電液比例變量泵液壓測試系統(tǒng)設計及3D建模 開題報告.doc

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畢業(yè)設計（論文）開題報告 （含文獻綜述、外文翻譯） 題 目 電液比例變量泵液壓測試系統(tǒng)設計及3D建模 姓 名 學 號 專業(yè)班級 機電090X 所在學院 工程學院 指導教師（職稱） 二○一三年三月五日 畢業(yè)設計（論文） 開 題 報 告 （包括選題的意義、可行性分析、設計的內(nèi)容、設計方法、 擬解決的關(guān)鍵問題、預期成果、設計進度計劃等） 電液比例變量泵液壓測試系統(tǒng) 設計及3D建模 1. 選題的背景和意義 1.1選題背景 在液壓傳動及控制技術(shù)的發(fā)展過程中，電液伺服控制和電液比例控制是相繼出現(xiàn)的兩大重要分支。但電液伺服閥對環(huán)境的要求十分苛刻，因此自六十年代末期開發(fā)了各類電液比例控制閥，可靠的電—機械轉(zhuǎn)換器及專用的控制放大器。利用這些元件，首先是構(gòu)成一些開環(huán)控制的電液比例控制系統(tǒng)，其次采用相應的檢測元件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。七十年代以來， 容積式泵控系統(tǒng)以其工作效率高的技術(shù)優(yōu)勢在機床、工程機械、輕工機械、船舶、航空、航天等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應用。電液比例變量泵以其較好的動態(tài)特性和較高的穩(wěn)態(tài)精度以及較低的成本已逐步發(fā)展成新一代變量泵并得到了不斷擴大的應用。而且因其較好的節(jié)能性能及比例控制功能而愈發(fā)廣泛地應用于機電領(lǐng)域[5]。隨著工業(yè)控制的精度和自動化程度的不斷提高，特別是近年來傳感和檢測技術(shù)的不斷發(fā)展以及大規(guī)模集成電路功能的不斷完善，電反饋電液比例變量泵應運而生，使電液比例變量泵調(diào)節(jié)能存了大幅度的提高，隨著電液比例技術(shù)的發(fā)展以及各類電液比例變量泵的開發(fā)成功，國內(nèi)對電液比例變量泵據(jù)出了更高的要求。這不僅要求它們具有較高的動態(tài)響應恃性和穩(wěn)態(tài)控制精度以實現(xiàn)模擬或計算機控制，而且要求它們能夠在較為苛刻的條件下安全可靠地工作。通常泵本體部分經(jīng)長期工程應用的實際考核，基本上能夠滿足可靠性要求。而比例控制器件雖然經(jīng)多年開發(fā)研究，在技術(shù)上也比較成熟，但仍然未在大量工程應用中經(jīng)過各種復雜工況的考核，因此在應用安全及可靠性程度的要求下還需進行電液比例變量泵液壓測試系統(tǒng)設計及3D建模，以解除系統(tǒng)正常運行的后顧之憂。 1.2選題意義 本課題主要以電液比例變量泵的測控系統(tǒng)為研究對象，并對測試中的液壓系統(tǒng)進行設計及3D建模，其中電液比例變量泵是液壓傳動與控制中關(guān)鍵的動力元件，可與液壓馬達或液壓缸直接連接，構(gòu)成高效節(jié)能的液壓容積控制系統(tǒng)，實現(xiàn)驅(qū)動負載的位置、速度、力、轉(zhuǎn)矩以及功率的自動控制。電液比例變量泵促使液壓系統(tǒng)向高壓、高效率、高功率密度、高精度、高集成化方向邁進[3]。通過對它額定流量、最大轉(zhuǎn)速、最大壓力、溫度進行測試評估以確定其應用安全及其可靠性。 2．可行性分析 1、技術(shù)層面。通過對電液比例變量泵的性能測試原理的研究，目前，在技術(shù)原理上已不存在什么太大的難點，主要在電液比例變量泵液壓測試系統(tǒng)中加入合適的溢流閥、節(jié)流閥和單向閥等就可以對整個系統(tǒng)流量的控制和調(diào)速及壓力計算。并通過在負載的模擬測量和計算。 2、個人層面。在此設計之初，本人已完成對其液壓系統(tǒng)所需的零配件數(shù)量和種類的初步選定以及按照指導老師推薦的參數(shù)和型號進行詳細列表陳述如表2.1。并檢索與此次設計的論文相關(guān)的參考文獻，以提供理論基礎(chǔ)。目前對要測試的系統(tǒng)已設計好液壓原理圖如圖2.2。目前主要存在應對液壓原理圖對各個液壓閥進行計算選配以及裝配完成后對其進行3D建模。還需要本人自身對Pro/E三維軟件的擴展練習。 圖 2.1 比例變量泵測試液壓原理圖 3．設計內(nèi)容 3.1 設計的工作路線 課題從論文題目的選定后，要完成方案設計，液壓原理圖的設計，對系統(tǒng)進行設計和計算各個最大壓力及流量，液壓系統(tǒng)元件的選型，完成3D建模。 3.2 設計的主要內(nèi)容 (1)、進行論文題目的審定和論證可性行及時間安排：該階段主要由指導老師和本人共同完成。對于選題的適合難度和本人需要完成該設計掌握的軟件技能提出要求，并對于制作順序做出指導，對完成效果做出預期。 (2)、進行文獻篩選和設計需要測試的液壓原理圖：該階段主要由本人完成。本人需要在浙大圖書館，網(wǎng)上浙大圖書館以及類似網(wǎng)站如知網(wǎng)，萬維網(wǎng)等閱讀大量相關(guān)文獻資料找出有關(guān)本論的10余篇可進行理論支持的參考文獻，具體將在參考文獻中列出。而后通過找到的參考資料中和指導老師給予的幫助下首先得完成此次測試系統(tǒng)構(gòu)建的原理圖，并將結(jié)果交由導師檢查審核。 (3)、根據(jù)審核后的液壓原理圖對整個網(wǎng)絡進行數(shù)學計算完成各個方面的最大壓力及流量計算：該階段主要由本人完成。拿到審核后的液壓原理圖，運用暑期實踐老師所教知識由泵出發(fā)根據(jù)負載要求對于整個網(wǎng)絡進行數(shù)學計算，計算各個液壓閥和管道所需最大油壓和最大流量，以便完成液壓閥及其管道的選擇要求。 (4)、根據(jù)計算后的各個數(shù)據(jù)選擇液壓零部件并完成液壓系統(tǒng)Pro/E的3D建模：該階段主要由本人完成。根據(jù)指導老師審核后的液壓原理圖，開始在網(wǎng)上各個液壓閥等網(wǎng)站開始尋找合適此原理圖中及計算后最大壓力流量的液壓零配件，并通過該液壓閥的型號建立3D模型。 3.3 擬解決的關(guān)鍵問題。 主要關(guān)鍵點主要由： (1)、此次液壓原理圖的制定和審核，該部分已經(jīng)基本完成； (2)、因整個液壓網(wǎng)絡需要進行必要的理論計算，對此要非常嚴謹和認真因為只要一個小小的錯誤就會導致之前和之后的一切努力都白費，都得重新來過，所以這是最為嚴峻的一步； (3)、3D建模和系統(tǒng)的測試，這是最后一步，當然也是關(guān)鍵點，這是需要得出結(jié)論的也需要認真不能有差池。 