矯直機的設(shè)計

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1、液壓控制系統(tǒng)結(jié)業(yè)論文 目錄 第一章 緒論 - 1 - 1.1課題研究的背景和意義 - 1 - 1.1.1金屬板材矯直技術(shù)概況 - 1 - 1.1.2平行多輥薄板矯直機國內(nèi)外概況 - 2 - 1.1.3國內(nèi)外實際生產(chǎn)中矯直技術(shù)概況舉例 - 3 - 1.1.4課題研究的提出及意義 - 4 - 1.2本課題的研究內(nèi)容 - 4 - 第二章 液壓矯直機的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成 - 5 - 2.1 矯直原理 - 5 - 2.2液壓矯直機的設(shè)備機構(gòu)及用途概述 - 5 - 2.2.1矯直機本體 - 5 - 2.2.2換輥裝置 - 8 - 2.2.3主傳動裝置 - 8 - 2.3液壓矯

2、直機的液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)備 - 9 - 2.3.1液壓泵站 - 9 - 2.3.2主AGC液壓缸 - 9 - 2.3.3液壓伺服閥臺 - 9 - 2.4液壓矯直機電氣控制系統(tǒng) - 10 - 2.4.1電氣控制系統(tǒng)的方案 - 10 - 2.4.2自動控制系統(tǒng)的功能 - 10 - 2.5本章小結(jié) - 10 - 第三章計算元件的參數(shù)和選型 - 11 - 3.1選擇系統(tǒng)供油壓力 - 11 - 3.2求液壓缸相關(guān)參數(shù) - 11 - 3.3確定伺服閥規(guī)格 - 13 - 3.4 液壓泵計算及選型液壓泵的選擇 - 14 - 3.5 電動機計算及選型 - 15 - 3.6油管的計算

3、- 16 - 3.6.1直徑的計算 - 16 - 3.6.2壁厚的計算 - 16 - 3.7油箱計算及選型 - 17 - 3.7.1油箱的選型 - 17 - 3.7.2 熱平衡計算 - 17 - 3.8壓力傳感器選型 - 18 - 第四章 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計 - 19 - 4.1 擬定系統(tǒng)原理圖 - 19 - 4.2電液伺服閥傳遞函數(shù) - 19 - 4.3液壓缸傳遞函數(shù) - 19 - 4.4 確定閉環(huán)函數(shù)的傳遞函數(shù)及建立數(shù)學模型 - 20 - 4.5 繪制系統(tǒng)開環(huán)伯德圖并根據(jù)穩(wěn)定性確定開環(huán)增益 - 21 - 4.6 求閉環(huán)系統(tǒng)的頻寬 - 22 - 第五章 結(jié)論與展望

4、- 24 - 5.1 論文總結(jié) - 24 - 5.2 存在問題及工作展望 - 24 - 參考文獻 - 26 - 對本課程的意見 - 27 - 第一章 緒論 1.1課題研究的背景和意義 1.1.1金屬板材矯直技術(shù)概況 隨著我國板材生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，各廠家日益認識到板形在生產(chǎn)與市場銷售中的重要性。不良板形的外部表現(xiàn)是板材上常見的中心波浪、邊浪、瓢曲、扭曲、鐮刀彎或局部‘鼓包’等。板材的不良板形實際上在連續(xù)鑄軋過程中就已經(jīng)產(chǎn)生了，連續(xù)鑄軋的溫度、輥形、壓下、冷卻水溫、水壓等因素都可能在鑄軋板坯中引起不均勻內(nèi)應(yīng)力，而最終導致板形缺陷。若將板帶看作由無數(shù)條縱向金屬纖維連結(jié)而成的材料，則

5、不良板形材料中內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)，正是因相鄰纖維間存在長度差之故。由于鄰近纖維間的相互制約，長纖維受壓應(yīng)力，短纖維受拉應(yīng)力。因此，板帶橫向厚度差與板形有著密切的關(guān)系。橫向厚差大的板帶，一般板形都不好，但因只需幾微米的橫向厚差即可造成明顯的板形缺陷。因此，有些橫向厚差很小的材料，板形也完全有可能不符合要求[1][2]。 隨著民用消費類產(chǎn)品需求不斷增加，市場對薄板需求也大幅度提升。而薄板往往加工成卷板，這樣便于材料運輸。購買卷材替代板材作為原材料，在現(xiàn)場對卷料按照要求進行加工不僅能夠降低原材料的成本，還能提高利用率。而卷板材生產(chǎn)和運輸時易產(chǎn)生彎曲、翹曲、扭曲、波浪形屈曲，這些變形如果得不到及時有效的矯

6、正，將嚴重影響著產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的提高，尤其是本身作為工具的高精密儀器儀表和刀具，它們對用材平整度要求極其苛刻。 目前，控制手段良好的冷軋機，在冷軋過程中能部分的改善不良板形，但卻不可能徹底消除。而有些冷軋機比較落后，生產(chǎn)過程完全由人工操作，因此，在改善板形方面存在不少困難。矯直技術(shù)多用于金屬板材加工的后部工序，尤其是精整矯直是從根本上改善板形的最終工序，決定了產(chǎn)、成品的最終質(zhì)量水平[3][4]。 矯直工序由各種矯直機來完成，現(xiàn)在正在應(yīng)用的矯直機按工作原理不同劃分為五大類: ①復彎曲式矯直機，如壓力矯直機及輥式矯直機，他們是靠壓頭或輥子在同一個平面內(nèi)對工件進行反復壓彎并逐漸減小壓彎量，直到

