液压机多油缸同步控制关键技术研究.pdf

1 50 机 械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nM a n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 4年 6月 液压机 多油缸同步控制关键技术研究 闰隆， 张洛平 ， 侯振宇， 史少杰 河南科技大学 机电工程学院， 河南 洛 阳4 7 1 0 0 3 摘要 介绍了一种多油缸同步驱动控制方案， 该方案主要用于大型模锻液压机活动横梁的平衡控制， 即在液压机活动 横梁四角对称安装四个精密制造的液压缸， 采用四个拉线位移传感器实时检测液压机活动横梁四角位移， 利用数字阀控 制液压缸输入流量， 四个液压缸分别对液压机活动横梁四角水平位移进行调节， 通过控制数字阀缝隙长度来间接控制液 压缸的位移和速度 ， 实现液压机 活动横 梁的水平控制。同时利用 A ME S i m软件对该 同步控制液压 系统进行仿真 ， 分析液 压缸流量、 位移与数字阀缝 隙长度之间的变化关 系。 关键词 液压机 ； 活动横梁 ； 数字阀 ； 同步驱动 ； A ME S i m 中图分类号 T H1 6 ； T G 3 1 5 ． 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 6 0 1 5 0 0 3 Re s e a r c h o n Es s e n t i a l T e c h n o l o g y o f S y n c h r o n o u s Co n t r o l wi t h Mu l t i - Cy l i n d e r f o r Hy d r a u l i c Pr e s s Y A N L o n g ， Z H A N G L u o - p i n g ， HO U Z h e n y u ， S H I S h a o - j i e S c h o o l o f M e c h a t r o n i e s E n g i n e e r i n g ， He ’ n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， He n a n L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t h i n t r o d u c e d a c o n t r o l s c h e m e o fs y n c h r o n o u s d r i v i n g w i t h m u l t i - c y l i n d e r s ． T h i s s c h e m e m a i n l y W O 8 use d t O c o n t r o l t h e b a l a n c e o f t h e a c t i v i t y c r o s s b e a m o f l a r g e s c Q k 如r 垂 n g h y d r a u l i c p r e s s ，I t a d o p t e d fou r p r e c i s i o n m a n u f a c t u r i n g h y d r a u l ic c y l i n d e r s w h i c h w e r e s y m me t r i c a l l y i n s t a l l e d o n t h e c o r n e r s o f t h e c r o s s b e am o f h y d r a u l i c p r e s s ，a n d fou r d is p l a c e me n t s e n s o r s t o d e t e c t t h e d is p l a c e m e n t s o f t h e c o r n e r s of t h e c r o s s b e am ，t h e n use d t h e d i g i t a l v a l v e t o c o n t r o l t h e i n p u t fl o w of h y d r a u l ic c y l i n d e r ， a n d t h e f o u r h y d r aul i c c y l i n d e r s t O r e g u l a t e t h e q u adr a n gul a r h o r i z o n t a l d i s p l ace m e n t s o n t h e c r o s s b e a m． h r e gul a t e d t h e p o s i t i o n and s p e e d of t h e h y d r a u l ic c y l i n d e r b y c o n t r o l l i n g g a p l e n g t h of t h e d i gi t al v al v e ， a n d t h is e n s u r e d t h e b a l anc e c o n t r o l of t h e c r o s s b e a m ofh y d r a u l i c