基于机器人支撑的柔臂掘进机伺服液压系统.pdf
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1、液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.002基于机器人支撑的柔臂掘进机伺服液压系统刘尚,许顺海,文勇亮,任中永,李孝瑾,张(中铁工程装备集团有限公司,河南郑州450 0 0 0)摘要:硬岩掘进机常用于隧道施工,但刀盘形状固定,掘进时无法改变掌子面形状,造成应用场景受限。鉴于此,基于机器人支撑的柔臂掘进机逐渐得到应用。针对该柔臂掘进机可改变运动姿态,适用于大负载工况等特点,采用比例伺服控制系统,通过传感器将执行机构位移反馈至比例伺服阀,与给定信号对比后调整阀芯开口实时纠偏末端位姿。该系统满足了掘进机推进系统在控制时,精度
2、更高、响应更快、稳定性更强的要求。关键词:柔臂掘进机;比例伺服阀;末端位姿;精度高中图分类号:TH137Servo Hydraulic System of Flexible Arm Roadheader with Robot SupportLIU Shang,XU Shun-hai,WEN Yong-liang,REN Zhong-yong,LI Xiao-jin,ZHANG Peng(China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China)Abstract:Tunnel construction of
3、ten uses the hard rock roadheader,but the shape of cutterhead is fixed.The roadheader cannot change tunnelface,resulting in limited application scenarios.In view of this,the flexible boom roadheader based on robot support gradually applies.In viewof the characteristics that the flexible boom roadhea
4、der can change its motion attitude and is suitable for large load conditions,This paperadopts proportional servo control system,The actuator displacement is fed back to proportional servo valve through sensor,comparing with thegiven signal,adjust the spool opening to correct the end pose in real tim
5、e.The system meets the requirements in the control of roadheaderpropulsion system such as higher precision,faster response and stronger stability.Key words:flexible arm roadheader;proportional servo valve;end pose;higher precision0引言随着机器人行业日渐成熟,尤其多自由度并联机器人近些年得到更多关注与研究,并在英国、德国、中国等一些国家的多个行业迅猛发展。经过几十年的
6、技术及经验的积累,并联机器人已经广泛应用于各领域,并逐步在盾构机上拓展使用1-2 该柔臂掘进机的执行机构采用比例伺服阀控制,通过上位机控制器进行轨迹规划,刀盘可实现圆形轨迹、矩形轨迹、椭圆形轨迹、马蹄形轨迹等多种形状运动。通过设定末端位姿,上位机将轨迹路线推算后得出6 个液压缸的实际行程,本研究主要研究伺服阀液压系统在柔臂掘进机上的应用,并未对位姿推算液压缸行程的反解控制算法做研究。比例伺服液压系统实现了开挖断面的多种形状精收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 5基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 0 YFB2007100)作者简介:刘尚(1991-),男,河北邢台人,工程师,硕士,主
7、要从事液压系统设计及重大专项的科学研究。8鹏文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 0 8-0 7输入伺服信号控制器反馈信号位移传感器图1伺服系统闭环控制流程图1.2比例伺服数学模型比例伺服阀响应频率很高,可将二阶振荡传递函数简化为一阶振荡。确控制,而且该系统增加了备用液压回路,由带手动换向功能的电磁换向阀完成调试及维修阶段的液压回路控制。1比例伺服阀压力-流量模型1.1比例伺服阀控制原理通过位移传感器监测执行机构位移信号3,将位移信号实时反馈至比例伺服阀,并对比给定信号与反馈信号后得到偏差值,实时调整以达到精确控制4-5,伺服系统闭环控制流程图见图
