目录
第一章 绪论 .............................................................. - 1 -
1.1课题研究的背景和意义 .............................................. - 1 -
1.1.1金属板材矫直技术概况 ........................................ - 1 - 1.1.2平行多辊薄板矫直机国内外概况 ................................ - 2 - 1.1.3国内外实际生产中矫直技术概况举例 ............................ - 3 - 1.1.4课题研究的提出及意义 ........................................ - 4 - 1.2本课题的研究内容 .................................................. - 4 - 第二章 液压矫直机的工作原理和系统构成 .................................... - 5 -
2.1 矫直原理 ......................................................... - 5 - 2.2液压矫直机的设备机构及用途概述 .................................... - 5 -
2.2.1矫直机本体 .................................................. - 5 - 2.2.2换辊装置 .................................................... - 8 - 2.2.3主传动装置 .................................................. - 8 - 2.3液压矫直机的液压伺服控制系统设备 .................................. - 9 -
2.3.1液压泵站 .................................................... - 9 - 2.3.2主AGC液压缸 ................................................ - 9 - 2.3.3液压伺服阀台 ................................................ - 9 - 2.4液压矫直机电气控制系统 ........................................... - 10 -
2.4.1电气控制系统的方案 ......................................... - 10 - 2.4.2自动控制系统的功能 ......................................... - 10 - 2.5本章小结 ......................................................... - 10 - 第三章计算元件的参数和选型 .............................................. - 11 -
3.1选择系统供油压力 ................................................. - 11 - 3.2求液压缸相关参数 ................................................. - 11 - 3.3确定伺服阀规格 ................................................... - 13 - 3.4 液压泵计算及选型液压泵的选择 .................................... - 14 - 3.5 电动机计算及选型 ................................................ - 15 - 3.6油管的计算 ....................................................... - 16 -
3.6.1直径的计算 ................................................. - 16 - 3.6.2壁厚的计算 ................................................. - 16 - 3.7油箱计算及选型 ................................................... - 17 -
3.7.1油箱的选型 ................................................. - 17 - 3.7.2 热平衡计算 ................................................ - 18 - 3.8压力传感器选型 ................................................... - 18 - 第四章 液压伺服系统设计 ................................................. - 20 -
