專利名稱：高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統和控制方法
技術領域：
本發明屬于自動控制理論與工程方向、過程控制技術領域，主要涉及應用于冶金 行業粗加工設備中的重型高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統和控制方法。
背景技術：
冶金行業粗加工設備是一類在惡劣工況環境下工作的重型機械裝備，液壓控制系 統是其核心部件。如修磨大型軋制鋼坯(管)、離心澆鑄高鉻合金熱軋輥用的荒磨機床、大 口徑無縫厚壁合金鋼管外圓磨床、鋼坯熱修磨機床等。鋼鐵生產中90%的軋制鋼坯、100%的不銹鋼板坯和大口徑無縫厚壁管、特殊鋼的 電渣重熔自耗電極、大型離心澆鑄復合軋輥等，都必須經過荒磨(修磨)工藝。重型荒磨機 床是一種用于加工大型鑄造輥坯或厚壁管的無心外圓磨床，加工工件直徑540 1800mm。 荒磨工藝的核心是高線速度強力磨削，在磨削過程中，通過控制磨削臂支撐油缸輸出力恒 定，讓重型砂輪以恒定的正壓力做隨形磨削。荒磨工藝特性決定了它是一個包含有非線性 的過程控制對象，當壓力、位置控制精確時，可以達到半精磨工藝水平。但是現在的設備和 技術無法達到這一水準。
發明內容
本發明的目的，就是通過非線性控制與過程時變控制組合模式，使強力外圓磨削 粗加工達到半精磨工藝水平。本發明的技術方案為該高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統，用于控 制磨削臂，包括以下幾部分帶動所述磨削臂運動，支撐液壓缸、伺服閥、主泵及油箱的液壓壓下系統；安裝在所述液壓缸上的壓力傳感器；安裝在所述磨削臂上的位移傳感器；安裝在所述伺服閥上的開度傳感器；與所述壓力傳感器、位移傳感器以及開度傳感器相連的控制系統；以及各開關量輸入輸出模塊。所述控制系統包括速度控制器、前饋控制器和時變PI控制器，以及參數檢測傳感 器和模型辨識與參數預測模塊，所述三個控制器分別實現對于液壓缸中活塞桿的速度控 制、干擾抑制和不同工況情況下的良好控制品質。所述控制系統為840D數控系統，由人機操作界面、NC數控單元、PLC模塊、液壓驅 動模塊及控制軟件組成。本發明還提供了一種高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制方法，其特征在 于，該方法基于對速度軸、位置軸、以及工件運動及旋轉軸的運動模式辨識獲得各軸運動模 型參數，結合液壓實時控制單元，讓砂輪以恒定的正壓力和線速度對工件表面進行隨形強 力磨削；
所述各軸運動模型辨識方法具體步驟為(1)建立磨削臂液壓壓下系統函數；(2)建立磨削臂、砂輪、工件以及驅動滾輪的機械結構模型，由機械結構模型建立 磨削臂運動方程，并根據實際測量的磨削臂的位置和液壓缸的壓力輸出值由模型計算獲得 磨削正壓力；(3)建立荒磨機磨削臂液壓壓下系統的方框圖，進而由該系統方框圖獲得伺服閥 開度到活塞位移之間的開、閉環傳遞函數；(4)位置軸的時變模型辨識液壓系統諧振頻率是活塞桿工作點的函數；(5)速度軸的非線性模型辨識對不同方向的閥門開度與系統增益關系建立非線 性速度擬合模型，磨削時通過該模型自動進行非線性補償，使得伺服閥開度和活塞桿速度 模型的動態響應關于零點對稱，保證同一閥芯開度數值時，磨削臂向上和向下兩個方向運 動的速度可以保持一致；(6)前饋模型辨識前饋控制器形式為Ff = Fc+(l-i3) (-AFi),其中，Ff為前饋 調整量，F。為力控系統的輸出量；預測位置偏差的調整系數廣= ‘，R為被加工軋輥的 平均半徑，Rmax為可加工軋輥的最大半徑；由于工件不圓度對正壓力產生的干擾量AFi = k' Si,k'是試驗統計數值，δ是t時段后因輥坯不圓度引起的活塞桿位移增量，δi是t 時段里第i個輪廓位移增量。所述速度軸為磨削臂運動速度與伺服閥開度之間的非線性模型；所述位置軸為磨 削臂支撐油缸位置與控制系統參數的時變模型；所述工件運動及旋轉軸抑制工件輪廓起 伏所帶來的干擾的前饋控制模型。本發明的有益效果為(1)本發明實現了最大可達100噸的重載荷、250千瓦大功率、80米/秒高線速度、 1噸正壓力的隨形磨削，對于高鉻合金鑄造軋輥輥坯的磨削效率可達400 700kg/小時。(2)本發明是以全數字傳感器融合多軸協同混合控制模型實現了高精度液壓伺服 控制，通過將液壓伺服控制模塊HLA無縫嵌入數控系統840D的形式，達成了高速、雙磨削臂 并行磨削方式。(3)采用本發明方法設計的我國第一臺具有自主知識產權，世界先進水平的數控 軋輥荒磨機床，于2007年12月在中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司投產，平均每月生產300 支各類軋輥，月產值1億元左右，年總產值14. 2億，荒磨工藝使用戶的產能由過去的3萬噸 /年提升至6萬噸/年。
