防轴窜_焊接滚轮架_控制机理研究

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1、 第 2 0卷第 2期 1 9 9 4华 6月 甘肃工业大学学报 J o u r n a l o f Oa n s u Un l v e r i t y o f Te c h n o l o g y Vo ! 2 0 No 2 J u n1 9 9 4 t f 防轴窜 焊接 滚轮架控制机理 研究 王 政 马 抗 赵文 军 韭塞 些： T ( f _ - _ 一 ( 甘肃工业大学焊接工程系， 兰州 7 3 O 0 5 0 ) ( 甘肃工业大学技术基础诹部， 兰卅 , 7 3 0 0 5 0 ) 摘要提 出具有 速度 负反馈 的 非线性控 制方 案 用相平 面法对 系统稳 定性进 行 j 分析 ，

2、 分析结果与模型 实测姑 果相符 ， 可 以用于焊接 滚轮 栗防轴 窜控 制 结果表明 ， 筒 体在焊接滚轮架上螺旋运动 的螺旋年为所有港轮与简体螺旋角正切的平均值； 调 节 从动轮的位置 ， 可 以改 变筒体和滚轮 的相对位置 产生附加螺旋 角 能有效控制 筒体 的 轴 向运 动 关 键词 堑 璺 蔓熊墨 坚 盎 鎏 垫 分类号TG4 3 1 相 平 面 ，轴 向速度 ， 非 鲢性 控 制 压力容器、 锅炉等许枭产品形状为回桂俸， 暮笨配和焊接都在焊接滚聋 含 槊上进行 滚轮架 种类繁多各有特点 ， 都存在一个共同的问晤； 由币焊接滚轮架制造、 安装误差以及工件本身 的各种因素， 焊接过程中

3、都会产生轴向位移窜动， 致使焊接质量下降， 甚至使焊接过程中断 因 此 ， 研制 防轴窜焊接滚轮架势在必行 1 滚轮架简体轴 向窜动机理 滚轮架至少 有四个 滚轮支承一 个 筒体 从理论上讲 ， 四个 滚轮 与筒 体的接触线都应 在同一平 面且 为平 行线 但实际情况是， 由于制造和安 装精度 等原 因 ， 四个滚轮 的高 度不 可能完全相等， 筒体一端两滚轮的 距离与筒 体另端 两滚轮间的讵漓 也不 可能完 垒相等 ， 每 个滚轮 的轴 线不可能都与筒体的中心线平行， 上任何一个因素都会使某一滚 轮 的轴线与筒 体的中心线不平行而成 为异面直线 当它们接触时， 只能是 点接 触 如图 1所示

4、 ， 设接触点为 0， 过 点作 简体 的切平 面 ， 交线 则为简体的母线， 直线 辨为滚樵上 收藕 日期 l 9 9 3 - 1 0 1 2 图 l 筒体与滚轮 的几何关系 1 4 甘肃工业大学学报 第 2 O卷 、 过 0点 的母 线 ， m， n夹角为 ， m 在切平面上的 投影为 m ， m 与 的夹角为 卢 ， 该角定义为螺旋 角， 与m的夹角为 y ， 称为轴偏角， 这样滚轮和简体的相对关系可由 y ， 来描述 如果 7角不 为零 ， 滚 轮和 简体 的接触点一定在滚轮 的端 面匮 由于 滚轮 约束在滚轮座 上 ， 其有 围绕轴 线旋 转 如果简体和滚轮接 触点处产生纯滚动 ，

5、那 么接触 点 0处 简体 和滚轮 的线速度 应该相等 ， 其方向为滚轮过切点的切线方向， 该切线在简体的切平面 内， 由于简体没有约束， 简体的运动 速度 可分解为旋转速度 和轴向速度 ， 由于 ； 上m， m 是 m在切平面内的投影 ， 根据几何 三垂线定理知； 上m ， 又因； ， 上 ， 所以 ； 一 芦 设所讨论的为第j 个滚轮， 则有 一 v r t g fl ： ( 1 ) 可见螺旋角 卢是简体 轴 向窜 动的 内在因素 很显然四个 滚轮与简体 的关 系不一 定完 全一致 设 四个滚轮 与简体 的螺 旋角分别为 ， ， ， ， 则 简体相 对 于四个滚 轮 的轴 向速 度分 别

