毕业设计之开题报告

华中科技大学毕业设计（论文）之开题报告花键挤压机数控系统状态图设计及液压双缸同步技术学院：专业：班级：姓名：学号： 指导老师:华中科技大学毕业设计（论文）之开题报告花键挤压机数控系统状态图设计及液压双缸同步技术-、课题相关背景1、课题来源花键挤压机是常用的花键生产设备，能够获得质量较高的花键，同时可以 较好的提高花键的生产效率。本课题来自华中科技大学数控中心与青岛生建公司 的合同项目16K花键轴挤压机机床（以下简称花键挤压机）数控改造。花键 机的旋转双轴同步技术的研究是花键挤压机研制的重要技术之一。通过满足一定 精度要求的旋转双轴同步，使花键挤压机生产出合格的产品。2、课题目的本课题采用16k数控挤压机生产花键轴。花键挤压机进行花键加工的关键技 术是两个成型压（滚）轮之间的位移同步控制技术以及两个成型压轮旋转同步控 制技术。根据花键挤压机的工作原理，成型压轮的位移必须通过液压油缸驱动， 以产生迫使金属局部塑性变形所需要的挤压力；在成型挤压过程中，不仅两个成 型压轮的位移量、位移速度要相同，即实现完全同步，而且位移速度要可调可控； 同时两个成型压轮的旋转速度也要保持同步，且旋转速度要可调可控，且与成型 压轮的位移速度要匹配。要达到上述的目的，传统的机械同步时无法满足要求的，必须采用数字化的 控制技术予以实现。本课题拟在分析数控花键挤压机工作原理，绘制花键挤压机 的结构原理图，用状态机图绘制、描述数控花键挤压机工作过程的基础上，研究 花键挤压机数控系统的关键技术之一液压双缸同步技术。花键挤压机结构简图如图1.1所示:弼步齿形话!鶯辔黏塌親遵图1.1花键挤压机结构简图3、课题意义花键联接具有面积接触大，承载能力高，定心性和导向性好等优点，所以具 有广泛的应用。以前的花键加工一般都采用切削加工，每件加工的时间一般都很 长，切削出来的花键精度受刀具、毛坯、机床的影响，波动比较大。花键挤压机床是一种无切削、高效成型机床，在大批量花键制造行业具有重 大作用，有着广阔的应用前景。相比于同一规格的花键铣齿机、花键滚齿机，花 键挤压机结构简单、效率高、加工精度基本相当且齿面硬度大大提高，耐磨性也 随之提高。因此，在大批量花键生产中，采用花键挤压机具有无可比拟的优点和 优势。4、国内外慨况主要针对液压双缸同步控制技术进行调查。随着对液压传动系统高效率、低噪声、无震动、高精度、低故障等的要求，对同 步的要求也越来越高，因此需用液压同步的方法来保证同步的要求。按构成回路 的控制元件的不同，液压同步回路主要有流量控制和体积控制两大类，按控制方 式的不同，液压同步控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开关式(开环)同步控制系统1) 流量控制阀实现同步回路(1) 节流阀的同步回路 如图1.2b所示，选用相同型号的节流阀，可以达到基 本同步，加上桥式整流回路可实现双向同步。该系统简单，成本低，若同步精度 要求高可采用带温度补偿的调速阀或在系统中设稳流阀等。(2) 分流集流阀的同步回路用分流集流阀可使两负载不同的液压缸同步，如图1.2c所示，因压降与流量成平方下降，当流量Q过小时分流精度将显著下降， 故该系统流量范围较窄，不适用于低压。a)机械刚性b)节流阀c)分流集流阀图1.2流量控制阀实现同步回路2) 体积控制实现同步回路体积控制实现的同步精度比流量控制阀实现的同步精 度咼。(1) 串联缸的同步回路对单伸杆串联缸要求一个缸的有杆腔有效面积等于另一个缸的无杆腔有效作用面积，对双伸 杆如图1.3a所示可实现双向同步。町串联怔 M同步缸匚)并联马达d)并联泵图1.3体积控制同步回路(2) 同步缸的同步回路 如图1.3b所示的同步缸起着配流的作用，在其2个活塞 上设有双作用单向阀，可在行程端点消除两液压缸的同步误差。(3) 并联马达的同步回路如图1.3c,用2个同轴等排量的液压马达作配流环节, 输出相同流量保证缸的同步。由单向阀和溢流阀组成的补油回路可消除行程端点 的同步误差。(4) 并联泵的同步回路如图1.3d,用2个同轴等排量泵直接向两缸供油，两换 向阀应同时动作，在消除端点误差时，换向阀可单独动作。3) 力同步和位置同步上述主要是速度的同步，对力同步只要保证执行器的尺寸 大小相同并由同一个溢流阀设定压力很容易实现力的同步，位置同步则需在系统中设置特殊结构或行程控制机构等。但也可像对速度同步一样实现对力、位置 的控制。液压同步闭环控制系统实际上一个液压系统不是一个单一回路的系统，通常是由几个回路组成，多个回 路之间会相互影响，即使在一个回路中通常设有溢流阀调压、安全阀保护、节流 阀或调速阀调速及换向阀换向等，它们对执行器的同步均会产生静态或动态的 影响。