Оптимизация синхронной системы подъема и укладки паллет: точная координация работы нескольких гидравлических цилиндров и стратегия управления нагрузкой с предотвращением эксцентриситета.

Оптимизация синхронной подъемной системы для устройства подачи листового металла в штабелере: исследование точной координации и стратегии управления нагрузкой с предотвращением смещения центра тяжести с помощью многоцилиндровых гидравлических систем.

Аннотация. Точность и стабильность синхронной системы подъема подающего устройства для укладки листового металла, являющейся ключевым элементом автоматизированных линий по производству блоков, напрямую влияют на качество укладки и надежность оборудования. В данной работе рассматриваются проблемы ошибки синхронизации и смещения нагрузки в системе совместного управления несколькими гидравлическими цилиндрами, предлагается схема оптимизации, основанная на высокоточной обратной связи с датчиком перемещения и адаптивном алгоритме ПИД-регулирования. Благодаря созданию модели синхронного движения гидравлических цилиндров и разработке стратегии совместного управления с двумя переменными — давлением и перемещением — достигается ошибка синхронного подъема ≤±0,3 мм, а процент качественной укладки повышается до 99,5%. Данное исследование предоставляет систематический технический путь и практические рекомендации по высокоточному и высоконадежному управлению подъемом в линиях по производству блоков.

Ключевые слова: Податчик листового металла для штабелирования; Синхронная подъемная система; Координация нескольких гидравлических цилиндров; Точное управление; Стратегия предотвращения смещения груза; Адаптивный ПИД-регулятор; Датчик перемещения; Точность штабелирования

1. Введение

В автоматизированных линиях по производству блоков основные функции укладки и транспортировки блоков выполняет устройство подачи листового металла. Точность синхронизации подъемной системы напрямую влияет на аккуратность укладки блоков и время производственного цикла, в то время как смещение центра тяжести может привести к заклиниванию оборудования, перегрузке гидравлической системы и даже деформации конструкции. Традиционные методы управления в основном основаны на механической синхронизации или гидравлическом управлении с разомкнутым контуром, которые трудно адаптировать к динамическим изменениям нагрузки. В данной работе с помощью теоретического моделирования и экспериментальной проверки исследуется интегрированная стратегия управления для высокоточной координации и подавления смещения центра тяжести с использованием нескольких гидравлических цилиндров, направленная на повышение эксплуатационной стабильности и эффективности производства устройства подачи листового металла.

2. Принцип работы и проблемы синхронной подъемной системы с несколькими гидравлическими цилиндрами

2.1 Состав системы
Типичная подъемная система для штабелирования плит включает в себя:

Гидравлический силовой агрегат: насос с фиксированным рабочим объемом, пропорциональная группа клапанов, гидроаккумулятор;

Исполнительный механизм: 4-6 комплектов гидравлических цилиндров, распределенная опорная подъемная платформа;

Система измерения: магнитострикционный датчик перемещения, датчик давления, инклинометр;

Контроллер: ПЛК и модуль управления движением.

2.2 Ключевые технические проблемы

Недостаточная точность синхронизации: производственные дефекты гидравлического цилиндра и неравномерное падение давления в масляном контуре приводят к асинхронному подъему;

Значительный эффект смещения нагрузки: неравномерное распределение блоков или смещение конвейера приводят к перегрузке отдельного цилиндра;

Динамический отклик с запаздыванием: Традиционные параметры ПИД-регулятора фиксированы и их сложно адаптировать к внезапным изменениям нагрузки.

3. Модель прецизионного кооперативного управления несколькими гидравлическими цилиндрами

3.1 Моделирование ошибок синхронизации

Погрешность перемещения i-го гидравлического цилиндра,

Fiadjusted​=Fidefault​+α⋅(Pavg​−Pi​)
​
(t) — это перемещение в реальном времени,

n — количество гидравлических цилиндров. Целью управления синхронизацией является минимизация

⁡

3.2 Адаптивный алгоритм ПИД-регулирования

Разработайте ПИД-регулятор с переменным коэффициентом усиления:

u_i(t)

= K_p(t)

эй(т)

+ K_i(t)

∫ e_i(t)

д_т

+ K_d(t)

де(т)

д_т

u_i(t)=K_p(t)e_i(t)+K_i(t)∫e_i(t)dt+K_d(t)

д_т

де_и(т)

где K_p, K_i, K_dK_p, K_i, K_dK_p, K_i, K_dK_p. Корректировки производятся в режиме реального времени на основе скорости изменения ошибки, а онлайн-оптимизация достигается с помощью радиально-базисной нейронной сети.

3.3 Архитектура совместной коммуникации
Высокоскоростной обмен данными между несколькими цилиндрами достигается с помощью шины CAN (скорость передачи 1 Мбит/с) с циклом управления ≤10 мс.

