智能液压机研究现状及关键技术.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 01 3 0 2 0 0 1 5 0 3 智 能 液压 机 研 究现 状 及 关 键 技 术 严 建 文 1 ,3 ，刘家 旭 ，陈 汝 昌 ，翟华 ，李 贵 闪 ，王玉 山 1 ． 合 肥 合 锻 机 床 股 份 有 限公 司 ， 安 徽合 肥2 3 0 6 01 ； 2 ． 济 南铸 造锻 压机 械研 究所 有 限公 司 ， 山东 济 南 2 5 0 0 2 2； 3 ． 合肥 工 业大 学 机械 与汽车 工程 学院 ， 安徽合肥2 3 0 0 0 9 摘 要 智 能液压机 主 要利用 信 息感知 、 决 策判 断 、 安全执 行 等先进 智 能技术 ， 形成 专 家与智 能机器 共 同组 成 的入 机 系统 ， 实现 产 品 、 工具 、 环境 和 工人 等资 源 的最佳 组织 与优化 配置 ， 延 伸和部 分取 代人 类在 液压 成形 制 造过 程 中的体 力 与脑 力劳 动 ， 属 于智 能制造 技 术 中高端制 造装 备 范畴 。 智 能液压机 向功能复 合 、 节能 降噪 、 效率 高 、 柔 性好 等方 向发 展 ， 具 有广 泛 的市场 前景 。 关 键词 机 械制 造 ； 液压机 ； 智 能 ； 伺 服控 制 ； 闭环 中图分 类号 TG3 1 5 ． 4 文献标 识码 A 智 能制 造技 术是 在现 代传 感技 术 、 网络 技术 、 自 动 化技 术 、 拟 人化 智能 技术 等先 进技 术 的基 础上 ， 通 过 智 能化 的感 知 、 人机 交 互 、 决 策 执行 ， 实 现设 计 制 造 过程 和制 造装 备智 能化 ，是 信息 技术 和智 能 技术 与装备 制造 过程 技术 的深 度融 合 与集成 I l l。 其产 品形 态 和 服务模 式包 括关 键智 能制 造技 术 、高 端制 造装 备 、 智能设 计 和制造 服务 软件 、 服 务于 制造 的云计算 或物 联 网智 能 服务业 等 ，是 引领第 三 次工 业革 命 的 制 造业 变革 的重要技 术 。 智 能液 压机 圜 属 于 高端制 造装 备 ， 主要 针 对液 压 机设计制造 和使用 过程 ， 利 用信息感 知 、 决 策判 断 、 安 全执行 等先 进智能 技术 ， 形 成人类专 家 与智 能机 器共 同组成 的人机 系统 ， 实现 产 品 、 工具 、 环境 和工 人等资 源 的最佳 组织 与 优化 配置 ， 扩 大 、 延 伸 和部分 取代 人 类在液压 成形制造 过程 中的体力与脑力 劳动 。 1国 内 外 研 究 现 状 1 ． 1智 能 液 压 机 发 展 现 状 2 0世 纪 5 0年 代 以来 ， 数 控 、 机 器人 和 计 算机 辅 助设 计 等先进 技 术相继 诞 生 ， 逐 步 引入制 造 过程 ， 实 现 了产 品多样 化柔 性制 造 的初级 阶段 。传 感 技术 的 发 展和普 及 ，为大量 获取制 造数 据 和信 息提 供 了便 捷手 段 。人 工智 能技术 发展 为 生产数 据 与信 息 的分 基金项目 数控成形冲压装备产业技术创新战略联盟、 国家科技重大 专项 0 4专项 项 目 2 O l 1 z xo 4 o o l o 2 1 收稿 日期 2 o 1 2 一 l O 一 2 6 作者简介 严建文 1 9 6 7 一 ， 男， 工程师， 合锻公司董事长 析 和处 理提 供 了有效 的方 法 。信息技 术 和 自动化 技 术 使制 造业 发展模 式 、 运行 效率 等发 生 了深刻 变化 。 