CN103558406B - 一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法，具体包括如下步骤：建立锻锤下打过程的基于机理模型的软仪表模型，其中把液压缸下腔的压力值作为辅助变量即软仪表模型输入变量，把锤头的速度值作为主导变量，建立两者之间的数学关系模型；通过压力传感器采集锻锤下打过程中液压缸下腔的压力值，通过磁栅尺采集下打过程中锤头的位移量；通过压力传感器和磁栅尺采集得到的数据，结合建立的软仪表模型，对模型中未知参数进行参数优化辨识；经过仿真分析，得到液压锻锤的锤头速度。本发明采用基于机理模型的锻锤锤头速度软仪表构造方法，实现了对锻锤中难以通过物理传感器直接测量的速度值构造软仪表进行测量。

Description

一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法，属于金属成型设备中的液压锻锤速度检测领域。

背景技术

液压锻锤是指以液压油为工作介质，利用液压传动来带动锤头作上下运动，完成锻压工艺的锻压设备。用锻锤锻出的锻件具有生产率高、材料力学性能好、尺寸稳定、成本较小等优点，被广泛应用于汽车、矿山、工程等行业中。

液压锻锤锤头速度检测是实现精确能量打击的重要基础。如果能够实时检测到锤头的打击速度，可以为优化打击能量建立基础，从而达到节能降耗，延长模具工作寿命的效果。然而，由于锻压现场存在振动强、温度高、粉尘多等问题，现有速度传感器很难长期可靠的检测锻锤锤头速度。

发明内容

针对现有技术中液压锻锤锤头速度检测技术存在的上述问题，本发明提供一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法。

本发明的技术方案是：

一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法，具体包括如下步骤：

A、通过分析液压锻锤打击时刻的工作原理，建立锻锤下打过程的基于机理模型的软仪表模型，其中把液压缸下腔的压力值作为辅助变量即软仪表模型输入变量，把锤头的速度值作为主导变量，建立两者之间的数学关系模型；所述锻锤下打过程包括打击阀开启阶段和打击阀关闭阶段。

B、通过压力传感器采集锻锤下打过程中液压缸下腔的压力值，通过磁栅尺采集下打过程中锤头的位移量；

C、通过压力传感器和磁栅尺采集得到的数据，结合步骤A中建立的软仪表模型，对模型中未知参数进行参数优化辨识，从而得到一个更加符合实际工况的软仪表模型；

D、将参数优化辨识后的未知参数值再代入到步骤A中建立的软仪表模型中，经过仿真分析，得到液压锻锤的锤头速度。

进一步，所述液压锻锤系统包括液压泵、蓄能器、液压缸、打击阀、压力传感器、磁条、锤头、磁栅传感器、锻锤机架；液压泵和蓄能器组合构成传动系统，液压缸上腔和液压缸下腔均通液压油，液压缸下腔始终与蓄能器相通，打击阀单独对液压缸上腔进行控制，压力传感器与液压缸下腔连接，液压泵分别与蓄能器和液压缸下腔相连，磁条直接粘贴在锤头侧面，磁栅传感器固定在锻锤机架上，磁条与磁栅传感器之间的距离以磁条经过磁栅传感器时能产生稳定的脉冲为准。

进一步，在所述打击阀开启阶段，来自液压泵、蓄能器及液压缸下腔的三部分液压油进入液压缸上腔，从而推动锤头加速下打，这一阶段的数学模型如下：

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式中：是液压缸上腔压力、是液压缸下腔压力、是液压缸上腔面积、是液压缸下腔面积、是锤头质量、是锤头速度、是气体常数、是气体多变指数、是蓄能器的初始压力、是蓄能器的初始体积、是蓄能器最大压力时的气体容积、是第一阶段时的蓄能器体积、是油泵理论流量、是油泵回路泄露折算系数、是锤头位移。

进一步，在所述打击阀关闭阶段，锤头减速向下，液压缸下腔排出的油和液压泵打出的油进入蓄能器，这一阶段的数学模型如下：

，

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式中：是液压缸下腔压力、是液压缸上腔面积、是液压缸下腔面积、是锤头质量、是锤头速度、是气体常数、是气体多变指数、是第一阶段时的蓄能器体积、是第二段时的蓄能器体积、是油泵理论流量、是油泵回路泄露折算系数、是锤头位移。