7、壓彎量與彈復量相等而變直。 ②旋轉(zhuǎn)彎曲式矯直機，是工件在塑性彎曲狀態(tài)下以旋轉(zhuǎn)變形方式從大的彎矩區(qū)向小的等彎矩區(qū)過渡，在走出塑性區(qū)時彈復變直。旋轉(zhuǎn)者可以是工件，也可以是變形方位。如常見的斜輥矯直機，轉(zhuǎn)毅式矯直機及平動式矯直機。 ③拉伸矯直機，它依靠拉伸變形把原來長短不一的縱向纖維拉成等長度并進入塑性變形后經(jīng)卸載及彈復而變直，如鉗式拉伸矯直機及連續(xù)拉伸矯直機。 ④拉彎矯直機，他是把拉伸與彎曲變形合成起來使工件兩個表層的較大拉伸及全截面的拉伸變形三者不在同一時間發(fā)生，全斷面各層纖維的彈復變形也不是同時發(fā)生的，既防止了板帶的斷裂，又提高了矯直質(zhì)量。 ⑤拉胚矯直機，它是在拉動連鑄胚下行的同時使鑄

8、胚的弧形彎曲漸伸變直。 對于1一3mm的金屬薄板，平行多輥矯直機應(yīng)用最廣，技術(shù)也最成熟。這種矯直機克服了普通壓力矯直機斷續(xù)工作的特點，成倍地提高了矯直效率，使矯直工序得以進入連續(xù)生產(chǎn)線，而且可以達到很高的矯直精度。 1.1.2平行多輥薄板矯直機國內(nèi)外概況 平行多輥薄板矯直機國內(nèi)外發(fā)展很不平衡，國內(nèi)基本上還停留在傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)及機械傳動方式，位置精度只有士0.smm，而國外已經(jīng)實現(xiàn)了計算機電液自動控制，位置精度已經(jīng)達到0.lmm，且有良好的人機界面，便于現(xiàn)場工程師操作。 在中國銷售高精度薄板矯直機的海外公司主要有三家，瑞士海莫樂公司、臺灣雙郁機械公司和美國的IO認rA精密工業(yè)公司，后兩家

9、公司矯直機都作為卷板材加工流水線工序設(shè)備，而瑞士海莫樂公司作為專業(yè)矯直機制造公司，性能最好。它采用液壓系統(tǒng)來控制矯直機的輥縫，公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、建筑玻璃、精密儀器儀表和工具等領(lǐng)域。這三家的矯直機都能實現(xiàn)計算機數(shù)值控制(CNC)，而且海莫樂公司矯直機能自動感應(yīng)壓應(yīng)力，采用雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)了智能化，但價格不扉，一臺20一30萬美金。 國內(nèi)的情況是:北京機械工業(yè)自動化研究所機器人工程中心開發(fā)的一套開卷、矯平、剪切、堆垛生產(chǎn)線技術(shù)中，矯平機能實現(xiàn)計算機數(shù)值控制(CNC)，但矯直機的間隙調(diào)整由標尺指示，并沒有采用閉環(huán)控制，所以位置控制精度僅有士0.5~。生產(chǎn)制造公司有國營西北機器廠、富地機械、山

10、東省淄博市桓臺齊光鍛壓機床廠、無錫梅里精品機械和湖北重型機器集團，前后輥縫間距全部采用手動機械調(diào)節(jié)，位置精度僅依靠蝸輪控制。所以產(chǎn)品的矯直精度不高，不能應(yīng)用在精矯工序。 由湖北重型集團有限公司同華中理工大學威奇數(shù)控公司合作開發(fā)的輥式板材矯直機系列，經(jīng)過近年的完善和發(fā)展，在理論上和實踐上形成了較成熟的體系。 結(jié)構(gòu)上，采用機械傳動和液壓傳動相結(jié)合的方案，并重點加入了液壓墊這一專利技術(shù)，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)更為緊湊，精度高，噪聲低?？刂品奖?，不僅提供了良好的交互環(huán)境.而且在實時性和預警上也對液壓、機械和電氣各環(huán)節(jié)實現(xiàn)了全面管理。整套控制系統(tǒng)由一臺工控機和PLC組成，矯直精度也達到了0.1mm[5]。

11、 1.1.3國內(nèi)外實際生產(chǎn)中矯直技術(shù)概況舉例 國內(nèi)圓鋸片加工工序一般是:材料切割，利用沖床進行齒形和穿孔加工，手工焊接，磨床表面加工，熱處理，手工矯直，包裝。因此，國內(nèi)圓鋸片生產(chǎn)效率低下，質(zhì)量只是中低檔。影響效率的一個關(guān)鍵因素是矯直工序采用手工方式，而經(jīng)驗豐富的矯直高級技工市場奇缺，這也制約了國內(nèi)圓鋸片質(zhì)量的提高。圓鋸片最為重要的兩個參數(shù)是平整度和跳動，其測量方法是圓鋸片不加張力地放置于平臺上，測量鋸片的端面跳公差，單面最大公差值為跳動，雙面最大公差值為平整度。矯直工序作為最后工序控制這兩個重要參數(shù)，但國內(nèi)多數(shù)都是手工敲擊的方式，此種矯直方式不是從機理方面改善鋸片的性能，反而大范圍的增加了

12、局部殘余應(yīng)力。同時國內(nèi)圓鋸片用材質(zhì)量差，材質(zhì)分布不均，沖床加工留下大量局部殘余應(yīng)力，這些因素都影響著圓鋸片的質(zhì)量。 國外圓鋸片基體制造的加工過程一般為，對于高質(zhì)量的鋸片基體: 預材料的矯直→鋸片基體的切割→鋸片基體的退火→中心孔的加工→鋸片基體的張緊→鋸片基體的矯真→外形加工→鋸片基體的外形加工。而低質(zhì)量的鋸片基體，特別是小規(guī)格的鋸片基體，加工過程省略了中間環(huán)節(jié)，由鋸片基體的切割后直接進行外形加工。 從上面加工過程可以看出，平面研磨工序基本取消，降低了加工成本。通過兩道矯直工序，提高了圓鋸片的平整度。通過高質(zhì)量的軋輥矯直使原材料的狀況得到平衡并達到較高的平整度。由此而得到的激光切割后的

