带钢卷曲机纠偏液压伺服控制系统设计

目 录1绪论21.1 概述21.1.1 研究背景21.1.2 研究现状31.1.3 发展方向61.2 纠偏电液伺服控制系统的特点和构成61.3 发展趋势72卷取机纠偏控制系统设计82.1 卷取机工作原理82.1.1 卷取机的应用82.1.2 工作方式分析9图2.1卷取机简图102.2 带钢纠偏控制系统原理102.2.1 带钢纠偏控制系统的介绍102.2.2 带钢纠偏控制系统工作原理112.3 控制系统设计112.3.1 控制对象的参数112.3.2 控制系统设计方案122.3.3 纠偏液压站原理图设计132.4 系统元件设计选型142.4.1 光电传感器设计143元件的动力学分析和主要参数的确定183.1 电液伺服阀简介183.2 系统技术参数计算183.3 初选系统压力193.4 对称液压缸的主要参数193.5 计算对称液压缸的工作压力、流量和功率213.5.1 计算对称液压缸的工作压力213.5.2 对称液压缸工作所需的流量223.5.3 计算对称液压缸的输出功率223.6 液压控制系统动力元件参数的确定223.6.1 确定动力元件（伺服阀）参数223.6.2 动力元件（伺服阀）的选择233.6.3 液压泵及电机的选型233.6.4 液压阀的选型243.7 液压辅件的设计计算与选型253.7.1 油箱的设计253.7.2 阀块的设计263.7.3 管道尺寸的确定273.7.4 其它元件的选型293.7.5 液压油的选用29参考文献311 绪论1.1 概述电液伺服阀是闭环控制系统中最重要的一种伺服控制元件,它能将微弱的电信号转换成大功率的液压信号(流量和压力)。用它作转换元件组成的闭环系统称为电液伺服系统。电液伺服系统用电信号作为控制信号和反馈信号,灵活、快速、方便;用液压元件作执行机构,重量轻、惯量小、响应快、精度高。对整个系统来说,电液伺服阀是信号转换和功率放大元件；对系统中的液压执行机构来说,电液伺服阀是控制元件；阀本身也是个多级放大的闭环电液伺服系统,提高了伺服阀的控制性能。1.1.1 研究背景液压控制技术的历史最早可以追溯到公元前240年,一位古埃及人发明的液压伺服机构水钟。而液压控制技术的快速发展则是在18世纪欧洲工业革命时期,在此期间,许多非常实用的发明涌现出来,多种液压机械装置特别是液压阀得到开发和利用,使液压技术的影响力大增。18世纪出现了泵、水压机及水压缸等。19世纪初液压技术取得了一些重大的进展,其中包括采用油作为工作流体及首次用电来驱动方向控制阀等。第二次世界大战期间及战后,电液技术的发展加快。出现了两级电液伺服阀、喷嘴挡板元件以及反馈装置等。20世纪5060年代则是电液元件和技术发展的高峰期,电液伺服阀控制技术在军事应用中大显身手,特别是在航空航天上的应用。这些应用最初包括雷达驱动、制导平台驱动及导弹发射架控制等,后来又扩展到导弹的飞行控制、雷达天线的定位、飞机飞行控制系统的增强稳定性、雷达磁控管腔的动态调节以及飞行器的推力矢量控制等。电液伺服驱动器也被用于空间运载火箭的导航和控制。电液控制技术在非军事工业上的应用也越来越多,最主要的是机床工业。在早些时候,数控机床的工作台定位伺服装置中多采用电液系统(通常是液压伺服马达)来代替人工操作,其次是工程机械。在以后的几十年中,电液控制技术的工业应用又进一步扩展到工业机器人控制、塑料加工、地质和矿藏探测、燃气或蒸汽涡轮控制及可移动设备的自动化等领域。电液比例控制技术及比例阀在20世纪60年代末70年代初出现。70年代,随着集成电路的问世及其后微处理器的诞生,基于集成电路的控制电子器件和装置广泛应用于电液控制技术领域。现代飞机上的操纵系统。如驼机、助力器、人感系统，发动机与电源系统的恒速与恒频调节，火力系统中的雷达与炮塔的跟踪控制等大都采用了电液伺服控制系统。飞行器的地面模拟设备，包括飞行模拟台、负载模拟器大功率模拟振动台、大功率材料实验加载等大多采用了电液控制，因此电液伺服控制的发展关系到航空与宇航事业的发展，在其他的国防工业中如机器人也大量使用了电液控制系统。1.1.2 研究现状群控系统(DNC)和柔性制造系统(FMS)等新工艺装备的使用,计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助测试(CAT)的广泛应用,为我们进一步简化伺服阀结构,完善设计,降低工艺制造成本和管理费用,提高产品性能,稳定产品质量,增加产品可靠性和延长使用寿命创造了极其有利的条件。1、伺服阀的结构改进(1) 在电液伺服阀的部分结构上,主要从余度技术、结构优化和材料的更替等方面进行改造,以提高相关性能。采用三余度技术的电液伺服系统将伺服阀的力矩马达、喷嘴挡板阀、系统的反馈元件等做成一式三份,若伺服阀线圈有一路断开,而系统仍能够正常工作,且有系统动态品质性能基本不变,从而提高了伺服作动系统的可靠性和容错能力。在结构的改进上, 针对阀出现的故障提出改进措施,进行结构优化,以满足其相关性能的要求。从材料方面考虑,阀的某些元件采用了强度、塑性、韧性、硬度等机械性能优良的材料,既可以减少故障,又让阀具备良好的动态性能。