发动机机体加工中位置控制系统的研究

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发动机机体加工中位置控制系统的研究                                           汽车基础知识
本文针对发动机机体加工过程中工作滑台普遍存在的位置精度差、故障率高的现状，在充分比较现有工作滑台位置控制方法的基础上，提出了一种经济实用的位置控制方法：基于插装技术的液压位置控制系统。它通过容积调速、插装技术、机械反馈等技术的应用，使大功率、快速进给的工作滑台也能获得良好的位置精度。
关键词：插装技术  容积调速  机械反馈  位置控制
1.        发动机机体加工中位置控制系统的发展现状
发动机零部件的加工主要包括精加工（磨削、精镗及抛光）、半精加工及粗加工。在半精加工及粗加工自动线上使用了大量的机械滑台和液压滑台。这些普通的机械滑台和液压滑台不能精确地进行位置控制，不仅不能较好地满足加工质量要求，并且机械滑台的传动间隙，液压滑台停止时的巨大冲击都容易导致设备事故。比如大连产DU3747镗床在进行康明斯B系列发动机缸孔半精镗加工时,在完成镗孔工艺后还需完成缸孔的倒角工艺，因而需要较为精确地控制倒角刀的位置，滑台的机械限位因故障频繁被取消，而由行程开关控制的液压系统其位置控制精度较差。为提高发动机机体加工质量和效率，降低加工成本迫切需要开发出在高速进给和大功率输出状态下充分满足半精加工要求的经济型位置控制系统,目前常见的位置控制系统有以下三种：
1.1交流伺服位置控制系统。交流伺服系统由于交流异步电机相对于直流电机来说结构简单、成本低廉、无电刷磨损、维修方便获得了广泛的应用。交流伺服系统也因此成为目前数控领域的研究热点，但其控制系统成本较高且关键技术目前国内仍无法掌握，即便是低档数控方面也不能获得良好的性价比。目前在发动机零部件加工中的位置控方法主要是交流伺服电机位置控制，交流伺服电机位置控制一般用于进给速度不太高的情况下，它在磨床类慢速进给加工中获得了非常成功的应用，但在大功率输出及高速进给的情况下经济性能较差。
1.2高速进给及大功率输出位置控制系统。国内在高速进给及大功率输出位置控制方面的研究较少，位置控制基本上通过滑台的机械限位或者行程终端摩擦制动来完成，机械限位方式将产生较大的冲击而对设备造成危害，摩擦制动方式对降低制动速度并保持制动速度和制动力矩的稳定都有较高的要求。东风汽车公司车身厂德国产DPE400开卷落料自动线送料系统，其送料油缸通过缓冲后实现机械定位，送料油缸通过双离合器结构驱动送料滚筒，送料系统的惯性由离合器的摩擦力来克服，它实现了快速送料、制动力矩的相对稳定及行程终端速度的控制，但节流方式的速度控制稳定性较差，另外其制动力矩也受到了较大的限制，因而其位置控制精度较低。
1.3液压位置伺服控制系统。液压系统要获得更高的位置控制精度目前一般采用位置伺服控制，工业上常用的电液伺服阀可分成两大类:动圈式电液伺服阀和力矩马达式电液伺服阀。动圈式电液伺服阀是用动圈式力矩马达驱动一级阀芯，利用液阻桥路对二级阀芯进行控制，二级阀芯与阀套形成的阀口对主油路进行控制。这类阀结构简单、工作可靠、容易维护、对油液的清洁度要求低，但动静态特性较差。力矩马达式电液伺服阀是用力矩马达驱动先导级的双喷嘴挡板阀，利用液阻桥路对功率级四边滑阀进行控制，功率级滑阀的位移通过反馈杆对力矩马达进行力矩反馈，从而使功率级阀芯的位移跟踪力矩马达的输入电流而变化，这类电液伺服阀具有零点稳定，灵敏度高，零漂小，频带宽等特点，但它要求液压油的过滤精度高，因而限制了其进一步的发展。德国NAGEL公司生产的缸孔珩磨机采用了由步进电机驱动阀芯并带有机械反馈的液压位置伺服系统，其可靠性已经为实践所证实，从已有的资料来看，它有以下不足：
1)        它仍然采用滑阀式结构，其零位仍有一定的泄漏，其最大流量和零位制动压力受到较大的限制；
2)        其速度控制仍然通过节流方式来实现，其速度控制的稳定性有一定的局限性；
3)        阀芯处于随动状态，较难获得稳定的工进速度；
4)        位置反馈环节较为复杂，不适合对普通油缸进行改造；
5)        不能实现差动等其它功能；
6)        其位置控制精度较低；