4．設計方法 （1）涉及的相關(guān)課程 本設計論文涉及性極廣涵蓋許多知識，也是頗為難度的設計性論文，基本包括液壓原理，方法論的建立，數(shù)學計算等。 （2）設計的主要方法 1) 運用AutoCAD，結(jié)合液壓系統(tǒng)設計基本知識，進行液壓系統(tǒng)原理設計，并繪制液壓系統(tǒng)原理圖； 2) 運用Pro/E工具，結(jié)合模塊化建模的方法，進行液壓元件建模，液壓閥塊設計，以及液壓系統(tǒng)管路的設計； 3) 選擇模擬設計要求：工作方式，回路安全與可靠性，負載的選擇標準等； 4) 負載分析與速度分析：小缸負載速度分析，負載分析，速度分析，大缸負載速度分析，負載分析，速度分析； 5) 5、確定液壓缸的主要參數(shù)，小缸的主要參數(shù)，液壓缸的工作壓力，液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，小缸其他參數(shù)，大缸的參數(shù)選擇； 6) 電液比例變量泵液壓系統(tǒng)原理圖和原理說明，原理簡化圖，工作原理； 7) 液壓元件的選擇，油管的選擇，壓力計的選擇，溢流閥的選擇，接頭的選擇，密封原件的選擇，油箱和過濾器的選擇，過濾器的選擇，元件一覽表； 8) 熱處理和散熱分析。 （3）設計的主要工具 Excel、AutoCAD、Pro/E軟件等，Excel主要是數(shù)據(jù)處理和圖表的制定，AutoCAD主要是液壓原理圖的制作，Pro/E軟件主要是測試系統(tǒng)的3D建模 5．預期設計成果 (1)、AutoCAD的液壓原理圖，1張 (2)、電液比例變量泵液壓測試系統(tǒng)的三維模型，1套（包括油箱設計、閥塊設計、管路設計等） (3)、畢業(yè)設計論文，一份 6．設計工作進度計劃 第一階段：第七學期第11～12周（2012.11.19～2012.11.30），檢索并查閱參考文獻； 第二階段：第七學期第13～19周（2012.12.03～2013.01.19），液壓原理圖的制定和審核； 第三階段：第七學期的寒假（2013.01.20～2013.02.28），開題報告和文獻綜述的撰寫； 第四階段：第八學期第01～02周（2013.3.04～2013.03.15），根據(jù)審核后的液壓原理圖對整個網(wǎng)絡進行數(shù)學建模完成各個方面的最大壓力及流量計算； 第五階段：第八學期第03～07周（2013.03.18～2013.04.19），根據(jù)計算后的各個數(shù)據(jù)選擇液壓零部件并完成液壓系統(tǒng)Pro-E的3D建模； 第六階段：第八學期第08～09周（2013.04.22～2013.05.10），根據(jù)3D模型和各個液壓數(shù)據(jù)進行本論文主題對系統(tǒng)的測試體構(gòu)建； 第七階段：第八學期第10～11周（2013.05.13～2013.05.31），整理各個數(shù)據(jù)和實驗測試結(jié)果，完成畢業(yè)論文的，初步撰寫，交由導師分析審核，最后將畢業(yè)論文稿最后定論完畢。 畢業(yè)設計（論文） 文 獻 綜 述 （包括國內(nèi)外現(xiàn)狀、研究方向、進展情況、存在問題、參考依據(jù)等） 電液比例控制技術(shù)的研究 1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.1 國外研究現(xiàn)狀 電液比例變量泵是液壓傳動與控制中關(guān)鍵的動力元件，可與液壓馬達或液壓缸直接連接，構(gòu)成高效節(jié)能的液壓容積控制系統(tǒng)，實現(xiàn)驅(qū)動負載的位置、速度、力、轉(zhuǎn)矩以及功率的自動控制。電液比例變量泵促使液壓系統(tǒng)向高壓、高效率、高功率密度、高精度、高集成化方向邁進。 對于電液比例變量泵的研究在國外還是非常先進。通過大量地閱讀外文資料發(fā)現(xiàn)對于電液比例變量泵的研究在國外已經(jīng)非常普遍和深入，其中文獻[16]對柱塞式比例變量泵的數(shù)學建模及神經(jīng)網(wǎng)絡在其控制器中的應用進行了研究，文獻[17]對泵的雙閉環(huán)控制策略及單閉環(huán)控制策略進行了對比研究，文獻[18]對模糊自適應控制在泵控制器中的應用進行了實驗研究等。它們主要針對的是泵的流量控制性能；但在泵的工作模式選擇上，其提出通過比較壓力及流量誤差大小來選擇控制模式，但因泵的控制系統(tǒng)比較復雜，PID 控制器難以實現(xiàn)較好的控制性能。當泵工作在壓力控制模式下時，流量變化容易導致壓力振動，PD 控制器無法消除流量變化造成的誤差。針對這個問題，又提出了外閉環(huán)采用PID 控制的雙閉環(huán)控制方法，并建立了可根據(jù)工作模式自動調(diào)整控制參數(shù)的控制器。通過仿真及試驗可以發(fā)現(xiàn)，新提出的控制方法與PD 雙閉環(huán)控制法在快速性、穩(wěn)定性上相近，并可有效消除流量變化帶來的誤差。以上研究方面可以看出在國外研究的現(xiàn)狀已經(jīng)優(yōu)越與國內(nèi)的電液比例變量泵的發(fā)展。所以在國內(nèi)電液比例變量泵的制造和研究基本在于仿造國外的現(xiàn)有產(chǎn)品。以便可以進一步創(chuàng)新和發(fā)展。我們正是站在巨人的肩膀上謀求發(fā)展。 1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 對于電液比例控制技術(shù)，國內(nèi)不僅己開展研究而且己經(jīng)達到廣泛的實際應用，但目前國內(nèi)的制造和技術(shù)還落后于國際水平。我國電液比例技術(shù)到20世紀70年代中期開始發(fā)展，在國內(nèi)的應用、尤其在工程機械上的開發(fā)應用才剛起步?？偟膩砜?，我闞電液伺服比例技術(shù)與國際水平相比有較大差距，主要表現(xiàn)在：缺乏主導系列產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品型號規(guī)格雜亂，品種規(guī)格不全，各類比例泵、比例閥等，國內(nèi)設計生產(chǎn)的品種少，并缺乏足夠的工業(yè)性試驗研究；在控制技術(shù)方面，自動化程度不高，性能水平較低，品質(zhì)不穩(wěn)定，可靠性較差等，都有礙于該項技術(shù)進一步地擴大應用，急待盡快提高。 2．研究方向 在液壓傳動及控制技術(shù)的發(fā)展過程中，電液伺服控制和電液比例控制是相繼出現(xiàn)的兩大重要分支。 （1）電液伺服控制的研究：電液伺服技術(shù)首先用于航空，進而用于一些重要的工業(yè)設備的自動控制，現(xiàn)已成熟。但電液伺服閥對介質(zhì)清潔度的要求十分苛刻，制造成本高而且價格昂貴，系統(tǒng)的能耗大。 （2）電液比例控制的研究：自60年代末期開發(fā)了以傳統(tǒng)型液壓閥為基礎(chǔ)的各類電液比例控制閥、可靠的電一機械轉(zhuǎn)換器及專用的控制放大器。利用這些元件，首先是構(gòu)成一些開環(huán)控制的電液比例控制系統(tǒng)，其次采用相應的檢測元件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于液壓技術(shù)的不斷進步和設備使用要求的不斷提高，變量泵采用了很多新技術(shù)和新工藝，其出口壓力和流量也相繼提高，因此要求變量泵測控系統(tǒng)在精確、兼容性以及穩(wěn)定性方面進一步提高。電液比例變量泵以其較好的動態(tài)特性和較高的穩(wěn)態(tài)精度以及較低的成本已逐步發(fā)展成新一代變量泵并得到了不斷擴大的應用。 3．進展情況 （1）電液伺服控制的研究進展：國內(nèi)電液伺服試驗機的發(fā)展按照產(chǎn)品發(fā)展時期的特點大致劃分成兩個階段：即自主發(fā)展階段和與國外合作發(fā)展階段。 自主發(fā)展階段：二十世紀70年代末期到二十世紀90年代初期，國內(nèi)的電液伺服試驗機都是以自主開發(fā)為主。這個時期研制生產(chǎn)的電液伺服試驗機的技術(shù)特點是：a.在測控系統(tǒng)，隨著數(shù)字電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，開始從模擬控制向模數(shù)混合式控制方向發(fā)展，并開始將計算機技術(shù)應用到控制系統(tǒng)中；b.應用了伺服同步技術(shù)，實現(xiàn)雙缸系統(tǒng)的同步跟蹤和精確定位；c.研制出低阻尼、高響應、長壽命的靜壓支撐動態(tài)伺服油缸；d.利用增壓技術(shù)，實現(xiàn)高壓無齒夾頭和橫梁預應力鎖緊。以上這些技術(shù)特點在當時的電液伺服技術(shù)發(fā)展中，都是比較先進的。 與國外合作發(fā)展階段：進入二十世紀90年代，隨著我國改革開放的步伐加快，國內(nèi)試驗機廠家與國外同行之間的聯(lián)系更加密切，雙方為了各自的利益開始尋求合作的途徑。這段時期是我國主要幾家試驗機廠尋求與國外合作的時期。這個時期的電液伺服試驗機的產(chǎn)品品種也是最繁雜；有國內(nèi)自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，有引進技術(shù)合作生產(chǎn)的產(chǎn)品，還有國外技術(shù)國內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品。在國內(nèi)試驗機市場展開了一場較量。國內(nèi)試驗機行業(yè)進入與國際合作發(fā)展時期后，在面對國外先進技術(shù)的同時，并沒忘記自身技術(shù)的提高。在這方面國內(nèi)的很多優(yōu)秀企業(yè)始終是堅持兩條腿走路。一方面是大膽的引進國外的先進技術(shù)，走技術(shù)合作的道路。另一方面是借鑒先進的技術(shù)，不斷的提高和完善自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，用國外的先進技術(shù)帶動自身的產(chǎn)品一起提高。隨著電液伺服技術(shù)的成熟，國內(nèi)試驗機廠家利用電液伺服技術(shù)開始從單純的材料試驗向更廣泛的多應用試驗領(lǐng)域方向發(fā)展。在這個時期研制生產(chǎn)的電液伺服試驗機的特點：國內(nèi)電液伺服試驗機的品種繁多，不僅豐富了國內(nèi)電液伺服試驗機的市場，同時也提高了自主產(chǎn)品技術(shù)的水平。國產(chǎn)測控系統(tǒng)方面，隨著單片機技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，開始向總線化、模板化技術(shù)發(fā)展，并逐步提高計算機在系統(tǒng)中的控制比重。在伺服協(xié)調(diào)控制技術(shù)方面有所突破，利用該技術(shù)成功的開發(fā)出國內(nèi)第一臺“電液伺服雙軸四缸試驗機”，其中心定位精度小于0.03mm。 （2）電液比例控制的研究進展：從1967年瑞士布林格爾公司生產(chǎn)KL比例復合閥起，到20世紀70年代初日本油研公司申請了壓力和流量比例閥二項專利為止，是比例閥的誕生時期。這一階段的比例閥，僅是將比例型的電一機械轉(zhuǎn)換器(如比例電磁鐵)用于工業(yè)液壓閥，以代替開關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和設計準則幾乎沒有變化，大多不含受控反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在1—5 Hz之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在4％一7％之間，多用于開環(huán)控制。1975～1980年間，比例技術(shù)的發(fā)展進入了第二階段。采用各種內(nèi)反饋原理的比例元件大量問世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上也日趨成熟，比例元件的工作頻寬已達5～15 Hz，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)也減小到3％左右。其應用領(lǐng)域日漸擴大，開環(huán)閉環(huán)均可適用。 20世紀80年代以來，比例技術(shù)的發(fā)展進入了第三階段。比例元件的設計原理進一步完善，采用了壓力、流量、位移內(nèi)反饋及電校正等手段。在80年代末、90年代初，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，比例技術(shù)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。除了因制造成本所限，比例閥在中位仍保留死區(qū)以外，它的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥無異。