(2) 从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上,采用不同的磨配原理,如磁力研磨法等原理来提高阀的工作性能。阀芯和阀套组成的滑阀副是伺服阀的核心,阀套窗口棱边的几何精度决定了阀的工作性能。在阀芯加工最后磨配端面时,不能直接获得尖锐的棱边,而是在棱边处产生“毛刺”,然后采取措施加以去除。上海交大的陈鹏研制了智能化、全自动的伺服阀配磨系统,以计算机为核心,能自动测量阀的输出特性,并给出配磨参数, 从而使阀芯、阀套的制造简便、迅速。23 (3) 利用优质材料进行伺服阀装配。由于伺服阀的衔铁组件装配是属薄壁件与细长杆装配,压装力稍大时,易产生使工件变形或装配尺寸压不到位的抱死现象。喷嘴体与对应孔压装轴向压装力大,喷嘴体常出现打压渗漏油、压力窜动、跳跃现象。FA表面改质剂不含金属成分及固体润滑剂、树酯等,使用后没有凝固物及杂质产生,与矿物油、液压油等是相溶的。还有金属清洁与去污特性。所以可以改善润滑条件,解决压装中的难点。42、测量和测试设备技术CAT在对液压伺服阀的静、动态特性进行试验测量时,由于测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频随机干扰使被采集的信号中混有相当成分的高频噪声,使信号特征不能真实反映伺服阀实际性能。因此研制对电液伺服阀进行高精度、高可靠性而易于操作的计算机辅助实时测试设备技术非常必要,为电液伺服控制系统的设计或调整,提供准确可靠的伺服阀实际特性依据。(1) 有关静态特性的测试技术-测频/测周法从简化测试系统,方便操作方面,对电液伺服阀的额定流量(大流量)和泄漏流量(小流量)的测试,将测频法(对大流量的测试)与测周法(对小流量的测试)结合起来,进行宽范围的流量测试。由于光栅传感器采用脉冲量,分辨率高、抗干扰能力强,也提高了系统的测试精度,曾良才等人5一套用光栅传感器测量流量的装置,实现了静态特性的流量测试。(2) 由于在动态测试中要求测试系统硬件(如传感器、放大器等)对信号的响应速度快,对信号的发生和采集有同步要求,因而伺服阀的动态性能测试是伺服阀特性测试中的难点。以性能先进的VXI总线仪器为主要测试设备组成电液伺服阀动态特性测试系统,具有高速、高精度、易组建,易扩展,易更新换代等特点。(3) 电液伺服阀综合性能的测试技术利用计算机和相关软件建立的液压元件特性测试系统,实现了电液伺服阀动、静态特性的自动测试。采用虚拟仪器技术VICAT系统,产生低频的三角波、正弦波、锯齿波等用于静态特性实验需要,产生随机信号、正弦扫频信号用于动态特性实验需要；两路模拟量输出和四路模拟量输入等接口,对提高测试精度、减少测试时间、减轻实验人员负担无疑起到了巨大的作用。3、 动态性能研究在电液伺服阀动态性能理论分析中, 通过分析伺服阀结构原理,辨识其非线性数学模型,再进行仿真研究,以证明动态数学模型的正确性,为电液伺服系统的设计、控制策略的研究、电液伺服阀的工作性能认知提供研究的平台。采用不同的输入信号(正弦、脉冲等)对电液伺服阀进行试验,求出其动态数学模型。利用多目标优化理论,建立统一的目标函数,然后运用优化算法对模型进行优化,获得改善阀动态性能的一组结构参数,从而达到改善电液伺服阀动态性能的目的。影响系统稳定性的研究,主要从减小阀分辨率误差以及系统的频带等因素进行,王向周等对三级电液伺服阀加入PD校正环节展宽了频带和减小了先导二级伺服阀的阻尼系数,有利于三级阀系统的稳定。4、故障检测技术液压伺服阀具有时变、非线性、液固耦合等特点,由于设计参数、制造工艺、工作条件和环境的影响,往往会引起堵塞、磨损、疲劳、气蚀、老化、泄漏等多种形式的失效,使液压控制系统不能继续正常工作。一般运用BP神经网络、专家系统等智能方法对电液伺服阀进行故障诊断和模式识别。5、新型电液伺服阀的研制近年来,随着微型计算机的广泛使用,新材料的应用,新型伺服阀的研制得到了相当大的进展。以适应新的要求,例如高压、大流量、高频响、高低温环境适应性、抗干扰、抗油液污染、使用方便和成本低廉等等。(1) 新材料、新技术、新工艺的应用以超磁致伸缩材料(GMM) 和电致伸缩材料(PMN)等为转换器的电液伺服阀,具有高频响,高精度等优点,使液压伺服控制系统的频宽跃上了一个新的台阶。国外在20世纪90年代初已开发了直接驱动式电液伺服阀,作为双喷嘴挡板式电液伺服阀的补充和发展。国内姚建庚等于2000年成功地开发出了一种抗污染能力强、动态指标高的直动式电液伺服阀。利用直线力马达直接驱动滑阀工作,从而提高了电液伺服阀的抗污染能力,是传统的喷嘴挡板式电液伺服阀的补充和发展。(2) 模拟控制方式向数字控制方式的转变。电液数字控制的实现方法一般有两种,其一为采用传统的模拟式控制元件,通过D/A转换实现其数字控制。其二为直接数字控制,它是采用步进电机作为电-机械转换元件,将输入信号转换为与步数成比例的阀输出信号,这类阀具有重复精度高、无滞环等优点。1.1.3 发展方向综上所述,为适应液压伺服系统向高性能、高精度和自动化方向发展需要,伺服阀主要发展方向是:1、标准化目前,国内在研究、生产和使用电液伺服阀方面虽然已初具规模,型号品种也基本相当于国外大部分产品,但由于各自为政、力量分散,标准不很规范,十分不利于伺服阀的进一步发展。