1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的仿形刀架位置伺服控制系统设计与仿真所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日基于 MATLAB 的仿形刀架位置伺服控制系统设计与仿真摘要:液压仿形刀架是机液伺服系统的一个典型应用，它具有结构简单、工作可靠、抗污能力强等优点。利用液压仿形刀架，可以仿照样板或靠模的形状，自动车削加工出多台肩的轴类零件或者曲线轮廓的旋转体表面。本文根据液压仿形刀架的机构原理和组成，建立了仿形刀架系统的数学模型，基
2、于 MATLAB 软件的动态仿真工具Simulink,构建了仿形刀架系统的仿真模型，进行仿真分析,得出了反映系统性能的仿真曲线。根据仿真曲线对系统的性能指标进行分析。最后对其进行校正。文中的研究为液压仿形刀架的设计、参数的选择提供了理论依据。关键词: 液压仿形刀架，MATLAB/Simulink，数学建模，仿真Design and Simulation of the profile modeling tool rest position servo control based on MATLAB Abstract: Hydraulic profiling tool slide is a typ
3、ical application of the hydraulic servo system ,it has a simple structure and a strong ability to resist pollution .Moreover ,it is reliable to operation . Hydraulic profiling tool carrier can turn out the shaft part which has many shoulders and the body of revolution which surface is curve contour
4、by copying the template or depending on the shape of the mould . According to mechanism principle and constitutes of hydraulic copy toolpost , mathematical model of the system was set up. The simulation model of hydraulic copy toolpost system was based on dynamic simulation tool Simulink in MATLAB .
5、 By conducting the simulation , you can get the simulation curve which reacts the performance of the system . then discuss it .Finally , you should carry through correction link . The paper research can supply theoretical basis for design and the choice of parameters.Key words: Hydraulic profiling t
6、ool slide，MATLAB/Simulink ，mathematical model， simulationI目 录1 绪论 .11.1 液压伺服系统的发展 .11.2 机液伺服控制系统的介绍 .12 仿形刀架的理论基础 .32.1 仿形刀架的组成和工作原理 .42.1.1 快速接近工件 .52.1.2 车削圆柱面 .52.1.3 车削斜面（或台阶、凹槽） .52.1.4 快速离开工件 .52.2 液压伺服阀的结构及分类 .62.2.1 圆柱滑阀 .62.2.2 喷嘴挡板阀 .72.2.3 射流管阀 .83 仿形刀架的数学模型 .123.1 仿形刀架系统的微分方程 .123.2 仿形刀架
7、状态空间方程 .164 控制系统的性能分析 .184.1 状态的能控性和能观测性 .184.2 系统的稳定性分析 .194.2.1 阀控液压缸的方块图 .19II4.3 系统的快速性分析 .254.4 系统的准确性分析 .255 系统的校正 .295.1 按输入校正 .305.2 按扰动校正 .34结 论 .36参考文献 .37致 谢 .3811 绪论1.1 液压伺服系统的发展 液压伺服控制技术是一门新兴的科学技术。它不但是液压技术中的一个新分支，也是控制领域的一个重要组成部分.随着科学技术的发展,人们要求实现工业自动化的程度愈来愈高,车床使用液压仿形刀架就是其中一例.在车床上使用仿形刀架可以