另一項重大進展是，比例技術(shù)開始和插裝閥相結(jié)合，形成了80年代電液比例插裝技術(shù)。同時，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了電液一體化的比例元件，電液比例技術(shù)逐步形成了80年代的集成化趨勢。同時電液比例容積元件，各類比例控制泵和執(zhí)行元件也相繼出現(xiàn)。 因此，從電液比例技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，電液比例技術(shù)發(fā)展到目前階段，已經(jīng)能用伺服比例閥替代傳統(tǒng)的伺服閥，用于大多數(shù)的工業(yè)控制中。由于伺服比例閥在使用時對油液清潔度的要求只需NAS 7—9級，而價格又遠低于相同參數(shù)的伺服閥，使其進入市場的競爭能力很強。從而采用新的伺服比例閥替代噴嘴擋板閥在工業(yè)領(lǐng)域是理所當然的事情，在國內(nèi)推廣也只是時間的問題，這將給用戶帶來明顯的經(jīng)濟效益。 4．存在問題 電液控制技術(shù)目前廣泛應用的閥控原理，其最大的不足是存在大的節(jié)流損失，能量效率低。低能量效率不僅增大了系統(tǒng)裝機功率，還引起系統(tǒng)發(fā)熱，附加的冷卻裝置進一步增大了系統(tǒng)裝機功率和成本，發(fā)熱也是造成液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因之一。 參考文獻 [1]丁海港，趙繼云，趙亮．A4VSO 電液比例變量泵的電液控制系統(tǒng)研究[J]．機床與液壓，2011，39（4）：70-72． [2]彭國鵬，丁玉海，周建華．基于PQ控制的電液比例變量泵特性仿真及熱分析[J]．機床與液壓，2010，38（15）：81-85． [3]丁英麗．電液比例變量泵的測試[J]．本溪冶金高等?？茖W校學報，2003，5（3）：21-22． [4]資新運，郭鋒，王琛，鄧成林．電液比例變量泵控定量馬達調(diào)速特性研究[J]．工程機械，2007，38（7）：45-48． [5]徐磊，陶建峰，劉成良．電液比例變量泵控制方法研究[J]．中國測試，2010，36（4）： 1-4． [6]沙道航，李新忠．鋼坯修磨砂輪轉(zhuǎn)速電液比例變量泵馬達調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究[J]．液壓氣動與密封，1997，4 21-23． [7]陸倩倩，魏建華，賴振宇．基于虛擬儀器的電液比例變量泵自動測控系統(tǒng)[J]．傳感技術(shù)學報，2009，22（4）460-470． [8]高翔宇，蘇東海．比例變量泵控馬達系統(tǒng)的建模與仿真[J]．機械工程與自動化，2009，5：44-46． [9]劉榛．電液比例負載敏感徑向柱塞變量泵控制的研究［D］．蘭州：蘭州理工大學，2005． [10]趙亮．液壓提升機電液比例伺服系統(tǒng)研究［D］．徐州：中國礦業(yè)大學，2011． [11]秦彥凱．電液比例變排量軸向柱塞泵控制特性研究［D］．太原：太原理工大學，2012． 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Experimental investigation on swash plate axial piston pumps with conical cylinder blocks using fuzzy logic control [C]. International Mechanical Engineering Congress and Exposition ASME-ME2002.New Orleans，USA：November，2002：17-21. 畢業(yè)設計（論文） 譯文及原稿 譯文題目 轉(zhuǎn)速可調(diào)電液壓泵控制系統(tǒng)的高響應和高效 率液壓注塑機的速度控制 原稿題目 The high response and high efficiency velocity control of a hydraulic injection molding machine using a variable ational speed electro-hydraulic pump-controlled system 原稿出處 Mao-Hsiung Chiang, Chung-Chieh Chen, Chung-Feng Jeffrey Kuo.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology August 2009, Volume 43, Issue 9-10, pp 841-851. 基于轉(zhuǎn)速可調(diào)電液壓泵控制系統(tǒng)的高響應和高效率液壓注塑機的速度控制 摘 要：高反應高效率速度控制液壓注塑機（HIMMS）的要求，尤其是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程，如光盤，磁盤，塑料光學透鏡，導光板等。相反的閥控液壓系統(tǒng)的問題，能源效率低而被廣泛使用在今天的HIMMs，本文開發(fā)了一個高響應、高節(jié)能電液泵控系統(tǒng)驅(qū)動的可變轉(zhuǎn)速交流伺服電機實現(xiàn)高響應和高效率的速度控制在HIMMs。恒排量的軸向柱塞泵結(jié)合交流伺服電機是在本研究為高響應電液壓泵控制系統(tǒng)的HIMMs。為此，控制策略，符號距離函數(shù)模糊滑?？刂疲⊿DFSMC）是為了簡化模糊規(guī)則庫通過滑動表面的實際應用。研制出的高變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)響應的電液控制SD-FSMC 實施和實驗驗證的速度控制各種目標和外部負載條件。此外，能源效率不同的實驗進行了分析和比較精確的電力品質(zhì)記錄器用于測量電能消耗的交流伺服電機。 1、簡介 液壓系統(tǒng)具有高功率重量比和高魯棒性的–等，他們已被廣泛應用在塑料注射成型機。然而，本液壓系統(tǒng)在液壓注射成型機（HIMMs）要求高響應、高能源效率的競爭與完整的電機驅(qū)動系統(tǒng)。高響應速度和效率高的要求，特別是對他產(chǎn)品的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，如光盤，磁盤，塑料光學透鏡，導光板，等。針對不同的液壓回路，液壓系統(tǒng)進行分類，如閥控液壓系統(tǒng)和液壓泵系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)液壓伺服閥，具有較高的反應，但低能量效率。