因此,着重解决标准化问题已成当务之急。2、虚拟化利用CAD技术全面支持伺服阀从概念设计、外观设计、性能设计、可靠性设计到零部件详细设计的全过程,并把计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助检验(CAI)、计算机辅助测试(CAT) 和现代管理系统集成在一起,建立计算机制造系统(CIMS)使设计与制造技术有一个突破性的发展。3、智能化发展内藏式传感器和带有计算机、自我管理机能(故障诊断、故障排除)的智能化伺服阀,进一步开发故障诊断专家系统通用工具软件,实现自动测量和诊断。还应开发自补偿系统,包括自调整、自润滑、自校正,这是液压行业努力的方向。4、数字化电子技术与液压技术的结合的一个方向。通过把电子控制装置安装于伺服阀内或改变阀的结构等方法,形成了种类众多的数字产品。阀的性能由软件控制,可通过改变程序,方便地改变设计方案、实现数字化补偿等多种功能。5、微型化随着液压技术的进步及竞争的加剧,微型伺服阀的技术以体积小、重量轻、单位功率大等优点而越来越受到重视。6、绿色化 减少能耗、泄漏控制、污染控制。将发展降低内耗和节流损失技术以及无泄漏元件,如实现无管连接,研制新型密封等；发展耐污染技术和新的污染检测方法,对污染进行在线测量；可采用生物降解迅速的压力液体,如菜油基和合成脂基的传动用介质将得到广泛应用,减少漏油对环境危害,适应环境保护(降低噪声和振动、无泄漏)。1.2 纠偏电液伺服控制系统的特点和构成电液伺服控制系统特点:均为闭环系统;输出为位置、速度、力等各种物理量;控制元件为伺服阀(零遮盖、死区极小、滞环小、动态响应高、清洁度要求高)；控制精度高;响应速度快；用于高性能场合。此系统的一般构成如图1.1所示。图1.1 电液伺服系统的一般构成1.3 发展趋势电液伺服控制已经开始向数字化发展,液压技术同电子技术、控制技术的结合日益紧密,电液元件和系统的性能有了进一步的提高。电液伺服控制将在电子设备、控制策略、软件和材料方面取得更大的突破,主要包括以下几个方面。(1)与电子技术、计算机技术融为一体。随着电子组件系统的集成,相应的电子组件接口和现场总线技术开始应用于电液系统的控制中,从而实现高水平的信息系统,该系统简化了控制环节、易于维护,提高液压系统的可控性能和诊断性能。(2)更加注重节能增效。负荷传感系统和变频技术等新技术的应用将使效率大大提高。(3)新型电液元件和一体化敏感元件将得到广泛研究和应用,如具有耐污染、高精度、高频响的直动型电液控制阀,液压变换器及电子油泵等的研究。(4)计算机技术将广泛应用于电液控制系统的设计、建模、仿真试验和控制中。2 卷取机纠偏控制系统设计2.1 卷取机工作原理卷取机是将热轧或冷轧钢材卷取成卷筒状的轧钢车间辅助设备，在热带钢连轧机（热连轧机组）、冷带钢连轧机和线材轧机上布置在成品机座之后；在单机座可逆冷带轧机上则安装在轧机的前后。此外，它也安设在连续酸洗机组、纵剪、退火、涂层等各种精整机组中。冷、热带钢、线材由于产品断面形状的特点，有可能在轧制后立即用卷取机将钢材弯曲成卷，从而为增大原材料重量、提高轧制速度、减小轧件头、尾温差提供了有力的条件，由此导致了产品产量与质量的提高；此外，成卷的轧材便于运送，这是各种形式卷取机的共同特点和作用。2.1.1 卷取机的应用卷取机在很多行业都有应用。卷取机是将产品卷成卷的机械设备。就复杂程度而言，冶金行业的钢板卷取机具有代表性。卷取机驱动来自电力、流体等。卷取机一般构成有核心设备卷筒（卷轴）、辅助卷取设备（辅助成型设备）助卷辊（成形辊）等。在产品卷取过程中，产品主要在卷轴上成型，卷轴一般由电机拖动，辅助卷取设备助卷辊一般采用电机拖动进行转动，流体液压缸驱动助卷辊移动，以帮助顺利成卷。卷取机主要用于将长轧件卷绕成盘材或板卷。在现代化的冷轧带钢车间里，卷取机还广泛用于剪切、酸洗、修磨后抛光热处理、镀锡和镀锌等机组中。由于带钢生产与线材生产、冷带生产与热带生产间工艺上的区别，卷取机尚有各自的特点和功用，从而导致了它们结构上的差异。卷取机的类型很多，按其用途和构造可分为三种型式：1)、带张力卷筒的卷取机通常是在冷状态有张力的条件下卷取钢板或带钢；2)、辊式卷取机用于热卷、冷卷钢板和带钢；3)、线材和小型型钢卷取机2.1.2 工作方式分析带张力卷筒的卷取机应用于可逆式或不可逆式冷轧钢板或带钢轧制线上。这种卷取机不但用于卷取(展开)轧件，同时还使轧件产生张力，这是为了使轧制过程保持稳定，使板卷卷得更紧，并使轧件在喂入轧辊和从轧辊中轧出时有正确的方向。在轧制过程中，一般需要保持有前张力和后张力。依靠这些张力，就可以降低轧制时作用在轧辊上的压力，并减少带钢翘曲现象，有利于提高带钢表面质量。在单机座可逆冷轧机上，轧机前后都装有带张力卷筒的卷取机，它们交替地成为主动的或从动的；即一个卷取而另一个展开。在连续式或不可逆单机座的冷轧机上，仅在轧机后部装有卷取机，轧机前装有开卷机。当轧第一道时，带钢从开卷机送进轧机工作辊后用压板或辊式导板压紧带钢，产生不大的后张力进行轧制；然后，带钢进入卷取机卷筒的钳口，夹紧带钢头部进行卷取，产生前张力。