CN108591139A - 一种液压动力卡盘夹紧力控制系统及夹紧力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，包括控制器，控制器上分别连接有伺服电机和压力传感器，伺服电机另一端还连接有齿轮泵，齿轮泵上通过液压管线连接有回转液压缸，齿轮泵与回转液压缸之间连接有三位四通电磁换向阀，回转液压缸上还连接有卡盘。本发明还公开了一种利用液压动力卡盘夹紧力控制系统的控制方法，伺服电机驱动齿轮泵旋转，通过可编程控制器PLC从而实时调整伺服驱动器输出信号从而调整伺服电机的转速来控制从齿轮泵输送到回转液压缸中的压力。该系统响应性能好、控制灵活、精度高且结构简单，可以有效地控制伺服系统的压力从而达到控制卡盘夹紧力的目的。

Description

一种液压动力卡盘夹紧力控制系统及夹紧力控制方法

技术领域

本发明属于流体传动与控制方法技术领域，具体涉及一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，还涉及一种液压动力卡盘夹紧力的控制方法。

背景技术

现代制造向着高速、高效率、高精密以及柔性化等方向发展，因此，对数控机床及其工装也提出了相应的要求。液压动力卡盘夹紧力大、转速高、结构紧凑，已成为中高速数控车床、磨床及车铣中心必不可少的基础性功能部件。数控机床液压动力卡盘由分别安装在机床主轴两端的拉杆缸和直线驱动动力卡盘组成，拉杆穿过机床主轴通孔连接缸内活塞杆和卡盘体活塞套，活塞通过拉杆和活塞套驱动卡盘体内的传动机构实现卡爪增力和径向同步运动从而夹紧工件。机械加工中20％-60％的加工偏差是由装夹引起的，尤其对于薄壁件的加工。切削过程中因外界扰动以及装夹不当导致的切削力不稳定会导致振颤从而降低切削用量和工件表面质量，产生噪声，甚至会造成刀具提前报废。因此液压动力卡盘夹紧力的控制在加工过程中至关重要，尤其是薄壁件的加工。

传统的阀控系统使用电液比例溢流阀来调节系统压力进而控制卡盘夹紧力，该系统虽具有高精度、高频响等优良的控制特性，但由于伺服阀对油液污染极为敏感以及该系统存在节流损失而降低了系统可靠性，增加了成本、能耗和发热，并且电液比例溢流阀由于存在死区，无法满足薄壁件夹紧过程中需要较小且可调夹紧力的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，解决了现有技术中液压动力卡盘夹紧力控制精度差的问题。

本发明的目的还在于提供一种利用上述液压动力卡盘夹紧力的控制方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，包括控制器，控制器上连接有伺服电机，伺服电机另一端还连接有齿轮泵，齿轮泵上通过液压管线连接有回转液压缸，

回转液压缸上还连接有卡盘，

齿轮泵与回转液压缸之间的液压管线上还设置有三位四通电磁换向阀，齿轮泵与三位四通电磁换向阀之间的液压管线上还连通有溢流阀，

控制器上通过导线还连接有压力传感器，压力传感器的信号采集端连接在溢流阀和三位四通电磁换向阀的液压管线上。

本发明的特点还在于，

控制器依次由模拟量输入模块、上位机、可编程控制器PLC、模拟量输出模块、伺服驱动器连接组成，模拟量输入模块与压力传感器连接，伺服驱动器与伺服电机连接。

三位四通电磁换向阀的工作油口B连接到回转液压缸的有杆腔，三位四通电磁换向阀的工作油口A连接到回转液压缸的无杆腔，三位四通电磁换向阀的回油口T通过液压管线还连接有回油箱。

溢流阀的出口连接到回油箱。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种液压动力卡盘的夹紧力控制方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1：建立自适应控制器

步骤1.1，输入输出量模糊化

系统工作时，将压力传感器采集到的系统压力偏差e和偏差变化率ec 作为控制器的输入，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d作为控制器输出参数的变化量，确定e、 ec的论域为:{-6，-4，-2，0，2，4，6}，ΔK_p的论域为:{-0.015，-0.01，-0.005， 0，0.005，0.01，0.015}，ΔK_i的论域为:{-0.03，-0.02，-0.01，0，0.01，0.02， 0.03}，ΔK_d的论域为:{-0.0006，-0.0004，-0.0002，0，0.0002，0.0004，0.0006}，选取系统变量e、ec、ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，

步骤1.2，模糊控制规则的建立

根据不同的输入量e和ec组合，控制器根据模糊控制规则给出输出量参数K_p/K_i/K_d的模糊变量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，得到输出参数变量ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d的模糊规则表，

