><p>　　(3) 數(shù)字缸或模擬缸控制的同步回路.. 隨著自動化控制技術(shù)和機電一體化技術(shù)的發(fā)展, 用數(shù)字信號控制的電液步進液壓缸或模擬信號控制的電液伺服、電液比例液壓缸直接對缸實現(xiàn)位置或速度的同步控制。數(shù)字缸是一種機電液一體化控制元件, 將缸與控制閥、檢測元件等集成為一體, 直接用計算機的數(shù)字量來實現(xiàn)對缸的控制, 其中的D/ A 轉(zhuǎn)換器通常用步進電動機實現(xiàn)將電信號轉(zhuǎn)換為角位移量輸出

21、, 由相同性能的兩套或一臺步進電動機同時驅(qū)動兩個數(shù)字缸可實現(xiàn)同步。模擬缸是將缸、電液伺服或電液比例閥、溢流閥、節(jié)流閥等疊加集成一體, 使缸的活塞移動位移與輸入電信號成比例。此類缸便于控制、體積小、動態(tài)性能好、抗污染, 具有高精度的位置和速度同步。</p><p>　　二、課題內(nèi)容、方案及措施</p><p><b>　　1、預(yù)期達(dá)到目標(biāo)</b></p>

22、<p>　　針對本課題，經(jīng)過初步的調(diào)查研究，在分析、了解數(shù)控花鍵擠壓機的工作原理的基礎(chǔ)上，了解學(xué)習(xí)UML語言及Enterprise Architect軟件的使用方法，以及Linux操作系統(tǒng)及在Linux操作系C語言及實時RTAT編程方法。主要是采用狀態(tài)機方法，描述數(shù)控花鍵擠壓機的工作過程控制圖，并進行相應(yīng)的分析說明；學(xué)習(xí)分析液壓雙缸同步控制技術(shù)，編制液壓雙缸同步控制軟件；設(shè)計、搭建液壓雙缸同步控制的試驗平臺，并進行仿真測試驗證

23、。</p><p><b>　　關(guān)鍵理論和技術(shù) </b></p><p>　　本課題的關(guān)鍵理論和技術(shù)就是采用狀態(tài)機去分析和描述數(shù)控花鍵擠壓機的工作控制過程圖；以及如何實現(xiàn)液壓雙缸同步控制。</p><p><b>　　狀態(tài)圖的設(shè)計</b></p><p>　　采用Enterprise Archite

24、ct軟件進行花鍵擠壓機數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖的設(shè)計。關(guān)于狀態(tài)機的一個極度確切的描述是它是一個有向圖形，由一組節(jié)點和一組相應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)組成。狀態(tài)機通過響應(yīng)一系列事件而“運行”。每個事件都在屬于“當(dāng)前” 節(jié)點的轉(zhuǎn)移函數(shù)的控制范圍內(nèi)，其中函數(shù)的范圍是節(jié)點的一個子集。函數(shù)返回“下一個”（也許是同一個）節(jié)點。這些節(jié)點中至少有一個必須是終態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)終態(tài)， 狀態(tài)機停止。包含一組狀態(tài)集（states）、一個起始狀態(tài)（start state）、一組輸入符號集（a

25、lphabet）、一個映射輸入符號和當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)（transition function）的計算模型。當(dāng)輸入符號串，模型隨即進入起始狀態(tài)。它要改變到新的狀態(tài)，依賴于轉(zhuǎn)換函數(shù)。在有限狀態(tài)機中，會有許多變量，例如，狀態(tài)機有很多與動作（actions）轉(zhuǎn)換(Mealy機)或狀態(tài)（摩爾機）關(guān)聯(lián)的動作，多重起始狀態(tài)，基于沒有輸入符號的轉(zhuǎn)換，或者指定符號和狀態(tài)（非定有 限狀態(tài)機）的多個轉(zhuǎn)換，指派給接收狀態(tài)（識別者）的一個或多個狀態(tài)，

26、等等。 如圖2.1所示：</p><p><b>　　圖2.1 狀態(tài)圖</b></p><p><b>　　同步控制</b></p><p>　　同步系統(tǒng)是實現(xiàn)多個執(zhí)行器以相同位移、相同力或者相等速度運動的回路。大型設(shè)備因負(fù)載力很大或者布局的關(guān)系，需設(shè)多個液壓執(zhí)行器同時驅(qū)動一個執(zhí)行機構(gòu)，例如液壓機中的上液壓缸、壓樁機中的機

