基于多执行器协调的锻造操作机夹钳垂直提升控制.pdf

第42卷第12期Vol． 42 No． 12FORGING 垂直提升;多执行器;协调控制;前馈补偿DOI: 10． 13330/ j． issn． 1000-3940． 2017． 12． 017中图分类号: TH137 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2017) 12-0092-06Vertical lifting control of forging manipulator clamp based onmulti-actuator coordinationZhai Fugang, Wei Lizhong , Han Shaoyong, Li Ruiyang(College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)Abstract: For the phenomenon of nonlinear lifting of the clamp in the lifting process of single-cylinder controled forging manipulator, amethod was proposed to control the lift movement of clamp by the coordination of the buffer cylinder and the lift cylinder, and a solve di-agram of double-cylinder coordination trajectory was established. Then, the vertical lifting of the clamp was regarded as boundary condi-tions to solve respectively, and the theoretical trajectory curve of coordinated control of the lift cylinder and the buffer cylinder was ob-tained. On this basis, considering the influence of nonlinear factors in mechanical, hydraulic and electronic control systems, the posi-tion accuracy of the two-cylinder coordination was improved by the method of feedforward compensation. Finally, based on the simula-tion test-bed data, the control effects of traditional PID and feedforward compensation methods were compared. The experimental resultsshow that the feedforward compensation method can effectively reduce the horizontal error when the clamp is vertically raised and low-ered.Key words: forging manipulator; vertical lifting; multi-actuator; coordination control; feedforward compensation收稿日期: 2017 -09 -18;修订日期: 2017 -11 -08基金项目:燕山大学“重型机械协同创新计划课题”项目(ZX01 -20140400 -01)作者简介:翟富刚(1979 - ),男,博士,副教授E-mail: songrr@ ysu． edu． cn通讯作者:魏立忠(1992 - ),男,硕士研究生E-mail: 969765162@ qq． com锻造操作机的平行升降动作主要用于调整夹钳的垂直位置(高度),其控制效果对于加工工件的径向尺寸和锻件质量具有重要影响[1 -2]。目前,包括德国DDS、 SMS - MEER在内的众多操作机的吊挂系统中,夹钳的平行升降动作都是由升降缸独立驱动控制的,夹钳末端的运动轨迹呈现非线性特点[3 -4]。在现代锻造体系中,对于大型锻件及长轴类锻件,往往需要两台锻造操作机共同夹持来进行锻造,当双机共同夹持锻件配合压机作业而升降时,若单机夹钳非线性升降,势必会造成双锻造操作机系统不协调升降,严重时会损坏锻件甚至破坏设备[5 -6]。为此,众多学者从机构学角度对锻造操作机的吊挂机构进行了构型设计、分析和优化研究,以期降低夹钳提升过程的水平方向上的位移量,但由于受操作机结构尺度和工作空间的制约,优化效果不甚理想[7 -10]。