基于液壓驅動控制夾具的模型設計

張國勇 ，沈 印，魏圣坤 ，付 波

（1.四川化工職業技術學院，四川瀘州646000；2.瀘州職業技術學院，四川瀘州646000）

產品的設計與零件的制造，往往需要靠一些加工設備來獲得所需的尺寸精度，相應在加工的時候要運用到夾具。研究夾具的重點，是在靜態變形和部分自由度的限制。但很少有人注意夾具的動態性能。然而，系統的動態性能，往往很大程度上影響加工精度。雖然有大量的研究對此安裝了固定裝置，但是效果并不是很好。可以利用反饋控制，來補償由加工裝置引起的變形，并對切削力進行分析。

許多研究，特別是對加工和顫振的的研究，傳統的控制器可以用來提供支持和約束，否則只能是用非常龐大的固定裝置。如果可能的話，可以建立彈簧阻尼元件，用來描述定位器與定位器（接觸）剛度模型，這種方法已被廣泛應用于制造業和研究平臺。在目前，提出了一種液壓驅動控制夾具系統，即用液壓執行器來控制位移的夾緊力來進行夾緊。

1 控制方法

控制模型技術已經成熟，為了克服有限元分析模型控制的復雜性，根據克雷格-班普頓信息模式方法，認識到一個系統的動力學特征頻率，系由最低的模式為主，關鍵在于有限元軟件ABAQUS的使用，目的是建立一個夾具系統的反饋裝置，以使夾具系統比傳統設計更安全更合理。

所以，作為剛體的一部分的液壓傳動器模型，部分將利用有限元建模軟件。該系統將描述部分有限元模型，并將建立一個液壓執行器和伺服閥的模型（如圖1所示）。

圖1 液壓執行器和伺服閥的模型

2 建模

為減少使用模型的機構數量，先建立一個簡單的模型，對控制驅動部分夾具系統進行有限元分析，其次由執行機構進行模擬，最后，提出了有限元建模，從而使夾具系統的運行狀態得到確定。

2.1 夾具模型

當前任務的目的，是模擬一個活動的夾具模型。夾具是假設由一個驅動器、彈簧、阻尼器、一些連接元素、執行器和支撐面所構成。在當前可以被認為是一個在制造行業廣泛應用液壓制動器。液壓執行器的模型由此得以建立起來，此外，模型還描述了液壓伺服閥的動態行為。

如圖1所示，由活動夾具組成的液壓執行器，一個液壓伺服閥和機構簡化部分是連接到支撐面，由執行機構彈簧和阻尼元素過渡連接。圖1顯示了這些連接的節點部分的夾緊和定位，在加工節點可以作水平的移動和垂直方向的自由移動，由于其只需要在水平方向的力，而摩擦是在當前被忽視，因此它只是假設的條件。因此，節點連接到夾具部分，是受在垂直方向的限制，只能自由地在水平方向移動，這就是邊界條件。

2.2 方法

（1）采用一般的方法，以方便得到夾具系統的控制部分簡化模型，是基于系統中的夾具和零件的設計。在設計中，制造工程師確定制造（加工）哪些業務需要，并在他們之中進行零件的圖紙和工裝夾具，通常的三維計算機輔助設計（CAD）軟件，會根據零件安排的夾具圖，可以導出到有限元軟件平臺。

在某些情況下，一個中間交換文件格式需要使用繪圖數據到有限元軟件。如果是幾何級數部分簡化的幾何形狀，有一個類似機械的結構，這時就被稱為參數化模型。

圖2 部分夾具控制系統的簡化模型

（2）MATLAB和MATLAB工具箱，用來裝載并創建一個矩陣動力學模型。應用執行器和一個合適的控制器進行建模和耦合到系統，該模型可以應用于實時控制，采用適當的電腦執行夾具系統。

2.3 有限元程序

（1）有限元程序或組件的子結構模態綜合技術，已被用來模擬復雜的結構，如20世紀60年代以來的飛機，計算復雜的機械結構時，可以作為一個整體來計算。其結構是會經過分成幾部分組成的模型。

圖3顯示了一個結構典型的例子——懸臂梁。在圖3（a）可以看出，梁分成3個部分。如圖3（b）所示，其中典型的組件之一是內部坐標，可以使用模型降階方法。B為邊界的坐標，都需要建立模型。他們都是由外部坐標E，其中應用和外部的冗余坐標R組件到另一個組件。在當前的文件中，為了減少針對控制模型的組件，在當前的文件不需要同時耦合幾個組件。

圖3 懸臂梁示意圖

（2）固定接口模式。使用克雷格-班普頓還原法，它是內部“信息”坐標靜態和動態信息坐標的合成，被譽為固定接口模式。固定接口模式，通過給被發現的外部零件零位飄逸邊界坐標，然后找到自由振動模態。

2.4 控制策略

位置反饋的使用：第一是執行器的位移（ADFB）；第二是部分的位移（PDFB）；第三，是力的反饋（FFB的）。

目前的研究不涉及反饋或并聯補償，當前文件的目的，是調查和比較了幾種經典形式串聯補償控制策略。對于這兩種形式的位置反饋和力反饋看來，一個積分和微分（PID）控制器創建一個不穩定平面，這減少了控制策略，在PID控制的情況下，轉移函數的控制器的定義如下

引導和滯后濾波器的傳遞函數為

這些設置的確定，有利于控制器的最大響應，并從最低補償角頻率開始響應。這樣當

補償器是一種調節機制，當

可以用來獲取相位中一些超前的數據。

3 結束語

研究的主要發現是，位置反饋可以用來最大限度地減少不必要的工件位移，從而節約了工時，提高了工作效率，應當指出，位置反饋控制系統在比例控制中的應用，可以成功地用于穩定部分夾具系統。

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