一些研究的重點放在提高能源效率的閥控液壓系統(tǒng) [2-7]。Chiang et al [5-7]調(diào)查的一體化控制的節(jié)能控制與伺服控制實現(xiàn)高響應、高節(jié)能的閥控液壓缸系統(tǒng)，特別適用於塑膠射出成型機。節(jié)能控制包括負荷傳感控制，不斷的供應壓力控制和恒定功率控制；伺服控制包含路徑控制，速度控制和力控制。然而，集成控制是復雜和有限度的提高能源效率的影響由于孔液壓伺服閥。能源效率的閥控液壓系統(tǒng)可以提高節(jié)能控制系統(tǒng)；然而，它仍然是較低的泵控液壓伺服系統(tǒng)由于孔作用的伺服閥[5-7]。此外，成本低的電液比例流量控制閥的基礎(chǔ)上開發(fā)了開關(guān)電磁液壓機[8]。泵控液壓伺服系統(tǒng)具有很高的能量效率。Lovrec [9]的適用性的速度控制的感應電機由變頻器驅(qū)動的結(jié)合常數(shù)位移泵在出版社剎車系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的泵控系統(tǒng)，其位移改變變量泵或恒排量泵通過可變轉(zhuǎn)速的電動機 [5-7，9]，有較低的反應。最近，高響應泵控系統(tǒng)驅(qū)動交流伺服電機的介紹。Helduser [10]首先提出的概念，泵控液壓伺服系統(tǒng)，驅(qū)動齒輪泵和交流伺服電機的變轉(zhuǎn)速注塑成型機1995。Ruhlicke [11]研究了位置控制非對稱缸雙泵系統(tǒng)采用交流伺服驅(qū)動具有可變轉(zhuǎn)速的電動機，其定位精度約50μ米，仍然是不能令人滿意的。Kazmeier不同[12]采用模糊控制研究變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)定位控制的小功率最大330瓦特和小行程0.5毫米。Bildstein [13]相比，他表現(xiàn)的泵控系統(tǒng)和變轉(zhuǎn)速和變位移的位置控制飛行控制系統(tǒng)的空中巴士A321。Helduser [14]開發(fā)電動–靜液壓驅(qū)動采用交流伺服電機和恒排量齒輪泵節(jié)能電源和運動控制系統(tǒng)。Habibi and Goldenberg [15]討論了設計問題的電液執(zhí)行器采用齒輪泵和電機。Helbig [16]實現(xiàn)高效率和高響應速度和壓力控制注塑機采用交流伺服電機和恒位移內(nèi)部齒輪泵。從調(diào)查資料，交流伺服電動機結(jié)合內(nèi)部齒輪泵主要是用于。此外，該調(diào)查高反應和高效泵控系統(tǒng)仍在發(fā)展。新的應用的高響應和高能源效率在不同的液壓伺服機仍在發(fā)展。本文旨在探討伺服性能高響應電液泵控系統(tǒng)由交流伺服電機驅(qū)動的可變轉(zhuǎn)速HIMMs。不是內(nèi)部齒輪泵中所討論的參考資料，恒排量的軸向柱塞泵，具有更好的性能和效率比內(nèi)齒輪泵，本研究使用。因此，新的泵控液壓伺服系統(tǒng)與交流伺服電機和恒排量的軸向柱塞泵為研究HIMMs速度控制。為此，本文開發(fā)的智能控制策略，簽署距離模糊滑?？刂疲⊿D-FSMC）。該SD-FSMC的優(yōu)點結(jié)合起來的模糊控制和滑模控制等，可以簡化模糊規(guī)則庫，通過滑動表面，適合實際應用。研制出的高反應變轉(zhuǎn)速泵系統(tǒng)控制的SD-FSMC實施和實驗驗證的速度控制各種目標和載荷條件。此外，能源效率不同的實驗進行了分析和比較精確的電力品質(zhì)記錄器是用于測量電能消耗的交流伺服電機。 2、布局的實驗系統(tǒng) 液壓注塑機（HIMM），如圖1所示，改裝實驗研究。此外，試驗臺與同規(guī)格的他是建立在研究的新的高響應、高節(jié)能電液泵控系統(tǒng)HMM驗臺在這方面的工作可以分為三個子系統(tǒng)，包括伺服液壓缸的液壓系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，和基于PC的控制系統(tǒng)，如圖2所示。規(guī)格的主要組成列于表1。液壓伺服缸系統(tǒng)包含一個對稱缸裝有線性編碼器的分辨率為0.1μ米液壓動力供應系統(tǒng)，其中包括一個斜盤式軸向柱塞泵恒排量12毫升/轉(zhuǎn)速與驅(qū)動采用交流伺服電機最大功率7千瓦，調(diào)整供應量流由轉(zhuǎn)速控制的交流伺服電機?？刂戚斎胄盘柕慕涣魉欧R達是從個人電腦控制器的采樣時間為5毫秒，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和擴大由伺服放大器。速度信號產(chǎn)生的數(shù)字位置信號，測量的線性編碼器反饋的PC部隊的不同加載條件實驗設置壓力的減壓閥DRV1和DRV2。 3控制策略與控制器設計 3.1設定距離模糊滑動模式控制 常規(guī)的模糊控制理論包含模糊化，模糊規(guī)則，模糊推理和模糊化。在許多模糊控制系統(tǒng)，模糊規(guī)則庫取決于控制誤差和控制誤差率。復雜的模糊推理規(guī)則和隸屬函數(shù)。在控制器。力信號測量傳感器和反饋到微機控制系統(tǒng)。因此，整個系統(tǒng)包含一個電液泵控系統(tǒng)改變的變轉(zhuǎn)速伺服馬達。整體電力供應給電液泵控系統(tǒng)是衡量電力品質(zhì)記錄器能源效率分析與比較。此外，該系統(tǒng)包括一個擾動，擾動缸，雙閥，和一個齒輪泵，用在這里產(chǎn)生的外部干擾，減少模糊規(guī)則數(shù)目的模糊控制器，模糊滑?？刂疲ㄔO計），結(jié)合模糊控制理論和滑模控制的開發(fā)[17]。在本文中，簽署距離模糊滑?？刂芠18]是用來設計的液壓伺服控制器。在傳統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表，二維的斜對稱性，和絕對星等的控制輸入是成正比的距離主對角線的相平面。因此，簽署距離介紹，這是距離從實際狀態(tài)點的滑動表面的相平面。假設模糊滑動面被描述為 在α是正的常數(shù)。模糊滑動面σ= 0是直線的斜率α的相平面[17，19，20]如圖3。注意控制輸入上面和下面的滑動表面有相反的跡象。圖3說明了相平面簽署距離模糊滑模面。讓一個交匯點的開關(guān)線和線的垂直線的開關(guān)從一個點，確定設定距離一般為一點：因為跡象的控制輸入單向是σ> 0 <和它的絕對星等是成正比的距離德尚的開關(guān)線σ= 0，可以得出結(jié)論認為，控制輸入服務臺的距離成正比德尚因此，模糊規(guī)則表可以建立在一維空間序列代替二維空間的平面，控制輸入可通過秘書代替誤差與誤差速度圖4說明了控制系統(tǒng)框圖的SD-FSMC。