6、为 v t g # l ， ； , t g p ： ， ； ， g ， v r t g fl , 但是由于简体可看怍是刚体 ， 其相对 四个滚轮 的轴向速度应相 等 对于某一个滚轮， 它的 ； r t g p和简体的轴ra 速度不相同， 则滚轮和简体之间一定会产生轴 向摩擦力分量 如果摩擦力大于最大摩擦力则产生相对滑动 ， 如果小于最戈摩擦力， 则通过弹 性滑动使两者的运动加以协调+ 弹性滑动的原因是 由于物体在受力时要产生局部形变乜 假设简体与滚轮的中心线相互 平行 ， 不存 在 螺旋 角 ， 若简体 受到轴 向力 ， 则简体产生 的轴向弹性 滑动 为 E T J ， ， 其 中E为弹性滑动

7、率， 为压力 ， ，为摩擦系数， ；为简体的旋转速度 简体和滚轮之 间的 协调关系为 F + r t g fl i = ( j一 1 ， 2 ， 3 ， 4 ) ( 2 ) 简体的轴向速度恒定时， 四个滚轮对简体的轴向力代数和应等于笨 由于式( 2 ) 中 E ， ， 对 四个 滚轮 皆相 同 ， 所以有 一o( 一1 2 ， 3 4 ) ( 3 ) 将式 ( 2 ) 代入 式 ( 3 ) 得简体 的轴向速度 ； 1 一 r t g 岛 ( =1 ， 2 ， 3 ， 4 ) ( 4 ) J -I 1 式( 4 ) 中 t g f1 是滚轮架的固有特性， 称简体螺旋运动的螺旋率P ， 由式( 4

8、 ) 得 t J T J 一 1 t g p ( 一1 ， 2 ， 3 ， 4 ) ( 5 ) ， 1 2 滚轮架上筒体螺旋 运动 的调节 要改变简体的轴向运动速度 ， 除改变简体的旋转速度以外 ， 更重要的是要调节滚轮架的螺 旋率 螺旋率是由四个滚轮与简体的螺旋角所决定， 通过调节四个滚轮与简体的相对位置， 可 以有效地控制滚轮架的螺旋率 如图 2所示 ， 将从动轮之一放置在一杠杆上 ， 杠杆的支点为 占， 杠杆的另一端由螺旋千斤顶举升或下降， 当杠杆的 A点举升到 时， 滚轮的中心C点运动到 点 简体的中心由 0点运动到 0 点， 而主动轮处简体横截面的匾心没有发生变化 ， 轴向投影 仍在

9、 0点 这样 ， 简体的轴线位置发生相对改变 ， 改变量可用轴偏位移矢量0 表示， 由于右侧 第 2期 朱亮等 ， 防轴窜焊接滚轮架控制机理砑究 t坫 从动轮的位置 没有 发生变化 所 以在筒体的位置发 生变化 时 ， 简体 中心与右侧从动轮的 中心距 保持恒定 也就是 说 ， 简体 中心的运 动轨迹是以右侧从动轮为 圆点 ， 筒 体和滚轮半 径之和为半 径 的圆弧 在 一般 调节 过程 中 轴 偏位 移矢量都 很 小 ， 可近似认为 与 OD 垂 直 筒 体轴 线发生变化后 与两侧滚轮形成附加螺 旋角 其太小为 = r L 凡 = 肛 其 中， 为主 动滚轮 与从 动滚轮 问的距 离 一般

10、情况下使用 的滚 轮架 中 心角 都 为 6 0 。 ， 所以巧 的太小为百 的一半 一 号 = 孕 ( 8 ) 设 ， ， 风 和 分别 为左 边和 右边 滚 轮与筒体的初始螺旋角， 据式 ( 4 ) 简体轴 图2 简体轴向 运动调节 线发生偏 移后 ， 轴向速度为 ： 一 ， c g ( I + ) +t g ( + ) +t g ( + ) +t g ( p + ) ( 9 ) 当轴偏移变化时 可以改变轴 向速度 ， 可 以看 出轴偏位 移可 以增加也可 以减小轴向速度 要 有效控 制轴 向速度 ， 必须正确选择轴偏位移矢量 由于螺旋角都很 小 ， 可将式 ( 9 ) 近似 为 ； =

