CN101852229B - 一种用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,包括支撑架,分别固定在支撑架上的前大轴和后大轴,与前大轴相连且可围绕前大轴转动的第一吊杆。用于实现大梁和负载在垂直方向上运动的至少一个垂直液压缸,用于实现大梁和负载在水平方向上运动的至少一个水平液压缸,用于实现大梁和负载做俯仰运动的俯仰液压缸,用于控制垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸进行运动的控制单元,用于检测垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸的压力值以及位移值的检测单元。利用本发明的实验台进行控制器的稳定性和可靠性实验,可以将在实际机械系统上进行的实验搬到实验室中进行,从而可以大大降低实验成本和实验风险。

Description

一种用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台
技术领域
本发明涉及一种实验台,特别是涉及一种用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台。
背景技术
随着我国重大行业对大型铸锻件的大量需求及对大型铸锻件质量要求的提高,锻造操作机工艺能力要求逐步提高,因而对锻造操作机的负载能力、控制精度、工作频率等提出了新的要求。由于此类重型设备的使用寿命较长,其机械系统更新换代速度较慢,所以提高其性能的常用方法是在原有的机械设备基础之上进行改造,换用高性能液压阀、采用PLC及计算机等进行控制,从而提高其自动化水平。这在一定程度上提高了锻造操作机的控制精度和工作效率,然而在机构中存在的运动学耦合及动力学非线性等因素制约了机构响应速度的提升。随着液压伺服设备性能的提升及计算机技术、控制理论等的发展,使基于动力学模型的闭环位置控制方法在此类设备的控制中的应用成为可能。
目前工程应用当中,通常采用稳定性比较高的PID控制器,并采用缓冲液压缸或缓冲弹簧等被动控制方法来解决冲击问题。重载条件下液压系统非线性及机构动力学非线性方面在一定程度上限制了锻造操作机工作频率的提升。非线性控制器在解决这两个方面问题时表现出很好的性能。但是对于这些重载大惯量装备,控制器的可靠性和稳定性是非常重要的两个方面,因此,需要在实际锻造操作机上对控制器的可靠性以及稳定性进行实验。但是,这会造成实验成本高、风险大、危险大等缺陷,因此需要能够在实验室中对控制器的性能进行测试。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明的一个目的在于提出一种具有操作安全、结构简单、成本低廉的实验台,在该实验台上开展实验,可以对液压伺服驱动系统动力学控制进行研究,检验控制器在重载大惯量设备中工作的可靠性和稳定性。
根据本发明的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,包括支撑架,分别固定在所述支撑架上的前大轴和后大轴,与所述前大轴相连且可围绕所述前大轴转动的第一吊杆。用于实现大梁和负载在垂直方向上运动的至少一个垂直液压缸,所述垂直液压缸的缸体分别与所述支撑架相连,其活塞杆通过支耳与所述第一吊杆相连。一端与所述第一吊杆相连的第三吊杆,且所述第三吊杆可围绕与所述第一吊杆相连的端点转动。用于实现所述大梁和所述负载在水平方向上运动的至少一个水平液压缸,所述水平液压缸的缸体分别与所述支撑架相连,其活塞杆通过支耳与所述第三吊杆相连。与所述后大轴相连且可围绕所述后大轴转动的第二吊杆。连接在所述第一吊杆和第二吊杆之间以使所述第一吊杆和第二吊杆同步的至少一个平行连杆。用于实现所述大梁和所述负载做俯仰运动的俯仰液压缸,所述俯仰液压缸的中间部位与所述第二吊杆相连,其活塞杆通过支耳与所述大梁相连,和用于控制所述垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸进行运动的控制单元,用于检测所述垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸进油口和出油口的压力值以及位移值的检测单元。
利用本发明的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台进行动力学控制实验,可以将在实际机械系统上进行的实验搬到实验室中进行,从而可以大大降低实验成本和实验风险。并且利用本发明实施例提出的实验台可以进行三个方面的实验:(1)液压系统非线性的液压伺服驱动系统动力学控制实验研究;(2)机构尤其是考虑负载重力的动力学控制实验研究;(3)并行布置液压缸同步驱动伺服控制实验研究。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明的用于液压伺服驱动系统力学控制的实验台的结构示意图;