13、鋸片基體沒有影響不良的不平衡現(xiàn)象，并為下道工序提供良好的平整度[6]。 最近十年來國外圓鋸制造行業(yè)出現(xiàn)了三個顯著的特點:l、專用材料，即冷軋和硬度處理后的初加工材料不斷增加;2、激光切割板材，齒形和穿孔加工，減少材料的延伸;3、手工矯平越來越為軋輥矯直取代。這三個方面的發(fā)展為圓鋸片的經(jīng)濟生產(chǎn)提供了可能性。另外，還有助于圓鋸片的質(zhì)量改善、提高生產(chǎn)靈活性以及迅速適應(yīng)市場需求的能力。 圓鋸片制造工業(yè)近期和較長時期發(fā)展趨勢是: 1、在不妨礙靈活性的情況下，提高生產(chǎn)方式的自動化程度; 2、提高加工深度; 3、在大直徑范圍和圓鋸片裝配中采用機械矯直; 4、改善預應(yīng)力的施加和測量。 1.1.4

14、課題研究的提出及意義 通過對材料平整工業(yè)的分析，可知平行輥矯直機在材料加工方面應(yīng)用廣泛，但從國內(nèi)現(xiàn)狀可以看出，高精度的液壓多輥薄板矯直機(位置精度0.巧mm以下)國內(nèi)還相當缺乏。基于高檔鋸片基體(平整度<0.10~，跳動<0.05~)實際生產(chǎn)的需要，研制了高精度液壓矯直機。本課題以液壓矯直機的控制系統(tǒng)為研究對象，它具有重要的工程意義。 對于液壓伺服控制系統(tǒng)，有很多先進的控制算法，但是大部分都停留在計算機仿真階段，真正應(yīng)用在實踐中并取得良好控制效果的還是以PID為主。本課題利用矯直機一實際產(chǎn)品作為研究對象，通過計算機對該矯直機的位置控制系統(tǒng)進行可行性分析，拓寬了電液伺服控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，對

15、其它相關(guān)課題的研究具有一定的參考價值。 1.2本課題的研究內(nèi)容 液壓矯直機電液控制系統(tǒng)包括壓下位置控制系統(tǒng)(輥縫控制系統(tǒng))和送料速度控制系統(tǒng)，而送料速度控制系統(tǒng)其精度不作要求，因此本課題研究的重點是液壓矯直機位置控制系統(tǒng)。前面介紹的海莫樂公司的矯直機綜合位置精度達到0.Ilnm，由于系統(tǒng)本身存在多種不可補償?shù)恼`差因素，所以允許的控制誤差范圍是很小的，尤其在國內(nèi)機械加工裝配的條件限制下，要達到海莫樂公司矯直機同樣的精度，就需要對實際位置控制系統(tǒng)進行深入研究，選取合理元件組成系統(tǒng)，并采用最適合實際位置控制系統(tǒng)的液壓伺服控制策略。 本課題研究的內(nèi)容是高精度液壓矯直機電液伺服控制系統(tǒng)，主要包括:

16、 液壓矯直機的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成 計算元件的參數(shù)和選型 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計 第二章 液壓矯直機的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成 2.1 矯直原理 液壓矯直機矯直原理：金屬材料不管其原始彎曲程度有多大差別，但是在較大彈塑性彎曲條件下，其在彈性回復后殘余彎曲程度差別會明顯減小，甚至會趨向一致。隨著壓彎程度的降低，殘余彎曲會趨于零值，從而達到矯直目的。輥式矯直機的工作原理就是：在矯直輥壓下力的作用下，使板帶材發(fā)生彈塑性變形，當消除矯直力，板帶材彈復后，一部分的原始曲率減少了。剩余的曲率則作為下一個矯直輥的原始曲率，經(jīng)過多個矯直輥的作用，剩余曲率逐漸減小、最后使板帶趨于平直[18]。由于鋼板中性層

17、的金屬不發(fā)生屈服變形，因此整個鋼板不可能產(chǎn)生固定的延伸。當鋼板在寬度方向上某些區(qū)域以一個較小的半徑發(fā)生彎曲時，就會使長度較短或繃得較緊的部分延伸，如圖2.1所示。這些地方的延伸僅限于鋼帶外層金屬，也是和拉伸矯直的不同之處，最終鋼板達到較高的平直度，形成的殘余應(yīng)力可以在進一步彎曲或剪切時被消除[19]。 圖2.1 方鋼坯連鑄機工作示意圖 2.2液壓矯直機的設(shè)備機構(gòu)及用途概述 液壓矯直機由矯直機本體、換輥裝置、主傳動裝置三大部分組成。 2.2.1矯直機本體 矯直機本體由預應(yīng)力機架、液壓壓下裝置、平衡裝置、輥系、接軸托架裝置、機架輥裝置、液壓彈簧卡緊裝置、平臺及梯子等部分組成。主體的機

18、械機構(gòu)如圖2.2所示。 圖2.2 機械結(jié)構(gòu) （1）預應(yīng)力機架 機架采用預應(yīng)力框架焊接結(jié)構(gòu)。由兩個上橫梁、兩個中間框架、底座、四根預緊螺桿、八個螺母（四個液壓螺母）組成。機架的裝配是通過超高壓油泵給壓力油，使四個拉緊螺桿受拉產(chǎn)生伸長，通過墊片填充液壓螺母與上部橫梁之間的空隙，從而實現(xiàn)機架的組裝和預緊。在矯正時可抵消機架的變形量。具有機架的剛度系數(shù)要比普通機架的剛度系統(tǒng)大、重量輕、加工和安裝運輸比較方便等特點。 （2）液壓壓下裝置 液壓壓下裝置采用四個帶位移傳感器的液壓缸實現(xiàn)壓下、抬起動作。 壓下機構(gòu)的作用是用于調(diào)整上排矯直輥位置，達到矯直不同厚度鋼板輥縫的調(diào)整要求；通過入口側(cè)兩壓