2.        新型基于插装技术的液压位置控制系统的研究
2.1插装阀简介
插装阀是一种不同于滑阀的液压控制阀，它的基本核心元件是一种液控型，单控制口的装于油路主级中的两通液阻单元，将一个或若干个插入元件进行不同的组合并配以相应的先导控制
级，可以组成插装阀的各种控制单元。插装阀具有以下特点：内阻小，适宜大流量工作；阀口多采用锥面密封，因而泄漏小，对于乳化液等低粘度的工作介质也适宜；结构简单、工作可靠、标准化程度高；适宜液压系统集成化，大量减少了管道连接件及由管道引起的漏油、振动、噪音等故障。插装阀也由单纯的开关元件发展到对阀芯进行位置控制的伺服单元。德国博世公司已有成熟的比例伺服插装阀销售，其阀芯的控制顶杆设计在插装阀的C腔（即插装阀的复位腔），其位置反馈转换成电信号后变为间接反馈，阀的开启和关闭均由控制顶杆来完成，它的位置反馈是由两极伺服滑阀构成的。
2.2新型基于插装技术的液压位置控制系统的基本原理
在本文中提出的基于插装技术的液压位置控制系统是以五个插入元件和一套位置反馈机构为基本的构件组成该系统的方向控制单元，以一个双联泵（大流量泵作为滑台液压系统的主泵，小流量泵作为滑台油缸工进泵及行程终端的速度控制泵）及其控制部分构成该系统的速度控制单元。通过两个泵源的不同组合和方向控制单元六个先导控制阀的不同组合构成滑台的快进、快退（可实现差动）及其油缸的快速启动，在滑台行程末端位置控制阶段，机械反馈将使插入元件3阀芯逐渐关闭， B腔压力将迅速升高并将顺序阀打开使C接通控制油源，使插入元件阀芯在设定压力下迅速关闭，主油缸也在恒定压力制动下停止，参见基于插装技术的液压位置控制系统原理图。
该系统有如下特点：
1)        它充分地利用了插装阀的封油性能。行程控制插装阀的控制油源源于其B腔，其余插装阀均在油缸停止后关闭，充分地保证了速度控制油源的稳定性，从而为精确的位置控制创造了条件。
2)        它避免了节流型速度控制系统的缺点，流量控制由回油控制变为进油控制下的容积调速，在系统压力大于系统负载的情况下，制动起始速度基本上保持了恒定。
3)        它通过机械反馈实现了油缸换向阀关闭，在定位行程终止阀芯关闭时顶杆控制机构和阀芯产生分离，它避免了机械定位造成的刚性冲击。
4)        油缸运行的位置精度只取决于油缸换向阀关闭时回油腔达到210bar制动压力时速度控制阀芯阀芯间隙的变化精度。
5)        该系统所有的元件都基于25μm的过滤精度，它大大加强了该位置控制系统的实用性和经济性。
6)        位置控制阀的步进电机控制可进行单独设计，其余电气控制部分基于普通的PLC逻辑控制，它和普通的液压系统的电气控制没有分别。
7)        能和普通的插装阀一样通过先导控制阀的不同组合方便地实现差动等中位机能。

3.        新型基于插装技术的液压位置控制系统精度控制研究
3.1密封锥面的流量特性分析
在需要进行位置控制的油缸行程区段，阀芯关闭过程要经历三个阶段：1）在开始阶段，插入元件2控制C腔通过主油缸进油侧压力传感器控制，进油侧压力过低，插入元件2将自动关闭，油缸速度由进油侧流量控制；2）随着阀芯的逐步关闭，插入元件3 B腔压力将逐步上升至设定压力210bar，B腔通过溢流阀溢流，油缸进回油侧油路均处于泄荷状态，B腔压力油打开顺序阀并经换向阀进入插入元件3的控制C腔，油缸在恒定的压差作用下制动减速，插装阀阀芯在210bar 压力作用下加速关闭，此时插入元件阀芯和控制机构及油缸分离；3）主油缸经制动而停止，插入元件2和5关闭。参见下图：