4. Разработка стратегии управления нагрузкой с предотвращением смещения центра тяжести.

4.1 Механизм обнаружения смещения нагрузки
Контроль распределения давления: датчики давления на входе и выходе каждого цилиндра рассчитывают отклонение нагрузки в режиме реального времени;

Определение угла наклона платформы: двухосевой наклономер контролирует горизонтальность платформы (точность ±0,05°);

Верификация с помощью изображений: система машинного зрения определяет состояние укладки блоков.

4.2 Алгоритм динамического распределения сил

Динамически регулирует выходную силу каждого цилиндра на основе обратной связи по давлению:

Fi_adjusted = Fi_{default + α ⋅ (Pavg − Pi)
Фи}скорректированный

=Fiпо умолчанию

+α⋅(P_avg − P_i)

Где
P_avg — это среднее давление,

α — коэффициент компенсации.

4.3 Логика защиты от сбоев

При превышении порогового значения давления в одном из цилиндров срабатывает система медленного снижения давления и подает сигнал тревоги;

Автоматически выполняет сброс платформы, если смещенная от центра нагрузка продолжает превышать допустимые значения;

При возникновении неисправности переключается в аварийный режим "приоритет одного цилиндра".

5. Внедрение системы и экспериментальная проверка

5.1 Конфигурация оборудования

Гидравлический цилиндр: ход поршня 800 мм, максимальная нагрузка 5 т;

Датчики: магнитострикционный датчик перемещения (точность ±0,01 мм), датчик давления (точность 0,5% от полной шкалы);

Контроллер: модуль управления движением Siemens S7-1500PLC+TM.

5.2 Тест на точность синхронизации

Испытания проводились при полной нагрузке (4,8 т) и внецентровой нагрузке (отклонение нагрузки ±30%):

Рабочее состояние | Традиционная ошибка синхронизации управления | Оптимизированная ошибка синхронизации | Величина улучшения

Балансировка при полной нагрузке | ±1,2 мм | ±0,25 мм | 79%

Смещение нагрузки влево на 30% | ±2,5 мм | ±0,28 мм | 89%

Динамический подъем (1 Гц) | ±1,8 мм | ±0,30 мм | 83%

5.3 Долгосрочная эксплуатационная стабильность

Мониторинг после 72 часов непрерывного производства показал:

Процент соответствия требованиям для укладки увеличился с 97,1% до 99,5%;

Частота отказов гидравлической системы снизилась на 40%;

Время перезагрузки платформы сократилось с 12 секунд до 5 секунд.

6. Применение в инженерии и анализ преимуществ

6.1 Адаптируемость производственной линии
Данное решение успешно применено к трем основным моделям штабелирующих и подающих машин, при этом цикл модификации составляет ≤3 дня. Оно поддерживает следующие расширенные функции:

Интерфейс передачи данных с системой MES производственной линии;

Дистанционная диагностика и оптимизация параметров;

Статистика потребления энергии и отчеты о раннем предупреждении.

6.2 Количественная оценка экономических выгод
Рассмотрим в качестве примера производственную линию с годовой производительностью 20 миллионов блоков:

Сокращение потерь от поломки блоков примерно на 120 000 юаней в год;

Снижение затрат на техническое обслуживание гидравлической системы на 80 000 юаней в год;

Повышение коэффициента использования оборудования приводит к увеличению производственной мощности примерно на 5%.

6.3 Ценность продвижения отрасли
Предоставляет техническую справочную информацию по стандарту GB/T 35031-2018 «Автоматизированная линия по производству блоков»;

Может быть расширена для других сценариев синхронного подъема с использованием нескольких цилиндров (например, подъем пресс-форм и перемещение материала).

7. Заключение и перспективы
В данной работе эффективно решаются проблемы синхронной точности и управления смещенной нагрузкой многогидравлических цилиндров в штабелирующих и подающих машинах за счет комплексного применения высокоточных датчиков, адаптивного управления и технологии динамического распределения силы. Эксперименты показывают, что оптимизированная система имеет погрешность синхронизации ≤±0,3 мм и коэффициент качества штабелирования 99,5%, что значительно повышает уровень автоматизации и эксплуатационную надежность линии по производству блоков. Направления будущих исследований включают:

Применение технологии цифрового двойника: создание виртуальной платформы ввода в эксплуатацию для моделирования стратегий реагирования на внецентровую нагрузку;

Прогнозирующее техническое обслуживание с использованием ИИ: прогнозирование срока службы гидравлических компонентов на основе исторических данных;

Экологичные гидравлические технологии: дальнейшее снижение энергопотребления за счет использования в сочетании с насосными станциями с регулируемой частотой вращения.