可逆式冷轧的缺点是带钢两端无法轧制。为了减少两端废料的消耗量，常采用大直径的钢卷或在带钢两端焊接引带。卷取机在卷取带钢过程中，钢卷直径在变化，这就引起卷取速度的不断变化。为了使卷取速度与轧制速度相适应，以及带钢轧制时保持张力恒定，要求卷取机的转速是可调的，调速范围应适应轧制速度变化和钢卷直径变化，为此，一般采用可调速的直流电动机传动。在轧制结束后，钢卷要从卷筒上卸下来，因此，卷取机卷筒必须做成悬臂式的。但是，卷筒是在很大张力下卷取带钢的，这样卷筒轴就要承受很大的负荷(包括卷筒重量，带钢卷重量，弯曲带钢和张力所引起的力矩等)。为了保证卷筒轴的刚度和强度，减少卷筒轴的弯曲，除了增大卷筒轴尺寸外，般在卷筒的自由端安装可以转动的支架。当卷取带钢时，支柒支承着卷筒的自由端；而在卸卷时，则支架转向旁，不妨碍卸卷。卸卷时，用推卷机或带卸卷小车的推卷机，将钢卷从卷筒推出，然后运走。图2.1为推卷机简图它由液压缸1和推板3组成。推卷机一般都设在卷筒下方，它的行程由极限开关控制。推板本身是一个小车，可沿着平行于卷筒的轨道往返运行，实现推卷工作。图2.1卷取机简图2.2 带钢纠偏控制系统原理近年来，随着科学技术的发展、制造技术的进步，产品质量和品种多样化的要求日益提高。其中，汽车工业及装备制造业的迅猛发展大大增加了对钢材的需求。然而，我国的很多钢铁企业由于设备使用年限过长，电气控制系统和液压传动系统损坏严重，控制精度达不到要求，不能满足当前生产的需求。为保证带钢的质量， 需要根据机组运行情况设计安装相应的自动纠偏控制系统，整齐带钢边部，从而提高钢材的产量、成品率和生产效率。2.2.1 带钢纠偏控制系统的介绍带钢纠偏系统EPC (Edge Position Control)即边缘位置控制，广泛应用于钢带、铝带、铜带等金属带材轧机、纵剪机列、清洗机列等生产中，用来对带材连续生产进行跑偏控制。常见的跑偏控制系统有气液和光电液伺服控制系统。两者工作原理相同，其区别仅在于检测器和伺服阀不同，前者为气动检测器和气液伺服阀;后者为光电检测器和电液伺服阀，并各有所长。电液伺服控制系统的优点是信号传输快;电反馈和校正方便:光电检测器的开口(即发射与接受器间距)可达一米左右，因此可直接方便的装于卷取机旁，但系统较复杂。气液伺服系统的最大优点是简单可靠且不怕干扰;气液伺服阀中的膜片不仅起气压-位移转换作用，还起力放大作用，因此系统中省去了放大器，简化了系统。但气动信号传输速度较慢，传输距离有限，且气动检测器开口较小，检测器务必由支架伸出，装于距卷筒较远处，综合各种因素本系统运用电液伺服控制。2.2.2 带钢纠偏控制系统工作原理如图2.2所示，典型的带钢卷取纠编控制系统，主要由光电传感器，控制器，液压伺服系统(液压站、伺服阀)，卷取机所组成。图2.2 带钢纠偏控制系统带钢正常运行时，带边处于光电传感器中央 ，将光源的光照遮去一半。带钢跑偏时，带边偏离光电传感器中央，光电传感器检测出带材的位置偏差，将信号送给电控装置，而后经过放大等一系列动作送至伺服阀，由伺服阀控制液压缸驱动卷筒，使卷筒向跑偏方向跟踪。当跟踪位移与跑偏位移相等时，偏差信号为零，卷筒处于新的平衡位置，使卷筒上的带钢边缘实现自动卷齐。2.3 控制系统设计2.3.1 控制对象的参数1）机组速度：V=2m/s2）负载情况：以惯性负载为主，卷取机移动部件总重量M1=23t，最大钢卷重量M2=20t3）带钢宽度变化范围：75cm-125cm4）工作行程：H=300mm5）工作条件：因活套内行走,小车运行不稳，易引起带钢横向摆动 6）最大调节速度Vs=30mm/s，系统频宽 3Hz7）卷齐精度e2mm2.3.2 控制系统设计方案本论文研究的对象位于轧钢生产线。由于生产线工况条件恶劣，振动大、噪声强、温度高、污染严重，所以对控制系统的要求必须有非常高的可靠性和处理速度。为此我们在系统设计中需采用特殊的光电传感器检测带钢偏移信号，控制器采用计算机控制系统和智能PI控制算法，以减小和消除超调，加快系统的动态响应；执行机构采用电液伺服阀控制液压缸，推动卷取机跟随钢带。具体控制方案如下:1.控制算法采用智能PI算法，优化控制性能，这是该控制系统的关键部分。2.光电传感器采用特殊频率电源，提高抗干扰性能，有利于提高控制精度。3.硬件电路用由MCS-51单片机构建的计算机控制系统，扩展A/D及D/A模块，用LED及键盘达到参数显示、修改及工作方式的切换，构成友好的操作界面。4.该系统实现键盘自给定系统，在带钢宽度变化时自动调节光电传感器的光电头可以实现带钢边缘位置的准确定位。带材纠偏控制系统硬件原理图如图2.2所示图2.3 带材纠偏控制系统硬件原理图2.3.3 纠偏液压站原理图设计图2.4 带材纠偏控制系统液压原理图液压系统设计要完成两部分功能：实现卷取机的自动和手动跟踪带钢;实现光电传感器位置的手动调节，并且调节速度可调。根据功能要求，设计纠偏液压站原理图如图2.4所示:图中元件为:1.液位油温计2.空气滤清器3.压力表开关4.压力表5.管式单向阀6.齿轮泵7.吸油滤油器8.电机9.空气滤清器10.回油滤油器11.电磁溢流阀12.电磁溢流阀13.