圖1為所述液壓控制系統的系統結構示意圖；圖2為磨削臂、砂輪與工件及驅動滾輪的幾何關系圖；圖3為磨削臂、砂輪、液壓缸受力分析圖；圖4為荒磨機的磨削臂液壓壓下系統原理圖；圖5為荒磨機磨削臂液壓壓下系統方框；圖6為荒磨機磨削臂液壓壓下系統頻域特性圖；圖7為荒磨機磨削臂液壓壓下系統諧振頻率與活塞桿工作點的時變關系圖8為閥芯開度士0. 2V時系統的非線性特性圖；圖9為速度軸的非線性校正效果圖；圖10為磨削輥身、輥頸的實測數據圖；圖11為工件橢圓度對活塞桿工作點的影響圖；圖12為采用前饋控制的輥身磨削數據圖；圖13為高速強力隨形外圓磨床的多軸協同混合液壓控制系統圖；圖14為840D數控系統的各部件連接圖；圖15為現場上位機記錄數據，采樣步長Is ；圖2中，201-磨削臂，202-液壓油缸，203-磨削砂輪，204-軋輥工件，205-驅動滾 輪，206-臺車車體。圖3中，各個字母含義如下所示X軸水平軸Y軸磨削臂壓下軸0點磨削臂軸心(原點)A點砂輪與工件接觸點B點油缸上鉸鏈軸心C點油缸下鉸鏈軸心D點砂輪軸心E點工件軸心G點磨削臂(不含砂輪)重心Fn 砂輪法向加載力，計算獲得Fh:油缸推力，實時測量G 磨削臂重力，由設計及制造過程可以獲得Gw 砂輪重力，砂輪廠方提供L 磨削臂長度，由設計及制造過程可以獲得Ln 砂輪法向加載力力臂，計算獲得Lw 砂輪重力力臂，計算獲得Lb :0B距離，由設計及制造過程可以獲得Lc =OC距離，由設計及制造過程可以獲得Lg =OG距離，由設計及制造過程可以獲得θ 磨削臂傾角，由設計及制造過程可以獲得，但需要實時測量校正δ 角0CB，由設計及制造過程可以獲得圖4中，401-高頻響伺服閥，402-保壓溢流閥，403-液壓油缸，404-活塞桿，各個 字母含義如下所示A1 有桿腔內部活塞面積，由設計及制造過程可以獲得A2 無桿腔內部活塞面積，由設計及制造過程可以獲得P1 有桿腔內部壓力，實時測量P2 無桿腔內部壓力，實時測量Ps 液壓系統壓力，實時測量
Qs:液壓回油量，實時測量Ql:負載流量，實時測量圖5中，各個字母含義如下所示Δ Y 活塞位移，實時測量AU:伺服閥電壓輸入，實時測量Cip 液壓缸內部泄漏系數，由設計及制造過程可以獲得Kc 流量_壓力系數，由過程參數辨識獲得Kq 伺服閥的流量增益，由過程參數辨識獲得Ku 電壓增益，由過程參數辨識獲得J 磨削臂轉動慣量，由模型計算獲得Fh油缸推力，實時測量V1 有桿腔體積，由設計及制造過程可以獲得Ks 被加工工件的彈性剛度，由實時數據辨識獲得系統的有效體積彈性模量(包括液體、管道和腔體的機械柔度)，由材料物理性質 及計βe 算獲得圖11中，0 輥身軸心；0，輥頸軸心。
具體實施例方式本發明提供了一種高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統和控制方法，下 面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。該液壓控制系統如圖1所示，包括帶動所述磨削臂運動，支撐液壓缸、伺服閥、主 泵及油箱的液壓壓下系統；安裝在所述液壓缸上的壓力傳感器；安裝在所述磨削臂上的位 移傳感器；安裝在所述伺服閥上的開度傳感器；與所述壓力傳感器、位移傳感器以及開度 傳感器相連的控制系統；以及各開關量輸入輸出模塊。所述控制系統包括速度控制器、前饋 控制器和時變PI控制器，以及參數檢測傳感器和模型辨識與參數預測模塊。建立附圖2所示的磨削臂、砂輪與工件及驅動滾輪的機械結構模型，包括磨削臂 201、液壓油缸202、磨削砂輪203、軋輥工件204、驅動滾輪205和臺車車體206。由圖3所 示的機械結構模型、受力分析圖可以建立磨削臂運動方程，磨削中，根據實際測量的磨削臂 的位置和液壓缸的壓力輸出值可由模型計算獲得磨削正壓力。由圖4所示的磨削臂液壓壓下系統原理，液壓系統壓力Ps和液壓回油量Qs分別輸 入高頻響伺服閥401和保壓溢流閥402，高頻響伺服閥401和保壓溢流閥402的輸出端分別 連接到液壓油缸403中活塞桿404的上面入口和下面入口 ；建立圖5所示的荒磨機磨削臂 液壓壓下系統的方框圖，進而由系統方框圖獲得伺服閥開度到活塞位移之間的開、閉環傳 遞函數。活塞桿負載是磨削臂及其上的磨頭、主軸電機及重型砂輪，整體質量約10噸。液 壓壓下系統采用了帶背壓式的單出桿非對稱缸結構。伺服閥開度到活塞位移之間的傳遞函數為
