拉伸壓力機(jī)液壓系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)和壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓力機(jī)是壓縮成型和壓注成型的主要設(shè)備，適用于可塑性材料的壓制工藝，如沖壓、彎曲、翻邊、薄板拉伸等。某不銹鋼制品公司采用拉伸壓力機(jī)生產(chǎn)不銹鋼廚房水槽，早期產(chǎn)品形式和規(guī)格單一，壓力機(jī)采用液壓開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)速度切換，負(fù)載小、運(yùn)動(dòng)速度相對較低，系統(tǒng)能夠滿足工藝要求。

隨著企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品形式和規(guī)格越來越復(fù)雜，原有系統(tǒng)在控制產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)行平穩(wěn)性、噪聲、生產(chǎn)效率等方面暴露出了諸多問題，對液壓及控制系統(tǒng)也提出了更高要求。因此為應(yīng)對大幅變化的工作負(fù)載、大范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度的頻繁調(diào)整、更換模具的調(diào)試等復(fù)雜工況的要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于比例液壓控制的壓力機(jī)系統(tǒng)。

1、拉伸壓力機(jī)液壓系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

為了滿足新產(chǎn)品的工藝要求，對不銹鋼水槽拉伸壓力機(jī)原液壓系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，設(shè)計(jì)了基于德國博世力士樂公司生產(chǎn)的4 WRPEH型高頻響比例閥控制的壓力機(jī)液壓系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1液壓系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

圖1中，液壓泵站1為壓力機(jī)液壓系統(tǒng)提供具有一定流量的壓力油。壓力表2、10分別顯示液壓泵出口和三通減壓閥出口的工作壓力。元件3是三位四通M型電磁換向閥，該閥不得電時(shí)液壓泵實(shí)現(xiàn)卸荷，當(dāng)左位工作時(shí)，給蓄能器6提供壓力油，同時(shí)主液壓缸12可以按照工作流程要求完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。單向閥4避免蓄能器油液及系統(tǒng)高壓油倒流。

壓力繼電器5在系統(tǒng)建壓后，確保系統(tǒng)壓力達(dá)到工作壓力時(shí)壓力機(jī)方可開始工作。蓄能器6能夠提供短時(shí)快速段的速度需求，確保壓力機(jī)在工作過程中壓力和流量的穩(wěn)定。元件7是高頻響比例換向閥，通過xm型運(yùn)動(dòng)控制器，利用比例閥的控制特性，滿足壓力機(jī)主液壓缸伸出、退回的速度和加減速度控制要求。元件8是單電控二位四通換向閥，當(dāng)主液壓缸退回時(shí)，需要單電控二位四通換向閥得電，當(dāng)主液壓缸保壓停留時(shí)，需要單電控二位四通換向閥失電。三通減壓閥9產(chǎn)生壓力機(jī)主液壓缸浮動(dòng)壓邊時(shí)所需穩(wěn)定的支撐力。

元件11是液控單向閥，在主液壓缸12停留保壓時(shí)，通過液控單向閥11實(shí)現(xiàn)對主液壓缸無桿腔壓力的可靠鎖緊。主液壓缸12驅(qū)動(dòng)滑塊上的模具完成水槽的壓制成型動(dòng)作，位移傳感器13檢測主液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)位置。下缸14帶動(dòng)安裝于下缸上的模具隨同主液壓缸一起動(dòng)作，完成主液壓缸浮動(dòng)壓邊過程中的壓力支撐作用。

1.2壓力機(jī)液壓系統(tǒng)工作過程分析

壓力機(jī)工作過程中，各閥電磁鐵得失電情況如表1所示。

圖片

(1)液壓泵卸荷。液壓泵站1啟動(dòng)后，泵出口的壓力油經(jīng)過三位四通M型電磁換向閥3直接流回油箱，實(shí)現(xiàn)液壓泵的卸荷。

(2)主液壓缸快速空程下行。三位四通電磁換向閥3的電磁鐵Y1得電，液壓系統(tǒng)建壓，當(dāng)壓力達(dá)到壓力機(jī)要求的工作壓力且壓力機(jī)主液壓缸12在初始位置(位置1)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器輸出電壓V給高頻響比例換向閥7，此時(shí)主液壓缸12驅(qū)動(dòng)滑塊上的模具快速運(yùn)動(dòng)到下缸成型模具所在的位置2，快速段的實(shí)現(xiàn)依靠蓄能器6短時(shí)大流量的供油，主液壓缸12運(yùn)動(dòng)位置的檢測由安裝在主液壓缸的位移傳感器13來實(shí)現(xiàn)。