液压箱体14.电磁换向阀15.叠加式液控单向阀16单向换向阀17.叠加式节流阀及其他元器件。油路原理分析:油液经齿轮泵向上进入5(单向阀)：当系统在自动控制状态下时，电磁换向阀处于中位(关闭)。油液经过11、12(电磁溢流阀)和14(电磁换向阀)进入油缸工作，此时流量由微机控制的11、12(电液伺服阀)决定。当系统在手动控制状态下时，电磁换向阀处于左位或右位。油液经过电磁换向阀进入油缸工作，此时流量由人工通过电磁换向阀控制。不管系统处于自动状态还是手动状态，油液都可经过电磁换向阀和叠加式单向节流阀进入油缸，控制光电传感器的位置。一般光电传感器只在带钢宽度发生变化的情况下才由人工重新定位，所以电磁换向阀一般处于中位(关闭)。17(叠加式单向节流阀)是为了调整定位速度，保证(油缸稳定准确定位。电磁溢流阀是为了确定系统最高压力和控制油路系统的。2.4 系统元件设计选型系统由计算机、伺服放大器、伺服阀、卷取机及光电传感器等环节组成。控制器给出控制信号，经伺服放大器放大后驱动伺服阀，控制油缸活塞杆运动来推动卷取机跟随带钢，带钢位移信号经传感器反馈回控制器构成闭环控制系统。系统原理框图如图2.5所示(其中给定值为数字给定)图2.5 系统原理框图在系统中光电传感器、伺服阀、卷取机及与其配套的油缸等液压器件是系统的主体部分。系统的主要控制性能是由光电传感器和液压系统(包括伺服阀、卷取机及与其配套的油缸等液压器件)决定的，所以首先来设计光电传感器和液压系统。光电传感器包括光源的设计、转换、滤波等。液压系统的设计主要是确定决定系统控制性能的关键元件伺服阀。2.4.1 光电传感器设计在检测的反馈回路上光电传感器的精度在很大程度上决定了系统的精度，因此设计较为可靠和精度高的检测器非常重要. 光电传感器的设计包括电源、检测器、转换电路和滤波整流电路四部分。1光源设计为了减少外部光对系统的干扰，使接收到的光源信号尽可能是工作光源，我们将设计200Hz的高频特殊光源，采用直流斩波电路将220V，50Hz的工业用电变成220V、200Hz的工作电源。其电源的整流电路如图2.6图2.6 电源的整流电路D1D4与C组成桥式整流电容滤波电路，其作用是把来自变压器副侧电流的交流电压变成直流电压；虚线右半部分为稳压电路，其作用是为负载提供一个稳定的直流电压。整流后，通过斩波把直流变成200Hz的方波，使其产生相应频率的光源。其斩波电路如下图2.7。图2.7 斩波电路工作原理:斩波的原理是通过开关把直流电按周期地使电路导通与关断，该电路是由IGBT组成的降压斩波电路。全控型器件IGBT的的栅极驱动电压为周期方波，采用脉宽调制方式，其开关的周期即为斩波后的周期，但输出的电压将相应地降低。最终输出的Uo的波形如下图2.8图2.8 斩波输出波形2光电传感器的检测器原理设计光电式带材跑偏检测器原理如图2.9所示图2.9 光电式带材跑偏检测器原理光源发出的光线经过透镜1会聚为行光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量也发生变化，再通过转换电路使输出的标准电压也发生变化。3光电传感器的转换电路图如图2.10图2.10 光电转换电路R1、R2是同型号的光敏电阻。R1作为测量元件装在带材下方，R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用。当带材处于正确位置（ 中间位）时，由R1、R2、R3、R4组成的电桥平衡，使放大器输出电压U0为0。当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻R1阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，U0为正值。输出信号U0一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。4滤波整流电路由于光电传感器输出的电压是交流电，因此首先必须把其转换成直流才能进行比较。其整流电路如下图2.10滤波整流电路：图2.10 滤波整流电路3 元件的动力学分析和主要参数的确定3.1 电液伺服阀简介伺服阀是伺服控制系统中的核心元件。它可以按照给定的输入信号连续成比例地控制流体的压力、流量和方向。电液伺服阀与普通的电磁阀或电液比例阀不同，它的输入信号功率很小，一般只有几十毫瓦；能够对输出流量和压力进行连续的双向控制;具有极快的响应速度和很高的控制精度。所以可以用它来构成快速高精度的闭环控制系统。伺服控制的主要优点:液压执行元件响应速度快，在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益提高，频带加宽;液压元件的功率-重量比和力-质量比大，可以组成体积小、重量轻、加速能力强和快速动作的伺服控制系统，来控制大功率和大负载;调速范围宽，低速稳定性好。伺服控制的主要缺点:液压系统采用油液作工作介质，存在泄漏是不可避免的；伺服阀的加工精度高，因而价格较贵;污染的油液会使阀和执行元件堵塞，影响控制系统。3.2 系统技术参数计算1）负载力F：负载力由惯性力 和摩擦力 组成。