基于液压驱动控制夹具的模型设计

2011-06-23张国勇魏圣坤

装备制造技术 2011年10期

张国勇，沈印，魏圣坤，付波

（1.四川化工职业技术学院，四川泸州646000；2.泸州职业技术学院，四川泸州646000）

产品的设计与零件的制造，往往需要靠一些加工设备来获得所需的尺寸精度，相应在加工的时候要运用到夹具。研究夹具的重点，是在静态变形和部分自由度的限制。但很少有人注意夹具的动态性能。然而，系统的动态性能，往往很大程度上影响加工精度。虽然有大量的研究对此安装了固定装置，但是效果并不是很好。可以利用反馈控制，来补偿由加工装置引起的变形，并对切削力进行分析。

许多研究，特别是对加工和颤振的的研究，传统的控制器可以用来提供支持和约束，否则只能是用非常庞大的固定装置。如果可能的话，可以建立弹簧阻尼元件，用来描述定位器与定位器（接触）刚度模型，这种方法已被广泛应用于制造业和研究平台。在目前，提出了一种液压驱动控制夹具系统，即用液压执行器来控制位移的夹紧力来进行夹紧。

1 控制方法

控制模型技术已经成熟，为了克服有限元分析模型控制的复杂性，根据克雷格-班普顿信息模式方法，认识到一个系统的动力学特征频率，系由最低的模式为主，关键在于有限元软件ABAQUS的使用，目的是建立一个夹具系统的反馈装置，以使夹具系统比传统设计更安全更合理。

所以，作为刚体的一部分的液压传动器模型，部分将利用有限元建模软件。该系统将描述部分有限元模型，并将建立一个液压执行器和伺服阀的模型（如图1所示）。

图1 液压执行器和伺服阀的模型

2 建模

为减少使用模型的机构数量，先建立一个简单的模型，对控制驱动部分夹具系统进行有限元分析，其次由执行机构进行模拟，最后，提出了有限元建模，从而使夹具系统的运行状态得到确定。

2.1 夹具模型

当前任务的目的，是模拟一个活动的夹具模型。夹具是假设由一个驱动器、弹簧、阻尼器、一些连接元素、执行器和支撑面所构成。在当前可以被认为是一个在制造行业广泛应用液压制动器。液压执行器的模型由此得以建立起来，此外，模型还描述了液压伺服阀的动态行为。

如图1所示，由活动夹具组成的液压执行器，一个液压伺服阀和机构简化部分是连接到支撑面，由执行机构弹簧和阻尼元素过渡连接。图1显示了这些连接的节点部分的夹紧和定位，在加工节点可以作水平的移动和垂直方向的自由移动，由于其只需要在水平方向的力，而摩擦是在当前被忽视，因此它只是假设的条件。因此，节点连接到夹具部分，是受在垂直方向的限制，只能自由地在水平方向移动，这就是边界条件。

2.2 方法

（1）采用一般的方法，以方便得到夹具系统的控制部分简化模型，是基于系统中的夹具和零件的设计。在设计中，制造工程师确定制造（加工）哪些业务需要，并在他们之中进行零件的图纸和工装夹具，通常的三维计算机辅助设计（CAD）软件，会根据零件安排的夹具图，可以导出到有限元软件平台。

在某些情况下，一个中间交换文件格式需要使用绘图数据到有限元软件。如果是几何级数部分简化的几何形状，有一个类似机械的结构，这时就被称为参数化模型。

图2 部分夹具控制系统的简化模型

（2）MATLAB和MATLAB工具箱，用来装载并创建一个矩阵动力学模型。应用执行器和一个合适的控制器进行建模和耦合到系统，该模型可以应用于实时控制，采用适当的电脑执行夹具系统。

2.3 有限元程序

（1）有限元程序或组件的子结构模态综合技术，已被用来模拟复杂的结构，如20世纪60年代以来的飞机，计算复杂的机械结构时，可以作为一个整体来计算。其结构是会经过分成几部分组成的模型。

图3显示了一个结构典型的例子——悬臂梁。在图3（a）可以看出，梁分成3个部分。如图3（b）所示，其中典型的组件之一是内部坐标，可以使用模型降阶方法。B为边界的坐标，都需要建立模型。他们都是由外部坐标E，其中应用和外部的冗余坐标R组件到另一个组件。在当前的文件中，为了减少针对控制模型的组件，在当前的文件不需要同时耦合几个组件。