19、下缸和出口側(cè)兩壓下缸的單獨和同步調(diào)整，實現(xiàn)上輥系沿矯直方向向前或向后傾動及整體平行上下移動，同時通過左右兩側(cè)壓下缸的單獨調(diào)整實現(xiàn)輥系的左右傾動功能。傾動可在過鋼或非過鋼下進行。通過壓下缸位移傳感器顯示矯直輥的開口度大小以及傾動量[21][22]。 壓下裝置還帶有彎輥機構(gòu)，由兩個上壓力框架通過三個聯(lián)接軸、推力架和彎輥缸組成，可以實現(xiàn)上矯直輥的預彎。 壓下裝置的另一個作用是實現(xiàn)快速松卡功能。在正常工作時，壓下缸充滿壓力，此時，單向閥關(guān)閉，油路是鎖死的。當出現(xiàn)故障時，由電接點壓力表自動給出信號或人工給出信號，打開單向閥卸油，使壓下缸快速抬升[23]。在平衡裝置的作用下，矯直輥上抬，這樣可以迅速處

20、理卡住的鋼板，同時可以起到保護設(shè)備的功能。 （3）平衡裝置 平衡裝置是由固定在機架上的四個液壓平衡缸組成。 平衡裝置的作用是平衡上輥系和上壓力框架裝置的重量，使上輥系和上壓力框架跟隨壓下缸一同上下移動，并消除壓下缸與上壓力框架在矯直力方向上的間隙。 （4）輥系 輥系由矯直輥、支承輥、上、下輥盒等組成，輥系結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。 圖2.3 棍系結(jié)構(gòu)圖 為提高邊輥的剛度，在邊輥下設(shè)置了支承輥，并增設(shè)了邊輥升降裝置，用以調(diào)整邊輥升降量。 ① 矯直輥 上下矯直輥裝置是進行板材矯正的主要部件，上下矯直輥交錯排列，上矯直輥軸承座固定在上輥盒上。下矯直輥的軸承座固定在機架窗口的下輥盒上。矯

21、直輥材質(zhì)為60CrMoV，輥身表面硬度HS78～83（HRC58～61）,輥面具有硬度高、良好的耐磨性等特點，并且加工精度和表面光潔度高，提高了被矯鋼板的表面質(zhì)量。軸承采用雙列向心球面滾子軸承（SKF、FAG），軸承潤滑采用油氣潤滑[24]。上、下矯直輥及邊輥采用中空通冷卻水冷卻（內(nèi)冷方式）。 ② 支承輥 邊輥設(shè)有3根支承輥，其余九根矯直輥每根輥下面（上面）均設(shè)有6根（6排）支承輥；并通過錯位板，使支承輥軸線與矯直輥軸線錯位，呈交錯布置形式，增加了工作輥的穩(wěn)定性。 支承輥輥身表面硬度HS70～75（HRC53～56），支承輥軸承采用高承載能力的雙列球面滾子軸承（SKF、FAG），軸承潤

22、滑采用油氣潤滑[25]。 ③ 上輥系 上輥系設(shè)有上輥盒、上支承輥裝置和上矯直輥裝置等。在工作時，該裝置通過液壓卡緊裝置（連桿機構(gòu)）使其與上壓力框架緊緊連成一體，矯直力由上壓力框架傳遞到壓下裝置上。上輥盒底部開有多個孔，以便迅速帶走鋼板上方的熱氣流，降低支承輥軸承座的溫度。換輥時，通過液壓卡緊裝置使上輥系與上壓力框架快速脫開，以實現(xiàn)上、下輥系的整體快速換輥。 ④ 下輥系 下輥系設(shè)有下支承輥裝置、下矯直輥裝置、邊輥裝置等。在工作時，該裝置座落在機架底座上，并由銷子定位。矯直力通過下輥系傳遞到機架上。下輥盒與機架底座上對應(yīng)開有多個矩形孔，以利于矯直過程中脫落的氧化鐵皮順利地落入地溝。 （5

23、）邊輥調(diào)整裝置 邊輥調(diào)整裝置布置在下機架上，由液壓馬達、同步軸、螺旋千斤頂組成。通過邊輥調(diào)整裝置可以實現(xiàn)邊輥的單獨垂直調(diào)整。邊輥調(diào)整量通過編碼器傳遞信號顯示。并通過限位開關(guān)控制其行程極限位置。 （6）接軸托架裝置 接軸托架裝置是由托架、油缸、液壓馬達、同步軸、螺旋升降機等組成。它能保證在換輥時舊矯直輥抽出后，所有的萬向接軸得到固定，并保證新輥推入矯直機時，順利地整體插入萬向接軸。 （7）液壓卡緊裝置 液壓卡緊裝置固定在壓力框架上，由液壓缸和連桿機構(gòu)等組成。液壓卡緊裝置在更換輥系時可快速脫開和卡緊，操作簡單可靠、方便，為快速換輥節(jié)省了輔助時間。 （8）機架輥裝置 機架輥裝置位于機架

24、進口和出口側(cè)，布置在矯直輥與輥道之間。由兩臺減速電機分別驅(qū)動，用于連接輥道和矯直機，順利導入、導出鋼板。傳動箱采用油池潤滑。 （9）左右側(cè)導板 左右側(cè)導板用于保護機架，輔助導入導出鋼板。 （10）平臺、梯子 在矯直機本體上，安裝有檢修操作平臺和斜梯。平臺、梯子可以為矯直機檢修、安裝提供工作空間。 2.2.2換輥裝置 為了實現(xiàn)設(shè)備在線的輥系快速更換，非傳動側(cè)安裝有快速換輥裝置。包括萬向接軸夾緊和機外換輥裝置。萬向接軸夾緊采用液壓缸驅(qū)動結(jié)構(gòu)；機外換輥采用電機驅(qū)動鏈輪鏈條實現(xiàn)輥系的整體移動，換輥重量約為90t，最大單體起吊重量按50t考慮?？刂葡到y(tǒng)可實現(xiàn)自動和點動切換。 2.2.3主傳