4.1 拟定系统原理图 .................................................. - 20 - 4.2电液伺服阀传递函数 ............................................... - 20 - 4.3液压缸传递函数 ................................................... - 20 - 4.4 确定闭环函数的传递函数及建立数学模型 ............................ - 21 - 4.5 绘制系统开环伯德图并根据稳定性确定开环增益 ...................... - 22 - 4.6 求闭环系统的频宽 ................................................ - 23 - 第五章 结论与展望 ....................................................... - 25 -
5.1 论文总结 ........................................................ - 25 - 5.2 存在问题及工作展望 .............................................. - 25 - 参考文献 ................................................................ - 27 - 对本课程的意见 .......................................................... - 28 -
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第一章 绪论
1.1课题研究的背景和意义 1.1.1金属板材矫直技术概况
随着我国板材生产规模的不断扩大，各厂家日益认识到板形在生产与市场销售中的重要性。不良板形的外部表现是板材上常见的中心波浪、边浪、瓢曲、扭曲、镰刀弯或局部‘鼓包’等。板材的不良板形实际上在连续铸轧过程中就已经产生了，连续铸轧的温度、辊形、压下、冷却水温、水压等因素都可能在铸轧板坯中引起不均匀内应力，而最终导致板形缺陷。若将板带看作由无数条纵向金属纤维连结而成的材料，则不良板形材料中内应力的出现，正是因相邻纤维间存在长度差之故。由于邻近纤维间的相互制约，长纤维受压应力，短纤维受拉应力。因此，板带横向厚度差与板形有着密切的关系。横向厚差大的板带，一般板形都不好，但因只需几微米的横向厚差即可造成明显的板形缺陷。因此，有些横向厚差很小的材料，板形也完全有可能不符合要求
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随着民用消费类产品需求不断增加，市场对薄板需求也大幅度提升。而薄板往往加工成卷板，这样便于材料运输。购买卷材替代板材作为原材料，在现场对卷料按照要求进行加工不仅能够降低原材料的成本，还能提高利用率。而卷板材生产和运输时易产生弯曲、翘曲、扭曲、波浪形屈曲，这些变形如果得不到及时有效的矫正，将严重影响着产品质量和数量的提高，尤其是本身作为工具的高精密仪器仪表和刀具，它们对用材平整度要求极其苛刻。
目前，控制手段良好的冷轧机，在冷轧过程中能部分的改善不良板形，但却不可能彻底消除。而有些冷轧机比较落后，生产过程完全由人工操作，因此，在改善板形方面存在不少困难。矫直技术多用于金属板材加工的后部工序，尤其是精整矫直是从根本上改善板形的最终工序，决定了产、成品的最终质量水平大类:
①复弯曲式矫直机，如压力矫直机及辊式矫直机，他们是靠压头或辊子在同一个平面内对工件进行反复压弯并逐渐减小压弯量，直到压弯量与弹复量相等而变直。
②旋转弯曲式矫直机，是工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方式从大的弯矩区向小的等弯矩区过渡，在走出塑性区时弹复变直。旋转者可以是工件，也可以是变形方位。如常见的斜辊矫直机，转毅式矫直机及平动式矫直机。
③拉伸矫直机，它依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉成等长度并进入塑性变形后经卸载及弹复而变直，如钳式拉伸矫直机及连续拉伸矫直机。
④拉弯矫直机，他是把拉伸与弯曲变形合成起来使工件两个表层的较大拉伸及全
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矫直工序由各种矫直机来完成，现在正在应用的矫直机按工作原理不同划分为五
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截面的拉伸变形三者不在同一时间发生，全断面各层纤维的弹复变形也不是同时发生的，既防止了板带的断裂，又提高了矫直质量。
⑤拉胚矫直机，它是在拉动连铸胚下行的同时使铸胚的弧形弯曲渐伸变直。 对于1一3mm的金属薄板，平行多辊矫直机应用最广，技术也最成熟。这种矫直机克服了普通压力矫直机断续工作的特点，成倍地提高了矫直效率，使矫直工序得以进入连续生产线，而且可以达到很高的矫直精度。 1.1.2平行多辊薄板矫直机国内外概况
平行多辊薄板矫直机国内外发展很不平衡，国内基本上还停留在传统的手动调节及机械传动方式，位置精度只有士0.smm，而国外已经实现了计算机电液自动控制，位置精度已经达到0.lmm，且有良好的人机界面，便于现场工程师操作。