本发明的有益效果是：

本发明一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法，采用基于机理模型的锻锤锤头速度软仪表构造方法，能够快速、准确得出锻锤打击时锤头运动的速度，实现了对锻锤中难以通过物理传感器直接测量的速度值构造软仪表进行测量。

附图说明

图1是本发明中液压锻锤系统的结构示意图；

图2是液压锻锤系统中磁栅尺及锤头部分的结构示意图；

图3是经过仿真分析后得到的锤头位移曲线图；

图4是经过仿真分析后得到的锤头速度曲线图。

图中：1、液压泵；2、蓄能器；3、液压缸上腔；4、液压缸下腔；5、打击阀；6、压力传感器；7、锤头；8、磁条；9、磁栅传感器；10、锻锤机架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法，所谓软仪表是指，根据物理、化学、力学等科学原理，对某一物理系统进行数学模拟而建立的用于计算系统内某一个或多个物理数据的数学模型，其可结合工控平台测量物理数据。在本发明中，采用了基于机理模型的锻锤锤头速度软仪表构造方法，对锻锤中难以通过物理传感器直接测量的速度值构造软仪表进行测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

通过分析液压锻锤打击时刻的工作原理，建立锻锤下打过程的基于机理模型的软仪表模型，其中把液压缸下腔的压力值作为辅助变量即软仪表模型输入变量，把锤头的速度值作为主导变量，建立两者之间的数学关系。

通过压力传感器采集锻锤下打过程中液压缸下腔的压力值。通过磁栅尺采集下打过程中锤头的位移量。

通过压力传感器和磁栅尺采集得到的数据，结合上面建立的软仪表模型，对模型中未知参数进行参数优化辨识，从而得到一个更加符合实际工况的软仪表模型。

如图1所示，该锻锤液压系统采用了液压泵1-蓄能器2组合传动，液压缸上腔3和下腔4均通液压油，下腔4始终与蓄能器2相通，液压控制系统通过打击阀5单独对上腔进行控制，压力传感器6与液压缸下腔4连接。分析液压锤打击时刻的工作原理，可将锻锤下打过程分为两个阶段：

第一阶段，即打击阀开启阶段。此时来自液压泵1、蓄能器2及液压缸下腔4的三部分液压油进入液压缸上腔3，从而推动锤头7加速下打。可得这一阶段的数学模型如下：

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式中：是液压缸上腔压力、是液压缸下腔压力、是液压缸上腔面积、是液压缸下腔面积、是锤头质量、是锤头速度、是气体常数、是气体多变指数、是蓄能器的初始压力、是蓄能器的初始体积、是蓄能器最大压力时的气体容积、是第一阶段时的蓄能器体积、是油泵理论流量、是油泵回路泄露折算系数、是锤头位移。

第二阶段，即打击阀5关闭阶段，锤头7减速向下，下腔4排出的油和液压泵1打出的油进入蓄能器2。可得这一阶段的数学模型如下：

，

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式中：是液压缸下腔压力、是液压缸上腔面积、是液压缸下腔面积、是锤头质量、是锤头速度、是气体常数、是气体多变指数、是第一阶段时的蓄能器体积、是第二段时的蓄能器体积、是油泵理论流量、是油泵回路泄露折算系数、是锤头位移。

 如图2所示，将磁条8直接粘贴在锤头侧面，磁栅传感器9固定在锻锤机架10上，磁条与磁栅传感器之间的距离以磁条经过磁栅传感器时能产生稳定的脉冲为准。

上面推出的液压锻锤回路的软仪表模型中，有两个参数在实际的工况中是比较难确定的，一个是蓄能器的气体多变指数n，另一个是液压泵的回路泄露折算系数K。在理论情况下，这两个参数的取值都是根据相应的经验公式推出，其中，n的范围为1～1.4，K的范围是1.1～1.2，并不能得到一个精确的、符合当前实际工况的参数值。我们可以对这两个参数进行辨识，得出当前工况下的精确值。

以下打过程中的第一阶段为主，经过对方程（1）的推导，得出模型参数的辨识方程：

式中：是锤头位移、是锤头位移所用的时间。

当锻锤进行打击时，压力传感器和磁栅传感器分别记录下液压缸下腔的压力值数据和锤头的位移数据，根据上述模型参数的辨识方程，利用非线性最小二乘法对n、K值进行参数估计，得到符合当前工况下的参数值。

