電液比例伺服閥控容積調速在拉床上的應用研究

唐敬東，劉軍營，胡鑫，朱艷飛

(山東理工大學機械工程學院，山東淄博255049)

拉削加工主要應用在成批大量生產中。液壓傳動憑借其易于實現直線運動、功率質量比大、動態響應快等優點，廣泛應用于拉床動力系統［1］。由于拉刀的結構特性，就整個拉削過程而言，是連續切削過程，但對單個刀齒而言，又是斷續切削過程，同時工作齒數在Z 和Z－1 之間波動，因此切削負載是在不斷地有規律地變化。故切削速度也隨負載變化產生周期性改變。此外，刀具在切入和脫離工件時產生的沖擊也影響著拉削質量和刀具壽命［2－4］。拉削速度作為一個關鍵的因素影響著工件的拉削質量［5］。研究采用閉環電液比例伺服閥控制變量泵的容積調速方式，實現對拉削速度波動的抑制，能夠使拉削速度自動跟蹤給定速度信號，達到提高拉削質量的目的。變量泵輸出隨負載變化，減小功率過剩，較傳統采用背壓的方式節約能源，且系統實現方便，控制成本低［6－7］。同時通過容積調速系統無級變速特性對拉削速度進行控制，減小了對刀具的沖擊，達到了提高刀具使用壽命的目的。應用AMESim 仿真軟件建立了應用比例伺服閥控容積調速系統的液壓拉床拉削系統，并根據仿真結果對系統相關參數進行優化，得到了良好的仿真結果。證明了比例伺服閥控容積調速系統在液壓拉床上應用的可行性及效果。

1 拉床拉削系統原理圖

圖1 為基于L6120 臥式拉床設計的應用比例伺服閥控容積調速系統的拉床主回路原理圖。

當拉床進入工作狀態時，電磁鐵1YA、3YA 得電，換向閥15、16 換向，插裝閥9、11 打開，插裝閥10 關閉，液壓油通過插裝閥9 進入拉削缸有桿腔，無桿腔液壓油通過插裝閥11 返回油箱，拉削速度由拉刀位移決定。通過PLC 控制器輸出速度信號，使用比例伺服閥調節變量泵排量，達到無級變速的要求，并通過實現多級工作速度和泵輸出的自適應性，提高拉削過程的穩定性。

圖1 臥式液壓拉床拉削系統原理簡圖

當拉削結束后，電磁鐵1YA、2YA 得電，插裝閥9、10 打開，插裝閥11 關閉，拉削缸有桿腔與無桿腔連通，系統進入差動連接，刀具快速返回，同理返回速度由PLC 控制器輸出信號控制。

拉床故障時，由于拉削速度達不到設定值，調速系統控制變量泵提高輸出，當系統壓力達到安全閥設定壓力，二位四通安全閥換向，進入變量缸油路換接，迅速降低變量泵輸出，防止系統過載。

2 液壓系統的組成與建模

2.1 伺服比例閥

拉削速度是影響拉削質量的重要參數，故希望拉床能夠自動調節拉削速度，抑制因拉削速度波動產生的危害。這就要求調速系統能夠有較好的控制精度與響應頻率。拉床主回路采用電液比例伺服閥控變量泵容積調速系統，使用電液比例伺服閥作為控制閥。電液比例伺服閥是一種高性能和價格介于伺服閥和普通開關閥之間的控制閥。該閥采用大電流單個位置調節型比例電磁鐵，提高了前置級的控制精度;采用具有伺服閥特點的閥芯+閥套結構，且閥套為鋼質材料，以確保耐磨性和中位時閥口精確零遮蓋;采用差動變壓器檢測閥芯位置，將位置信號反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成一個閉環位置電控系統，提高了比例電磁鐵的動態和靜態特性［8－10］。仿真參數值如表1 所示。

表1 伺服閥仿真參數

2.2 電液比例伺服閥控容積調速系統

(1)工作原理

如圖2 所示，調速系統由高壓小排量泵提供動力，調速系統壓力由溢流閥決定。系統工作時由位移傳感器與速度傳感器測量刀具位移與速度，速度信號通過PLC 控制器根據拉刀位移變化輸出設定的速度信號，與速度反饋信號比較，其差值通過PID 放大器處理作為比例伺服閥的輸入信號，控制比例伺服閥閥芯動作，通過其節流特性控制雙作用變量缸，通過變量缸調節斜盤式變量柱塞泵的輸出功率，使變量泵的輸出功率－流量與拉床工作所需功率相匹配，并在拉削速度發生突變時實時調節變量泵的排量，使拉削速度穩定在設定速度上。通過位移與速度信號的轉化，實現拉刀快速接近工件，在切入工件時減速，慢速平穩切入，降低刀具與工件的沖擊;進入拉削后提高拉削速度，通過調速系統抑制刀具速度變化，使拉削過程勻速平穩;結束拉削時降低拉削速度，刀具平穩脫離工件，避免刀具產生較大前沖。系統故障時，拉刀速度達不到設定值，調速系統迫使主回路壓力升高，當到達安全閥設定壓力時，二位四通安全閥閥芯克服彈簧力向右移動，安全閥換到左位，迅速降低變量泵排量，防止系統過載。

圖2 電液比例伺服閥控容積調速系統原理圖

(2)雙作用變量缸模型的建立

建立雙作用變量缸仿真模型如圖3 所示。

圖3 雙作用變量缸仿真模型

設置雙作用變量缸相關參數如表2。

表2 雙作用變量缸仿真參數

2.3 液壓拉床拉削系統模型的建立

在AMESim Sketch Mode 下根據原理圖1 利用AMESim 軟件中的液壓庫(HYD)、液壓元件設計庫(HCD)和機械庫等搭建其仿真模型如圖4 所示。