图2是本发明的用于液压伺服驱动系统力学控制的实验台的主视图;
图3是本发明的用于液压伺服驱动系统力学控制的实验台的主要运动部件示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,术语“纵向”、“横向”、“上方”、“下方”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
从图1至图3可以看到,本发明的用于液压伺服系统动力学控制的实验台包括:三自由度并联机构,控制单元,检测单元以及动力提供单元。
其中,三自由度并联机构进一步包括:控制大梁8和负载9做垂直运动的垂直液压缸1和2,控制大梁8和负载9做水平运动的水平液压缸3和4,控制大梁8和负载9做俯仰运动的俯仰液压缸5,其中,垂直液压缸1和2并行布置,需进行同步控制,液压缸3和4并行布置,需进行同步控制,液压缸5不需同步控制。在液压缸1至5的作用下可以调节大梁8的姿态角(大梁与水平线的夹角)以及负载9的P点位置坐标。
其中,控制单元(图中未示出)用于控制垂直液压缸1和2、水平液压缸3和4以及俯仰液压缸5进行运动。
其中,检测单元(图中未示出)用于检测直液压缸1和2、水平液压缸3和4以及俯仰液压缸5进油口和出油口的压力值以及位移值。在本发明一个实施例中,检测单元可以包括垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸的活塞杆与其支耳之间安装的拉压力传感器和安装于缸体一侧的光栅尺位移传感器。
其中,动力提供单元(图中未示出)用以向直液压缸1和2、水平液压缸3和4以及俯仰液压缸5提供动力,其可以采用液压泵站。
根据本发明的一个实施例,本发明实施例提出的用于液压伺服驱动系统力学控制的实验台可以按如下方式进行连接:垂直液压缸1和垂直液压缸2的下端与支撑架15通过转动关节相连,其活塞杆上端通过转动关节与第一吊杆11相连。水平液压缸3与水平液压缸4左端与支撑架15通过转动关节相连,其活塞杆右端通过转动关节与第三吊杆10相连。俯仰液压缸5中部E处通过转动关节与第二吊杆12相连,其活塞杆下端通过转动关节与大梁8左端相连。
第一吊杆11通过前大轴13与支撑架15相连,第一吊杆11可绕前大轴13转动。第二吊杆12通过后大轴14与支撑架15相连,第二吊杆12可绕后大轴14转动。前大轴13和后大轴14之间距离与第一吊杆11和第二吊杆12的转动关节轴心距离相等,且前大轴13和后大轴14轴心在同一水平面上。平行连杆6和平行连杆7的左端C处与第二吊杆12通过转动关节相连,右端D处与第一吊杆11通过转动关节相连。由于AB长度等于CD长度,四边形ABCD是一平行四边形结构,因此第一吊杆11与第二吊杆12的转动同步。第三吊杆10上端通过转动关节与第一吊杆11在F处的轴相连,下端通过转动关节与大梁8在G处相连。
负载9通过轴与大梁8相连,在本发明的一个实施例中,负载9由多个配重片组成,其质量可以通过增减配重片的数量来进行调节,在本发明的另一个实施例中,大梁8右端可设有多个孔,负载9与大梁8的相对位置可以通过将其安装在大梁8右端的不同的孔内进行调节。
实验中可将支撑架15固定在地面上,垂直液压缸1与垂直液压缸2做伸/缩运动时,第一吊杆11和第二吊杆12做逆时针/顺时针转动,通过第三吊杆10带动大梁8和负载9做Y方向垂直运动;水平液压缸3和水平液压缸4做伸/缩运动时,推动/拉动第三吊杆10做X水平方向运动,从而带动大梁8和负载9做X方向水平运动,进而,大梁8带动俯仰液压缸5做逆时针/顺时针运动;俯仰液压缸5做伸/缩运动时,使大梁8绕第三吊杆10在G处的轴做逆时针/顺时针运动。
这样,通过本发明实施例,大梁8的垂直运动可用来模拟与压机进行联动锻压时的工艺动作,大梁8的水平前后运动可用来模拟钳杆带动工件前后移动时的工艺动作,大梁8的俯仰运动可用来模拟钳杆带动工件俯仰摆动时的工艺动作。
在本发明实施例中,所有液压缸都为普通差动液压缸,有杆腔和无杆腔的压力通过压力传感器变换后经数据采集卡上传到计算机中。液压缸1至5的活塞位移通过光栅尺位移传感器进行测量。液压缸1至5由伺服阀进行控制,伺服阀输入信号由控制器给出,液压缸1至5活塞杆与其支耳之间安装拉压力传感器以获得更准确的输出力的值。
采用本发明实施例提出的用于液压伺服系统动力学控制的实验台,可以开展如下三个方面的实验:
1)考虑液压系统非线性的液压伺服驱动系统动力学控制实验研究
实验时去掉垂直液压缸2和水平液压缸4,机构不存在冗余驱动。垂直液压缸1、水平液压缸3以及俯仰液压缸5作为独立的控制单元,机构动力学对液压缸1、3和5的影响作为干扰处理。针对每个液压缸,基于其非线性的动力学模型设计非线性控制器,对比这种方法与经典控制方法的效果。