制 造业 智能 化变 革 已引发新 的工业革 命 。 在智能 制造 快速 发展 大背 景下 ，随 着 电子和 信 息 技术 的发 展 ，液压 机设计 制 造和使 用技 术迅 速 发 展 ， 信息 感 知 、 决 策判 断 、 安全 执 行 等先 进 智 能技 术 已应 用 到液压 机设计 制 造领域 ，形 成新 型智 能液 压 机 ， 逐 步实 现 工艺 、 机床 、 环境 和 工 人 等资 源 的 自组 织 与优化 ， 替代 工人 在恶 劣环 境下 工作 ， 减轻 工人 劳 动 强度 ， 提高 产 品质 量 。 智能 液压 机 由于涉及 机械 、 计算 机 、 智 能控制 等 多学 科领 域知 识 ， 需 要集 中力 量进行 研 发 ， 国 内 目前 仅有 合肥 合锻 、 扬州 捷迈 等少 数企 业开 展研 究 ， 主要 关键 技术 尚未 突破 ， 还未 形成 成熟 产 品。目前主要 通 过信 息化 、数 字化 等手段 对传 统液 压机 进行 产 品技 术 升级 ， 扩大 产 品的功 能范 围 ， 实 现液压 机 功能 复合 化 ， 逐步 提升 自动 化和 智能化 水平 。 在 国家科 技重 大专 项支 持下 ，合肥 合 锻机 床股 份 有 限公 司 集 成 机 器 人 、 自动 送 料 、 网 络 控 制 和 智 能 模 具数据 库 等技术 ， 自主研 制 的汽车 冲压 生产 线 已 成 功替代 了国外进 口产 品 ，生产效 率及 质 量与 国外 同 机 现 冲 州 机 转 内外造 船行业 广泛 采用 。 国际 上发 达 国家积 极 开展 智 能液 压 机研 究 ， 力 士乐 、穆格 等液压 元件 公 司用 交 流伺服 驱动 技术 改 造 液压 传动 系统 ，组成 一种新 的交 流伺 服 电机控 制 液 压 系统 ， 运 用 于折 弯 机 、 液 压机 ， 称 作 第 三代 液 压 机 。 它具 有传动 系统 简单 、 生产效 率 高 、 产 品质量好 、 滑块运 动智 能可 调 、 降噪节 能显著 等优点 。 随着其 在 汽车零 件 、 电子零 件等 高精度 、 难 成形零 件加 工领 域 中 的应 用 及 其 优 良 的节 能 性 ， 已 经 成 为 世 界 冲压 技 术及装 备发 展 的主要潮 流之 一【2 , 3 1 。德 国舒 勒公 司开 发 出双 伺 服直 驱 技术 T S T ， 其下 属 S MG液压 机 公 司 和 S i mu f a e t 加 工 模 拟 操 作 软 件 和 服 务 公 司 2 0 1 2 年建立 技术 合作 关系 ，客户 可 以购买工 艺过 程特 定 的 、 集 成 的软件解 决方 案 ， 能 够在 电脑上 规划 并优 化 整个制 造 流程 。 1 ． 2智 能 液 压 机 发 展 趋 势 智能 液压机 主要发 展趋 势有 1 智 能化 。 滑块运 动 曲线 可根 据不 同生产 工艺 和模 具 要求 如 冲裁 、 拉 伸 、 板 料挤 压 和级 进模 冲压 等 进行 在线优 化设 置 ，可设计 特殊 的工 作特 性 曲 线 ， 进行 高难度 、 高精 度加 工 ， 实 现滑块 “自由运动 ” 。 2 效率 高 。 可 以在 较大 范 围内设定 滑块行 程次 数 ， 滑块 速 度 和行 程 调节 方便 ， 能根 据 成 形2 1 2 艺 ， 滑 块 可在最 小行程 工作 ，借 助多工 位技 术和 自动送 料 技术 ， 大 大提高 生产 效率 。 3 精度 高 。通 过伺 服控制 技术 ， 液压 机运 动可 以精确 控制 ， 一 般均 装有 滑块位 移检测 装置 ， 滑 块 的 任 意位 置可 以准确 控制 ； 滑块运 动特 性可 以优化 ， 例 如 拉伸 、弯 曲及压 印时 ，适 当的滑块 曲线 可减 少 回 弹 ， 提 高制件 精度 。 