王亞楠， 鄭 凱

(西安交通工程學院，陜西 西安 710300)

0 引言

液壓夾緊裝置在液壓系統(tǒng)、工業(yè)設備、機械加工中應用廣泛。而在特定環(huán)境中液壓夾緊裝置的控制精度往往易受突變載荷的影響，存在加持不穩(wěn)定等問題[1]。而液壓控制系統(tǒng)是液壓夾緊裝置進行工作進給的核心組成部分，其控制性能的優(yōu)劣直接影響著液壓夾緊裝置的可靠性，而影響工業(yè)設備的正常運行。因此，如何在保證液壓夾緊裝置原有性能的同時，提高液壓夾緊裝置工作的穩(wěn)定性及可靠性，成為值得研究的問題。該文設計了一種提高液壓夾緊裝置可靠性的多模式控制系統(tǒng)。通過比例反饋環(huán)節(jié)進行液壓夾緊裝置的自適應控制，提高液壓夾緊裝置在載荷不斷變化等特殊條件下的可靠性，擴大了液壓夾緊裝置的使用范圍與效率。

1 液壓夾緊裝置的總體結構與工作原理

1.1 液壓夾緊裝置結構

該文參照《機械行業(yè)標準(JB/T9885-1999)》一般液壓夾緊裝置的技術條件[2]，液壓夾緊裝置的基本結構，如圖1所示。

1—底座；2—固定夾口；3—活動夾口；4—液壓缸

1.2 液壓夾緊裝置的控制系統(tǒng)設計

1.2.1 液壓夾緊裝置的控制系統(tǒng)

利用AMESim繪制了多模式夾緊裝置的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。

1—溢流閥；2—液壓源；3—油箱；4—電磁換向閥(進/退切換)；5—電磁換向閥(壓力補償)；6—節(jié)流閥；7—電磁換向閥(快/慢切換)；8—蓄能器；9—比例反饋環(huán)節(jié)；10—液壓缸；11—壓力傳感器

1.2.2 液壓夾緊裝置的工作原理

圖2中電磁換向閥4進行夾緊裝置液壓系統(tǒng)的進/退切換；電磁換向閥7進行夾緊裝置液壓系統(tǒng)的快/慢切換；電磁換向閥5在比例反饋環(huán)節(jié)的控制下進行夾緊裝置液壓系統(tǒng)的壓力補償。其液壓夾緊裝置的控制模式一覽表，如表1所示。

1.3 液壓夾緊裝置的基本參數(shù)

依據(jù)圖1、圖2，該文給出了液壓夾緊裝置的基本參數(shù)[3]，為后續(xù)夾緊裝置液壓系統(tǒng)數(shù)學模型的建立提供了依據(jù)，如表2所示。

表1 控制模式狀態(tài)一覽表

表2 液壓缸的基本參數(shù)

2 夾緊裝置液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型

2.1 系統(tǒng)的受力分析

由圖2可知，夾緊裝置液壓系統(tǒng)采用了非對稱液壓缸，其結構原理圖如圖3所示。

圖3 非對稱缸的結構原理圖

如圖3所示，當閥芯右移時，夾緊裝置液壓缸的輸出力和負載平衡方程為[4]：

(1)

式中:mt為負載系統(tǒng)總質量；BP為負載系統(tǒng)粘性阻尼系數(shù)；K為系統(tǒng)負載彈簧剛度；FL為作用在活塞上的外負載力；AP為活塞有效作用面積；PL為系統(tǒng)工作壓力；xP為位移變化量

該文主要研究液壓夾緊裝置的液壓系統(tǒng)，為便于數(shù)學模型的建立進行了如下假設[5]：

(1)忽略管道中的流量與壓力損失；

(2)負載系統(tǒng)的總質量不變；

(3)忽略負載系統(tǒng)粘性阻尼系數(shù)

(4)油路管道對稱，且供油系統(tǒng)為恒壓。

則公式(1)可簡化為：

AppL=Kxp+FL

(2)

根據(jù)公式(2)可知,當活塞有效作用面積、系統(tǒng)負載彈簧剛度、作用在活塞上的外負載力不變時，系統(tǒng)工作壓力與位移變化量之間具有一定的比例關系，如表3所示。

表3 系統(tǒng)工作壓力與位移變化量

2.2 系統(tǒng)壓力與位移變化量

該文結合圖2中的仿真模型，分別在不同的系統(tǒng)工作壓力下，利用AMESim仿真實驗得到了對應的位移變化量，如表3所示。

設液壓系統(tǒng)工作壓力差(PL)與位移變化量位(xp)之間的比例關系為：

PL=k*xP

(3)

式中：k為比例系數(shù)。

2.3 比例反饋環(huán)節(jié)系數(shù)

該文在表3的基礎上，結合公式(2)構建了比例系數(shù)(k)的數(shù)學模型，并利用MATLAB分析[6-8]且得到了比例系數(shù)。

(4)

可得：k≈2.31

3 夾緊裝置控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)的I/O分配

該設計選用三菱系列的FX2N機型作為控制器，該PLC的I/O點數(shù)分配為12輸入、12輸出[9-11]，可以滿足所該設計的控制要求，I/O點數(shù)分配見表4所示。

表4 控制系統(tǒng)I/O點數(shù)分配表

3.2 控制系統(tǒng)的基本功能

控制程序可參照表4控制系統(tǒng)I/O分配表進行設計，主要目標是實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的快進、快退、慢進、慢退、壓力補償?shù)哪Ｊ娇刂?，控制系統(tǒng)的基本功能，如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)的基本功能

文中闡述了基礎控制功能以供參考。在實際應用中工程技術人員可在文中所闡述的控制功能及原理的基礎上進行改進與擴展。

4 結束語

針對傳統(tǒng)液壓夾緊裝置存在的控制不夠靈活問題。文中首先進行了夾緊裝置的系統(tǒng)設計，建立了夾緊裝置的數(shù)學模型，完成了受力分析。其次，以FX2N系列PLC為控制核心，闡述了系統(tǒng)的控制要點及控制思路，并闡述了基本功能。多模式的設計為夾緊設備的靈活使用及一體化控制創(chuàng)造了條件；不僅提高了夾持的可靠性，同時增強了設備的適用性，因此該設計具有一定的推廣價值。