(3)主液壓缸慢速加壓成型。當(dāng)主液壓缸12快速運(yùn)動(dòng)到位置2后，運(yùn)動(dòng)控制器輸出電壓V，給高頻響比例換向閥7，此時(shí)主液壓缸12驅(qū)動(dòng)滑塊上的模具慢速加壓成型，直至運(yùn)動(dòng)到位置3。

(4)浮動(dòng)壓邊過程。主液壓缸12向下慢速加壓過程中，下缸14的活塞桿被迫隨之向后運(yùn)動(dòng)，下缸14無桿腔油液經(jīng)三通減壓閥9的T口流回油箱，此時(shí)下缸14無桿腔的支撐壓力始終保持不變。根據(jù)不同產(chǎn)品的工作需求，可調(diào)節(jié)三通減壓閥9來改變浮動(dòng)壓邊壓力。此時(shí)下缸14有桿腔出現(xiàn)的局部真空可以通過液壓泵站1的油箱進(jìn)行補(bǔ)油。

(5)主液壓缸前終端停留保壓。當(dāng)主液壓缸運(yùn)動(dòng)到位置3時(shí)，立刻停在當(dāng)前位置，且停留時(shí)間為3 s。此時(shí)液控單向閥11確保主液壓缸12可靠地停留在當(dāng)前位置，液壓泵站1通過三位四通換向閥3實(shí)現(xiàn)卸荷。為避免造成油缸位置漂移，確保主液壓缸12精確定位在位置3，需要運(yùn)動(dòng)控制器輸出電壓V給高頻響比例閥7，通過蓄能器6來實(shí)現(xiàn)主液壓缸12供油，用以修正比例閥零位的影響。

(6)主液壓缸快速回程。當(dāng)在位置3停留時(shí)間結(jié)束后，三位四通電磁換向閥3的電磁鐵Y1、單電控二位四通換向閥Y3得電，同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器輸出電壓V，給高頻響比例換向閥7，此時(shí)主液壓缸12快速退回至初始位置1，快速段的實(shí)現(xiàn)依靠蓄能器6短時(shí)大流量的供油。在主液壓缸12快速退回的同時(shí)，下缸14立刻伸出到其初始位置。

(7)主液壓缸初始位置停止。當(dāng)主液壓缸12退回至初始位置1時(shí)，保持停留在當(dāng)前位置5 S，此時(shí)三位四通電磁換向閥失電，液壓泵站1處于卸荷狀態(tài)。為確保主液壓缸精確定位在位置1，需要運(yùn)動(dòng)控制器輸出電壓V，給高頻響比例閥，通過蓄能器6來實(shí)現(xiàn)主液壓缸12供油，用以修正比例閥零位的影響。

(8)下缸動(dòng)作。該壓力機(jī)下缸的動(dòng)作不受換向閥控制，是一個(gè)隨動(dòng)裝置。當(dāng)液壓泵站1啟動(dòng)后，下缸14伸出，無桿腔的壓力等于三通減壓閥9的設(shè)定壓力。只有處于浮動(dòng)壓邊狀態(tài)下，下缸14處于隨動(dòng)狀態(tài)，一旦主液壓缸12縮回，下缸14將伸出到前終端停止。

2、壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1工作流程

2.1.1手動(dòng)工作模式

旋鈕轉(zhuǎn)換開關(guān)處于手動(dòng)狀態(tài)，點(diǎn)動(dòng)按鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)主液壓缸伸出或者退回動(dòng)作，松開按鈕開關(guān)主液壓缸停止，該模式主要用于更換模具后的設(shè)備調(diào)試。

2.1.2自動(dòng)循環(huán)工作模式

(1)圖2為主液壓缸在自動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)曲線，根據(jù)產(chǎn)品型號選擇所需的比例閥輸出電壓(V1，V2，V3)和相應(yīng)的斜坡時(shí)間(t1，t2，t3)，以滿足快進(jìn)、工進(jìn)和返回的速度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性等控制要求。最大快速空程下行和快速回程速度為3m/min，慢速加壓速度為40~250 mm/min。主液壓缸在自動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)定位誤差不大于±0.1mm，速度誤差不大于±5mm/s。

(2)旋鈕轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動(dòng)模式狀態(tài)，壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)主液壓缸快速空程下行→慢速加壓成型→停留保壓→快速回程→初始位置停止的自動(dòng)工作循環(huán)(如圖3所示)。