8、1。伺服伺服液压缸负载放大器伺服阀Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023比例伺服阀简化形式如下:式(5)式(7)经拉式变换后,可得到9:KsvK_KceWsv(s)=28sV1+WsV式中,Wsv(s)一一拉式变换函数Ksv一比例增益Wsv-一带宽8sv一阻尼比当输人值与反馈值对比产生偏差u后,电压值偏小无法推动伺服阀工作,放大器将偏差信号u放大,放大器的表达形式可以下式表示7 :I(s)=K U(s)式中,一一电流输人信号K。一 比例增益U一一电压输人信号式(3)、式(4)分别为油缸缩回及伸出时的表达式:2(ps-Pi21qi=Ca W X,x0(3)Pq
9、1=Ca XP式中,Ca一伺服阀流量系数一开口圆周总长,mX,阀芯开口,mPs液压油源压力,PaP1小腔工作压力,PaP油液密度,kg/m3阀的流量方程为:QL=K,X,-K.PL活塞位于中间位时,液压系统的阻尼比较小,液压缸内部的体积,V=V,=V/2,使用泄漏系数Cip=Cip+C反映泄漏对流量的影响。液压缸的流量方程为8 :ep2式中,A,液压缸活塞面积,m活塞位移,mCp一液压缸内泄漏系数,m/(s Pa)有效体积弹性模量,Pa受力平衡方程为:dxArpPL=mdrB一+dt式中,m,一一活塞质量,kgFL负载,NV(1)FApA4BKm.V2.3m,KBV2BKeKV,4BAAS+A
10、P4BAP式中,K为流量一压力系数,K。=K。+K i p2伺服阀仿真研究该比例伺服阀样本中的理论响应时间为9ms,为(2)验证该伺服阀能否满足柔臂液压系统响应需求,通过AMESim的HCD库搭建比例伺服阀模型10-11,模拟阀芯位移响应时间,给定5V电压信号,该曲线表明,比例伺服阀的响应时间为11ms,可以提高系统运行效率,满足在该系统中的使用需求,见图2。0(4)(5)dxVdpQLAdtKKS4BAP5x=0.0114y_1=53An21(6)4dtdxKx,+FLP(8)00.05图2 比例伺服阀AMESim模型仿真表1为比例伺服阀仿真模型的参数设定值。3伺服系统实验研究依据实际工况及
11、使用要求,确定比例伺服液压系(7)统原理,选择匹配的元器件,并搭建试验平台。搭建的液压系统回路为一用一备,比例伺服阀系统控制6 根液压缸高精度运行,普通液压系统用于检测、调试、维90.100.15t/s0.200.250.30液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期1014901014601014501014802啤1014702电卓区液压回路。图3伺服液压系统原理表1比例伺服阀模型参数修,在比例伺服阀回路出现问题时,可直接切换至普通参数名称设定值活塞直径/mm100泵排量/mL r=1667泵转速/rmin-11500信号源5溢流阀设定压力/MPa31.5闭死容积/cm3122.8比例增益K
12、150压力/MPa31.5位移下限/mm-6位移上限/mm610图3由6 个系统回路组成,每根油缸可由比例伺服阀单独控制,每根油缸的控制回路由比例伺服阀1、液压锁2.1、电磁球阀3组成的伺服液压控制系统和由普通换向阀4、单向节流阀5、液压锁2.2 备用调试系统组成12 。比例伺服阀1、电磁球阀3通电,当比例伺服阀通电时,无论液压缸伸出还是缩回,电磁球阀3始终处于通电位。通过现场搭建各液压模块,组建该伺服液压系统,并模拟掘进机刀盘旋转切割岩石工况。该系统采用Atos系列的某型号比例伺服阀。该伺服阀接收电流信号,但为了控制方便,在上位机控制模块中将10 mA电流信号转换为0 10 V电压信号,刀盘
13、转速设定6r/min。图4为空载时伺服电压与阀芯位移设定,图5Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.20230.25.20.15.15.04.94.74.64.5-液压缸1阀芯位移4.40400800120016002000t/s5.45.25.04.84.64.40400800120016002000t/s6.26.05.85.65.45.04.84.64.44.205010015020002500300350400450500t/s1.21.00.80.60.4wuu/x0.20.0-0.2-0.4-0.6-0.8050100150220025030035040
14、0t/s图4空载时伺服电压与阀芯位移设定为带载时伺服电压与阀芯位移设定。具体指令信号及阀芯位移如下:空载时进行左右摆动,带载时执行圆形轨迹规划。5.35.25.10.05.0-0.1wLu/-0.2S4.8-0.34.7一液压缸1伺服电压-0.4-0.5-0.60.30.20.10.0-0.2号-0.34.8液压缸4伺服电压-0.4液压缸4阀芯位移-0.5-0.6110.20.10.0-0.14.9-0.2An4.8-0.3M4.6F液压缸2 伺服电压液压缸2 阀芯位移4.54.40400800120016002000t/s5.45.25.04.64.40400800120016002000t
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