11、； ， ( +2 +2 ) = 2 - V - ( 卢 +3 j ( 1 由图 2推导 出螺旋千斤顶的位移与附加螺旋角 的关系 ， 它们之I- 1 的函数关 系较为复 杂 ， 由 于实际控制中螺旋角的变化范用较小 ， 可近似认为螺旋千斤顶的位移增量 d 与附加螺旋角 成线性关系， 其比例系数与举升机构的杠杆 比B E A B 滚轮直径 ， 筒体直径 D， 滚轮架中 心角 a有关 为 =， 箍 ( 1 1 ) 由式 ( 4 ) 、 式 ( 1 0 ) 和式 ( n) 可得 ： 警一 3 ， f 箍 卜 d面 h (1 2 ) = 3” ， f 箍 有 =1一dhd t d t ( 1 3 ) 一

12、 举升机构电机转速 ( ) 与螺旋千斤顶的位移 “ ) 的关系为 甘肃工业大学学报 第 2 O卷 ) ； ：卜 ( 洲 f 其中， k z 与举升机构杠杆比及螺旋千斤顶的螺距等有关 由式 ( 1 3 ) 和式 ( 1 4 ) 可得 ： ( 1 4 ) 其 中， k =k - k ： 设轴窜位移为 Y， 由式 ( 1 5 ) 可 写出举升机构及滚轮架的传递函数为 一 K ( 1 6 ) ) 3 控制 系统分析 控制系 统的任务是减 小轴窜位 移 Y ， 在规 定时间 内把轴窜位移控制在允 许的误 差范 围内 首先应选择合适的传感器测量出 Y的大小， 再选 择合适的控制规律 由上述分折可知， 轴窜

13、位 移是由于轴向速度存在而产生， 要调节轴窜位移应控制轴偏位移矢量改变轴向速度 柑偏位移 可通过 图 2所示举升机构 调节 若用 P I D调节规律需 由 P I D调节器来 控制举升机 构电机 的转 速 ， 简体多属大吨 位工 件 ， 无论选用直 流调 速 电机还是交 流调 速 电机都会 给设计 、 实施造成 困 难 ， 使系统复杂化 、 成本高 ， 而且 增加了控制系统的故障率 若 用位式调 节 ， 据 轴窜位 移 的大 小控制举升 机构 电机的正反转 则超调量很大 ， 而且 很难 找到 一个 稳定的工作 点 据 被控对象 ( 举升机构及滚轮架) 的特点， 轴窜位移产生的内在因素是简体与滚

14、轮问的螺旋角， 只要螺旋角 不为零， 就存在轴向速度 即使瞬时轴窜位移为零 ， 但存在轴向速度， 则必产生轴窜位移， 而且 由于举升 电机 的转速 为有限值 即举升高度 的产生需 要一 定时 间 应据轴 窜位 移的大 小和 方 向 以及轴 向速度 的大小 和方 向来 控制举升 电机的正反转 若用开关调节规律 ， 理论上可 实现 时问 最 短控制 ， 但 由于对象特性 的近似性 ， 很难找到一条理想 的开关线 ， 开关 函数稍微不 准就 会形 成 调节过程 的大幅度 振 荡现象 为此乖文 作者选用 一种非 线性 控制规 律 ， 并且 引进速 i Z 馈m 控制系统原 理如图 3所示 非线性控制规

15、律 ： 当 0时 r M N ， b 一 O， 一 。 町 6 【 一 MN ， ， 一 口 当 口 = 0， 一 be l n 【 一 M N ， ， 一 b 旦 l L臣 图 3 控制 系统 原理 框 图 其中， 为举升机构电机转速的绝对值； 系数 取决于滚轮转动方向， 当主动滚轮正转时 =1 ， 反之 ， =一1 ； n ， b ， 是很关 键的三个 参数 ， 由系统仿真优化 确定 线性系统 的动态微分方程 ： 第 2期 束亮等 ： 防轴审 焊接 滚轮架 控制 机理 研究 Y Kx 当 R一 十 ， 町一一( + ) ， 可将相平面分为三个区域， 如图 4 所示 I 区内， 线性系统方程

16、为 ； 一一 肘 等倾线方程为 一 一 肘A I区内 线性系统方程为 ； 一O 等 顷线方程为 口 一0 区内， 线性系统方程为 j 一 肘 。 等 匾线方 程为 y ：KMN a 在 I， 区域内 ， 相轨迹为抛物线 ； 在 区域 内相轨迹为与水平轴平行的直线 控制系统相 图见 图 4 + 7 4 一 t ， + 一 y + 7 = 6 t l 图 I 控 制 系统相 围 图 5 模 拟 装置控 制 系统 由上述分析可 见 ， 引入速度 负反馈 速度 改变 了开关转 挠线位置 ， 使相轨迹 提前转 换 ， 从 而 改善了系统的动态性能， 系统的相轨迹将趋向一个稳定的极 限环 极限环的大小取于

