新型锻造操作机动力学分析与控制器设计

2022-09-11

1、锻造操作机概述

当下, 社会经济迅猛发展, 现代化工业技术不断进步, 轧钢、水电、锻造及冶金等大型机械装备的需求不断增大, 而大锻件的应用是其核心部分。大锻件制造业的不断发展与我国的综合实力密切相关, 在一定程度上影响着我国的经济发展及安全。在实现大型锻件锻造车间的机械化与智能化的过程中, 锻造操作机是其核心设备, 同时也是关键的锻造自动化设备, 在我国社会主义建设中有着非常大的影响力。当下, 可把锻造操作机逐渐机械化, 以实现新型工业化水平的要求, 在锻造作业中让操作机能够完全适应工作过程中的强烈震颤, 进而更好地代替机械手或者是操作机。惯量较大、自由度多维力位操控能力强以及载荷较大是新型锻造操作机的基本特性, 它能够与其他的机械工业设备一起协调作业, 且在降低成本及提升材料利用率的基础下, 能够全面提升它的生产效率和整体制造水平。锻造操作机是一种串并联混合机构的机器人, 有两种分类方式, 其一是以运动方式来划分, 可划分为无轨锻造操作机与有轨锻造操作机。其中, 有轨操作机具备有限的工作范围, 且和其他锻造设备的配合也是确定好的, 大多在锻锤旁设立。另外, 其夹钳在一定的水平面上有直移、摆移和回转三种运动方式, 直移操作机的刚性较强, 适宜制造吨位比较大的锻造操作机。而无轨锻造操作机没有固定的运行轨道, 可与多台设备进行配合, 范围广, 机动性强。其二是以驱动方式来划分, 混合驱动、机械驱动和液压驱动操作机是其基本分类。其中, 液压驱动操作机对于工艺技术的要求比较精确, 自动性与灵活性较强, 能够和主机很好的配合。而机械驱动操作机的机体巨大, 制造工艺比较简单。

2、动力学分析

机械驱动力有两种区分, 分别是动态载荷及静态载荷, 当下的很多动力学模型有此特性, 即多参数间的耦合、自由度较多以及非线性复杂等, 而静力学模型则比较简易。动力学模型的建立方式有许多种, 即凯恩法、拉格朗日法、虚功原理法、牛顿-欧拉法和达朗贝尔原理等。其中, 凯恩法是以虚功原理和达朗贝尔原理为基础的, 在求解复杂系统动力学的过程中, 能够有效将求解程序减少, 进而提升系统的整体计算效率;拉格朗日法可以对动力学模型进行封闭式的推导, 强调的是, 计算程序比较复杂;牛顿-欧拉法的物理性较强, 然而须对铰链内力进行求解, 程序繁琐;达朗贝尔原理以运动学为基础, 并求解出角加速度以及机构加速度, 接着利用杆件静力学的原理对力矩及惯性力进行有效分析, 运算步骤较为复杂, 然而逻辑性却相当强;虚功原理法的研究对象则是以整体为核心, 一切外力作用在虚位移中所做的虚功和为零, 当下, 此方法颇受欢迎, 因为在整个复杂机构动力建模中, 其求解算法的计算效率极其高。

3、新型锻造操作机控制器设计

3.1 液压系统建模

在锻造操作机的工作装置控制中, 后提升缸、前提升缸以及前后缓冲缸驱动系统是其关键的子系统。在具体的应用过程中, 锻造操作机夹钳在水平、俯仰和竖直提升方向运动的控制一般对于运动学的相关耦合问题不予考虑。对新型的锻造操作机来说, 夹钳水平运动主要由前后缓冲液压缸来控制, 前提升液压缸则对竖直提升运动进行控制, 而对于夹钳的俯仰运动, 则由后提升液压缸和前提升液压缸共同配合完成。本文通过对前提升缸、后提升缸和前后缓冲缸的动力学数学模型以及有关具体参数进行全面建立, 从而设计出科学合理的机构控制系统。在锻造操作机的控制上, 如果采用传统方式的话, 易导致较大角度或位置的偏差, 从而使额外内应力出现, 造成相关工件产生形变, 不仅使锻造操作机的寿命减少, 还使得加工的精确度降低。所以在锻造操作机的设置上, 提高夹钳末端跟踪精度以及设计性能极好的控制子系统显得至关重要。在实际应用控制系统的时候, 由于控制的整体目标是不一致的, 一般存在的控制方式有三种, 即以力为核心的控制、基于加速度的控制和以速度为基准的控制。其中, 操作机的三组液压缸驱动的控制子系统具有非常相似的结构, 如图1所示。

3.2 模糊PID控制器设计

因为锻造操作机的机构较复杂、整体工作环境较差以及负载惯性较大, 基于这些, 模糊控制技术具备强耦合和非线性的复杂系统, 且可以取得非常好的控制效应, 将模糊控制与PID控制有效结合, 使得控制精度相当高且灵活性强, 而且适应性良好。另外, 在子系统的动力学控制中, 可将其分为液压缸动力学和机械动力学, 进而将控制器的整体结构有效简化。

总之, 当下, 国民经济飞速发展, 科学技术不断进步, 在一定程度上推动了现代机械加工业的不断发展, 开始更多地使用大锻件。基于此, 本文首先对锻造操作机的基本内容进行了说明, 其次, 对新型锻造操作机进行动力学分析, 在其前提下, 为有效实现对锻造操作机夹钳末端的运动跟踪, 可充分结合模糊PID控制器设计以及液压缸系统模型, 进而产生了一种新型的锻造操作机, 使我国锻造操作机的机构类型不断丰富和创新, 有效提升我国的现代化工艺水平。

摘要：当下, 国民经济迅猛发展, 工业化水平不断提升, 国家不断加大了现代机械加工业项目的投入力度, 开始更多地应用大锻件, 对于锻造车间的自动化及锻造机械化的要求也很高。在锻造自动化的实施过程中, 锻造操作机是其关键设备, 可以与相关大型锻件紧密联系, 并与主机进行有效配合, 实现锻造操作的顺利完成, 在一定程度上有效提升了生产效率及产品质量。但从实际看, 我国在新型锻造操作机上的技术还不是很成熟, 所以说进行自主创新打破这一局势显得至关重要。基于此, 本文对新型锻造操作机动力学分析与控制器设计进行了详细研究。

关键词：新型锻造操作机,运动学,动力学