步骤1.3，解模糊化和模糊查询

采用面积重心法对模糊变量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d进行清晰化处理，利用 fuzzy工具箱和ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d的模糊规则表分别得到ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d查询表，即得到自适应控制器；

步骤2：将设计好的自适应控制器写入PLC控制器中，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制。

步骤2的将设计好的自适应控制器写入PLC控制器中，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制的具体步骤如下：

步骤2.1：将步骤1得到的自适应控制器置入PLC控制器中，上位机(10) 实时地将压力传感器(3)采集到的压力信号与系统设定压力进行比较分别得到压力偏差e及偏差变化率ec；

步骤2.2：根据步骤2.1得到的压力偏差e和偏差变化率ec，计算出可编程控制器PLC的输出量；

步骤2.3：根据步骤2.2得到的可编程控制器PLC的输出量，调整伺服控制器输出信号，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制。

步骤2.2的计算可编程控制器PLC的输出量，具体步骤如下：

步骤2.2.1：将压力偏差e与偏差变化率ec置入可编程控制器PLC的寄存器内，

根据公式与将e和ec精确量转换为[-6,6]区间内的变化量E与EC，

其中，e₁,e₂分别为压力偏差e的最小值和最大值，ec₁,ec₂分别为压力偏差ec的最小值和最大值；

步骤2.2.2：根据步骤2.2.1中计算得到的E和EC，利用步骤1.3得到的ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d查询表，即可查询输出ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d；

步骤2.2.3：将步骤2.2.2中得到的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d分别与可编程控制器 PLC中初始设置的K_p0、K_i0、K_d0相加得到最终的PID控制参数K_p＝K_p0+ΔK_p、 K_i＝K_i0+ΔK_i、K_d＝K_d0+ΔK_d；

步骤2.2.4：利用公式u＝f(K_p、K_i、K_d)求得控制输出，k时刻的输出电压

其中j＝1,2,…..k，e(j)为j时刻压力偏差，e(k)为k时刻压力偏差， e(k-1)为k-1时刻压力偏差，

该输出电压作用于伺服驱动器，完成对伺服电机的转速控制。

本发明的有益效果是，本发明的一种液压动力卡盘夹紧力控制系统响应性能好、控制灵活、精度高且结构简单，该系统以液压泵对外流量输出需求为依据，采用流量控制压力的方法，通过液压泵输出流量来控制系统压力，实践证明，该方法可以有效地控制直驱泵控电液伺服系统的压力从而达到控制卡盘夹紧力的目的。

附图说明

图1是本发明的一种液压动力卡盘夹紧力控制系统的结构示意图；

图2是本发明的一种液压动力卡盘夹紧力控制系统中控制器结构图。

图中，1.回转液压缸，2.三位四通电磁换向阀，3.压力传感器，4.伺服电机，5.齿轮泵，6.卡盘，7.溢流阀，8.控制器，9.模拟量输入模块，10.上位机， 11.可编程控制器PLC，12.模拟量输出模块，13.伺服驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种液压动力卡盘夹紧力控制系统结构如图1所示，包括控制器8，控制器8上连接有伺服电机4，伺服电机4另一端还连接有齿轮泵5，齿轮泵5上通过液压管线连接有回转液压缸1，

回转液压缸1上还连接有卡盘6，

齿轮泵5与回转液压缸1之间的液压管线上还设置有三位四通电磁换向阀2，齿轮泵5与三位四通电磁换向阀2之间的液压管线上还连通有溢流阀7，

控制器8上通过导线还连接有压力传感器3，压力传感器3的信号采集端连接在溢流阀7和三位四通电磁换向阀2的液压管线上。

控制器8依次由模拟量输入模块9、上位机10、可编程控制器PLC11、模拟量输出模块12、伺服驱动器13连接组成，模拟量输入模块9与压力传感器3连接，伺服驱动器13与伺服电机4连接。

三位四通电磁换向阀2的工作油口B连接到回转液压缸1的有杆腔，三位四通电磁换向阀2的工作油口A连接到回转液压缸1的无杆腔，三位四通电磁换向阀2的回油口T通过液压管线还连接有回油箱。

溢流阀7的出口连接到回油箱。

如图2所示，控制器依次由模拟量输入模块9、上位机10、可编程控制器 PLC11、模拟量输出模块12、伺服驱动器13连接组成，模拟量输入模块9与压力传感器3连接，伺服驱动器13与伺服电机4连接。

三位四通电磁换向阀2的工作油口B连接到回转液压缸1的有杆腔，三位四通电磁换向阀2的工作油口A连接到回转液压缸1的无杆腔，三位四通电磁换向阀2的回油口T通过液压管线还连接有回油箱。