因为卷取机是在导轨上移动的(摩擦系数较小)并且系统动态性能很高，所以摩擦力 相对惯性力 可以忽略。（3.1）2）供油压力 ： 由于属于低压系统，所以选取 =7 MPa3）液压缸有效面积 :取负载压力 ，由于 ，所以 （3.2） 4）系统流量： （3.3）考虑到系统泄漏及对快速性的要求较高，将 增大50%，得 =37升/分，取为40升/分。伺服阀的压降 ： （3.4）3.3 初选系统压力选好供油压力可以有效减小液压动力元件、液压能源装置和连接管道等部件的重量和尺寸，可以减小压缩性容积和减小油液中所含空气对体积弹性模量的影响，有利于提高液压固有频率。该系统为电液压力控制系统，具有控制精度高、功率大、响应速度快、结构紧凑等优点。该系统所作用的负载力较大，所以液压缸无杆腔的压力较大，就必须要有较大的供油压力才能达到系统的工作要求。原系统的无杆腔的工作压力大概在16MPa,故选取泵的供油压力为Ps=28MPa才能满足要求。3.4 对称液压缸的主要参数由于该系统使用的是非对称液压缸，故不能按照对称液压缸的计算方法计算其主要参数，在此，按最大负载力和最大负载速度确定液压缸的主要参数6。假设条件：m=500Kg, KS=N/m, =307500N, L=250mm, w=5HZ, V1=55mm/s， V2=40mm/s，计算要求： e() 1%假设限定伺服阀的最大负载压力为0.95倍的供油压力，即PL0.95PS。设液压缸的平均面积为： 则 ： （3-5） 设力F： （3-6）则动力机构的方程为： = （3-7）令初始条件解上式得： （3-8） =346.41rad/s余弦函数在内为减函数，故去时有最大值 = = =0.219m/s =0.219m/s计算最大加速度： = = （3-9） = 取理想状态下时，即当=1时得到加速度得最大值：= = = =61.3 =61.3 所以液压缸得平均面积为：=设液压缸无杆腔面积为A1，直径为D，液压缸有杆腔面积为A2，杆径为d,等效面积为。初选速度比=1.46，即。 =0.015计算液压缸无杆腔直径D：由D=0.138m查机械设计手册取标准缸径D=110mm，按速度比为1.46取活塞杆直径为d=60mm。液压缸活塞行程为L=250mm 。所以液压缸可表示为110/602503.5 计算对称液压缸的工作压力、流量和功率3.5.1 计算对称液压缸的工作压力由液压伺服控制系统优化理论中的对称液压缸的建模分析得： 无杆腔压力 （3-10） 有杆腔压力 （3-11） 等效面积 （3-12） 负载压力 （3-13） 无杆腔压力 （3-14） 有杆腔压力 （3-15）3.5.2 对称液压缸工作所需的流量液压缸工作所需的流量为液压缸无杆腔的流量，在此又分为空载时的流量1和重载时的流量2。其流量均按式计算 空载时液压缸的流量Q1： 1=1=49.5L/min 重载时液压缸的流量2: 2 2=36L/min3.5.3 计算对称液压缸的输出功率在本系统中液压缸只有在重载时才有功率输出，所以液压缸的输出功率为重载时的输出功率N1:功率的计算按式计算；重载时输出的功率N1：3.6 液压控制系统动力元件参数的确定液压动力元件参数的确定时系统静态设计的一个主要内容。动力元件参数的选择包括系统的供油压力PS,液压执行元件的主要规格尺寸，即液压缸的有效面积A1,A2，伺服阀的最大空载流量。3.6.1 确定动力元件（伺服阀）参数在该系统中的液压动力元件为阀控液压缸，前面已经计算了液压缸的参数，在这里就主要计算伺服阀的参数。参照穆格公司的额定流量的计算公式：计算伺服阀的额定流量； （4-1）式中；实际流出伺服阀的流量，在这=1=49.5L/min 伺服阀的额定流量伺服阀单边节流口的压差（查产品样本为）伺服阀的额定压差（查产品样本为）考虑伺服阀的泄漏量和能量储备计算伺服阀的最大空载流量，取能量储备系数为15%。则伺服阀的最大空载流量为：3.6.2 动力元件（伺服阀）的选择由计算出的伺服阀的最大空载流量查产品样本选取伺服阀。查穆格公司的产品样本选取伺服阀的额定流量为，型号为D661-P80，浮动，阀的输入信号为电流信号，范围为010mA，In=10mA。功率级的零位泄漏量为。伺服阀的流量增益：伺服阀的流量压力系数：3.6.3 液压泵及电机的选型(1) 液压泵的选择由于该系统要求能提供较大的流量和恒定的压力，故选用齿轮泵CB-FC50。考虑泵的溢流量和泄露计算泵的最大流量，取溢流系数为10%，泄露系数10%计算泵的最大流量。L/min=96.8L/min根据最大流量=96.8L/min，查力士乐公司的产品样本，选取泵的额定流量为75L/min的齿轮泵，压力为25MPa，型号为CB-FC50。电机的选择根据所选泵计算泵的驱动功率N2： 据: KW （4-2） 式中：系数，查机械设计手册得=0.4机械效率，取泵的效率为=0.92 根据泵的功率查手册选取三相异步电动机，功率为22KW，满载转速为1470r/min，安装形式为B3型的 Y180L-4-B35型电动机3.6.4 液压阀的选型液压阀在液压控制系统中起到控制油液流量大小和方向的作用。在该系统中有主油路上的单向阀、电磁溢流阀、作安全阀用的板式溢流阀和液控单向阀。