壓力機(jī)的自動(dòng)成型過程:按下自動(dòng)循環(huán)按鈕且主液壓缸處于初始狀態(tài)→蓄能器充壓，系統(tǒng)建壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到所需工作壓力后觸發(fā)壓力繼電器→主液壓缸快速空程下行((電壓V1，斜坡時(shí)間t1)→主液壓缸快速伸出到位置2→慢速加壓成型(電壓V2，斜坡時(shí)間t2)→慢速加壓運(yùn)動(dòng)到位置3，同時(shí)下缸跟隨主液壓缸后退→精確定位在位置3，停留保壓(電壓V4，斜坡時(shí)間t4，位置偏差±0.1mm)→停留3s結(jié)束→快速回程(電壓V3，斜坡時(shí)間t3)，同時(shí)下缸伸出→快速退回至位置1→精確定位在位置1停留，即自動(dòng)循環(huán)延時(shí)(電壓V5，斜坡時(shí)間t5，位置偏差±0.1 mm)→停留5s結(jié)束→新的自動(dòng)循環(huán)開始。

(3)自動(dòng)循環(huán)中斷。當(dāng)旋鈕轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至手動(dòng)模式主液壓缸立刻停止。中斷后必須將主液壓缸復(fù)位，方可重新啟動(dòng)自動(dòng)循環(huán)。

2.2控制程序設(shè)計(jì)

改造后的壓力機(jī)控制系統(tǒng)所采用的博世力士樂公司生產(chǎn)的XM 21運(yùn)動(dòng)控制器，是一個(gè)綜合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，功能強(qiáng)大，自身帶IP地址，可以在系統(tǒng)調(diào)試中調(diào)整增益量及記錄數(shù)據(jù)，帶有總線及IP通信接口，可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器配置和診斷，IndraWorks工業(yè)軟件可用作PLC功能;它具有高功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境條件寬泛(工作溫度-25~60℃)等優(yōu)點(diǎn)，附帶液壓軸同步運(yùn)動(dòng)，可擴(kuò)展如電子凸輪及機(jī)器人控制等十多種工程軟件包;控制器中插入S20I/O模塊，易于靈活的I/O擴(kuò)展、快速的I/O處理(典型循環(huán)時(shí)間為10 μs);與Sercos網(wǎng)絡(luò)同步數(shù)據(jù)交換減少了響應(yīng)時(shí)間和工作周期，提高了測量精度、控制質(zhì)量。

壓力機(jī)控制程序利用控制器自帶的液壓軸同步運(yùn)動(dòng)控制功能塊可以方便地實(shí)現(xiàn)比例液壓伺服系統(tǒng)控制，更改控制參數(shù)以滿足不同形式和規(guī)格的產(chǎn)品需求，輸出給4 WRPEH型高頻響比例閥，對主液壓缸的位置、速度及加減速度進(jìn)行精確控制。

壓力機(jī)控制程序主要由主程序和子程序兩部分組成。主程序采用C語言文本結(jié)構(gòu)化編程模式，其功能包括：

(1)添加液壓軸同步運(yùn)動(dòng)控制功能塊，確定液壓軸位置控制模式，定義主液壓缸位置、高頻響比例閥的開度和斜坡時(shí)間;

(2)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制模式下的控制程序;

(3)當(dāng)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制模式時(shí)，可以控制子程序的中間變量;

(4)在手動(dòng)、自動(dòng)模式下設(shè)定高頻響比例閥工作參數(shù)，即比例閥的開度和斜坡時(shí)間;

(5)確保主液壓缸在位置1和位置3停留時(shí)的位置精度符合工藝要求。子程序采用了順序控制清除式步進(jìn)鏈的編程方法，根據(jù)壓力機(jī)自動(dòng)循環(huán)工作流程框圖3采用梯形圖完成自動(dòng)控制動(dòng)作程序，實(shí)現(xiàn)主液壓缸在自動(dòng)模式下的順序動(dòng)作，即主液壓缸快進(jìn)、工進(jìn)、快退和信留。

3、結(jié)束語

壓力機(jī)的液壓控制系統(tǒng)通過采用博世力士樂公司生產(chǎn)的4 WRPEH型高頻響比例閥和帶有液壓軸同步功能的XM 21運(yùn)動(dòng)制器，實(shí)現(xiàn)了柔性加減速，保證了壓力機(jī)成型過程的位置和速度精度，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和運(yùn)行平穩(wěn)性。運(yùn)行結(jié)果表明，該設(shè)備模具更換方便快捷，縮短了調(diào)試時(shí)間，提高了適應(yīng)產(chǎn)品變化的靈活性，自動(dòng)化程度高，大大改善了產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，生產(chǎn)效率明顯提升，給企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。伺服壓力機(jī)http://www.lyjingtong.com/