由SD-FSMC，模糊規(guī)則的數(shù)目可以大大降低，容易調(diào)整?；瑒用娣譃槠卟糠值碾`屬函數(shù)集{NB;NM;NS;ZR;PS;PM;PB}，分別為。隸屬函數(shù)為控制輸入供定義為{NB;NM;NS;ZR;PS;PM;PB}。因此，而不是77模糊規(guī)則控制誤差和誤差率在常規(guī)模糊控制的sdfsmc，可以減少模糊規(guī)則為七個規(guī)則通過簽署距離，如表2所示。步方法用于模糊推理和質(zhì)心法用于解模糊化。讓DS和ds7是最高和最低值，分別，在隸屬函數(shù)集起來，如圖3。之間的關(guān)系，簽署距離和控制輸入你可以被描述如下：[21]： 3.2控制器的設計 在這項研究中，變轉(zhuǎn)速泵控系統(tǒng)控制的SD-FSMC實現(xiàn)速度控制。整體系統(tǒng)框圖如圖5所示。通過選擇合適的模糊滑模面σ，縮放因子和參數(shù)，以及隸屬函數(shù)和先進的控制輸入，供為電液泵控調(diào)速系統(tǒng)可以決定。表3顯示了設計的控制參數(shù)和隸屬函數(shù) 4、實驗和討論 速度控制反應的高變轉(zhuǎn)速泵控液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動交流伺服電機和恒排量的軸向柱塞泵是執(zhí)行的HIMMs使用SD-FSMC實驗研究。為驗證的可行性，高響應和高效率的電液泵控系統(tǒng)和實現(xiàn)需要的控制性能的HIMMs，速度控制是根據(jù)不同的控制條件，包括不同的目標速度和不同的外部負載的力量所產(chǎn)生的干擾的干擾系統(tǒng)通過設置氣缸壓力的減壓閥DRV1和DRV2?？刂菩盘柕慕涣魉欧R達是從個人電腦控制器。采樣頻率是200赫茲，和交流伺服電機的轉(zhuǎn)速限制在2000轉(zhuǎn)每分鐘。根據(jù)限制的規(guī)范。最大速度伺服缸試驗臺在這個理論上是大約116毫米/秒，根據(jù)最大轉(zhuǎn)速和位移軸向柱塞泵以及活塞有效面積不考慮泄漏液壓缸。油的溫度可以保持在30℃到40℃而不需要一個油冷卻器。 4.1速度控制在不同速度目標的承載力30千牛 圖6表明，實驗結(jié)果的速度控制響應不同的目標，如20，50，和90毫米/秒，與不斷的外部負載力30千牛。圖6表明，上升時間的各種反應速度可以達到0.30秒，和沉淀時間可控制在0.44個不同的速度的目標。因此，高響應電液泵控液壓系統(tǒng)驗證。圖6顯示轉(zhuǎn)速變化的交流伺服電機的速度控制過程是成正比的控制輸入的速度控制器。圖7圖描繪放大的穩(wěn)態(tài)誤差可以控制在0.52毫米/秒，使性能優(yōu)良的電液泵控伺服系統(tǒng)的速度控制精度可以澄清。比較業(yè)績，包括上升時間，沉降時間，穩(wěn)態(tài)誤差，和時間點的穩(wěn)態(tài)誤差，在三個不同的試驗條件是總結(jié)在表4。 4.2能源效率的速度控制能耗的實驗速度 控制與承載力30千牛，如圖所示，是本節(jié)中討論。整體電源引腳提供給電液泵控制系統(tǒng)是直接測量的電力品質(zhì)記錄器。輸出功率噘嘴的控制氣缸可以被描述為輸出力和速度的控制氣缸，分別。輸出力的直接測量負載細胞。轉(zhuǎn)速反饋信號產(chǎn)生的數(shù)字位置信號測量的線性編碼器。圖8表明，變化的氣缸的輸出力的速度控制在90毫米/秒的速度。如圖5所示。因此，供應電源引腳衡量電力品質(zhì)記錄器和輸出功率計算式7的速度為90毫米/秒顯示如圖9。能源效率可以達到80%左右的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖10所示。此外，能源效率的速度控制實驗50和20毫米/秒，也執(zhí)行在圖10。能源效率可以達到約76%和46%的速度控制實驗50和20毫米/秒，分別。因此，能源效率的增加速度。能源效率可以達到76%以上的旋轉(zhuǎn)速度的交流伺服電機是超過一半的額定轉(zhuǎn)速。反之，低轉(zhuǎn)速較低的能源效率，如46%的速度20毫米/秒，因為效率的交流伺服電機和液壓泵的不同非線性與旋轉(zhuǎn)速度，尤其是低效率表現(xiàn)在較低的轉(zhuǎn)速范圍。因此，高效節(jié)能的電液泵控伺服系統(tǒng)是證明。 4.3速度控制恒定外載荷確定的控制性能 根據(jù)不同的外部負載條件，試驗速度控制下的三種恒定加載條件，如10，30，和50千牛，調(diào)查。圖11表明，實驗結(jié)果的速度控制響應90毫米/秒三恒載荷，包括10，30，和50千牛。圖11顯示的上升時間低于0.30秒的速度輸出，和沉淀時間，除了可以控制在0.45秒三的外部載荷。因此，良好的高效性和高性能的電液泵控伺服系統(tǒng)響應的系統(tǒng)下的三個外部載荷的驗證。圖11顯示旋轉(zhuǎn)速度的交流伺服馬達，是成正比的控制輸入的速度控制器。此外，穩(wěn)態(tài)誤差，如圖12所示，可控制在0.78毫米/秒的性能比較三種不同試驗條件下的外部負載力總結(jié)在表5中，包括了上升時間，沉降時間，穩(wěn)態(tài)誤差，和時間點穩(wěn)態(tài)誤差。 4.4速度控制步驟外部負載 進一步驗證的高效性，實驗的速度控制步驟外部負載力10千牛對伺服缸缸的干擾干擾系統(tǒng)在此期間從三分之一，三分之二的實驗持續(xù)時間的實施。圖13顯示了實驗結(jié)果的不同速度目標的步驟外部負載力10千牛。為一步外載荷施加，速度控制器可以補償擾動變化迅速在0.4和保持速度控制響應。然而，由于液壓缸行程限制，即400毫米，實驗90毫米/秒，僅為3秒，而不是6號實驗結(jié)果說明，電液泵控伺服系統(tǒng)可以達到良好的反應和保持魯棒性外部載荷步。 5、結(jié)論 1.本研究開發(fā)出一種新的電液泵控系統(tǒng)由交流伺服電機實現(xiàn)速度控制與高反應和高能源效率，而集成控制概念的閥控液壓系統(tǒng)開發(fā)[5-7]是復雜和具有較低的能源效率。 2.在新的電液泵控系統(tǒng)，恒排量的軸向柱塞泵是用來結(jié)合交流伺服電機由于更好的響應和效率，而不是內(nèi)部齒輪泵在[10-16]。 3.為實現(xiàn)更好的速度控制性能，簽署距離模糊滑模控制，它簡化了模糊規(guī)則和計算時間少，使用和驗證實驗。 4.實驗中的速度控制是不同的目標，如20，50，和90毫米/秒，與外載荷力30千牛，和恒定速度90毫米/秒三恒載荷，包括10，30，和50千牛。