花鍵擠壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖設(shè)計(jì)及液壓雙缸同步技術(shù)開題報(bào)告

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）之開題報(bào)告</p><p>　　花鍵擠壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖設(shè)計(jì)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(jí)： </b></p>

2、<p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)：</b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師： </b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）之開題報(bào)告</p><p>　　花鍵擠壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)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(xiàng)目——16K花鍵軸擠壓機(jī)機(jī)床（以下簡稱花鍵擠壓機(jī)）數(shù)控改造。花鍵機(jī)的旋轉(zhuǎn)雙軸同步技術(shù)的

4、研究是花鍵擠壓機(jī)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(jī)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?cái)D壓機(jī)生產(chǎn)花鍵軸?；ㄦI擠壓機(jī)進(jìn)行花鍵加工的關(guān)鍵技術(shù)是兩個(gè)成型壓（滾）輪之間的位移同步控制技術(shù)以及兩個(gè)成型壓輪旋轉(zhuǎn)同步控制技術(shù)。根據(jù)花鍵擠壓機(jī)的工作原理，成型壓輪的位移必須通過液壓油

5、缸驅(qū)動(dòng)，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(gè)成型壓輪的位移量、位移速度要相同，即實(shí)現(xiàn)完全同步，而且位移速度要可調(diào)可控；同時(shí)兩個(gè)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(jī)械同步時(shí)無法滿足要求的，必須采用數(shù)字化的控制技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。本課題擬在分析數(shù)控花鍵擠壓機(jī)工作原理，繪制花鍵擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，用

6、狀態(tài)機(jī)圖繪制、描述數(shù)控花鍵擠壓機(jī)工作過程的基礎(chǔ)上，研究花鍵擠壓機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 花鍵擠壓機(jī)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(diǎn)，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(shí)間一般都很長，切削出來的花鍵精度受刀具、毛坯、機(jī)床的影響，波動(dòng)比較大。</p><p>　　花鍵擠壓機(jī)床是一種無切削、高效成型機(jī)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(jī)、花鍵滾齒機(jī)，花鍵擠壓機(jī)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(jī)具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢。</p><p><b>　　4、國內(nèi)外慨況</b></p><p>　　主要針對(duì)液壓雙缸同步控制技術(shù)進(jìn)行調(diào)查。</p><p>　　隨著對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)高效率、低噪聲、無震動(dòng)、高精度、低故障等的要求，對(duì)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(shí)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(hào)的節(jié)流閥, 可以達(dá)到基本同步, 加上橋式整流回路可實(shí)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(bǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)同步回路</p><p>　　2) 體積控

11、制實(shí)現(xiàn)同步回路體積控制實(shí)現(xiàn)的同步精度比流量控制閥實(shí)現(xiàn)的同步精度高。</p><p>　　(1) 串聯(lián)缸的同步回路 對(duì)單伸桿串聯(lián)</p><p>　　缸要求一個(gè)缸的有桿腔有效面積等于另一個(gè)缸的無桿腔有效作用面積, 對(duì)雙伸桿如圖1.3a 所示可實(shí)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(gè)活塞上設(shè)有雙作用單向閥,可在行程端點(diǎn)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(gè)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(bǔ)油回路可消除行程端點(diǎn)的同步誤差。</p><p>　　(4) 并聯(lián)泵的同步回路 如圖1.3d, 用2 個(gè)同軸等排量

13、泵直接向兩缸供油, 兩換向閥應(yīng)同時(shí)動(dòng)作, 在消除端點(diǎn)誤差時(shí), 換向閥可單獨(dú)動(dòng)作。</p><p>　　3) 力同步和位置同步上述主要是速度的同步, 對(duì)力同步只要保證執(zhí)行器的尺寸大小相同并由同一個(gè)溢流閥設(shè)定壓力很容易實(shí)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(jī)構(gòu)等。但也可像對(duì)速度同步一樣實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際上一個(gè)液壓系統(tǒng)不是一個(gè)單一回路的系統(tǒng),通常是由幾個(gè)回路組成, 多個(gè)回路之間會(huì)相互影響,即使在一個(gè)回路中通常設(shè)有溢流閥調(diào)壓、安全閥保護(hù)、節(jié)流閥或調(diào)速閥調(diào)速及換向閥換向等, 它們對(duì)執(zhí)行器的同步均會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的影響。同時(shí)由于不同工況下負(fù)載的擾動(dòng)、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(huì)影響執(zhí)行器同步運(yùn)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(duì)執(zhí)行器的輸出進(jìn)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(duì)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(dòng)控制。特別是隨著現(xiàn)代控制理論、智能控制理論以及計(jì)算機(jī)控技術(shù)的發(fā)展, 這種控制形式在高精度的、自動(dòng)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(gè)執(zhí)行缸跟蹤另一個(gè)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(jì)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制?？刂圃? 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(shí)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(gè)缸同時(shí)跟蹤理想輸入.. 原理圖如圖1.4下半部分所示, 對(duì)兩個(gè)執(zhí)行缸同時(shí)用一套反饋元件進(jìn)行跟蹤設(shè)定的理想輸入, 也可以用兩套反饋機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)如圖1.5。</p><p>　　圖1.5 兩缸同時(shí)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(jī)液伺服閥和電液伺服閥的同步回路: 前者以機(jī)械方式將活塞位置誤差反饋給伺服閥, 由伺服閥的隨動(dòng)調(diào)節(jié)流量, 實(shí)現(xiàn)兩缸的同步; 后者將活塞位置以電信號(hào)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(jià)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(shí)現(xiàn)對(duì)液流壓力和流量連續(xù)地按比例地跟隨控制信號(hào)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(qiáng), 易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(dòng)化控制技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展, 用數(shù)字信號(hào)控制的電液步進(jìn)液壓缸或模擬信號(hào)控制的電液伺服、電液比例液壓缸直接對(duì)缸實(shí)現(xiàn)位置或速度的同步控制。數(shù)字缸是一種機(jī)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(jì)算機(jī)的數(shù)字量來實(shí)現(xiàn)對(duì)缸的控制, 其中的D/ A 轉(zhuǎn)換器通常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移量輸出