25、動裝置 主傳動部分由主電機、安全聯(lián)軸器、減速機、聯(lián)軸器、齒輪機座及萬向接軸等組成。傳動系統(tǒng)由兩臺650kW交流變頻電機通過安全聯(lián)軸器→減速機→聯(lián)軸器→齒輪機座→萬向接軸→矯直輥裝置，使設(shè)備轉(zhuǎn)動運行。 齒輪機座和減速機內(nèi)部齒形采用漸開線硬齒面齒形，齒形淬火后進行磨齒，其優(yōu)點是傳遞力矩大，使用壽命長。同時采用獨立的標準潤滑站潤滑，電控部分與其有聯(lián)鎖信號，只有在有稀油潤滑的前提條件下設(shè)備才能啟動工作，防止齒輪機座和減速機在無潤滑的情況下工作[26]。 為了讓矯直輥軸頭能準確方便地插入萬向接軸，矯直輥端部和萬向接軸頭部采用內(nèi)外漸開線花鍵的結(jié)構(gòu)形式。接軸采用十字型萬向接軸，接軸的一端與矯直輥傳動端

26、相連，另一端與齒輪機座相連。 2.3液壓矯直機的液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)備 矯直機液壓伺服控制系統(tǒng)主要有液壓泵、AGC液壓缸及液壓伺服閥臺組成。 2.3.1液壓泵站 液壓站由主泵裝置（軸向變量柱塞泵裝置）、循環(huán)泵裝置、蓄能器及蓄能器安全閥組、油箱及附件組成。主泵裝置有四臺，其中三臺工作一臺備用（可互換）。油箱結(jié)構(gòu)采用不銹鋼焊接方型油箱，鋼管（無縫鋼管）、管件、法蘭和接頭材質(zhì)為不銹鋼，管路采用焊接方式，在需檢修的地方采用法蘭接頭連接。工作介質(zhì)為N46抗磨液壓油。過濾精度5μm，系統(tǒng)油液清潔度NAS5級[27]。主循環(huán)過濾系統(tǒng)油泵選擇seim產(chǎn)品，一用一備；站內(nèi)配備溫度、壓力等檢測元件，能自動調(diào)

27、節(jié)站內(nèi)溫度。液壓站油箱其上設(shè)有液位、液溫等控制檢測儀表。如圖2.4所示為以泵和閥為主的液壓柜。 圖2.4 液壓站 2.3.2主AGC液壓缸 矯直機液壓伺服系統(tǒng)中采用的是四個帶位移傳感器的液壓缸。位移傳感器為MTS磁尺，分辨率為0.002mm，數(shù)量4個；壓力傳感器，用來測量矯直力，矯直力測量精度0.3%，數(shù)量8個。 2.3.3液壓伺服閥臺 液壓伺服閥臺主要包含電液伺服閥、電磁換向閥、電磁溢流閥、減壓閥、插裝閥、閥前過濾器、蓄能器以及單向閥等。 2.4液壓矯直機電氣控制系統(tǒng) 2.4.1電氣控制系統(tǒng)的方案 矯直機主傳動采用交流變頻調(diào)速,其中主傳動2臺變頻器分別控制兩臺主電機運行，控制

28、方式采用由光電編碼器反饋的閉環(huán)速度控制。主機傳動既可手動，也可實現(xiàn)在線速度匹配和自動運行。主傳動和壓下、換輥設(shè)有聯(lián)鎖控制。 PLC可編程序控制器作為基礎(chǔ)自動化控制的核心，主要完成主傳動、壓下、更換輥系及液壓、稀油、油氣、干油泵站的邏輯控制、數(shù)學運算及PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)交換，矯直機本體的操作、控制[28]。 2.4.2自動控制系統(tǒng)的功能 控制系統(tǒng)采用西門子S7-400系列PLC來完成矯直機各種邏輯控制，與其它PLC之間的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)，與ET200之間的通訊采用profibus DP網(wǎng)絡(luò)[29]。 矯直機邏輯控制分為生產(chǎn)狀態(tài)控制和維護狀態(tài)控制：1）生產(chǎn)狀態(tài)控制有自動控制、半自

29、動控制和手動控制三種控制模式；2）維護狀態(tài)控制主要指換輥邏輯控制，其中也包括通過各現(xiàn)場就地操作箱等設(shè)備進行控制。 自動控制主要是矯直機電氣系統(tǒng)的邏輯控制，包括各機械機構(gòu)動作的位置控制，液壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的邏輯控制，系統(tǒng)參數(shù)和工藝參數(shù)的顯示和系統(tǒng)故障報警等控制功能。 半自動控制是某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)在人工確認下自動運行。 手動控制是利用手動操縱桿和人機界面，通過PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)矯直機的生產(chǎn)和維護。 2.5本章小結(jié) 本章首先介紹了液壓矯直機的工作原理、壓下方案以及矯直機液壓AGC的特點，然后分析了液壓矯直機的設(shè)備機構(gòu)、液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)備及電氣控制系統(tǒng)，從而得到液壓矯直機液壓系統(tǒng)和電器控制元件組

30、合連接，液壓壓下控制系統(tǒng)中各元件協(xié)同工作的方式，及各元件的精度對整個系統(tǒng)工作精度的影響。 第三章計算元件的參數(shù)和選型 3.1選擇系統(tǒng)供油壓力 壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看出不經(jīng)濟；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限的設(shè)備，壓力可以選低一些，行走機械重載設(shè)備壓力要選得高一些。 表3.1 幾類機器常用系統(tǒng)壓

31、力 設(shè)備類型 機床 農(nóng)業(yè)機械、小型工程機械 液壓機、重型機械 磨床 組合機床 龍門刨床 拉床 系統(tǒng)壓力（MPa） 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~16 20~32 參考表3.1，選取此系統(tǒng)壓力=20MPa。 本次設(shè)計的原始數(shù)據(jù)如表3.2所示： 數(shù) 參 據(jù) 數(shù) 數(shù) 據(jù) IV 最大校直力（kN） 950 調(diào)節(jié)行程（mm） 400 最大調(diào)節(jié)速度（mm/s） 50 系統(tǒng)頻寬f0.7（Hz） 9 校直精度（mm） 1.5 3.2求液壓缸相關(guān)參數(shù) 由已知數(shù)據(jù)最大校直力，則最大負載力= 工程上常

