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摘要：将计算机、PLC控制技术与电液比例控制技术相结合，设计形成全自动U型钢辊压成型机电液比例数控系统。通过Matlab/Simulink对电液比例数控系统仿真分析，结果表明系统稳定可靠。
关键词：U型钢辊压成型机 电液比例技术 数控系统 系统仿真
0 前言
U型钢拱形支架支护承载能力高，增阻速度快，支护强度大，具有一定可缩性，可重复利用，加工工艺简单，回收方便，材料来源广，有利于井下防火安全等。随着我国采掘机械化的发展，以及巷道断面和开采深度的增大， U型钢可缩性支架的应用越来越广泛[1]。集数控技术、电液比例液压技术、先进制造控制技术研发全自动数控U型钢辊弯成型机控制系统，对提高型材辊弯成型工艺及生产效率具有重要的意义。同时也能推动和促进型材辊弯成型设备自动化水平的进一步提升和发展。
电液比例控制技术已得到广泛的应用——电液比例阀，实际上是电液比例技术与电液伺服阀的进一步“取长补短”式的融合。电液比例阀具有伺服阀的各种特性：零遮盖、高精度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性和性价比而被广泛应用于工程机械中[2]。
Matlab是当今最优秀的科技应用软件之一，它集强大科学计算、可视化、编程于一体的大型软件[3]。Matlab/Simulink是一个面向传递函数、方框图的动态仿真工具，可以对动态系统进行建模、仿真和分析，从而可以在设计系统的时候先对系统进行仿真和分析，然后及时进行必要的修正，以实现高效的系统开发。
1全自动数控U型钢辊压成型机工作原理
在现有的U型钢辊弯加工设备中，侧辊摆动式四辊辊压成型机具有体积小，结构简单，操作方便，U型钢辊弯后直线段小于80mm等优点。因此，本文以侧辊摆动式四辊辊压成型机为基础 ，设计其数控系统，形成全自动液压数控U型钢辊压成型机。
Ｕ型钢辊弯加工的步骤和过程：1#轮固定在机床床身上，为定轴轮，并由液压马达驱动，正反转由电液换向阀控制，是唯一的主动轮，2#轮为从动轮。左侧3#辊及右侧4#辊安装在摆动梁上，由X,Y两个伺服液压缸驱动。3#、4#辊的位置决定U型钢辊弯的曲率半径，其位置控制由工控计算机计算给定，或调用工控计算机曲率半径加工数据库中的参数控制电液比例阀，电液比例阀控制执行元件伺服液压缸的行程而实现。摆动梁由摆动缸驱动，用电磁换向阀、节流阀控制摆动缸的方向及速度。
2电液比例数控系统的组成
电液比例数控系统，主要控制对象为驱动左侧3#辊、右侧4#辊的X、Y进给伺服液压缸.
首先由工控计算机生成U型钢加工曲线，通过对的X、Y伺服缸位移进行精确计算处理，经过D/A转换成为模拟信号，在电液比例放大器经过模拟信号偏差和PID运算、电流放大等信号处理后控制比例阀，由比例阀控制伺服缸，由位移检测系统精确检测及反馈液压缸的位置信号，经A/D转换模块转换为相应的信号反馈量给工控计算机，由计算机进行X、Y油缸的位置监测及控制。X、Y油缸位置由位移传感器检测并转化为相应的电压信号。一方面，直接反馈给比例放大器实现对油缸位置的模拟PID闭环控制；另一方面，将此信号经过A\D转换后传给工控计算机，实现对X、Y、的多环路同步伺服控制[4]。计算机在采集X、Y伺服缸位置信号进行控制的同时对传回的两路信号在显示器上动态显示，直观显示理想曲线与实际U型钢弯曲曲线差异，使操作者能够更加直观、方便地监视U型钢弯曲进行和曲率半径的控制。其余电器部分由PLC控制。
3 U型钢弯曲回弹控制与补偿
