粉末成形液压机电液控制系统研究

发布时间：2018-11-19 12:37

【摘要】：基于资源节约和环境友好的粉末冶金技术顺应了全球制造业绿色加工的发展趋势,受到了越来越多的关注。粉末压力成形机是完成粉末冶金零件模压成形的基础性设备,其压制的机械零件近净成形、廉价质优,在机械制造、汽车、航空航天和国防军工等领域得到了广泛应用和飞速发展。粉末成形压制工艺是用模冲对封闭模腔内的粉体施加压力,致使粉体变形、粉体之间不断机械啮合,最终固结为具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的零件或待烧结压坯。粉末压制时能量密度高、粉体成形负载力大,施力机构需具有很强的直线传动刚度,故粉末压力成形设备多以电液系统作为其驱动与控制的主要传动方式。在粉末成形压制过程中,驱动模冲运动的电液控制系统具有以下特点:1)系统受到粉末成形负载力强度高,并且是非线性时变的,同时因粉体特殊复杂的力学特性而难于建模;2)系统需要根据不同的工艺目标在同一压制过程的不同阶段分时完成高精度的运动控制与力控制;3)电液系统本身是一个具有模型不确定性的非线性系统;4)对于实现多台阶粉末零件成形工艺的多模冲系统,各模冲受到的粉末成形负载力是耦合的,它们的运动必须保证各台阶的过程压缩量遵循装填系数、压缩比、压制速率一致的原则。综上,对于具备良好粉末模压成形工艺适应性的电液控制系统研究不仅具有学术价值,而且有着重要的现实意义和必要性。本论文结合理论力学,非线性控制理论,通过实验研究和仿真分析等手段,以粉末冶金液压机电液系统为研究对象,充分考虑系统的动力学特性,围绕粉末压制过程中复杂的粉体成形力学特性与相关控制技术展开研究,提出了基于控制的粉体负载成形力建模技术以及相关的控制技术,包括针对模冲运动的基于指令滤波的集成直接/间接自适应鲁棒控制方法(CF-ARC),针对模冲力控制的基于扰动观测器的鲁棒控制方法(DOB-RC),基于CF-ARC与DOB-RC相结合的运动-力复合控制方法,以及基于轨迹规划的多模冲协同控制方法。结合铁基粉末压坯成形工艺实验,以上建模与相关控制技术的实际效果与性能均在粉末成形实验样机平台上得到了验证。同时开发了适于工业生产的多模冲协调控制的粉末成形模块化智能控制器,并在南通锻压有限公司开发的粉末冶金液压机得以应用。本论文共分为六章,各章摘要如下:第一章,阐述了粉末模压成型设备电液控制关键技术的研究背景,总结归纳出粉末成形设备电液控制所特有的研究难题;继而详细介绍了所涉及的关键技术的研究现状;论述了本课题的研究内容及研究意义。第二章,结合理论分析与实验数据提出了粉末压制成形力关于压缩位移的模型结构;总结了模型参数的拟合、名义参数的寻优以及参数不确定变化范围界定的方法;提出了根据所提模型校核压制速率的方法对比分析了模型的正确性;设计了带压制力模型补偿的简单控制器,并通过实验验证了所提模型的有效性。第三章,建立了模冲电液系统的非线性动力学模型,该模型结合了本文所提粉末成形负载力模型;设计了用于模冲运动控制的基于指令滤波的集成直接/间接自适应鲁棒控制方法(CF-ARC),提出了模型参数的限制协同估计算法;设计了用于模冲力控制的基于扰动观测器的鲁棒控制方法(DOB-RC);提出了绝对值最小原则将CF-ARC与DOB-RC结合为运动-力复合控制方法,该方法确保了系统的稳定性与控制切换的平滑性;从控制精度与工艺要求出发设计了复合控制切入点,提出了面向工艺的控制策略。实验结果表明,所提运动-力复合控制方法控制精度高,具有良好的工艺适应性。第四章,采用划分状态子空间的方法建立多模冲电液系统的动力学模型;通过规划模冲的期望运动轨迹实现多模冲的协同控制,所规划轨迹遵循装填系数、压缩比、压制速率一致与平滑连续原则并考虑了模冲电液系统的驱动能力;提出用等效简化压制力估计的方法解耦模冲压制力模型补偿控制,系统控制设计简化为在各模冲子空间内扩展应用所提运动-力复合控制方法,控制器与参数自适应均可独立设计;设计了压制力模型参数的全局限制协同估计算法;对所提多模冲协同控制方法开展了仿真研究。第五章,基于第四章提出的多模冲协同控制方法,在粉末冶金实验样机平台上开展了单台阶环形粉体零件的阴模浮动压制实例研究。实验结果与所得零件样品参数表明,所提多模冲协同控制方法易于实现,在其控制下的粉末成形过程严格遵循一致压制原则,适用于复杂且精度较高的粉末压制工艺。第六章,总结了论文主要研究工作内容;阐述了研究结论;归纳了论文创新点;并对后续工作进行了展望。论文的附录介绍了实验样机平台及模架的结构与相关参数,以及应用于工业生产的粉末成形模块化控制器开发。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF124.3;TP273

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