32、用近似計算的方法確定執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸和比例閥空載流量，按最大負載力確定執(zhí)行元件的規(guī)格尺寸，并限定比例閥的負載壓力，則液壓缸的有效面積為 由液壓缸有效面積計算出液壓缸的內(nèi)徑D=301.27mm，查機械設(shè)計手冊液壓缸內(nèi)徑尺寸系列，選擇D=320mm。則液壓缸的有效面積為。 由《機械設(shè)計手冊》第四版第4卷活塞桿直徑計算可知：活塞桿是液壓缸傳遞力的重要零件，它承受拉力、壓力、彎曲力和振動沖擊等多種作用力，必須有足夠的強度和剛度。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四版第4卷活塞桿的計算表17-6-16，如圖3.1： 圖3.1 查機械設(shè)計手冊，速比為2可得活塞桿直徑 已知調(diào)節(jié)行程，選用對校直

33、機液壓缸的工作環(huán)境分析可知：選擇常溫缸（-35°~100°），對其安裝方式選擇頭法蘭固定式（TF）。分析選取液壓缸頭法蘭固定方式的UY系列液壓缸技術(shù)參數(shù)表21-6-45可知，選取長度為 圖3.2 對上述參數(shù)的計算可以對方坯校直機液壓系統(tǒng)的液壓缸進行選型，其具體型號：UY TF 11 320-900-400-16選擇其安裝方式選擇頭部法蘭固定式，對已選取的方坯校直機液壓系統(tǒng)的液壓缸進行具體參數(shù)、外形及安裝尺寸方面分析如下： （1）液壓補償缸參數(shù)（表3.2）： 表3.2 液壓補償缸參數(shù) 液壓缸直徑D/mm 活塞桿直徑d/mm 活塞面積

34、/ 桿端承受面積/ 速比/ 工作壓力 21Mpa 推力/KN 拉力/KN 320 220 804.25 424.13 2 1688.92 890.67 （2）液壓缸外形（圖3.3）： 圖3.3 頭法蘭固定式（TF）液壓缸外形尺寸 （3）液壓缸外形尺寸（圖3.4）： 圖3.4 液壓缸外形尺寸 3.3確定伺服閥規(guī)格 動力元件能給出的最大速度為50mm/s，則伺服閥最大空載流量為 式中 ——負載最大速度 ——活塞桿腔有效面積 所以由已知的供油壓力和電液伺服閥空載流量 根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第三版第4卷

35、,選取伺服閥為MOOG系列的，型號為：35 具體參數(shù)如下表 表3.3伺服閥參數(shù)表 額定流量 170 額定電流 40mA 額定供油壓力 21 供油壓力范圍 1～28 線圈電阻 80 滯環(huán) <3 壓力增益 >30 工作介質(zhì) MIL-H-6083 工作溫度 -4～135°C 重量 0.50㎏ 3.4 液壓泵計算及選型液壓泵的選擇 由機械設(shè)計手冊可知：為了保證系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和使用壽命，一般在固定設(shè)備中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80%；要求工作可靠性較高的系統(tǒng)或移動的設(shè)備，系統(tǒng)正常工作壓力為泵的額定壓力的60%~70%。 分析可選取泵的額定壓力為

36、：。 對于機械設(shè)計手冊第5卷表21-5-4 各類液壓泵的主要技術(shù)參數(shù)分析，（如圖3.5所示）： 圖3.5 各類液壓泵的主要技術(shù)參數(shù) 對液壓泵的選擇選取雙作用葉片泵，其壓力范圍為：6.3~32Mpa，滿足系統(tǒng)的要求。 液壓補償缸的活塞有效面積S=804.25。通過對于液壓系統(tǒng)的最大負載速度進行分析，由于液壓缸采用的結(jié)構(gòu)模式，其單位時間內(nèi)下降速度取 ，可以得到液壓缸單位時間排量： 即液壓泵應(yīng)向液壓缸提供的最大流量為120.6L/min，若回路中的泄漏按液壓缸輸入流量的10%計算，則泵的流量應(yīng)為 根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，最后確定選取PFE-52110型柱

37、銷式葉片泵。其圖3.6所示： 圖3.6 單泵PFE*2系列技術(shù)參數(shù) 若取液壓泵的容積效率，則當泵的轉(zhuǎn)速1800r/min時，液壓泵的實際輸出流量為： 3.5 電動機計算及選型 液壓泵的工作壓力為25Mpa，流量為149.0L/min。取泵的總效率為，則液壓泵驅(qū)動電動機所需的功率為： 有機械手冊（JB/T 7840—2005）查得選 YZRW系列機座型號280M電機。如圖3.7 圖3.7 3.6油管的計算 3.6.1直徑的計算 油管內(nèi)徑主要由油液的速度確定，直徑小、流速高、壓力損失大，甚至產(chǎn)生噪聲；直徑大，占用空間大，機器重量增加，因此要合理選用管內(nèi)徑。

38、 式中 液體流量 按推薦值選，取 3.6.2壁厚的計算 受拉伸接薄壁筒公式計算壁厚 （6.2） 式中 ——工作壓力 ——許用應(yīng)力，鋼管： ——抗拉強度，選用45＃鋼，所以 ——安全系數(shù)，此處， 所以 考慮到連接時螺紋對強度的削弱，選擇管壁適當增大。 所以選擇鋼管外徑為：；此時壁厚為：；管接頭連接螺紋為： 3.7油箱計算及選型 3.7.1油箱的選型 油箱有效容量一般為泵每分鐘流量的3-7倍。對于固定設(shè)