文献[11]通过对锻造操作机机械系统进行运动学特性分析发现,升降缸位移变化主要影响夹钳末端的径向位置,而缓冲缸主要用于顺应锻件水平方向上的形变量,起到调节夹钳水平位置的作用。万方数据因此,本文采用文献[12]中提出的缓冲缸,既可被动缓冲,又可主动进给。利用升降缸和缓冲缸协调控制的策略,以夹钳垂直提升为边界条件,构建操作机提升系统的逆运动学模型,通过获得的两缸协调运动的位移轨迹,来控制夹钳末端的轨迹变化,进而提高单机对锻件位置控制的准确度。考虑到实际锻造操作机本身具有非线性、参数时变性特点,再加上外部干扰力的作用,使阀控缸位置跟随过程中存在较大的跟随误差。根据产生原因的不同,跟随误差可以具体细分为:在扰动力信号作用下产生的跟随误差(简称扰动跟随误差)与因系统响应引起的跟随误差(简称响应跟随误差)。为消除这两种跟随误差,本文在传统PID位置闭环控制策略的基础上,又采用前馈补偿策略,以期得到更优的控制效果。1 双缸协调运动轨迹平行连杆式锻造操作机吊挂机构简图如图1所示,其中, x1和x2分别为升降缸和缓冲缸的位移,a ~ l分别为铰链连接位置(a, b, h, i为固定铰点), m为锻件位置标识点, lac, laj, lcj, lcg, lce为杆ac,杆aj,杆cj,杆cg,杆ce的长度, lij0和lhg0为升降缸与缓冲缸所在杆件的初始长度。设a点为坐标系原点,目标m点的位置为(xm, ym),以双缸协调为条件,对吊挂机构进行逆运动学求解,分析求解过程如下。图1 锻造操作机吊挂机构简图Fig． 1 Diagram of hanging mechanism for forging manipulator对于确定的吊挂机构来说,其a点的坐标以及杆长lac, laj, ljc是常值,因此, ∠ jac为定值,记为δ1,即:δ1 = arccos l2aj + l2ac - l2cj2laj· lacæèöø (1)若已知目标m点的坐标(xm, ym),则可首先求出铰点e的坐标(xe, ye),即:xe = f1(xm) = xm - lemye = f2(ym) = ym{(2)变量角θ1和θ2为:θ1 = f3(xe,ye) = arctan ya - yexe - xaæèöø (3)θ2 = f4 xe,ye( ) =arccos l2ac + (xe - xa)2 + (ye - ya)2 - l2ce2lac· (xe - xa)2 + (ye - ya)2æèöø (4)所以, θ3和θ4为:θ3 = f5(θ1,θ2) = θ1 - θ2 (5)θ4 = f6(θ3,δ1) = θ3 + δ1 (6)由此可知, j点、 c点的坐标为:xc = f7(θ3) = laccosθ3yc = f8(θ3) = lacsinθ3{ (7)xj = f9(θ4) = lajcosθ4yj = f10(θ4) = lajsinθ4{ (8)由式(2)与式(7)中得到的c和e铰点的坐标,可求得g点坐标为:xg = f11(xc,xe) = xc + (xe - xc)lcg / lceyg = f12(yc,ye) = yc + (ye - yc)lcg / lce{(9)由于升降缸的初始长度lij0与缓冲缸的初始长度lhg0已知,因此,可求升降缸的位移x1和缓冲缸的位移x2为:x1 = f13(xj,yj) = (xj - xi)2 + (yj - yi)2 - lij0(10)x2 = f14(xg,yg) = (xg - xh)2 + (yg - yh)2 - lhg0(11)通过上述分析可知,以m点坐标为输入时,即可求得x1和x2的运动规律。根据操作机吊挂机构的位置传递关系,进一步建立逆运动学求解框图,如图2所示。求解框图由4部分组成,其中包括系统基本参数输入、给定输入、解算过程、两缸位移输出。根据求解框图中位置传递的逻辑关系,可在Matlab/ Simulink中建立此种机械构型的逆运动学求解模型,为下一步在dsPACE控制器中进行实验控制提供基础。2 前馈补偿控制策略研究前馈补偿根据所使用方式的不同,分为基于扰39第12期翟富刚等:基于多执行器协调的锻造操作机夹钳垂直提升控制 万方数据图2 逆动力学求解框图Fig． 2 Solving block diagram of inverse dynamics动信号的前馈补偿(简称为扰动前馈)和基于给定信号的前馈补偿(简称为给定前馈)两种,其特点是不依靠偏差,而直接根据输入信号或测得的干扰信号进行开环补偿控制,在外负载扰动或输入信号还未影响输出之前改变操作量,使系统对误差具有一定的预见性,及时消除误差,从而提高其液压缸单元的位置跟踪精度。对于双缸协调控制的操作机提升系统,其带前馈补偿环节的阀控缸位置控制原理如图3所示。其中, xr为阀控缸的给定信号, xp为位移传感器检测液压缸输出的位移信号, Ff为液压缸的摩擦力, FL为外负载力, K为负载刚度, Bp为阻尼系数, mt为等效负载质量。图3 带前馈补偿环节的阀控缸位置控制原理Fig． 