控制油路及回油路上的清洗过滤器上的带弹簧的单向阀和球阀，控制油路上的控制液控单向阀状态的电磁球阀。1、单向阀的选型因该单向阀在主油路上，油液的流量较大，按泵的最大流量117L/min，查上海立新液压公司的产品样本书选取流量为115L/min，通径DN=20mm，管式单向阀。型号：S20A.2、电磁溢流阀的选型该阀处于泵的出口处，主要其安全卸荷作用，流量不大，查华德公司的产品样本书选取流量为40L/min，通径DN=10mm的电磁溢流阀。型号：DBW10B。3、板式溢流阀（安全阀）作安全阀用的溢流阀就要有较高的调定压力，按无杆腔的最大压力26MPa，查上海立新公司的产品样本书选取压力为31.5MPa，通径为DN=10mm的直动式溢流阀。型号：DBW20B-1-30/315G24NZ5L4、液控单向阀液控单向阀在这里主要是为了防止无杆腔压力过大，油液回流损坏液压元件。按伺服阀的额定流量80L/min查上海立新的产品样本书选取通径DN=20mm，压差为0.4MPa的管式液控单向阀。型号：S20A026、球阀的选型该球阀安装在控制油路和回油路上的清洗过滤器上，按回油路上的最大流量，即空载时的最大回油流量49.5L/min查贺德克公司的产品样本书选取通径DN=20mm的球阀。型号：KHB-G3/4.在控制油路上的力量较小，选取通径DN=6mm的球阀，型号：KHB-G1/4。7、电磁换向阀的选型该电磁换向阀的作用主要是为伺服阀出口的压力较低，难以打开液控单向阀时，提供高压油打开液控单向阀，流量较小，故查贺德克公司的产品样本书选取流量为12L/min,压力为50MPa的高压电磁换向阀。型号：4WE10E-30/CG24NZ5L3.7 液压辅件的设计计算与选型3.7.1 油箱的设计油箱的作用：储存油液散掉系统累计的热量促进油液中空气的分离沉淀油液中的污垢油箱容量的计算 初始设计时，先按经验公式V=aQ确定油箱的容量；式中：a经验系数，查机械设计手册取a=5Q液压泵每分钟排出压力油的容积由V=484L查机械设计手册取标准油箱容积为560L。图3.1液压油箱油箱尺寸长、宽、高按1:1:1设计为800mm,1200mm,800mm。油箱上盖厚6mm，其他侧面厚4mm，邮箱上盖距油箱上边缘20mm，油箱支架高150mm，所以油箱总高913mm,支架用10mm厚的钢板焊接。油箱底面倾斜2便于吸油和放油。油箱的清洗孔大400mm。隔板厚2mm，长630mm,高566mm,占油箱容积高度的76%，为防止油箱安装时倾斜，放油不彻底，在隔板底部靠近油箱壁处开高50mm的等边三角形孔便于放油。油箱隔板设计成活动式，即可以取换，在安装隔板的位置两边焊接3号角钢，中间安放隔板。油箱所有焊接均采用三角形角焊，焊接高度为5mm。焊接后要经敲打，除去所有焊渣，并要有较好的密封性。3.7.2 阀块的设计（1）液压阀块的设计步骤：确定设计部分的阀的类型和个数确定油路的走向确定各阀在阀块上的安放位置确定通道孔径，并确保通道之间的距离不小于5mm。绘制阀块图（2）该课题中阀块的设计该系统中的阀块设计，主要是将靠近液压缸的各阀集成在一个阀块上，设计部分包括六个阀，如阀块部分原理图。阀块的设计采用分层法，其油路的走向如阀块油路平面透视示意图。图3.2阀块的设计阀的安放位置：将伺服阀安放在阀块上面，将与伺服阀相连的液控单向阀放在连接孔的两个侧面，便于连接和避免与其他的孔相交，两个相连的直动式溢流阀安放在阀块左侧，朝向相同，阀块的出油孔和进油口尽量安放在阀块的一侧，且保证管接头互不干涉。阀块的底面不安装液压阀，只用于固定。为保证设计的阀块体积最小和不干涉的情况下，左面的两个阀之间的距离设计为10mm，且两个阀的边界均和阀块边界相齐。3.7.3 管道尺寸的确定在液压控制系统中，常用的管道有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。但铜管能承受的压力较低，价格贵，且易使油氧化；尼龙管在低压系统中使用；塑料管一般只作回油管使用；而钢管能承受的压力较大，价格便宜，所以在本系统中管道全部采用钢管。在这个系统中由于各段油路中的流量不一致，为了节约成本需分段设计。管道共分为四段（1）吸油管道（2）压油管道（3）回油管道（4）控制油管道管道内径的计算按式计算：式中：该段液体的流量V液体的流速 推荐流速：吸油管V12m/s 压油管V36m/s 回油管V1.52.5m/s（1）吸油管道的设计取泵的最大输出流量=96.8L/min,流速取推荐值V=2m/s计算； （4-3）=0.032m故查机械设计手册取通径为DN=32mm，外经为42mm，管子壁厚6mm,公称压力31.5MPa。管接头连接螺纹M422（2）压油管道的设计取伺服阀的最大空载流量=80L/min,流速取推荐值V=5m/s计算；=0.018m故查机械设计手册取通径为DN=20mm，外经为28mm，管子壁厚4mm,公称压力31.5MPa管接头连接螺纹M272（3）回油管道的设计假设空载时推动液压缸运动的全部油液经回油管回油，其流量=49.5L/min,流速取推荐值V=2m/s计算； =0.0203m故查机械设计手册取通径为DN=20mm，外经为28mm，管子壁厚14mm,公称压力31.5MPa管接头连接螺纹M272（4）控制油管道的设计控制油主要是为伺服阀的控制油口提供油液，流量较小，流速较小，故直接选取管道通径为6mm的管道即可满足要求。