4 功 能复合 化 。针 x ,j- 等 温锻造 、 超 塑成形 等新 工艺 ，利用 滑块 和模具 空 间 ，构建 温度 可控 加热环 境 ， 将 锻 造 、 冲压 工 艺 和热处 理 工 艺进 行 复合 ， 实现 一 机 多 用 ， 保 证 产 品 质 量 。 5 噪声 低 。智能液 压机 简化 了传动 系统 ， 降低 了噪声 。通 过设 定滑块 的低 噪声运 动 曲线 有 助于 降 低 冲裁 噪声 ， 与传 统 的冲裁相 比 ， 新 型 的两步 冲裁 工 降低 噪声至 少 l O d B。 6 节能效 率高 。伺服 液压机 采用 直接 传动 ， 传 节大 大减 少 ， 润 滑量减 少 ， 可维护 性强 。滑 块停 ，电机停 转 ， 能 耗显著 降低 。合锻 公 司 曾进 行过 k N伺 服液压 机连 续工 作功 耗对 比试 验 ， 结 果表 服 液压 机可节 能 4 0 ％以上 。 7 所 见 即所 得 。 通过 现代 软件技 术实 现工艺 操 拟 ， 在 电脑 上规划 并优 化整个 制造 流程 ， 用 户使 用 和 操 作 更 加 直 观 。 智能 液 压机 比传 统 液 压机 的使用 范 围更 广 ， 产 品 附加值 高 ， 可 以应 用 于 金属 板件 冲压 、 等 温锻 造 、 粉末 压 制 、 橡 胶 硫化 、 纤 维 板热 压 、 校 直 、 压装 、 注 塑 等精 密成形 工艺 。 2智 能 液 压 机 关 键 技 术 2 0 1 0年 ， 我 国智 能制 造 装备 产业 销售 收 入 已超 过 3 0 0 0亿元 ， “ 十二 五 ” 期 间 ， 智 能 制造 装 备产 业 年 均 增长率 有望 超过 2 5 ％。到 2 0 1 5年 ， 智 能制造 装备 市 场规模 将超 过 1 万 亿元 ，占高端装 备制造 业 比重 将 达 到 2 0 ％。未 来 5 ～ 1 0年将是 以智 能装 备产 业 为 核 心 的智 能制 造产业 的高速 发展期 。智 能液 压机 是 锻 压机床 中利 润附加 值较 高的产 品 ， 目前 只 占较 小 部 分 ， 是 今 后 液 压 机 行 业 发 展 的 主 要 产 品 方 向 。 智 能 液 压 机 开 发 的 主要 关 键 技 术 如 下 1 采用 伺 服 电机 直 接驱 动 液压 机 的主油 泵 研 发 。 目前 大 功率伺服 电机 直接驱 动 的液压 泵还存 在 很 多技术 难点 ， 要求 液压 泵的转 速调节 范 围非常 大 ， 液 压泵 即使在 1 0 r p m 以下都 可正 常工作 ，一般 液压 泵 最低 转速 为 6 0 0 r p m， 难 以实现 大范 围调速 要求 。 2 大功 率交 流伺服 电机及 驱动控 制 系统口 1 。大 功 率交 流伺 服 电机 的出 现是 近 十年 产 生 的新 产 品 。 目前 主 要 应 用 开 关 磁 阻 电 动 机 S MR ， 具 有 简 单 可 靠 、 可在较 宽 的转速 和转矩 范 围内高效 四象 限运行 、 响应速度 快和成 本低 等优点 。随着驱 动控制 系统 性 能 提高 ， 价 格下 降 ， 促 进 了大功率交 流伺 服驱 动技 术 的实现 和推广 ，为在 锻压装 备领 域采用 交 流伺 服驱 动 提供 了可 能 。其缺 点是 转矩存 在较 大波 动 、 振 动 大 ； 系统具 有 非线 性 特征 ， 控制 成本 高 ， 功 率 密度 低 等 1 。研究 重点 是开 发具有 自主知识 产权 的大 功率 交 流伺 服 电机控制技 术及 相关应 用技 术 。 3 专 用 控 制 系 统 。 