模拟量输出模块12的作用是输出控制信号的。

系统工作时，伺服电机驱动齿轮泵旋转，通过改变电机转速来控制从齿轮泵输送到系统中的流量和压力。控制器将压力传感器检测到的压力信号与设定压力比较得到偏差，伺服驱动器利用此偏差信号调整伺服电机转速从而驱动齿轮泵为系统提供流量与压力，达到液压动力卡盘夹紧力在加工过程中维持稳定的目的，溢流阀作为系统的安全阀，通过改变三位四通电磁换向阀的工位来改变回转液压缸活塞的运动方向从而改变卡盘的夹紧或者松开。

本发明对回转液压缸压力的控制方法为：系统工作时，伺服电机4驱动齿轮泵5旋转，通过可编程控制器PLC11实时调整伺服驱动器13输出信号从而调整伺服电机4的转速来控制从齿轮泵5输送到回转液压缸1中的压力，具体实施步骤如下：

步骤1：建立自适应控制器

步骤1.1，输入输出量模糊化

系统工作时，将压力传感器采集到的系统压力偏差e和偏差变化率ec 作为控制器的输入，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d作为控制器输出参数的变化量，确定e、 ec的论域为:{-6，-4，-2，0，2，4，6}，ΔK_p的论域为:{-0.015，-0.01，-0.005， 0，0.005，0.01，0.015}，ΔK_i的论域为:{-0.03，-0.02，-0.01，0，0.01，0.02， 0.03}，ΔK_d的论域为:{-0.0006，-0.0004，-0.0002，0，0.0002，0.0004，0.0006}，选取系统变量e、ec、ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，

步骤1.2，模糊控制规则的建立

根据不同的输入量e和ec组合，控制器根据模糊控制规则给出输出量参数K_p/K_i/K_d的模糊变量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，得到输出参数变量ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d的模糊规则表，

步骤1.3，解模糊化和模糊查询

采用面积重心法对模糊变量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d进行清晰化处理，利用fuzzy 工具箱和ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d的模糊规则表分别得到ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d查询表，即得到自适应控制器；

步骤2：将设计好的自适应控制器写入PLC控制器中，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制。

步骤2.1：上位机(10)实时地将压力传感器(3)采集到的压力信号与系统设定压力进行比较分别得到压力偏差e及偏差变化率ec；

步骤2.2：根据步骤2.1得到的压力偏差e和偏差变化率ec，计算出可编程控制器PLC的输出量；

步骤2.2.1：将压力偏差e与偏差变化率ec置入可编程控制器PLC的寄存器内，

根据公式与将e和ec精确量转换为[-6,6]区间内的变化量E与EC，

其中，e₁,e₂分别为压力偏差e的最小值和最大值，ec₁,ec₂分别为压力偏差ec的最小值和最大值；

步骤2.2.2：根据步骤2.2.1中计算得到的E和EC，利用步骤1.3得到的ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d查询表，即可查询输出ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d；

步骤2.2.3：将步骤2.2.2中得到的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d分别与可编程控制器 PLC中初始设置的K_p0、K_i0、K_d0相加得到最终的PID控制参数K_p＝K_p0+ΔK_p、 K_i＝K_i0+ΔK_i、K_d＝K_d0+ΔK_d；

步骤2.2.4：利用公式u＝f(K_p、K_i、K_d)求得控制输出，k时刻的输出电压

其中j＝1,2,…..k，e(j)为j时刻压力偏差，e(k)为k时刻压力偏差， e(k-1)为k-1时刻压力偏差，

该输出电压作用于伺服驱动器，完成对伺服电机的转速控制。

步骤2.3：根据步骤2.2得到的可编程控制器PLC的输出量，调整伺服控制器输出信号，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制。

表1：ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d的模糊规则表

表2：ΔK_p查询表

表3：ΔK_i查询表

表4：ΔK_d查询表

。

Claims (7)

1.一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，其特征在于，包括控制器(8)，所述控制器(8)上连接有伺服电机(4)，所述伺服电机(4)另一端还连接有齿轮泵(5)，所述齿轮泵(5)上通过液压管线连接有回转液压缸(1)，所述回转液压缸(1)上还连接有卡盘(6)，

所述齿轮泵(5)与回转液压缸(1)之间的液压管线上还设置有三位四通电磁换向阀(2)，所述齿轮泵(5)与三位四通电磁换向阀(2)之间的液压管线上还连通有溢流阀(7)，