39、備，空間、面積不受限制的設(shè)備，應(yīng)采用較大的容量。如冶金機械液壓系統(tǒng)的油箱容量通常取為每分鐘流量的7-10倍，鍛壓機械的油箱容量通常取為每分鐘流量的6-12倍。 綜合上述條件，采用最大工作原理計算，通過機械設(shè)計手冊見圖3.8可選規(guī)格為1500L的不帶支撐腳的矩形油箱。 可選取如下規(guī)格為1500的油箱： 圖3.8不帶支撐腳的矩形油箱 油箱的外形如下圖所示： 圖3.9 油箱的外形 3.7.2 熱平衡計算 功率的最大損失為液壓泵的全部流量直接回油箱，此時功率損失為 油箱尺寸的長、寬、高之比為（1:

40、1:1）~（1:2:3）之間，油面高度達到油箱高度的0.8，油箱靠自然冷卻使系統(tǒng)在允許溫度以下，則油箱散熱面積為： 式中：V—油箱的有效體積，m3 則散熱面積 因為油箱中油液的溫度一般為30~50℃,最高不超過65℃。由公式可得 式中：—傳熱系數(shù) —由機械設(shè)計手冊規(guī)定的溫度范圍，取40k —取室溫24k 由此可知必須得選冷卻器。 由上面算得的傳熱系數(shù)，選取水冷式冷卻器。型號選4FQFW3,參數(shù)如表3.4。 型號 4FQFW3 換熱面積/ 1.3~5.3 傳熱系數(shù)/ 523~580 設(shè)計溫度

41、/ 80 工作介質(zhì)壓力/MPa 1.6 冷卻介質(zhì)壓力/MPa 0.4 油側(cè)壓力降/MPa <0.1 介質(zhì)粘度/ 10~50 表3.4 4FQFW3型冷卻器的主要參數(shù) 3.8壓力傳感器選型 選擇上海奧博生產(chǎn)的AOB型傳感器 技術(shù)參數(shù) l、量程：25MPa 2、使用介質(zhì)：流體(氣體或液體)壓力 　　 3、輸出信號：4~20mADC(三線制) 4、電源：15~30VDC 5、過載：標準量程的150％ 6、工作溫度：-10℃~+60℃ 7、精度等級：0.5，0.3 8、殼體材料：不銹鋼361L 長期穩(wěn)定性：<0.2％FS/年

42、 第四章 液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計 4.1 擬定系統(tǒng)原理圖 因為是力控系統(tǒng)，而且要隨動控制，控制精度要求高，所以選擇閉環(huán)控制，響應(yīng)要快所以選擇閥控，由輸入信號和反饋信號可知是電液伺服，綜上所述系統(tǒng)方塊原理圖如圖4.1所示。 圖4.1 4.2電液伺服閥傳遞函數(shù) 供油壓力時，閥的空載流量。電液伺服流量增益為 由樣本查得電液伺服閥固有頻率，阻尼比。于是比例閥的傳遞函數(shù)為 4.3液壓缸傳遞函數(shù) 取總壓縮容積為： 式中，3.5是考慮無效容積的系數(shù)。 取伺服閥的流量-壓力系數(shù)為，忽略液壓缸泄

43、露，則，取 液壓缸-負載環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 式中——負載的固有頻率。 ——液壓彈簧與負載彈簧串聯(lián)偶合的剛度與阻尼系數(shù)之比， ——液壓彈簧與負載彈簧并聯(lián)偶合的剛度與負載質(zhì)量形成的固有頻率 ——阻尼比，取0.2 帶入數(shù)據(jù)得傳遞函數(shù)為： 通過以上確定的傳遞函數(shù)，可畫出方坯校直機系統(tǒng)的方框圖，如下+ K2 F — 圖4.2 4.4 確定閉環(huán)函數(shù)的傳遞函數(shù)及建立數(shù)學模型 通過以上對于各環(huán)節(jié)的計算可以確定閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞

44、函數(shù)，并建立方坯矯直機系統(tǒng)的數(shù)學模型如下： 由以上各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)計算得出結(jié)果，，和聯(lián)合計算得： 化簡得： 4.5 繪制系統(tǒng)開環(huán)伯德圖并根據(jù)穩(wěn)定性確定開環(huán)增益 對校直機系統(tǒng)繪制閉環(huán)伯德圖，通過Matlab軟件用頻率法判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由方塊圖4.2繪制=1時的開環(huán)伯德圖，見圖4.3。然后通過將圖中零分貝線下移至某一點，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定性的條件： 圖4.3 當=1時系統(tǒng)開環(huán)伯德圖 為達到滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的必要條件：相角穩(wěn)定裕度=50°，通過Matlab軟件繪制出bode圖用頻率法分析得到圖4.4，可知滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的條件。計算出頻域指標：幅值裕度=12.12dB；穿

45、越頻率=12.7rad/s；剪切頻率=5.85rad/s。此時系統(tǒng)增益裕量=9.44dB，開環(huán)增益=12 圖4.4 當=6時系統(tǒng)開環(huán)伯德圖 由圖4.3分析得系統(tǒng)的開環(huán)增益： 所以放大器增益為： 4.6 求閉環(huán)系統(tǒng)的頻寬 由系統(tǒng)傳遞函數(shù)的開環(huán)伯德圖，通過尼柯爾斯圖可以求得系統(tǒng)的閉環(huán)伯德圖，如圖4.5所示，由該圖可得到閉環(huán)系統(tǒng)的頻寬。通過圖形曲線處理分析求得系統(tǒng)的截止頻率，具體處理方式如下：對幅頻特性的數(shù)值由零頻幅值下降3dB時的頻率稱為系統(tǒng)的截止頻率。故得到該閉環(huán)系統(tǒng)的頻寬為 總結(jié)：滿足系統(tǒng)參數(shù)要求。 圖4.5矯直機傳遞函數(shù)閉環(huán)bode圖