同时由于不同工况下负载的扰动、执行器的摩擦阻力、系统泄漏、控制元 件间的性能差异、空气的混入量以及系统各组成部分的制造和安装误差等因素的 影响，都会影响执行器同步运行的精度。当采用开环控制的液压同步回路，同步 精度较低；当采用液压同步闭环控制系统，可对执行器的输出进行检测与反馈来 构成闭环控制，尽管该系统组成复杂、成本高，但能消除和抑制对高精度同步控 制的不利因素的影响，可获得高精度的同步驱动控制。特别是随着现代控制理 论、智能控制理论以及计算机控技术的发展，这种控制形式在高精度的、自动的 液压同步控制回路中得到广泛的应用。1)闭环同步控制原理(1) 一个执行缸跟踪另一个执行缸 原理图如图1.4上半部分所示。执行缸2的输 出跟踪执行缸1的输出，加上D/A、A/D、放大等元件以及位置控制器的设计可 实现计算机自动控制。控制元件1可用普通阀，控制元件2用伺服阀或比例阀。 该系统还可与普通控制系统配合实现组合控制。按控制元件设置的位置。控制芫伸1A/D计算机I执行缸21输入腔制元韩2f执打缸创机构Ia7d|图1.4闭环同步控制原理(2)两个缸同时跟踪理想输入.原理图如图1.4下半部分所示，对两个执行缸同 时用一套反馈元件进行跟踪设定的理想输入，也可以用两套反馈机构分别实现 对理想输入的跟踪控制，该系统要求每套装置中元件的性能完全一致。按此原理 实现系统如图1.5。图1.5两缸同时跟踪理想输入2)分类按控制元件、反馈检测装置的不同，液压同步闭环控制主要有下列类型：伺服阀 组成的系统、比例阀组成系统、数字缸(模拟缸)组成的系统等。伺服阀的同步回路根据反馈方式的不同，又可分为机液伺服阀和电液伺服 阀的同步回路：前者以机械方式将活塞位置误差反馈给伺服阀，由伺服阀的随动 调节流量，实现两缸的同步；后者将活塞位置以电信号反馈给伺服阀。该系统响 应速度快，同步精度高，但阀结构复杂，价格高且抗污染能力差，所以一般适用 于高同步精度要求的场合。 比例阀的同步回路.控制元件为电液比例阀。它是介于普通液压阀的开关式 控制和电液伺服控制之间的控制方式，它能实现对液流压力和流量连续地按比 例地跟随控制信号而变化，它的控制性能优于开关式控制，控制精度和响应速度 低于电液伺服控制，但它的成本较低，抗污染能力强，易于实现计算机控制。适合 于大功率及较高同步精度的场合。(3) 数字缸或模拟缸控制的同步回路.随着自动化控制技术和机电一体化技术 的发展，用数字信号控制的电液步进液压缸或模拟信号控制的电液伺服、电液比 例液压缸直接对缸实现位置或速度的同步控制。数字缸是一种机电液一体化控制 元件，将缸与控制阀、检测元件等集成为一体，直接用计算机的数字量来实现对 缸的控制，其中的D/ A转换器通常用步进电动机实现将电信号转换为角位移量 输出，由相同性能的两套或一台步进电动机同时驱动两个数字缸可实现同步。模 拟缸是将缸、电液伺服或电液比例阀、溢流阀、节流阀等叠加集成一体，使缸的 活塞移动位移与输入电信号成比例。此类缸便于控制、体积小、动态性能好、抗 污染，具有高精度的位置和速度同步。二、课题内容、方案及措施1、预期达到目标针对本课题，经过初步的调查研究，在分析、了解数控花键挤压机的工作原 理的基础上，了解学习UML语言及Enterprise Architect软件的使用方法，以及 Linux操作系统及在Linux操作系C语言及实时RTAT编程方法。主要是采用状 态机方法，描述数控花键挤压机的工作过程控制图，并进行相应的分析说明；学 习分析液压双缸同步控制技术，编制液压双缸同步控制软件；设计、搭建液压双 缸同步控制的试验平台，并进行仿真测试验证。2、关键理论和技术本课题的关键理论和技术就是采用状态机去分析和描述数控花键挤压机的 工作控制过程图；以及如何实现液压双缸同步控制。状态图的设计采用Enterprise Architect软件进行花键挤压机数控系统状态图的设计。关于 状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转 移函数组成。状态机通过响应一系列事件而“运行”。每个事件都在属于“当前”节 点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。函数返回“下 一个”（也许是同一个）节点。这些节点中至少有一个必须是终态。当到达终态， 状态机停止。包含一组状态集（states）、一个起始状态（start state）、一组输入符 号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function ）的计算模型。当输入符号串，模型随即进入起始状态。它要改变到新 的状态，依赖于转换函数。