3.7.4 其它元件的选型其他元件的选型包括压力表和压力表开关的选择，泵出口处精过滤器的选择和控制油路及回油路上的过滤器的选择，为了检修和测压方便的测压接头。在该系统中的压力表安装在泵出口处，伺服阀的入口处，用于检测泵的出口压力和阀的进口压力大小。查黎明公司产品样本书，选取型号为Y-100型压力表。开关选用螺纹联接通径为DN=6mm，接头螺纹M141.5.压力等级为35MPa，型号为AF6E泵出口处的过滤器用于过滤泵排出的油液中的杂质，保证进入伺服阀的油液清洁度，查黎明公司的产品样本书，选取过滤等级为10m，公称流量为100L/min的过滤器，型号：RFA-100X20L设计该系统时，为了检修和测压方便，在无杆腔进油口和无杆腔出油口设置测压接头。查上海液压件一厂的产品样本书选取最高压力为40MPa，螺纹联接M141.5的测压接头，型号：PT-00A23.7.5 液压油的选用本系统为冶金机械中的中压系统，工作介质为液压油，系统要求要有较好的润滑性，液压泵对液压介质的粘度要求一般，要求液压油的品质较好，缩油液的换油周期长。本系统选用HM46型矿物油型液压油,可以减小摩擦面的摩擦系数，该油的运动粘度为41.4mm/s，粘度适当，在系统中能使运动部件的阻力减小，管道的压力损失减小，功率损失减小，腐蚀性低，油液不易被氧化，抗乳化性好。油液的密度一般在850960Kg/m3,选取该油液的密度为870Kg/m3.致谢四年的本科学习生活即将结束，总结四年里的学习生活,感觉收获颇丰。同时也要感谢很多带给我帮助的人。首先要感谢我的导师XXX教授。导师为人师表,以严谨的学术作风、积极的工作态度、宽以待人及和蔼可亲的形象感染和教诲了我。在导师的悉心指导下,我的专业理论水平、创新思维、为人处事及综合能力均得到了极大的提升。在学位论文撰写期间,从拟定论文题目到论文定稿中的各个环节都得到了导师的指导和帮助,使我能够顺利完成论文全部研究内容。毕业之际,我向导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。参考文献1李洪人著.液压控制系统M.国防工业出版社,1992.2丁修昆著.轧制过程自动化M.冶金工业出版社,2005.3王兆安，黄俊.电力电子技术M.机械工业出版社,2005.4陈伯时电力拖动控制系统（运动控制系统）M.机械工业出版社,2003.5孙和平，杨宁，白晶.单片微机原理与接口技术M.冶金工业出版社,2003.6李志宏.电液伺服系统在带材纠偏控制中的应用J.河南冶金,2003.7徐同旺，邱忠义，肖桐云.光电液伺服式带材纠偏与对中控制J.冶金自动化,1994.8常志广,郝文侠,陈斌堂.自动对中系统在精整线上的应用J.轧钢,2005.9顾军，刘震，麻洁.钢带自动对中(对边)CPCEPC纠偏控制系统J.江苏冶金,2004.10丽华，杨晓明，毕友明.一种通用的电液伺服带钢纠偏和对中控制系统J.机床与液压,2004.11陈举庆，张景胜，李洪人.开卷机自动对中液压控制系统的设计分析J.机床与液压,2001.12邹家祥.轧钢机械（第3版）.北京：冶金工业出版社，200513吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第二版）. 北京：高等教育出版社，200414邹宜侯, 窦墨林. 机械制图（第四版）. 北京：清华大学出版社，2001 15官忠范.液压传动系统（第三版）. 北京：机械工业出版社，1996 16机械设计手册（第二版）下册.北京：化学工业出版社17刘长年.液压伺服系统优化设计理论.北京.冶金工业出版社，198918王春行.液压控制系统. 北京： 机械工业出版社 ， 199919李寿刚.液压传动系统. 北京：北京理工大学出版社，1994 20机械设计手册新版4卷 .北京： 机械工业出版社 ，200421叶伟昌，林岗，谢家瀛.机械工程及自动化简明设计手册.北京：机械工业出版社,2001 22北化工学院机械零件设计手册编写组.机械零件设计手册.冶金工业出版197923王积伟，吴振顺.控制工程基础. 北京：高等教育出版社,200124楼顺天，于卫.基于MATLAB的系统分析与设计.西安：西安电子科技大学出版社，199825英H.E.梅里特著.液压控制系统.陈燕庆译，北京：科学出版社 , 197626gelsintotheloopJ.IEEReview,May1997.27Vmic.ProductSummaryM.Realtimevetwork,1998.28JohnofgreatLakes80-inHotstripmillJ.IromandsteelEngineer.1993(12).29PaulHuzyak.TerryandApplicationofHydraulicgapControlSystemM.IronandSteelEngineer,1998.