46、 第五章 結(jié)論與展望 5.1 論文總結(jié) 液壓矯直機電液控制系統(tǒng)包括壓下位置控制系統(tǒng)(輥縫控制系統(tǒng))和送料速度控制系統(tǒng)，而送料速度控制系統(tǒng)其精度不作要求，因此本課題研究的重點是液壓矯直機位置控制系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括 （1） 矯直機主要控制參數(shù)的數(shù)學推導與應(yīng)用中的簡化。 （2） 液壓伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學建模和控制框圖。 （3） 對矯直機的控制系統(tǒng)進行計算機仿真。 （4） 可編程序控制器PLC程序的編寫。 （5） 通過現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)采集與計算機仿真進行比較。 考慮到矯直機對速度要求只是O一18m/min可調(diào)，而對速度控制的精度不

47、作要求，所以速度控制只采用電液比例開環(huán)控制。為了得到理想的矯直效果，對矯直機的位置控制精度要求較高，位置控制誤差必須小于0.lmm，位置控制系統(tǒng)采用液壓伺服閉環(huán)控制。經(jīng)過簡化后發(fā)現(xiàn)，矯直機是一個五階I型的控制系統(tǒng)，而I型系統(tǒng)對于階躍信號不會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，而且系統(tǒng)對于階躍的響應(yīng)沒有超調(diào)，因此實際系統(tǒng)采用實時性最好的P控制器。經(jīng)過實際的輥縫數(shù)據(jù)采集，本套系統(tǒng)能滿足o.lmm的位置精度要求。因為矯直機工作在輥縫達到穩(wěn)態(tài)值之后，而且由實際采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)控制左前輥縫和控制右前輥縫的液壓系統(tǒng)有很好的同步度，所以不需要再加另外的同步算法[10]。 查閱的大量文獻資料表明，材料平整和具體的圓鋸片加工迫切需求高

48、精度軋輥矯直技術(shù)，但國內(nèi)矯直機技術(shù)相比國外存在很大差距，尤其高精度矯直機國內(nèi)很缺乏，本課題選題一個非常重要的意義就在于實現(xiàn)這一產(chǎn)品的國產(chǎn)化，提高國產(chǎn)設(shè)備的競爭力。本課題研究內(nèi)容的重點是，液壓矯直機控制系統(tǒng)中的高精度位置控制。從液壓位置伺服控制策略的現(xiàn)狀和發(fā)展分析可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的先進控制策略在液壓伺服控制系統(tǒng)中都得到應(yīng)用，例如PID控制、智能控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制和非線性控制，在液壓系統(tǒng)都取得成功應(yīng)用。 本套板材矯直裝置采用平行多輥線性遞減矯直法，整體結(jié)構(gòu)包括機械、液壓和控制三個部分。輥縫控制采用液壓閉環(huán)伺服控制，速度系統(tǒng)采用液壓開環(huán)比例控制，電液控制系統(tǒng)可分為液壓傳動部分和電氣控制部

49、分。 把實測的前輥縫值利用MATLAB進行插值擬合，就得到了實際前輥縫的響應(yīng)曲線，與仿真曲線比較發(fā)現(xiàn)，仿真控制模型比較好地模擬了實際控制系統(tǒng)，理論對實際很好地起了指導作用，同時也發(fā)現(xiàn)了兩者之間存在的差異。 5.2 存在問題及工作展望 液壓矯直機電液控制系統(tǒng)融合了機械、電子、液壓以及控制理論和計算機技術(shù)，是一個典型的高精度位置伺服控制問題，但由于作者知識水平、時間和條件的限制，仍有許多工作沒能開展。 液壓矯直機對圓鋸片矯直，需要把鋸片來回兩次錯角90度才能夠矯直，而且合格比例也并非100%[11]。其中兩個重要的原因是，一是矯直前圓鋸片板形存在較大的差異，二是對于不同厚度的鋸片，矯直力的

50、幅值波動很大。因此，研究如何自動檢測矯直前鋸片板形和定量估算矯直力顯得相當必要。 同樣厚度的圓鋸片，若材料不同，則各個位置的設(shè)定值也不同，而這些值還需要根據(jù)一些材料參數(shù)和現(xiàn)場經(jīng)驗進行手動計算。因此，可以考慮把各種材料參數(shù)和經(jīng)驗值存入計算機或者控制器數(shù)據(jù)庫，讓計算機來進行設(shè)定值計算，實現(xiàn)矯直機的全自動智能控制。 本位置控制系統(tǒng)位置精度高，這得益于系統(tǒng)中采用了線性度好的比例伺服閥，但其價格比較高，以后可以嘗試采用性能差一點的比例閥，采用先進控制策略使控制精度達到同樣的水準，這有利于降低成本，提高產(chǎn)品競爭力。

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54、電與液壓學生一次考驗，并且對畢業(yè)設(shè)計也算是一次實戰(zhàn)演習，因為本次設(shè)計考察了機電與液壓知識，讓我們更深一步掌握所學知識，總體來說受益匪淺。 至于對本課程的我有以下幾點小建議： 1、 本次設(shè)計感覺比較吃力，可能是沒有把所有的知識融會貫通，希望老師在講課過程中，多提及一些有利于我們設(shè)計或者在以后工作中需要的知識。 2、當然在涉及那些設(shè)計知識的時候前提是保證基礎(chǔ)知識的扎實，希望在學完基本知識后，老師能留一些設(shè)計性作業(yè)，當然不需要太難，能夠掌握運用那些知識便好。 3、對于設(shè)計我們認為很多時候無從下手，大部分原因是我們對設(shè)計目標不了解，在需要設(shè)計的時候再去查詢，這樣浪費很多時間，希望老師上課時能多介紹一些有關(guān)于設(shè)計目標的東西，類似小百科的，或者多余時間有目標性的讓同學自己查詢并且講解，老師做以補充。 4、最后感覺理論聯(lián)合實際還是讓知識更容易接受。所以課余時間可以組織興趣小組，或者老師安排時間帶領(lǐng)同學多了解一些各種系統(tǒng)或者儀器的知識。 以上就是我對本課程的一點小建議，如果老師認為有可取之處，希望采納。 - 29 -