所述控制器(8)上通过导线还连接有压力传感器(3)，所述压力传感器(3)的信号采集端连接在溢流阀(7)和三位四通电磁换向阀(2)的液压管线上。

2.根据权利要求1所述的一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，其特征在于，所述控制器(8)依次由模拟量输入模块(9)、上位机(10)、可编程控制器PLC(11)、模拟量输出模块(12)、伺服驱动器(13)连接组成，所述模拟量输入模块(9)与压力传感器(3)连接，所述伺服驱动器(13)与伺服电机(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，其特征在于，所述三位四通电磁换向阀(2)的工作油口B连接到回转液压缸(1)的有杆腔，所述三位四通电磁换向阀(2)的工作油口A连接到回转液压缸(1)的无杆腔，所述三位四通电磁换向阀(2)的回油口T通过液压管线还连接有回油箱。

4.根据权利要求3所述的一种液压动力卡盘夹紧力控制系统，其特征在于，所述溢流阀(7)的出口连接到回油箱。

5.一种采用权利要求2所述的液压动力卡盘的夹紧力控制系统的夹紧力控制方法，其特征在于，系统工作时，伺服电机(4)驱动齿轮泵(5)旋转，通过可编程控制器PLC(11)实时调整伺服驱动器(13)输出信号从而调整伺服电机(4)的转速来控制从齿轮泵(5)输送到回转液压缸(1)中的压力，具体实施步骤如下：

步骤1：建立自适应控制器

步骤1.1，输入输出量模糊化

系统工作时，将压力传感器采集到的系统压力偏差e和偏差变化率ec作为控制器的输入，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d作为控制器输出参数的变化量，确定e、ec的论域为:{-6，-4，-2，0，2，4，6}，ΔK_p的论域为:{-0.015，-0.01，-0.005，0，0.005，0.01，0.015}，ΔK_i的论域为:{-0.03，-0.02，-0.01，0，0.01，0.02，0.03}，ΔK_d的论域为:{-0.0006，-0.0004，-0.0002，0，0.0002，0.0004，0.0006}，选取系统变量e、ec、ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，

步骤1.2，模糊控制规则的建立

根据不同的输入量e和ec组合，控制器根据模糊控制规则给出输出量参数K_p/K_i/K_d的模糊变量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，得到输出参数变量ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d的模糊规则表，

步骤1.3，解模糊化和模糊查询

采用面积重心法对模糊变量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d进行清晰化处理，利用fuzzy工具箱和ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d的模糊规则表分别得到ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d查询表，即得到自适应控制器；

步骤2：将设计好的自适应控制器写入PLC控制器中，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制。

6.根据权利要求5所述的一种液压动力卡盘的夹紧力控制方法，其特征在于，步骤2所述的将设计好的自适应控制器写入PLC控制器中，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制的具体步骤如下：

步骤2.1：将步骤1得到的自适应控制器置入PLC控制器中，上位机(10)实时地将压力传感器(3)采集到的压力信号与系统设定压力进行比较分别得到压力偏差e及偏差变化率ec；

步骤2.2：根据步骤2.1得到的压力偏差e和偏差变化率ec，计算出可编程控制器PLC的输出量；

步骤2.3：根据步骤2.2得到的可编程控制器PLC的输出量，调整伺服控制器输出信号，实现伺服电机转速控制，从而实现卡盘的夹紧力控制。

7.根据权利要求6所述的一种液压动力卡盘的夹紧力控制方法，其特征在于，步骤2.2所述的计算可编程控制器PLC的输出量，具体步骤如下：

步骤2.2.1：将压力偏差e与偏差变化率ec置入可编程控制器PLC的寄存器内，

根据公式与将e和ec精确量转换为[-6,6]区间内的变化量E与EC，

其中，e₁,e₂分别为压力偏差e的最小值和最大值，ec₁,ec₂分别为压力偏差ec的最小值和最大值；

步骤2.2.2：根据步骤2.2.1中计算得到的E和EC，利用步骤1.3得到的ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d查询表，即可查询输出ΔK_p,ΔK_i及ΔK_d；

步骤2.2.3：将步骤2.2.2中得到的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d分别与可编程控制器PLC中初始设置的K_p0、K_i0、K_d0相加得到最终的PID控制参数K_p＝K_p0+ΔK_p、K_i＝K_i0+ΔK_i、K_d＝K_d0+ΔK_d；

步骤2.2.4：利用公式u＝f(K_p、K_i、K_d)求得控制输出，k时刻的输出电压

其中j＝1,2,…..k，e(j)为j时刻压力偏差，e(k)为k时刻压力偏差，e(k-1)为k-1时刻压力偏差，

该输出电压作用于伺服驱动器，完成对伺服电机的转速控制。