在有限状态机中，会有许多变量，例如，状态机有很 多与动作（actions）转换（Mealy机）或状态（摩尔机）关联的动作，多重起始状 态，基于没有输入符号的转换，或者指定符号和状态（非定有限状态机）的多 个转换，指派给接收状态（识别者）的一个或多个状态，等等。如图2.1所示：量模式（单轴）、由左转肚轴左转|右轴左转&!同步&疇量 轴|右处壇竽負，乜亩键灯亮 转曲右转右轴缶专&队同步&増量 |右轴増量平专；费键灯亮 缸内移医侖内痂右缸内阴&!缸|右缸増量内移；按键女 缸外移 左缸外移|右缸外移 ，士 El七:fcT槪 S乩该 増量完成據键取消&!同步 腿出轴此碌状态，按键灯荧 进入増量厂单轴）模式轴若转,左轴有獅右做右转以同歩&鎳 司歩&晦量佐轴&右期増弹右脅按;键灯缸内移住缸内移II#缸内务&E 咗缸&右紅増量湍移，按键灯1 量缸外移庄缸外移II右缸外移& /左缸&若缸増豊外移按键灯轴 /左按键终止0安键取消 退出轴忙碌状态，按 駐入迪量（同步）模了左轴饋专II鹫由左嶽&同歩&增m” ，搀键灯亮/左轴&祐轴增量左警告狀态歸锁便能轴按键限位信匾増量！/限位信前由对停止运动 冷h鑿吿什衣增量模式轴忙碌狀？图2.1状态图同步控制同步系统是实现多个执行器以相同位移、相同力或者相等速度运动的回路。大型 设备因负载力很大或者布局的关系，需设多个液压执行器同时驱动一个执行机 构，例如液压机中的上液压缸、压桩机中的机身升降液压缸、装载机中动臂缸等。 同步运动包括力同步、速度同步和位置同步三类。力同步指输出给各执行器的力 相同；速度同步指各执行器的运动速度相同；位置同步则需保证各执行器在运动 中和停止时位置处处相等。实际机构中的执行器多数为液压缸。所以，在本课题 中我们采用的是液压双缸同步来实现对金属的挤压而生产出所需花键。3、完成课题的方案及主要措施方案一：基于模糊PID技术。目前，液压同步闭环控制系统的实现形式很多， 依据其实现的任务，被控执行元件的数量、类型与结构、安装与运行方向和控制 元件的不同可分成很多类。对于液压同步闭环控制来说，同等方式和主从方式是 通常采用的两种控制策略。两者相比，为获得高精度的同步输出，则要求按同等 方式工作的液压同步闭环控制系统的各执行元件、反馈、检测元件及控制元件等 的性能具有严格的匹配关系，这显然让工业实行增加了难度。如图2.2所示。图2.2系统改进的主从式同步控制示意图仿真结果表明，该控制算法保证了控制的快速性，提高了系统的跟踪精度，且具 有较好的鲁棒性能。方案二：电液数字伺服双缸同步控制系统。同步控制一直是液压行业的一个重要课题，在重载、大型设备的运动中其作用显 得尤为突出。液压缸的同步精度不仅影响到机械臂运动的位置精度而且还影响到 机械臂运动的协调性。现有的液压同步系统有很多实现方法,有的采用开环系统, 例如机械刚性同步系统、分流集流阀同步系统等，这些系统一般来说结构简单， 但同步精度较低。在高精度同步应用场合，同步控制系统大多采用闭环控制。例 如，采用伺服阀控制的同步系统，这种系统响应速度快，同步精度高，但阀结构 复杂，抗污染能力差，成本高；采用电液比例阀控制的同步系统其抗污染能力较 伺服阀强，但由于存在死区、饱和等非线性，因此影响到其同步精度。如图2.3.I. 2妆涉恃侈嚣从动时苗一电液數字同服阀6电確换向阀图2.3电液位置同步控制系统三、课题研究进展计划1寒假，文献翻译，资料准备2课程设计，知识准备，绘制图纸，阅读资料3开题报告准备，方案4状态图设计和液压双缸同步技术的实现5撰写毕业论文，最终检查6准备答辩PPT，最终检查7论文和PPT排版和修改四、主要参考文献诸静，等，模糊控制原理及应用M,北京，机械工业出版社，19952施光林，等，液压同步闭环控制及应用J，机床与液压，1997 （4）李卓，等，基于Fuzzy推理的自调整PID控制器J，控制理论与应用，1997（4），闻邦春，赵春雨，苏东海，等，机械系统的振动同步与控制同步M，北京： 科学出版社，2003李状云，液压元件与系统M，北京：机械工业出版社，2005王少峰，面向对象技术UML教程，北京，清华大学，2004关景泰，机电液控制技术，同济大学8杨征瑞，等，电液比例与伺服控制，北京，机械工业出版社徐宝文，等，C语言设计语言，北京，机械工业出版社10 白恩远，等，现代数控机床伺服及检测技术，国防工业出版社11 Canudas de W it C,0 lsson H,A storm K J,L isch in sky P.A new model for control of systems with frictionJ,IEEE Trans Automat 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