27、身升降液壓缸、裝載機中動臂缸等。</p><p>　　同步運動包括力同步、速度同步和位置同步三類。力同步指輸出給各執(zhí)行器的力相同；速度同步指各執(zhí)行器的運動速度相同；位置同步則需保證各執(zhí)行器在運動中和停止時位置處處相等。實際機構(gòu)中的執(zhí)行器多數(shù)為液壓缸。所以，在本課題中我們采用的是液壓雙缸同步來實現(xiàn)對金屬的擠壓而生產(chǎn)出所需花鍵。</p><p>　　3、完成課題的方案及主要措施</p&g

28、t;<p>　　方案一：基于模糊PID技術(shù)。目前，液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)形式很多，依據(jù)其實現(xiàn)的任務(wù)，被控執(zhí)行元件的數(shù)量、類型與結(jié)構(gòu)、安裝與運行方向和控制元件的不同可分成很多類。對于液壓同步閉環(huán)控制來說，同等方式和主從方式是通常采用的兩種控制策略。兩者相比，為獲得高精度的同步輸出，則要求按同等方式工作的液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)的各執(zhí)行元件、反饋、檢測元件及控制元件等的性能具有嚴(yán)格的匹配關(guān)系，這顯然讓工業(yè)實行增加了難度。如圖2

29、.2所示。</p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)改進的主從式同步控制示意圖</p><p>　　仿真結(jié)果表明，該控制算法保證了控制的快速性，提高了系統(tǒng)的跟蹤精度，且具有較好的魯棒性能。</p><p>　　方案二：電液數(shù)字伺服雙缸同步控制系統(tǒng)。</p><p>　　同步控制一直是液壓行業(yè)的一個重要課題，在重載、大型設(shè)備的運動中其作用顯得尤為突出

30、。液壓缸的同步精度不僅影響到機械臂運動的位置精度而且還影響到機械臂運動的協(xié)調(diào)性。現(xiàn)有的液壓同步系統(tǒng)有很多實現(xiàn)方法，有的采用開環(huán)系統(tǒng)，例如機械剛性同步系統(tǒng)、分流集流閥同步系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)一般來說結(jié)構(gòu)簡單，但同步精度較低。在高精度同步應(yīng)用場合，同步控制系統(tǒng)大多采用閉環(huán)控制。例如，采用伺服閥控制的同步系統(tǒng)，這種系統(tǒng)響應(yīng)速度快，同步精度高，但閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗污染能力差，成本高；采用電液比例閥控制的同步系統(tǒng)其抗污染能力較伺服閥強，但由于存在死區(qū)、飽

31、和等非線性，因此影響到其同步精度。如圖2.3.</p><p>　　圖2.3 電液位置同步控制系統(tǒng)</p><p>　　三、課題研究進展計劃</p><p><b>　　四、主要參考文獻</b></p><p>　　[1]諸靜，等，模糊控制原理及應(yīng)用[M]，北京，機械工業(yè)出版社，1995</p><p

32、>　　[2]施光林，等，液壓同步閉環(huán)控制及應(yīng)用[J]，機床與液壓，1997（4）</p><p>　　[3]李卓，等，基于Fuzzy推理的自調(diào)整PID控制器[J]，控制理論與應(yīng)用，1997（4），</p><p>　　[4]聞邦春，趙春雨，蘇東海，等，機械系統(tǒng)的振動同步與控制同步[M]，北京：科學(xué)出版社，2003</p><p>　　[5]李狀云，液壓元件與系

33、統(tǒng)[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[6]王少峰，面向?qū)ο蠹夹g(shù)UML教程，北京，清華大學(xué)，2004</p><p>　　[7]關(guān)景泰，機電液控制技術(shù)，同濟大學(xué)</p><p>　　[8]楊征瑞，等，電液比例與伺服控制，北京，機械工業(yè)出版社</p><p>　　[9]徐寶文，等，C語言設(shè)計語言，北京，機械工業(yè)出版社&l

34、t;/p><p>　　[10]白恩遠(yuǎn)，等，現(xiàn)代數(shù)控機床伺服及檢測技術(shù)，國防工業(yè)出版社</p><p>　　[11]Canudas de W it C,O lsson H,A storm K J,L isch in sky P.A new model for control of systems with friction[J],IEEE Trans Automat Control,1995,4