17、 。 ， b及 T 值 系统的控制精度近似为士。 该控制方案虽使系统保持一定的自持振荡 ， 但振幅可以控 制在较小的范围内， 仍可能获得良好的控制效果 上述控制方案 已在模拟 装置 上进 行 了验证 ， 模 拟 装 置是 1 0 0t防轴窜焊接 滚 轮 架 1 2 0的缩 小 图 5为模 拟装置 的控 制 系统框 图 筒 体在主 动轮 的 驱动下 旋 转 ， 其轴向窜动量由位移传感器 检 测 ， 输入 由单 片机 构成 的 目 目 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 f d a s 图 6 轴 向位 移实 测结 果 控制器通过 A D转换 进行 速度 负反馈的 非线性控制运算

18、， 输 出控制信号 ， 控制交 流电机的正 反转， 驱动从动轮的升降， 同时单片机系统对主动轮的转速和转向进行采样， 及时调整控制参 数， 得到最佳控制效果 图 6 是轴向位移变化的实测结果 开始时轴向位移距 0 位移有一定偏 l 8 甘肃工业大学学报 第 2 0 卷 差 ， 经过调节达 到稳定的 自持 振荡 ， 振荡 幅度为- 4 - o 致 8 mm， 此 实测结果与相平 面分析的结 论一 参考文献 1 王政 焊接 机械 装备 图册 北 京 机 械工 业 出版杜 ，1 9 9 2 7 1 8 6 2 马杭 ，王政 ，米亮焊 接 滚轮架 上筒 体 的轴 向运动 甘肃 工业大 学学 报 ，1

19、9 9 3 ，l 9 ( 4 ) l 2 1 6 3 王永 初 自动 调节 系统 工程 设计 北京 ：机械 工业 出版杜 ，1 9 8 3 5 8 8 5 9 6 S t u d y o n t h e Co n t r o l l i n g M e c h a n i s m f o r t h e An t i d r i f t i n g W e l d i n g Ro l l i n g Be d Zh u Li a n g， W a n g Zh e n g， Ma Ha n g， Z ha O We , du n ( De p t o f W e l di n g En gi

20、 n e e r i n g，Ga n s u U n i v o f Te c h，La n z h ou，73 0 0 5 0 ) Zhan g A i hua ( De p t o f Te c h n l c a l B a s i c Cou r s e，Ga n s u Un i v o f Te c h ，La n z h o u，7 3 0 0 5 0 ) Ab s t r a c t A n o n l i n e a r c o nt r o l me t h o d wi t h v e l o c i t y n e g a t i v e f e e d b a c

21、k i s p r e s e n t e d Th e s ys t e m s t a b i l i t y i s a n a l y s e d wi t h p h a s e p l a n e me t h o d Th e r e s ul t s o f a n a l y s i S a r e i n a g r e e me n t wi t h t h o s e o b t a i n e d b y mo d e l e x p e r i me n t Th e r e f o r e h i s a p p l i c a b l e t o c o n t

22、 r o l s y s t e m o f a n t i -d r i f t i n g we l d i n g r o l l e r b e d By a n a l y s i s o f t h e c y l i nd e r s mo t i o n o n a we l d i n g r o l l e r b e d，i t i s s h o wn t h a t t h e a x i a l v e l o c i t y s p i r a l r a t i o o f t h e c y l i n d e r mo t i o n e q u a l t

23、 o t h e me a n v a l u e o f t h e t a n g e n t o f t h e s p i r a l a n g l e o f t h e c y l i n d e r a n d r o l l e r e s Co n t r o l l i n g t h e p o s i t i o n o f a r ol l e r p r o p e r l y，t h e r e l a t i v e p o s i t i o n b e t we e n t h e c y l i n d e r a n d r o l l e r wi

24、l l b e c h a n g e S O t h a t a a d d i t i o n al s p i r a l a n g l e wi l l b e p r o d u c e d Th e r e f o r e t h e r e l a t i v e a x i a l mo t i o n of t h e c y l i n d e r c a n b e c o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y Ke y wo r ds we l d i n g r o l l i n g b e d，s p i r a l mo t i o n，p h a s e p l a n ea x i a l v e l o c i t y，n o n l i n e a r c o n - t r ol