8、方便地加工出曲线表面,它既节省了车削阶梯轴的调正、测量等辅助时间,而且大大地提高了劳动生产率,减轻了工人劳动强度. 仿形加工是在产品批量生产背景下形成的一种效率较高的加工过程，在机械制造业中得到广泛应用。仿形系统是典型的位置伺服系统。在伺服系统中，如果给定 反馈和比较环节均由机械部件构成，这样的系统称为机液伺服系统。机液伺服系统结构简单、可靠。早在第一次世界大战前,液压伺服控制就开始应用于海军舰艇中的操舵装置。近几十年来，由于整个工业技术的发展，尤其是在军事与航天技术上所应用的伺服系统逐步向快速、大功率、高精度的方向发展，液压伺服控制所具有的反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚度大等优点，受到了特
9、别重视。实践的需要也推动了理论研究工作，40 年代开始了滑阀特性和液压伺服理论的研究。机械液压伺服控制系统出现较早，用于飞机上的液压助力器。第二次世界大战前后,武器和飞行器控制系统的研究得到进一步的发展。近 20 年来，许多工业部门和技术领域对高响应、高精度、高功率质量比和大功率的液压伺服控制系统的需求不断扩大，促使液压伺服控制系统技术迅速发展，特别是反馈控制技术在液压装置中的应用，电子技术与液压的结合，使液压伺服控制系统这门技术不论在元件和系统方面，还是在理论和应用方面都日趋完善和成熟，并形成一门新的学科，成为液压技术的重要发展方向之一。目前液压控制技术已经在许多部门得到广泛应用，诸如冶金、
10、机械等工业部门，飞机、船舶交通部门，航空航天技术，海洋技术，近代科学实验装置及武器控制等。随着国民经济的发展，液压控制技术会在更多的部门为实现我国四个现代化的宏伟目标而发挥更大的作用。1.2 机液伺服控制系统的介绍 12机械液压伺服系统由机械反馈装置和液压动力元件组成,液压动力元件(或称液压动力机构)又由液压放大元件(液压控制元件)和液压执行元件组成的。其中放大元件将偏差信号放大,转换成液压信号(流量或压力);而执行元件实现调节。机械反馈装置将系统的输出转化为反馈信号加于输入端,以减小系统的加工误差。液压伺服系统（液压控制系统或液压随动系统）是一种自动控制系统，在这种控制系统中，液压执行元件的
11、运动，也就是系统的输出量（机构位移、速度加速度或力） ，能自动、快速而准确地复现输入量的变化规律。与此同时，还起到信号的功率放大作用，因此液压伺服机构也是功率放大装置。凡是采用液压伺服元件和液压执行元件，根据液压传动原理建立起来的伺服系统，都叫液压伺服控制系统。在此系统中， 滑阀不动，液压缸也不动；滑阀移动多少距离，液压缸也移动多少距离；滑阀移动速度快，液压缸移动速度也快；滑阀向哪个方向移动，液压缸也向哪个方向移动。只要给控制滑阀以某一规律的输入信号，则执行元件（系统输出）就自动地、准确地跟随控制滑阀。按照这个规律运动，这就是液压伺服系统的工作原理。32 仿形刀架的理论基础在液压伺服控制系统中
12、，不用电气元件，而用机械零件和液压元件完成信号装换的系统称为机液伺服控制系统。大部分机液伺服控制系统都是以滑阀为控制元件，以液压缸或液压马达作执行元件，再加上机械反馈将输出量与输入量比较以组成闭环回路，见图所示，它主要用来进行位置控制，液压仿形刀架的液压控制系统多为机液伺服控制系统。此外，大型机床的操作机构为了省力也采用机液伺服控制系统。图 2.1 机液伺服控制系统原理图仿形加工是在产品批量生产背景下形成的一种效率较高的加工过程，在机械制造业中得到广泛应用。仿形系统是典型的位置伺服系统。在伺服系统中，如果给定反馈和比较环节均由机械部件构成，这样的系统称为机液伺服系统。机液伺服系统4结构简单、可
13、靠，但反馈环节的摩擦和间隙等非线性因素会对系统产生不利影响。因此多用加工精度适中的场合。液压仿形刀架是目前工厂应用比较普遍的一种液压仿形装置。在车床上利用液压仿形刀架可以仿照样板(或模板)的形状自动加工多台肩的轴类零件或曲线轮廓的旋转表面，所以，可以大大提高劳动生产率、保证加工质量和减轻劳动强度。液压仿形样板磨损很小，能长期保证仿形加工精度，而且可以用强度较弱的、较易加工的材料来做样板，便于样板的制作;还可以用小尺寸的仿形触头与样板的变化较急的和较陡的轮廓接触，从而扩大了仿形加工的工艺可能性。目前，液压仿形加工精度一般可达到 0.020.05mm，但液压伺服系统要保证加工质量，除了液压仿形系统
14、的加工精度和质量达到设计要求外，还要使仿形样板加工精确，仿形样板的加工精度要高于工件精度等级 1-2 级。本文主要研究和分析在工作过程中动态特性对仿形加工质量的影响机理。下面以一种车床上的液压仿形刀架为例说明机液伺服控制系统的分析过程。2.1 仿形刀架的组成和工作原理车床液压仿形刀架（以下简称刀架）如图 2.2 所示 2。这是一个典型的机液（阀控缸）伺服系统。刀架 3 安装在车床拖板 5 的后部，可随拖板沿导轨 4 作纵向进给。在刀架 3 上集中布置了车刀 2、液压缸（体）6、伺服阀（体）7、和反馈杠杆8。活塞杆安装在刀架的底座上，刀架可沿液压缸轴线做仿形运动。样板 12 安装在车床支架上，是固定不动的。伺服阀阀心 10 在弹簧的作用下通过阀杆 9 可将杠杆上的触销 11 压在样板上。液压泵 14 输出的液压油经滤油器 13 进入伺服阀的 a 腔，并根据阀心所在位置经 b 腔或 c 腔进入液压缸的上腔或下腔，使刀架退离或接近（切入）工件 1。液压泵站安放在车床附近，与刀架以软管相连。油源液压由溢流阀调定。从车削过程来说，车削运动是纵向进给和仿形运动的合成。这个系统要按样板给定的形状完成工件外表面的车削加工，具体工程如下：