   锥面密封泄漏属于环行缝隙中的流体流动，根据同心环行缝隙中的流体流动公式
Q=πDδ3Δp/12μl-0.5πDδV
其中阀芯运行速度V很小，故后项可忽略
D为阀芯直径取为27mm
   δ为环行间隙厚度
   Δp为进出油口压差
   ν为流体的动力粘性系数取为0.2cm2 /s
    l为阀座锥面宽度取为2mm
主油缸以DU3747镗床主油缸为例进行计算，其中活塞直径D1＝200mm，活塞杆直径d1＝140mm，取滑台质量M＝3000kg，油缸行程终端速度控制泵流量Q＝10L/min，油缸下腔泄荷阀调定压力p1＝210bar，系统压力p=50bar
a）在阀芯关闭的第一阶段
这时速度控制泵处于不溢流的状态下，假定满足此状态的插装阀阀芯极限间隙为δ1，则
Q回=πDδ13Δp/12μl            
    =Q（D12-d12）/D12
其中Δp=210bar,计算得
      δ1=0.282mm
      也就是说这时离阀芯完全关闭还有0.564mm行程，这时油缸处于制动临界状态，回油腔高压油经顺序阀进入插装阀控制油腔。
b）插装阀阀芯在控制油作用下迅速关闭时的响应时间计算t
此时阀芯的作用力F=0.93πD2p1g/4=10952.8N，取阀芯质量M1=0.3kg，则阀芯关闭加速度a1=36509m/s2，油缸的行进起始速度V0=4Q×10-3/60πD12=5.3×10-3m/s，取阀芯截止位置速度为V，则有V=V0（D12-d12）/D12=0.119m/s
            （  V2-V02）/ 2a1+Vt=0.564×10-3，得t=4.7ms
      c）油缸减速制动位移
此时油缸在下腔210bar的压力下制动，油缸的行进起始速度V=5.3×10-3m/s，假定制动位移为s，制动减速度a2=（ p1-2p）×π（D12- d12）g/4M=57.54m/s2则有
       s=V2/2a2=0.49μm
3.2液压位置控制系统精度控制研究
由于外界负载仅对油缸制动位移产生影响，制动位移s小到可以忽略不计，而外界负载又远小于液压制动力，故该位置控制系统的位置精度基本不受外界负载的影响。其位置精度仅取决于阀芯关闭的第一阶段，即取决于δ1的稳定性，根据δ1点的偏微分流量方程
  αQ=（πDδ13/12μl）αΔp+（3πDδ12Δp/12μl-0.5πDV）αδ
（αQ /Q）=αΔp/210+10.717αδ
    如果流量变化率（αQ /Q）控制在±10％以内，则阀芯间隙变化
αδ≤0.01mm，位置控制系统的位置精度控制在±0.02 mm
    以上分析是在假定流体的粘度系数不变的情况下得出的，实际上粘度系数对温度的变化比较敏感，因而在实际使用过程需要液压系统获得相对热平衡的状态下调整其位置精度。
3.3、主要技术指标如下：
1.        由于在进油速度控制时插入元件3的控制顶杆采取了内置方式，避免了泄漏，其余插入元件控制油均为外部引入，油路封闭时主油路密封均为锥面密封，所以基本上没有内泄；
2.        液压系统的过滤精度≤25μm；
3.        系统控制压力为50bar；
4.        位置控制系统的控制精度为±0.02mm；


4.        基于插装技术的液压位置伺服系统的应用前景
下面是以镗床DU3747主油缸液压系统为参数设计的位置控制阀结构图，它接于油缸的回油管路。它的油道集成在控制盖板上
随着中国经济的快速发展及加入WTO后，中国的机械加工行业面临着巨大的发展机遇，粗加工及半精加工设备大部分是国内制造的，这部分粗加工及半精加工设备使用的工作滑台普遍存在着定位精度差及故障率高，在大批量生产过程中严重制约了生产能力的提高，在高速大功率进给设备中这一问题表现得尤为突出，基于插装技术的液压位置控制系统作为一种经济实用可靠的位置系统具有极高的推广价值和市场前景，它可以在以下领域获得广泛的应用：
1)        通过增加位置控制阀单元和一套行程终端小流量容积速度单元，可对普通的滑台液压位置控
制系统进行改造，即可用较低的成本获得较高的位置控制精度，并可大大提高设备的可靠性和劳动生产率。
2)        对于位置精度要求不高的液压滑台，可取消步进电机控制和行程终端小流量容积速度单元，
假定采取工进速度进行控制（取理想控制的5倍左右），其位置精度仍然可达到±0.05mm，改造成本将有较大幅度的下降。
3)        通过增加液压缓冲腔和自动补油装置的设计，对普通的机械滑台也可以以较低的改造成本获
得良好的位置精度。



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