實驗結(jié)果表明，上升時間的各種速度控制的反應可以保持在0.30以下，且穩(wěn)定時間也可控制在0.44內(nèi)的各種條件。顯而易見的是，液壓泵控伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了性能的高響應和穩(wěn)態(tài)誤差小。 5.為了分析能源效率準確，電力品質(zhì)記錄器是用于直接測量電能消耗的交流伺服電機等，效率的影響變化的交流伺服電機和液壓泵以及液壓泄漏泵可以被認為是完全。能源效率的液壓泵控伺服系統(tǒng)的速度控制可以達到46%以上的目標的速度20毫米/秒，尤其80%歲以上的速度90毫米/秒很明顯，電液泵控伺服系統(tǒng)實現(xiàn)高效節(jié)能。 6.實驗結(jié)果的速度控制步驟外部載入中證實，液壓泵控液壓系統(tǒng)可以進行良好的反應和保持高效性外部載荷步。 7.新的電液泵控系統(tǒng)由交流伺服電機驅(qū)動的可變轉(zhuǎn)速可同時實現(xiàn)高能量效率高，反應的速度控制液壓注射成型機。 The high response and high efficiency velocity control of a hydraulic injection molding machine using a variable rotational speed electro-hydraulic pump-controlled system Mao-Hsiung Chiang & Chung-Chieh Chen & Chung-Feng Jeffrey Kuo Abstract：High response and high efficiency velocity control of a hydraulic injection molding machine (HIMM) is requested especially for the process of high-tech industries, such as CD and DVD disks, plastic optical lens, light guide plates, etc. Instead of the hydraulic valve-controlled systems that have the problem of low energy efficiency but have been used widely in today’s HIMMs, the paper develops a high response and high energy efficiency electro-hydraulic pump-controlled system driven by a variable rotational speed AC servo motor for achieving high response and high efficiency velocity control in HIMMs. A constant displacement axial piston pump combined with the AC servo motor is developed in this research as the high response electro-hydraulic pump-controlled system for the HIMMs. For that, the control strategy, signed-distance fuzzy sliding mode control (SDFSMC) is developed to simplify the fuzzy rule base through the sliding surface for practical applications. The developed high response variable rotational speed electro-hydraulic pump-controlled system controlled by SD-FSMC is implemented and verified experimentally for velocity control with various velocity targets and external loading conditions. Furthermore, the energy efficiencies of different experiments are analyzed and compared precisely by the power quality recorder used to measure the electrical power consumed by the AC servo motor. Keywords Hydraulic injection molding machine. Electro-hydraulic pump-controlled system AC servo motor. Hydraulic axial piston pump. Velocity control.Energy efficiency. Signed-distance fuzzy sliding mode control 1 Introduction Hydraulic systems have the advantages of high power–weight ratio and high robustness such that they have been applied widely in plastic injection molding machines. However, the present hydraulic systems in hydraulic injection molding machines (HIMMs) are requested for both high response and high energy efficiency in competition with the full electrical motor driving systems. High response and high efficiency velocity control of a HIMM is requested especially for the products of high-tech industries, such