工业回转窑窑衬清窑机器人多关节并行驱动的液压系统动态仿真研究.docx

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1、工业回转窑窑衬清窑机器人多关节并行驱动的液压系统动态仿真研究设计出了工业回转窑窑衬清理机器人的液压驱动系统，并且绘制出可以反映系统动态特性的多关节并行驱动的液压系统的功率键合图。由此建立了包含11个子系统的非线性动力学状态方程，然后根据每个方程的各状态变量之间形成的输入与输出关系构建了系统动态特性仿真模型，然后利用SIMULINK软件包进展了该方程组的求解，获得了满意的仿真结果。近年度来，随着液压技术的应用范围日益广泛，对液压元件和系统的可靠性、准确性和快速性等要求不断进步，液压系统动态特性的分析研究也日益得到重视。通常，液压系统的动态特性多采用基于古典控制理论的传递函数分析法进展研究，但这种

2、方法仅限于分析线性非线性系统要进展线性化处理系统的稳定性，且主要适用于单输入单输出、初始条件为零的情况。随后在传递函数分析法的根底上演变而来的频域特性分析法使用比拟普遍，但这种方法是建立在实验的根底之上，仍然也只限于单输入、单输出的线性系统。随着当代控制理论及计算机应用的开展，计算机数字仿真现已广泛使用。这种仿真是利用状态方程来研究系统的动态特性，称状态变量法。功率键合图法是近20年度开展起来的一种描绘动力系统动态构造的有效建模工具，它是一组由有限符号组成的双信号流图，用一系列键和简单符号就可以形象地描绘系统能量网络中功率流的流向和分配，能量的聚集及转换等。利用功率键合图法可以很快得出系统的状

3、态方程，把一个现实的和复杂的非线性液压系统的动态特性抽象成数学模型来表示。因此可以采用功率键合图来对多关节并行工作的工业机器人的液压系统的动态特性进展建模、求解和仿真。图1液压系统原理图2系统的键合图1清窑机器人的液压驱动系统清窑机器人是用于对物料进展加热处理的热工设备工业回转窑的窑衬进展清理的工业机器人。它由机械系统、控制系统、驱动系统和末端执行装置四大局部组成。为了进步系统的控制精度及机器人的灵敏性，机器人的液压系统采用2个摆动缸、2个直线缸、两个液压马达和液压冲击锤等执行机构，以实现3个转动关节和一个挪动关节的运动和机器人的行走等。机器人的液压系统的工作原理如图1所示。在用普通电磁阀控制

4、的两个缸的人口处分别装有叠加式节流阀，用来减小各个缸之间的干扰和调节速度的作用。为了适应不同的作业工况，机器人控制系统采用PC与PLCS7-200上、下两级控制方式，在上位机PC完成控制程序的编写和相关参数的设定，然后向下位机PLC进展通讯，通过下位机对机器人系统进展控制。2系统动力学模型的建立由于同一液压元件在不同的工况下会表现出不同的动态特性，因此建立系统模型之前，首先应对组成系统的各个元件进展详细分析和适当的假设，并对一些次要因素进展合理简化。同时应该尽量防止功率键合图中代数环的出现，以进步系统仿真精度和速度，减少累计误差。图3系统的仿真模型在液压系统中，分别有一个直线缸和一个摆动缸是采

5、用普通的电磁换向阀进展控制的。为了使这两个关节到达速度控制的要求，本文对这两个油缸同时运动的液压系统进展了动态仿真。根据功率键合图的设计要求，对图1中的摆动油缸和直线油缸的液压驱动回路绘制其对应的功率键合图，如图2所示。其中，Sf为油泵的输人流量，E1为单向阀和压力过滤器的压力损失，E2为回油过滤器和冷却器的压力损失，Rb为油泵的泄漏液阻，Rj为管道液阻，Rbn、Rzn为摆动液压缸和直线缸的粘性阻尼，RPA、RBo分别为电液换向阀的两个液阻，另外两个液阻近似为零。Cb、CL/Cbg、Czg分别为泵、管道及摆动缸和直线缸容腔的液容。IL和Ib、mg分别为管道液感、摆动油缸转子转动惯量及直线油缸惯

6、性质量，qt为摆动缸的排量。在图2所示的功率键合图中，取容积元C和惯性元I的作用键上的自变量的积分为该系统的状态变量共11个，可以推导出11阶的系统非线性状态方程组：图4摆动缸的角速度图5直线缸的速度图6摆动缸的角加速度图7直线缸的加速度其中：V2、V8、V15、V16、V23、V24、V37、V41分别为泵、蓄能器、摆动缸进油管道、直线缸进油管道、摆动缸进油腔、直线缸进油腔、摆动缸排油腔、直线缸排油腔的容积；P10、P51分别为摆动缸进油管道、直线缸进油管道的压力动量；P33为直线缸的动量；G30为摆动油缸转子的角动量。k1、k1、k2、k2，为变换器的变换模数。3仿真模型的建立对于模型的仿

7、真方法有很多，传统的计算机仿真一般是求得一些离散的数值解，然后用一些绘图语句绘出动态特性曲线。而MATLAB中的SIMU-LINK是一个用来对连续、离散及两者混合的线性、非线性的动态系统进展建模、仿真的软件包。SIM-ULINK包含有sink连接与接口，continuous连续、discrete离散和nonlinear非线性等模块。同时可以利用子模块的封装功能构建一个包含模型参数输人的对话框来进展对不同参数的仿真。根据上面的11个方程每个方程为一个子系统中各个状态变量之间形成的输入与输出关系建立系统动态仿真模型如图3所示。在图中以泵的流量为输入，计算摆动缸的加速度、速度及位移，通过设定积分器的

8、上下限值和nonlinear环节来实现缸的位移的运动限位。4动态仿真的实现仿真是采用变步长ode45，基于Runge-Kutta四阶求解器，仿真时间为03s。泵的输人流量Qf=15L/min,通过改变管道长度、管径大小和节流阀、负载力力矩和惯量等参数进展仿真，这里只给出改变负载转动惯量和惯性质量得出两个关节的运动速度和加速度的仿真结果，如图4-7所示。从以上仿真曲线可以发现，质量mg和惯量Ig的增加对速度和角速度的稳定值的变化影响较小，到达平衡的时间也变化不大，但是摆动油缸的加速度在上升阶段更加平缓，几乎没有峰值的出现，直接到达稳定值；并且质量和惯量的增加使得加速度和角加速度反而减小，这使得机器人各个关节运动更平稳，更合适控制要求。5结论1利用功率键合图法可以方便地建立清窑机器人多关节并行驱动的液压驱动系统的非线性动力学模型，并为复杂的机器人系统的非线性动力学分析奠定理论根底。2通过改变系统的不同参数进展模拟仿真，可以进展液压系统设计的优化，找到最正确的元件匹配，为机器人的设计与制造提供一些先验知识。3利用MATLAB/SIMULINK基于模型化图形的动态系统仿真软件包可以方便的建立复杂系统的动态仿真模型，其分析与仿真结果与机器人的实际工作情况比拟相符，具有较高的可信度。