3 Position control principle of valve controlled cylinder withfeedforward compensation2． 1 扰动前馈补偿控制为消除提升系统的扰动跟随误差,在位置反馈闭环的基础上,首先进行扰动前馈补偿控制研究,带扰动前馈环节的阀控缸位置控制框图如图4所示。图4 带扰动前馈环节的位置控制框图Fig． 4 Block diagram of position control with disturbancefeedforward其中, xr和FL + Ff作为输入信号, xp为液压缸的输出位移, G1(s)和G2(s)为阀控缸系统各部分传递函数, Gf(s)为干扰力的传递函数, Gq(s)为扰动前馈补偿控制器的传递函数, Gp(s)为PID控制器的传递函数, Kx为位移传感器增益, Ur, Up分别为给定信号、反馈信号的等效电压值, Ug为比例阀给定电压值。若令阀输入信号位移xr =0,可得以FL和Ff为输入、升降缸位移xp为输出的传递函数为:xpFL + Ff =G2(s)(G1(s)Gq(s) - Gf(s))1 - G1(s)G2(s)GP(s)Kx (12)当FL + Ff ≠ 0时,若想使xp = 0,则可由式(12)推理得G2(s)(G1(s)Gq(s) - Gf(s)) = 0,即Gq(s) = Gf(s) / G1(s)。经过简化,阀控缸的扰动前馈补偿传递函数表达式为:Gq(s) =Vt2βe +4Cipζωsvæèöøs + 2CipKaxvKd Ap1 + Ap2( ) Ps - P0 - (FL + Ff) / Ap1(13)49锻 压 技 术 第42卷万方数据式中: Vt为液压缸总容积; βe有效体积弹性模量;Cip液压缸内泄漏系数; ωsv为电液比例阀固有频率;ζ为电液比例阀阻尼比; Kd为折算流量系数; Kaxv为电液比例阀增益; Ap1为液压缸无杆腔有效面积; Ap2为液压缸有杆腔有效面积; Ps为系统供油压力; P0为系统回油压力。由式(13)可知,扰动前馈补偿控制的关键是实时获取干扰力的大小,根据液压缸力平衡方程可知:Ff1 + FL1 = Ap1p1 - Ap2p2 - mtx· · p - Bpx· p - K′xp(14)式中: mt为折算到液压缸活塞上总质量; Bp为液压缸阻尼系数; K′为负载刚度。液压缸两侧压力p1和p2可由压力传感器测得,液压缸的位移xp由位移传感器测得,将液压缸位移xp对时间t进行一次、二次微分近似得到液压缸的速度x· p和加速度x· · p,从而可近似实时获取干扰力的大小。2． 2 给定前馈补偿控制为消除提升系统的系统响应误差,在位置反馈闭环的基础上,又进行了给定前馈补偿控制研究,其带给定前馈补偿环节的阀控缸位置控制框图见图5。图5 带给定前馈环节的位置控制框图Fig． 5 Block diagram of position control with feedforwardcompensation for given signal其中, Gs(s)为给定前馈补偿控制器的传递函数。则系统误差传递函数为:Φde(s) = 1 - G1(s)· G2(s)· Gs(s)· Kx1 + G1(s)· G2(s)· Gp(s)· Kx(15)如果选择顺馈装置为:Gs(s) = 1G1(s)· G2(s)· Kx(16)则有Φde(s) = 0,即系统误差E(s) = Φde(s)·xr(s) = 0,完全消除了因系统响应引起的误差,实现了全补偿。经过简化,其阀控缸的顺馈补偿传递函数表达式为:Gs(s) =4βeCipζωsv (A2p1 + A2p2 - Ap2 - Ap1Ap2) + (A2p1 - A2p2 - 2BpCip)Vt( )sKaxvKxVtKd(Ap1 + Ap2) Ps - P0 - PL1+Cip(A2p1 + A2p2 - Ap2 - Ap1Ap2)KaxvKxVtKd(Ap1 - Ap2) Ps - P0 - PL1 (17)3 实验研究为了便于开展实验研究,针对平行连杆式锻造操作机的悬挂机构,通过简化机构各部分,仅保留升降缸和缓冲缸,建立简化实验模型如图6所示。其中,夹钳末端模拟锻件负载质量为35 kg,系统压力为3 MPa,液压缸的行程为70 mm。图6 实验模型Fig． 6 Experimental model考虑到实际锻造操作机在作业时会存在夹钳上升-下降过程中速度快慢的问题,决定给定模拟负载垂直提升速度信号为v = 25． 12 × sin(0． 2πt)时,对速度信号进行积分可得到模拟负载垂直提升时位移随时间的变化,如图7所示。图7 垂直提升位移曲线Fig． 7 Vertical lifting displacement curve通过Matlab/ Simulink中建立的逆运动学求解模型,可得到升降缸与缓冲缸的输入位移轨迹,如图8a所示;当只采用PID位置闭环控制策略时,其模拟负载实际位移轨迹如图8b所示。由图8可知,模拟负载的实际位移轨迹水平误差在[ -0． 95, 0． 