回弹主要是材料卸载后遵循胡克定律产生弹性变形引起的，高强度钢的弯曲回弹严重影响了弯曲精度的提高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆回弹问题普遍存在与U型钢弯曲成形过程中，特别在大曲率半径零件的辊弯过程中回弹现象更为严重。回弹对零件的尺寸精度和生产效率造成极大的影响，有必要对其进行深入的研究和有效的控制。但目前对于型材回弹控制补偿的设施，还缺乏成熟软件系统。在数控辊弯机控制软件设计中，根据U型钢截面形状，弯曲半径采用简化算法并结合现场试验进行回弹补偿，根据前几根实际弯曲试样与样板对比修改控制曲线，有效控制与样板的最大贴合误差，并保存每次定型生产参数程序，逐渐形成U型钢生产数据库，在以后遇见相同加工参数时可直接调用，这样可逐步提高生产效率，满足生产需要。
4 系统建模
4.1 静态设计
确定液压动力元件参数，选择系统的组成元件
X、Y伺服缸的控制方式和参数相同，因此只需计算出一个伺服缸位置控制系统的参数。由U型钢的屈服极限可以得到液压缸弯曲钢材所需要的力：
25U型钢屈服极限 ≤600Mpa,延伸率 ≥16，取d/D=0.5，则d=0.1738m D=0.348m
按GB/T 2348-1993《液压缸缸内径和活塞杆直径系列》圆整为：D=320mm；d=160mm
4.2动态设计
建立闭环控制系统的动态数学模型，就是求出系统的传递函数，是闭环控制系统设计的关键内容。
5 位置控制系统仿真分析
5.1 位置控制系统仿真
位置参数为系统的主控参数，直接关系到U型钢加工的几何形状，因此必须保证X、Y伺服缸驱动位置的精度。
系统采用比例微分控制，根据电液位置比例传递函数，Simulink仿真传递函数模型。
由matlab系统仿真得阶跃响应信号图可得：
Rise Time(sec):0.116；Setting Time(sec):0.378；Final Value:0.0025
系统的开环波德图可得：
Gain Margin增益裕量(db):61.8；At frequency(rad/sec):29.9
Peak Gain幅值裕量(db):-51.9；At frequency(rad/sec):7.64
Closed loop Stable: yes
5.2仿真结果分析
系统在阶跃函数作用下的响应曲线，从仿真曲线可以看出，响应曲线超调量7.02%，上升时间0.116s，系统反应快速且平稳。
对在MATLAB中通过sumulink对系统仿真可得系统的波德图，设系统图相对稳定性的幅值裕量为Gm，相应的相位穿越频率为Weg（相频曲线穿越-180db时的频率）；相位裕度为Pm，相应的幅值穿越频率为Wcg（幅值曲线穿越频率0db线时）。从控制实践来说，为了使系统具有满意的稳定裕量，一般使Gm（db）>6，即 Gm>2;Pm≥30°。本系统的Gm=-51.9，Pm=61.8°， 所以可知本系统的开环放大系数K，满足系统的稳定性要求。
6 结语
（1）通过建模过程与仿真结果分析表明,对系统建立正确的静态与动态数学模型并进行仿真分析，分析系统的动态特性，可以有效的预见系统的输出，达到对系统工作状态的了解，提高了我们在设计和分析系统的效率。为进一步控制系统，提高响应速度和控制精度奠定了一定的基础。
（2）通过MATLAB/sumulink对电液比例位置控制系统仿真分析，结果表明系统反应快速且平稳，动态误差小，精度高，满足设备设计要求。
参考文献
[1]李效甫，姚建国．回采巷道支护形式与参数选择专家系统．煤炭工业出版社，1993.
[2]许益民．电液比例控制系统分析与设计．北京：机械工业出版社，2005．10.
[3]飞思科技产品研发中心．MATLAB7辅助控制系设计与仿真．北京：电子工业出版社，2005．3.
[4]王爱玲．现代数控原理及控制系统[M]．北京：北京理工大学出版社，2002.
论文作者:朱正泽,朱强强
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/5
标签：型钢论文; 系统论文; 比例论文; 位置论文; 弯曲论文; 液压缸论文; 控制系统论文; 《防护工程》2017年第23期论文;