as CD and DVD disks, plastic optical lens, light guide plates, etc. In view of the hydraulic circuits, two different hydraulic systems are classified, such as the hydraulic valve-controlled system and the hydraulic pump-controlled system [1]. The conventional hydraulic valve-controlled systems, whose actuators are adjusted by hydraulic servo valves, have high response but low energy efficiency. Some researches have focused on the improvement of energy efficiency of the hydraulic valve-controlled systems [2–7]. Chiang et al. [5–7] have investigated the integration control of energy-saving control and servo control to achieve high response and high energy-efficiency in the hydraulic valve-controlled cylinder systems, especially applied for plastic injection molding machines. Energy-saving control includes load-sensing control, constant supply pressure control and constant supply power control; servo control contains path control, velocity control and force control. However, the integration control is complicated and has limit to improve the energy efficiency due to the orifice effect of hydraulic servo valves. The energy efficiency of the hydraulic valve-controlled system can be improved by the energy-saving control systems; however, it is still lower than that of the hydraulic pump-controlled system due to the orifice effect of the servo valve [5–7]. Besides, low cost electro-hydraulic proportional flow control valve based on a switching solenoid has been developed for hydraulic press machines [8]. Hydraulic pump-controlled systems have high energy efficiency. Lovrec [9] investigated the applicability of a speed-controlled induction motor driven by a frequency converter in combination with a constant displacement pump for the press-brake system. However, the conventional pump-controlled systems, whose displacements are altered by variable displacement pumps or by constant displacement pumps via variable rotational speed AC induction motors [5–7, 9], have lower response. Recently, high response pump-controlled systems driven by AC servo motors are introduced. Helduser [10] firstly presented the concept of hydraulic pump-controlled system, driven by gear pumps and AC servo motors with variable rotational speed for injection molding machines in 1995. Ruhlicke [11] studied the position control of asymmetrical cylinder with double pump-controlled system driven by AC servo motor with variable rotational speed, which the position accuracy about 50 μm, is still unsatisfactory. Kazmeier and Feldmann [12] used fuzzy control to study the pump-controlled system with variable rotational speed for positioning control with small power with maximum of 330 W and small stroke of 0.5 mm. Bildstein [13] compared he performance of pump-controlled systems with variable rotational speed and that with variable displacement applying in the position control of the fli