在这里，我们选取打击能量为60KJ，打击行程为0.8m的工作情况进行现场数据采集，并把这些数据点代入到辨识方程中进行参数辨识，得到n=1.3969，K=1.1015。将参数辨识后的n、K值再代入到软仪表模型中，经过仿真分析后得到的锤头位移示意图如图3所示，锤头速度示意图如图4所示，与设定值相比较，预测误差能够控制在±2%以内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法，具体包括如下步骤：

A、通过分析液压锻锤打击时刻的工作原理，建立锻锤下打过程的基于机理模型的软仪表模型，其中把液压缸下腔的压力值作为辅助变量即软仪表模型输入变量，把锤头的速度值作为主导变量，建立两者之间的数学关系模型；所述锻锤下打过程包括打击阀开启阶段和打击阀关闭阶段；

在所述打击阀开启阶段，来自液压泵、蓄能器及液压缸下腔的三部分液压油进入液压缸上腔，从而推动锤头加速下打，这一阶段的数学模型如下：

$\stackrel{\·}{v}=p_1{A}_1-p_2{A}_2+\mathrm{mg},$

$p_1=p_2=\frac{G}{V_2^n},$

$G-p_0{V}_0^n,$

$V_2=V_1+\∫((A_1-A_2)v-Q_{\mathrm{pth}}\×K)\mathrm{dt},$

s＝∫vdt；

式中：p₁是液压缸上腔压力、p₂是液压缸下腔压力、A₁是液压缸上腔面积、A₂是液压缸下腔面积、m是锤头质量、v是锤头速度、G是气体常数、n是气体多变指数、p₀是蓄能器的初始压力、V₀是蓄能器的初始体积、V₁是蓄能器最大压力时的气体容积、V₂是第一阶段时的蓄能器体积、Q_pth是油泵理论流量、K是油泵回路泄露折算系数、s是锤头位移；

在所述打击阀关闭阶段，锤头减速向下，液压缸下腔排出的油和液压泵打出的油进入蓄能器，这一阶段的数学模型如下：

$m\stackrel{\·}{v}=\mathrm{mg}-p_2{A}_2,$

$p_2=\frac{G}{V_3^n},$

$V_3=V_2-\∫(A_{1}v+Q_{\mathrm{pth}}\×K)\mathrm{dt},$

s＝∫vdt；

式中：p₂是液压缸下腔压力、A₁是液压缸上腔面积、A₂是液压缸下腔面积、m是锤头质量、v是锤头速度、G是气体常数、n是气体多变指数、V₂是第一阶段时的蓄能器体积、V₃是第二段时的蓄能器体积、Q_pth是油泵理论流量、K是油泵回路泄露折算系数、s是锤头位移；

B、通过压力传感器采集锻锤下打过程中液压缸下腔的压力值，通过磁栅尺采集下打过程中锤头的位移量；

C、通过压力传感器和磁栅尺采集得到的数据，结合步骤A中建立的软仪表模型，对模型中未知参数进行参数优化辨识，从而得到一个更加符合实际工况的软仪表模型；

D、将参数优化辨识后的未知参数值再代入到步骤A中建立的软仪表模型中，经过仿真分析，得到液压锻锤的锤头速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于软仪表的液压锻锤系统锤头速度测量方法，其特征在于：所述液压锻锤系统包括液压泵(1)、蓄能器(2)、液压缸、打击阀(5)、压力传感器(6)、磁条(8)、锤头(7)、磁栅传感器(9)、锻锤机架(10)；液压泵(1)和蓄能器(2)组合构成传动系统，液压缸上腔(3)和液压缸下腔(4)均通液压油，液压缸下腔(4)始终与蓄能器(2)相通，打击阀(5)单独对液压缸上腔(3)进行控制，压力传感器(6)与液压缸下腔(4)连接，液压泵(1)分别与蓄能器(2)和液压缸下腔(4)相连，磁条(8)直接粘贴在锤头(7)侧面，磁栅传感器(9)固定在锻锤机架(10)上，磁条(8)与磁栅传感器(9)之间的距离以磁条(8)经过磁栅传感器(9)时能产生稳定的脉冲为准。