59] mm范围内,其中上升与下59第12期翟富刚等:基于多执行器协调的锻造操作机夹钳垂直提升控制 万方数据图8 实验轨迹曲线(a)两缸给定位移 (b)负载实际位移轨迹Fig． 8 Experimental trajectory curves(a) Given displacement of two cylinders(b) Actual displacement trajectory of load降过程中的水平位移呈现出滞环现象;在模拟负载运动的底端和顶端,都会产生水平位移突变的现象,与理想效果相差甚远。根据上节求出的控制策略方法,对锻造操作机双缸协调提升系统的前馈补偿控制进行了实验研究,其模拟负载水平误差曲线如图9所示。图9 水平误差曲线Fig． 9 Horizontal error curves由图9可知,使用PID +扰动前馈补偿控制的负载水平,误差在[ -0． 8, 0． 49] mm范围内,相较于只采用PID控制方法,位置控制精度提高了16%;当采用PID +扰动前馈补偿+给定前馈补偿控制的负载水平,误差在[ - 0． 58, 0． 39] mm范围内,位置控制精度提高了37%,从而证明了该前馈补偿控制方法在操作机双缸协调提升系统中的有效性。4 结论(1)建立了平行连杆式锻造操作机的逆运动学的求解框图,以垂直提升为边界,获得升降缸与缓冲缸协调控制时的理论轨迹。(2)针对锻造操作机提升系统的阀控缸系统,推导出了两种前馈补偿控制环节的传递函数,并进行了实验研究。结果表明,对于双缸使用前馈控制能够有效地降低夹钳垂直升降时的水平误差,验证了协调控制策略的有效性。参考文献:[1] 王勇勤,王端,严兴春,等. DDS锻造操作机升降及倾斜机构设计分析[J].锻压装备与制造技术, 2012, 47 (4): 35 -38.Wang Y Q, Wang D, Yan X C, et al. Design and analysis of lift-ing and tilting mechanism of DDS forging manipulator [J]. ChinaMetalforming Equipment 另外,墙报交流66篇。该系列会议是由中国机械工程学会塑性工程分会主办的大型综合性学术盛会,每两年召开一次,旨在为全国塑性工程领域的科技工作者、产业界人士搭建一个高层次学术交流平台,共享塑性工程界前沿研究成果,增进国内外塑性工程学术界、产业界和政府间的学术交流和合作,推动我国塑性工程领域自主创新发展。本次会议涵盖了塑性工程领域的前沿技术、热点研究和重大需求。本次会议的主题是“创新塑性加工技术,促进智能制造发展”。会议的主办单位是中国机械工程学会塑性工程分会。会议共邀请9篇主旨报告。王德成研究员(机械科学研究总院)做了题为“中国制造2025与塑性成形技术”的主旨报告,报告指出“中国制造2025”战略的实施,在多个重大工程、重点领域、重点任务上都对先进塑性成形技术与装备提出了新的需求,从制造大国迈向制造强国的过程更加离不开先进塑性成形技术与装备作为基础保障的支撑,先进塑性成形领域必将迎来新的重大发展机遇;吴欣教授(美国韦恩州立大学)做了题为“材料成形中的弹塑性与断裂”的主旨报告;张新泉博士(澳大利亚力拓铝业)做了题为“铝合金在中国发展的展望”的报告;李逢川(中国第二重型机械集团公司)做了题为“8万吨模锻压机及大型钛合金模锻工艺技术”的主旨报告;赵升吨教授(西安交通大学)做了题为“智能机器及其实施途径”的报告;张君研究员(中国重型机械研究院)做了题为“中国金属塑性加工高端重型装备与创新发展”的报告;张晓静博士(德国SimTec Engineering GmbH )做了题为“稳健设计和全型面回弹预补偿技术及其在国际汽车工业领域的应用”的报告;王礼良博士(英国帝国理工学院)做了题为“Knowledge based cloud FE simulation a multi - objective FEA system for ad-vanced FE simulation of hot stamping process”的报告;王新云教授(华中科技大学)做了题为“多工位精密模锻成形工艺及装备”的报告。上述大会主旨报告从不同侧面介绍了塑性成形技术的研究应用现状与发展趋势。会议根据论文的内容设置了6个分会场进行学术与技术交流,分别为:板材/管材成形分会场、体积成形分会场、变形理论与仿真分会场、特种/微纳成形分会场、成形装备与智能化分会场、先进材料分会场、新工艺/技术分会场。 6个分会场共计宣讲了24篇特邀报告(每个分会场4篇)。在各分会场的交流中,代表们通过对报告内容的热烈讨论,加深了对塑性成形领域的认识,增进了对彼此研究领域的了解,促进了各高校、科研院所以及企业间的合作交流。此次会议得到了与会代表的一致认可,为塑性工程领域的可持续发展提供了良好的合作交流平台。本次会议选址在锻造之乡— — —山东省济南市章丘区召开,得到了相关部门的大力支持,并为大会的圆满举行提供了保证,在此表示衷心的感谢。中国机械工程学会塑性工程分会秘书处79第12期翟富刚等:基于多执行器协调的锻造操作机夹钳垂直提升控制 万方数据