權利要求
1.高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統，用于控制磨削臂，其特征在于，所述 系統包括以下幾部分帶動所述磨削臂運動，支撐液壓缸、伺服閥、主泵及油箱的液壓壓下系統；安裝在所述液壓缸上的壓力傳感器；安裝在所述磨削臂上的位移傳感器；安裝在所述伺服閥上的開度傳感器；與所述壓力傳感器、位移傳感器以及開度傳感器相連的控制系統。
2.根據權利要求1所述的高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統，其特征在 于，所述控制系統包括速度控制器、前饋控制器和時變PI控制器，以及參數檢測傳感器和 模型辨識與參數預測模塊，所述三個控制器分別實現對于液壓缸中活塞桿的速度控制、干 擾抑制和不同工況情況下的良好控制品質。
3.根據權利要求2所述的高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統，其特征在 于，所述控制系統為840D數控系統。
4.一種高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制方法，其特征在于，該方法基于對速 度軸、位置軸、以及工件運動及旋轉軸的運動模式辨識獲得各軸運動模型參數，結合液壓實 時控制單元，讓砂輪以恒定的正壓力和線速度對工件表面進行隨形強力磨削；所述各軸運動模型辨識方法具體步驟為(1)建立磨削臂液壓壓下系統函數；(2)建立磨削臂、砂輪、工件以及驅動滾輪的機械結構模型，由機械結構模型建立磨削 臂運動方程，并根據實際測量的磨削臂的位置和液壓缸的壓力輸出值由模型計算獲得磨削 正壓力；(3)建立荒磨機磨削臂液壓壓下系統的方框圖，進而由該系統方框圖獲得伺服閥開度 到活塞位移之間的開、閉環傳遞函數；(4)位置軸的時變模型辨識液壓系統諧振頻率是活塞桿工作點的函數；(5)速度軸的非線性模型辨識對不同方向的閥門開度與系統增益關系建立非線性速 度擬合模型，磨削時通過該模型自動進行非線性補償，使得伺服閥開度和活塞桿速度模型 的動態響應關于零點對稱，保證同一閥芯開度數值時，磨削臂向上和向下兩個方向運動的 速度可以保持一致；(6)前饋模型辨識前饋控制器形式為Ff= Fc+(1-β ) (- Δ Fi)，其中，Ff為前饋調整量， Fe為力控系統的輸出量；預測位置偏差的調整系數β = e-R/Rmax，R為被加工軋輥的平均半徑， Rmax為可加工軋輥的最大半徑；由于工件不圓度對正壓力產生的干擾量△Fi = k' δi, k' 是試驗統計數值，S是t時段后因輥坯不圓度引起的活塞桿位移增量，δi是t時段里第i 個輪廓位移增量。
5.根據權利要求4所述的高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制方法，其特征在 于，所述速度軸為磨削臂運動速度與伺服閥開度之間的非線性模型；所述位置軸為磨削臂 支撐油缸位置與控制系統參數的時變模型；所述工件運動及旋轉軸抑制工件輪廓起伏所 帶來的干擾的前饋控制模型。
全文摘要
高速強力荒磨機床多軸協同混合液壓控制系統和控制方法屬于自動控制理論與工程方向、過程控制技術領域。該系統包括帶動磨削臂運動，支撐液壓缸、伺服閥、主泵及油箱的液壓壓下系統；安裝在液壓缸上的壓力傳感器；安裝在磨削臂上的位移傳感器；安裝在伺服閥上的開度傳感器；以及與所述多個傳感器相連的控制系統。本發明以全數字傳感器融合多軸協同混合控制模型實現了高精度液壓伺服控制，通過將液壓伺服控制模塊HLA無縫嵌入數控系統840D的形式，達成了高速、雙磨削臂并行磨削方式，實現了最大可達100噸的重載荷、250千瓦大功率、80米/秒高線速度、1噸正壓力的隨形磨削，對于高鉻合金鑄造軋輥輥坯的磨削效率可達400～700kg/小時。
文檔編號B24B51/00GK102001042SQ201010294040
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者于飛, 李宛洲, 楊博, 楊峰, 王京春, 鄒國斌 申請人:清華大學