2)考虑机构尤其是负载重力的动力学控制实验研究
实验时去掉垂直液压缸2、水平液压缸4,机构不存在冗余驱动。为垂直液压缸1、水平液压缸3以及俯仰液压缸5设计控制器时同时考虑液压系统的非线性和机构的动力学。实验时,垂直液压缸1、水平液压缸3和俯仰液压缸5三组液压缸同时动作,通过增减负载9来观察控制器由于负载9的变化所导致的控制器性能变化情况。各液压缸的控制器设计互相不独立。
3)并行布置液压缸同步驱动伺服控制实验研究
实施方案一:水平液压缸3和水平液压缸4及俯仰液压缸5不驱动或者用固定的连杆代替。仅垂直液压缸1与垂直液压缸2动作,这两个液压缸并行布置,需要同步控制。研究不同控制策略下垂直液压缸1与垂直液压缸2的位置跟踪控制情况及输出驱动力情况。
实施方案二:安装所有液压缸,所有液压缸皆动作。垂直液压缸1与垂直液压缸2并行布置,需要同步控制;水平液压缸3和水平液压缸4并行布置,需要同步控制。研究不同控制策略下并行布置的液压缸的位置跟踪控制情况及输出驱动力情况。
利用本发明的用于液压伺服系统动力学控制的实验台,可以将需要在实际锻造机上进行的动力学控制实验搬到实验室中进行,从而可以大大降低实验成本和实验风险。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,包括:
支撑架;
分别固定在所述支撑架上的前大轴和后大轴;
与所述前大轴相连且可围绕所述前大轴转动的第一吊杆;
用于实现大梁和负载在垂直方向上运动的至少一个垂直液压缸,所述垂直液压缸的缸体分别与所述支撑架相连,其活塞杆通过支耳与所述第一吊杆相连;
一端与所述第一吊杆相连的第三吊杆,且所述第三吊杆可围绕与所述第一吊杆相连的端点转动;
用于实现所述大梁和所述负载在水平方向上运动的至少一个水平液压缸,所述水平液压缸的缸体分别与所述支撑架相连,其活塞杆通过支耳与所述第三吊杆相连;
与所述后大轴相连且可围绕所述后大轴转动的第二吊杆;
连接在所述第一吊杆和第二吊杆之间以使所述第一吊杆和第二吊杆同步的至少一个平行连杆;
用于实现所述大梁和所述负载做俯仰运动的俯仰液压缸,所述俯仰液压缸的中间部位与所述第二吊杆相连,其活塞杆通过支耳与所述大梁相连;
用于控制所述垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸进行运动的控制单元;以及
用于检测所述垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸进油口和出油口的压力值以及位移值的检测单元。
2.根据权利要求1所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述前大轴和所述后大轴之间的距离等于所述第一吊杆和第二吊杆之间平行连杆的长度,所述第一吊杆和所述第二吊杆转动同步。
3.根据权利要求2所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述前大轴和所述后大轴的轴心在同一水平面上。
4.根据权利要求1所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述第三吊杆与所述水平液压缸的连接轴以及所述第三吊杆与所述大梁的连接轴共轴心。
5.根据权利要求1所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述检测单元包括:
所述垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸的活塞杆与其支耳之间安装的拉压力传感器和安装于缸体一侧的光栅尺位移传感器。
6.根据权利要求1所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述垂直液压缸、水平液压缸和俯仰液压缸为普通差动液压缸。
7.根据权利要求1所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述负载由多片配重组成,其位置和质量可调。
8.根据权利要求7所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述大梁的一端设有多个负载安装孔,可以通过将所述负载安装在不同的安装孔上来调节所述负载的位置。
9.根据权利要求1所述的用于液压伺服驱动系统动力学控制的实验台,其特征在于,所述垂直液压缸的数量为两个,且在大梁两侧呈对称分布,且所述两个垂直液压缸同步运动;所述水平液压缸的数量为两个,且在大梁两侧呈对称分布,且所述两个水平液压缸同步运动;所述平行连杆的数量为两个,且在大梁两侧呈对称分布。
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