通 过 伺 服 电 机 转 速 的 变 化 实 现 对液压 机压 力 、 位 置 的闭环控 制技术 尚不成 熟 。 传 统 的液 压机都 是通过 比例 阀 、 比例伺服 阀对 液压 、 位 置 进行 控制 ， 需要研 究专 门 的泵 控系统 控制 算法 ， 使 液 压 系统 在 1 ～ 2 5 MP a之 间都 具 有 高 稳 定性 与 高精 度 。 由于现有 的液压 机 多是采 用 P L C控制 ， 但 智 能 液压 机 采用 液 压 、 速度 闭 环程 序 控制 ， 运算 量 大 ， 普 通 的 P L C很 难 满 足 工 艺 柔 性 化 需 要 ， 必 须 开 发 采 用 工 业 P C的专用 控制 系统 。 4 能量 回收及 能量 管理 系统 J 。 为了尽可 能减 少 能量 损失 ， 需要把 滑块 自重下 降 的势 能 、 油缸 卸压 产生 的能量 回收再 利用 ， 目前 尚没有 这方 面 的成熟 做法 与经验 。 在 能量 管理方 面 ， 由于 瞬时功率 比平 均 功率 大很 多倍 ，在 大 型智 能液压 机 中要做 好 能量 调 配 ， 避免 对 电 网造 成 冲击 。 5 基 于智能 液压 机 的成形 工艺 优化嘲。零 件 的 材 料 、 形 状不 同 ， 其 生 产工艺 也 相应不 同。如 镁合 金 杯 形件 反挤 压成形 ，滑块在 一个 工作 循 环 内需经 历 四种不 同 的速度 ， 工 艺控制 系 统应 能完成 动作 要 求 。 智 能液 压机 与各 种成 形工 艺优 化结合 ，了解 最 佳工 艺 路径 ， 才 能发挥 出优 越性 。 研究 各种 成形 工艺 的成 形机 理 ， 建 立适 合该 成形 工艺 的优 化参 数 ， 对 于 提 高 产 品质 量 和生产 效率 、 降低 生 产成本 非 常重要 。 6 智 能液 压机 机身优 化设 计 。 和传统 液压 机 相 比 ， 智 能液 压机 由于具 有 节 能 、 降噪 、 功 能复合 等优 点 ， 其 机身 设计 需要 考虑 的 因素更 多 ， 主要包 括 各种 可 能 出现 的热 加工 影 响 、 极 限工 况 、 工 作频 次 、 零件 的复 杂性 等 。 长期 以来 ， 国内工 程技术 人员 主要 采用 经验 法与 相似 产 品类 比法进行 设计 ，所 进 行 的设计 计算 实 际上仅 起 到校核 作用 ，国 内锻 压机 床产 品存 在体 积 大 、 质 量重 、 控制 精 度 差 等缺 点 ， 钢材 消 耗 是 锻 压机 床 制 造企 业 产 品 成本 控 制 的关 键 因素 之一 。 目前有关 的优化 软件对 机床 系 统动态 加 工过 程考 虑 不 多 ， 锻 压机 床可 靠性 问题 没有 得到很 好 解决 ， 寿 命 降 低 ， 增 加 维护成 本 。 因此伺 服液 压机 的机 身设计 需 要 形成 锻压 机床 刚度 、强度 和 动态性 能 约束 下 的设 计 方法 和技 术体 系 ，缩短 与发 达 国家产 品设计 制 造 上 的差 距 。 7 服 务于智 能 液压机 设计 、 制造 的软件 。 目前 信 息化 和数 字化 融入 智 能液压 机设 计制 造过 程 十分 有 限 ， 部分 制造企 业 处于 “ 甩 图板 ” 阶段 ， 企业 信 息化 建 设 有 待 加 强 。 智 能 液 压 机 设 计 阶 段 需 要 有 限元 、 优 化 软件 进行 多场 耦合 计算 ，模 拟热 加工 工 艺运行 进 程 ， 给 用户 以直 观感 受 。 运行 中需 要强 大 的智能 工艺 数 据库 、 专 家库 、 远程 故 障诊 断等软 件支 撑作 在线 工 睁 田 艺 计算 ， 实 现工艺 最佳 。 