21、, 由相同性能的兩套或一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)字缸可實(shí)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(dòng)位移與輸入電信號(hào)成比例。此類缸便于控制、體積小、動(dòng)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(duì)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(jī)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(shí)時(shí)RTAT編程方法。主要是采用狀態(tài)機(jī)方法，描述數(shù)控花鍵擠壓機(jī)的工作過程控制圖，并進(jìn)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(jì)、搭建液壓雙缸同步控制的試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行仿真測試驗(yàn)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(jī)去分析和描述數(shù)控花鍵擠壓機(jī)的工作控制過程圖；以及如何實(shí)現(xiàn)液壓雙缸同步控制。</p><p><b>　　狀態(tài)圖的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　采用Enterprise Archite

24、ct軟件進(jìn)行花鍵擠壓機(jī)數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)圖的設(shè)計(jì)。關(guān)于狀態(tài)機(jī)的一個(gè)極度確切的描述是它是一個(gè)有向圖形，由一組節(jié)點(diǎn)和一組相應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)組成。狀態(tài)機(jī)通過響應(yīng)一系列事件而“運(yùn)行”。每個(gè)事件都在屬于“當(dāng)前” 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的一個(gè)子集。函數(shù)返回“下一個(gè)”（也許是同一個(gè)）節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)中至少有一個(gè)必須是終態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)終態(tài)， 狀態(tài)機(jī)停止。包含一組狀態(tài)集（states）、一個(gè)起始狀態(tài)（start state）、一組輸入符號(hào)集（a

25、lphabet）、一個(gè)映射輸入符號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)（transition function）的計(jì)算模型。當(dāng)輸入符號(hào)串，模型隨即進(jìn)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(jī)中，會(huì)有許多變量，例如，狀態(tài)機(jī)有很多與動(dòng)作（actions）轉(zhuǎn)換(Mealy機(jī))或狀態(tài)（摩爾機(jī)）關(guān)聯(lián)的動(dòng)作，多重起始狀態(tài)，基于沒有輸入符號(hào)的轉(zhuǎn)換，或者指定符號(hào)和狀態(tài)（非定有 限狀態(tài)機(jī)）的多個(gè)轉(zhuǎn)換，指派給接收狀態(tài)（識(shí)別者）的一個(gè)或多個(gè)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(shí)現(xiàn)多個(gè)執(zhí)行器以相同位移、相同力或者相等速度運(yùn)動(dòng)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(gè)液壓執(zhí)行器同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如液壓機(jī)中的上液壓缸、壓樁機(jī)中的機(jī)

27、身升降液壓缸、裝載機(jī)中動(dòng)臂缸等。</p><p>　　同步運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度相同；位置同步則需保證各執(zhí)行器在運(yùn)動(dòng)中和停止時(shí)位置處處相等。實(shí)際機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)形式很多，依據(jù)其實(shí)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(yùn)行方向和控制元件的不同可分成很多類。對(duì)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(shí)行增加了難度。如圖2

29、.2所示。</p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)改進(jìn)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(gè)重要課題，在重載、大型設(shè)備的運(yùn)動(dòng)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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的位置精度而且還影響到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性?，F(xiàn)有的液壓同步系統(tǒng)有很多實(shí)現(xiàn)方法，有的采用開環(huán)系統(tǒng)，例如機(jī)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(qiáng)，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(jìn)展計(jì)劃</p><p><b>　　四、主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]諸靜，等，模糊控制原理及應(yīng)用[M]，北京，機(jī)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)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(jī)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(jī)電液控制技術(shù)，同濟(jì)大學(xué)</p><p>　　[8]楊征瑞，等，電液比例與伺服控制，北京，機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　[9]徐寶文，等，C語言設(shè)計(jì)語言，北京，機(jī)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(jī)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