圖4 拉床拉削系統仿真模型

對系統模型做以下設定:

(1)建立系統模型過程中忽略變量柱塞泵容積效率隨負載壓力的變化，將其簡化為排量隨輸入信號改變的理想泵。

(2)簡化了拉削過程中復雜的負載變化，采用多種信號疊加與力轉換器模擬負載變化的主要規律。

(3)仿真主要是分析電液比例伺服容積調速系統使用效果，直接采用外部速度信號作為系統速度輸入量并忽略了安全閥，簡化了控制系統。

根據機械設計手冊選取其他相關參數進行設定，其中:拉削缸活塞直徑250 mm，拉削缸拉桿直徑90 mm，最大行程1 250 mm，額定負載200 kN;設置變量柱塞泵額定排量200 mL/r，配套電動機1 500 r/min;控制用定量泵10 mL/r，配套電動機1 000 r/min;溢流閥設定壓力12 MPa。

PID 調節器初始參數:比例系數Kp=1，積分時間常數Ti=1，微分時間常數Td=0.1。

3 系統仿真和分析優化

3.1 速度與負載仿真曲線

應用AMESim 軟件進行仿真，設定采樣頻率Δt=0.01 s。

圖5 為期望速度曲線，為方便仿真縮短了拉刀拉削時間，拉刀從低速切入工件到結束拉削切出工件為止。

t=0 ～0.25 s，拉刀低速切入工件;t =0.25 ～1 s，拉刀平穩提速到達設定拉削速度;t =1 ～5 s 拉刀在設定速度下工作，拉削速度6 m/s;t =5 ～5.45 s拉刀降速準備切出工件;t =5.45 ～6 s，拉刀低速切出工件，拉削結束。

查閱資料設定負載變化仿真曲線如圖6 所示，負載曲線主要表現隨著刀具同時工作刀齒數變化引起的負載變化。最大負載210 kN。

圖5 期望速度曲線

圖6 負載變化仿真曲線

3.2 仿真結果

圖7 所示為在初始參數下拉刀拉削速度曲線。當設置參數為初始值時，仿真曲線存在較大的誤差，不能很好地跟蹤設定速度，拉削過程速度變化很大，不能滿足工作要求。

圖7 Kp =1，Ti =1，Td =0.1 拉刀速度仿真曲線

3.3 仿真結果分析和優化

從圖5 和圖7 可以看出，速度曲線與期望曲線之間存在明顯的滯后和較大的穩態誤差，結合電液比例伺服閥控容積調速系統原理和PID 控制特性進行分析。變量缸動作決定了變量泵輸出功率－ 流量的變化，故變量缸單位時間內位移量直接影響變量泵分辨率。根據電液比例伺服閥控制原理，比例伺服閥接收信號的強弱與閥芯位移成正比且比例伺服閥具有節流特性即通過改變開口量控制進入變量缸的流量［11－12］。比例增益決定了調速系統靈敏度，速度反饋量經PID放大器處理變為比例伺服閥輸入信號，其中比例系數作用為將信號成比例放大，故比例伺服閥輸入信號強弱與比例系數成正比。當比例系數較小時進入變量缸流量低，系統反應滯后，變量泵排量不能及時根據速度變化作出調整，導致速度擬合度差和較大的沖擊。當比例系數變大時，導致進入變量缸流量過大，系統對速度變化過于敏感即產生大的超調量，誤差經不斷積累使系統處于震動狀態，無法使用。因此在使用中應根據調速系統選擇適當的PID 參數。

由于物理定律與實際工況決定了不可能完全消除速度波動，只能達到較好的抑制效果。當設定Kp=12.6、Ti=8、Ti=0 時，取得較好的效果，如圖8 所示，此時變量缸位移變化如圖9 所示。

圖8 Kp =12.6、Ti =8、Td =0時拉刀速度曲線

圖9 變量缸活塞位移曲線

當拉削速度變大時，比例伺服閥控制變量缸位移變小，降低變量泵排量，反之變量缸位移增大提高變量泵排量，達到了抑制速度波動、穩定拉削速度的目的。

將仿真結果與使用背壓閥(設定背壓1.5 MPa)的定量泵系統比較(如圖10 所示):在相同負載條件下，使用電液比例伺服閥控容積調速系統的液壓拉床工作過程明顯更加平穩，由于拉刀速度可控，使用多段工進速度下拉刀與工件的沖擊明顯減小，達到了良好的使用效果。由于不采用溢流閥與背壓閥，變量泵只輸出系統所需功率，可明顯節約能源。同時系統壓力降低亦減輕了液壓系統負擔、軟管振動及油路沖擊。

圖10 速度曲線對比

4 結論

(1)設計了應用電液比例伺服閥控容積調速的臥式拉床主回路。

(2)利用AMESim 圖形化的建模方法對電液比例伺服閥控容積調速拉床液壓系統進行仿真，在無需復雜公式推導和建立繁瑣數學模型的條件下，可以對系統動態性能進行方便、高效、直觀的仿真分析及參數優化，大大減小了仿真及優化難度，提高了工作效率。

(3)通過對PID 控制器參數的優化形成比例積分控制，使應用電液比例伺服閥控容積調速的拉床液壓系統能夠有效提高工作穩定性。系統能夠無極調速，通過對速度的控制減小系統沖擊，同時明顯節約能源、減輕拉床負擔。系統的仿真結果為電液比例伺服閥控容積調速拉床液壓系統的使用提供了一定的理論依據。

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