在中国销售高精度薄板矫直机的海外公司主要有三家，瑞士海莫乐公司、台湾双郁机械公司和美国的IO认rA精密工业公司，后两家公司矫直机都作为卷板材加工流水线工序设备，而瑞士海莫乐公司作为专业矫直机制造公司，性能最好。它采用液压系统来控制矫直机的辊缝，公司产品广泛应用于汽车、建筑玻璃、精密仪器仪表和工具等领域。这三家的矫直机都能实现计算机数值控制(CNC)，而且海莫乐公司矫直机能自动感应压应力，采用双闭环控制，实现了智能化，但价格不扉，一台20一30万美金。
国内的情况是:北京机械工业自动化研究所机器人工程中心开发的一套开卷、矫平、剪切、堆垛生产线技术中，矫平机能实现计算机数值控制(CNC)，但矫直机的间隙调整由标尺指示，并没有采用闭环控制，所以位置控制精度仅有士0.5~。生产制造公司有国营西北机器厂、富地机械、山东省淄博市桓台齐光锻压机床厂、无锡梅里精品机械和湖北重型机器集团，前后辊缝间距全部采用手动机械调节，位置精度仅依靠蜗轮控制。所以产品的矫直精度不高，不能应用在精矫工序。
由湖北重型集团有限公司同华中理工大学威奇数控公司合作开发的辊式板材矫直机系列，经过近年的完善和发展，在理论上和实践上形成了较成熟的体系。
结构上，采用机械传动和液压传动相结合的方案，并重点加入了液压垫这一专利技术，使得设备结构更为紧凑，精度高，噪声低。控制方便，不仅提供了良好的交互环境.而且在实时性和预警上也对液压、机械和电气各环节实现了全面管理。整套控制系统由一台工控机和PLC组成，矫直精度也达到了0.1mm。
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1.1.3国内外实际生产中矫直技术概况举例
国内圆锯片加工工序一般是:材料切割，利用冲床进行齿形和穿孔加工，手工焊接，磨床表面加工，热处理，手工矫直，包装。因此，国内圆锯片生产效率低下，质量只是中低档。影响效率的一个关键因素是矫直工序采用手工方式，而经验丰富的矫直高级技工市场奇缺，这也制约了国内圆锯片质量的提高。圆锯片最为重要的两个参数是平整度和跳动，其测量方法是圆锯片不加张力地放置于平台上，测量锯片的端面跳公差，单面最大公差值为跳动，双面最大公差值为平整度。矫直工序作为最后工序控制这两个重要参数，但国内多数都是手工敲击的方式，此种矫直方式不是从机理方面改善锯片的性能，反而大范围的增加了局部残余应力。同时国内圆锯片用材质量差，材质分布不均，冲床加工留下大量局部残余应力，这些因素都影响着圆锯片的质量。
国外圆锯片基体制造的加工过程一般为，对于高质量的锯片基体:
预材料的矫直→锯片基体的切割→锯片基体的退火→中心孔的加工→锯片基体的张紧→锯片基体的矫真→外形加工→锯片基体的外形加工。而低质量的锯片基体，特别是小规格的锯片基体，加工过程省略了中间环节，由锯片基体的切割后直接进行外形加工。
从上面加工过程可以看出，平面研磨工序基本取消，降低了加工成本。通过两道矫直工序，提高了圆锯片的平整度。通过高质量的轧辊矫直使原材料的状况得到平衡并达到较高的平整度。由此而得到的激光切割后的锯片基体没有影响不良的不平衡现象，并为下道工序提供良好的平整度[6]。
最近十年来国外圆锯制造行业出现了三个显著的特点:l、专用材料，即冷轧和硬
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度处理后的初加工材料不断增加;2、激光切割板材，齿形和穿孔加工，减少材料的延伸;3、手工矫平越来越为轧辊矫直取代。这三个方面的发展为圆锯片的经济生产提供了可能性。另外，还有助于圆锯片的质量改善、提高生产灵活性以及迅速适应市场需求的能力。
圆锯片制造工业近期和较长时期发展趋势是:
1、在不妨碍灵活性的情况下，提高生产方式的自动化程度; 2、提高加工深度;
3、在大直径范围和圆锯片装配中采用机械矫直; 4、改善预应力的施加和测量。 1.1.4课题研究的提出及意义
通过对材料平整工业的分析，可知平行辊矫直机在材料加工方面应用广泛，但从国内现状可以看出，高精度的液压多辊薄板矫直机(位置精度0.巧mm以下)国内还相当缺乏。基于高档锯片基体(平整度<0.10~，跳动<0.05~)实际生产的需要，研制了高精度液压矫直机。本课题以液压矫直机的控制系统为研究对象，它具有重要的工程意义。
对于液压伺服控制系统，有很多先进的控制算法，但是大部分都停留在计算机仿真阶段，真正应用在实践中并取得良好控制效果的还是以PID为主。本课题利用矫直机一实际产品作为研究对象，通过计算机对该矫直机的位置控制系统进行可行性分析，拓宽了电液伺服控制技术的应用领域，对其它相关课题的研究具有一定的参考价值。
1.2本课题的研究内容
液压矫直机电液控制系统包括压下位置控制系统(辊缝控制系统)和送料速度控制系统，而送料速度控制系统其精度不作要求，因此本课题研究的重点是液压矫直机位置控制系统。前面介绍的海莫乐公司的矫直机综合位置精度达到0.Ilnm，由于系统本身存在多种不可补偿的误差因素，所以允许的控制误差范围是很小的，尤其在国内机械加工装配的条件限制下，要达到海莫乐公司矫直机同样的精度，就需要对实际位置控制系统进行深入研究，选取合理元件组成系统，并采用最适合实际位置控制系统的液压伺服控制策略。
本课题研究的内容是高精度液压矫直机电液伺服控制系统，主要包括: 液压矫直机的工作原理和系统构成 计算元件的参数和选型 液压伺服系统设计
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