运行后 及 时统计 相关 制造 信 息 和设 备运 行信 息 ， 保 护设 备正 常运行 。 在这 些领域 国 内缺 乏相 关软 件 ， 急 需组 织力量 研 发 ， 为智 能液压 机 发展 提供 配套 服务 。 3结 论 智 能 液压机 属 于高档 数控 装备 。 和传统 液压 机 相 比具 有 功能复 合 、 结构 简单 、 效率 高 、 质 量高 、 降噪 节能 显著 等优 点 ，改变 了传统 液压 机工 作特 性不 可 调等 缺 点 ， 具有 柔 性 化 、 智 能化 特 点 ， 工 作 性 能 和工 艺 适 应 性 大 大 提 高 。 智 能 液压机 关键 技术 包括 采 用伺 服 电机直 接 驱动 液压 机 的主油 泵研发 、大功率 交流 伺服 电机 及 驱动 控制 系统 开发 、 专用 控制 系统 、 能量 回收及 能量 管理 系统 的研究 、 基 于智 能液 压机 的成形 工艺 优 化 、 智能 液压 机机 身优 化设计 、服 务于 智能 液压 机设 计 制造 的软 件等 技术 。 通过关 键技 术发 展 ， 促 进智 能液 压机 总体 技术 水平 的提 升 。 【 参考 文献 】 『 1 ] 科技部． 智能制造科技发展“ 十二五” 专项规划． 2 0 1 2 ． 『 2 ] 俞新陆． 液压机的设计与应用[ M1．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 1 2 4 9 4 - 4 9 9． 『 3 ] 孙友松 ， 何寄平 ， 方雅 ， 等．交 流伺服驱动与成形装备节能 『 J 1． 锻 压装备与制造技术 ， 2 0 0 9， 4 4 5 3 1 3 6 ． [ 4 ] 苏文海， 姜继海 ， 邓攀． 直驱式电液伺服闭式回路的噪声分析 『 J 1 ．机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 0 3 4 3 8 ． f 5 】 李贵 闪， 严建文 ， 翟华 ， 等 ．大 型薄板 冲压液压机的全吨位低噪 声冲裁缓冲装置l J 1． 锻压装备与制造技术 ， 2 0 1 1 ， 4 6 0 2 4 2 4 3 ． 『 6 ] 张贵成 ， 符起贤 ， 黄尧 坤． 数控伺服压力 机的特点及其研究 机 电工程技术 ， 3 7 1 1 1 0 4 1 0 7 ． Re s e a r c h s t a t us a nd k e y t e c hn o l o g y o f i nt e l l i g e nt h yd r a ul i c pr e s s YAN J i a n we n ～，L I U J i a x u ，CHEN Ruc h a n g ，ZHAI Hu a ，L I Gui s h a n ，W ANG Yu s h a n ’ 1 ． He f e i Me t a l f o r mi n g Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ． ，He f e i 2 3 0 6 0 1 ， An h u i C h i n a ； 2． J i n a n Fo u n d r y a n d Me t a l f o r mi n g Ma c h i n e r y Re s e a r c h I ns t i t u t e Co ． ，Lt d ． ，J i na n 2 50 0 2 2，S ha n do ng Chi na； K e ywo r ds I n t e l l i g e n t h y d r a u l i