板簧成型拉料機構控制系統的設計與仿真

張盟盟， 李素玲， 崔振華

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091)

1 多道次板簧成型設備的組成原理及存在問題

某汽車板簧廠型號為二輥LBZ200型的板簧成型設備，主要由軋機[1]主體和拉料[2]機構及液壓系統組成，如圖1所示.軋機主體包括上下軋輥、四柱式機架、壓下伺服液壓缸；拉料機構包括拉料車、導向軸、夾緊鉗口、水平拉料液壓缸等.

該設備的工作過程是：當板簧坯料碰到拉料車底面的定位擋板(行程開關)時，夾緊鉗口夾住坯料，水平拉料液壓缸[3]通過驅動拉料車實現對坯料拉動，由位移傳感器檢測出坯料的移動位置，并以此轉換成板簧對應的厚度要求.上軋輥在伺服液壓缸的驅動下，實現輥縫[4]變化，完成對坯料的變輥縫軋制，輥縫大小變化由厚度傳感器檢測，并傳送給PLC實現閉環控制.如此進行3～4次，稱為多道次軋制[5].

1-液壓缸；2-軋機主體；3-工作輥；4-拉料裝置；5-厚度傳感器；6-位移傳感器圖1 變截面板簧軋機結構簡圖

該設備存在的問題是：在整個工作過程中，由電磁換向閥控制水平拉料液壓缸來驅動拉料車運動，每個道次共有快進、快退、慢進、慢退四個動作和兩個固定速度，但板簧在軋制過程中的速度與軋輥壓下量有關，并不是固定值，因此兩者速度[6]不匹配.當拉料車速度大于板簧速度時，板簧被拉伸變薄甚至斷裂；反之板簧被擠壓變厚甚至起皺.因此，該設備的拉料車速度控制是不完善的，影響了產品質量.

2 拉料控制系統原理與設計

目前，國內生產企業采用的多道次板簧成型設備大多是由電磁換向閥控制液壓缸來驅動拉料機構.為了使拉料車速度跟隨輥縫變化，將電磁換向閥更換為電液伺服閥[7].只要給伺服閥某一規律的速度信號，執行元件就自動地、準確地按照這個速度運動.

2.1 速度的確定

板簧坯料進入軋輥后，受到軋輥壓力和摩擦力的作用產生塑性變形.如圖2所示，坯料受力后就向AA1和BB1兩側流動,這樣就在縱向方向上存在一個相對軋輥流動速度為零的分界面，這個分界面叫做中性面.AA1的位置與軋輥中心連線之間的圓心角以α表示.

圖2 軋件變形區速度圖

根據體積不變[8]的條件，在出口處軋件的高度最小，所以此處的速度vh最大，并大于軋輥的線速度；在中性面處，坯料與軋輥之間沒有相對運動，坯料的速度vy等于中性面處軋輥的水平速度；坯料在入口處的速度vH最小，小于此處軋輥的水平線速度分量.三處速度的關系是：

vh>vy>vH

(1)

因為忽略了寬展，變形區內任何一個斷面x上的水平速度vx就都可以用體積不變的條件求出，其關系為

vxhx=vyhy

(2)

式中：hx表示x斷面的高度，hy表示中性面處的高度.軋輥的水平速度vy=vsinα，v表示軋輥線速度，且有v=2πRn，n表示軋輥轉速，R表示軋輥半徑.由圖2得sinα=(R-Δh)/R，Δh表示坯料出口與入口輥縫之差，綜合得到拉料車速度與輥縫的函數關系為

(3)

為了形成前張力軋制，拉料車速度應略大于坯料出口速度.中性面處的厚度hy總小于入口處的厚度hH，則用hH來代替hy就可以實現拉料車速度略大于坯料出口速度.因此拉料車的理論速度為

(4)

2.2 閥控缸速度模型的建立

電液伺服閥固有頻率和液壓缸固有頻率相近，所以把伺服閥看作二階振蕩環節，拉料液壓伺服控制[9]系統在考慮外負載干擾影響時的數學模型[10]如圖3所示.

圖3 液壓伺服控制系統數學模型

厚度傳感器檢測到的厚度信號送入計算機，根據式(4)轉換為速度V*，經A/D轉換為速度電壓信號Ur.速度電壓信號通過放大器、伺服閥、液壓缸轉換為速度信號Vp并作用于拉料車.速度傳感器檢測到的速度信號送入計算機，經D/A轉換為速度信號電壓Uf，并與Ur進行比較，經過控制器作用減小甚至消除兩者之差.

液壓系統參數意義說明見表1.

表1 液壓元件表

由圖3及表1參數得到拉料機構液壓控制系統的開環傳遞函數為

(5)

3 系統仿真與分析

在MATLAB-Simulink仿真工具箱[11]中，針對拉料液壓伺服控制系統分別建立了模糊控制器、PID控制器和模糊PID控制器三種模型[12]，設定輸入信號為y=step(x)，應用理論參數與經驗參數不斷調試運行得到三種控制方式的階躍響應曲線如圖4所示.三種控制方式的輸出曲線參數見表2.

由圖4及表2可以看出：PID控制方式的輸出曲線出現了明顯的超調現象，超調量高達28%，而采用模糊控制和模糊PID控制后，系統沒有出現超調.從上升時間可以看出，模糊PID控制在起始階段反應最迅速.從穩定時間可以看出，PID控制不能很好的實現對拉料機構的高精度和快速控制，模糊PID控制比單純的模糊控制能夠更快速的進入穩定狀態，其穩態性能比模糊控制方式的要好.由此選用模糊PID作為液壓伺服控制系統的控制器.

圖4 三種控制方式下的階躍響應曲線

表2 三種控制方式參數

考慮到在實際軋制過程中，拉料車的速度基本是逐漸增大的，采用斜坡信號模擬速度變化，系統的輸出曲線如圖5所示.在Simulink中，在系統的7s處加脈沖干擾信號，仿真得到干擾信號下的輸出響應如圖6所示.

圖5 模糊PID控制輸出響應

圖6 干擾信號下模糊PID輸出響應

由圖5知，模糊PID控制的拉料液壓伺服控制系統基本可以實現速度跟隨，滯后于輸入信號0.3s.由圖6知，當系統遇到脈沖信號干擾時，經0.5s就可以恢復穩定，有較強的抗干擾能力.

4 結束語

針對多道次板簧成型設備的拉料液壓控制系統，提出了電液伺服控制方案，用電液伺服閥代替電磁換向閥，實現了拉料車速度跟隨軋輥線速度的變化而變化.多道次板簧成型設備的拉料液壓伺服控制系統采用模糊PID控制方式，可以實現拉料車速度隨輥縫的變化而變化，提高板簧的生產質量.

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