p r e s s ． C o n c u r r e n t l y ， i t s i m u l at e d t h e s y n c h r o n o u s c o n t r o l h y d r a u l ic s y s t e m b y S o f t w are A ME S i m， and anal y z e d t h e c h angin g r e l ati o nsh ip b e t w e e n t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ’ S d i s p l ace me n t a n d t h e d i git al v alv e ’ S g ap l e n g t h ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c P r e s s ； Cr o s s b e a m ； Di g i t a l Va l v e ； S y n c h r o n o u s Dr i v i n g ； AM ES i m 1 引言 随着现代工业的发展， 同步驱动技术应用越来越广泛 ， 无论 是金属加工设备、 工程机械， 还是航空航天装置， 都对同步控制精 度有非常高的要求。同其他同步驱动相比， 液压同步驱动不仅结 构简单、 组成方便， 更容易实现 自动控制和大功率控制1 】。液压同 步驱动通常用在大、中型精密模锻液压机活动横梁的平衡控制， 其同步控制性能的好坏直接决定加工产品的质量 ， 液压同步驱动 的作用就是使活动横梁始终保持在一定的水平精度， 从而保证零 件加工所需的尺寸精度； 同时也有利于改善液压机机身的受力状 态， 延长液压机的使用寿命口 。 针对液压机加载过程活动横梁倾斜 原因进行分析总结，提出一套液压机多油缸同步驱动控制方案， 通过分别控制多个数字阀缝隙长度来控制液压缸的位移和速度 ， 实现液压缸位移的微量进给和同步控制， 具有响应速度快、 位置 控制精度高、 速度稳定性好等优点。 2液压机活动横梁倾斜的主要原因 液压机通常是通过固定在活动横梁上的上模对锻件进行施压 的， 其活动横梁的水平精度将直接关系到零件的加工精度与生产效 率。但是， 液压机在工作时， 活动横梁容易受到各种因素的影响， 从 而发生倾斜， 活动横梁发生倾斜的原因有以下几点 1 液压机由多 个液压缸同时驱动， 受安装精度和制造精度的影响， 液压缸的布置 不可能绝对的几何对称， 可能造成液压缸不同步； 模具的安装误差 也会造成上、 下模压合时抗力分布不均、 活动横梁受力倾斜； 活动横 梁与立柱之间存在一定的间隙， 也会使活动横梁发生微量的偏斜 ； 2 液压机液压系统存在一定程度的泄漏， 再加上液压油本身又有 一 定的压缩陛，很难保证活动横梁在下压过程中始终保持水平； 电 液控制元件的死区、 饱和等非线性特I生和液压缸机构的泄漏， 也会 产生同步误差， 造成活动横梁倾余 斗 翻 ； 3 由于锻件材质不均、 形状不 对称， 导致锻造时各处金属流动和变形力存在差异， 锻件对上模就 来稿 日期 2 0 1 3 1 1 - 0 8 基金项目 河南省重点科技攻关项 目 1 1 2 1 0 2 2 1 0 4 2 1 作者简介 闰隆， 1 9 8 8 一 ， 男， 河南原阳人， 硕士研究生， 主要研究方向 智能制造与数控技术； 张洛平 ， 1 9 5 5 一 ， 男 ， 河南洛 阳人， 教授 ， 硕士生导师 ， 主要研究方 向 智能制造与数控技 术 第 6期 闫隆等 液压机 多油缸 同步控制关键技术研 究 1 5 1 容易产生偏心抗力 ， 此抗力通过活动横梁传递给液压缸 ， 使液压 缸受力不均， 导致液压缸油压力、 容腔泄露不同， 液压缸活塞运动 速度不同， 活塞移动位移不一致， 液压缸不同步， 活动横梁产生倾 斜 。 活动横梁一旦发生倾斜， 将造成液压机上、 下模不能准确地 压合， 使锻件达不到应有的变形量 ， 满足不了零件的精度要求， 严 重的影响产品的质量， 甚至造成废品； 同时活动横梁的倾斜， 将影 响液压机各部件的受力状态， 降低液压机的使用寿命。 3液压机同步驱动控制系统 3 ． 1液压缸、 编码器安装和同步控制液压 系统工作原理 同步驱动技术应用于大工作平面液压机活动横梁的四角平 衡控制，液压机驱动系统设有 3个主油缸和 4个同步调平缸， 3 个主油缸呈直线分布安装在上横梁上， 4个同步液压缸安装在液 压机上横梁四角位置圄 ， 系统各油缸安装位置， 如图 1 所示。 4 1 ．活动横梁 2 ．上横梁 3 ． 同步调平缸 4 ． 活塞式液压缸 5 ． 拉线位移编码器 6 ．拉绳 7 ．打料杆 图 1液压缸安装位置图 Fi g ． 1 I n s t a l l a t i o n L o c a t i o n s o f t h e Hy d r a u l i c C y l i n d e r 在液压机上横梁四角位置分别安装 4 个高精度的拉线位移 编码器，编码器拉环安装在液压机活动横梁的四角对应位置处， 当活动横梁在液压缸驱动作用下运动时， 拉线编码器将实时检测 活动横梁四角的位移 ， 理论上应该是角位移， 但因其值较小， 所以 在此可以用传感器测得的直线位移代替。 同步控制液压系统工作原理， 如图2 所示。 1 ．油泵 2 ．溢流阀 3 ． 蓄能泵 4 ．液控单向阀 5 ． 电磁阀 6 ． 电磁阀 7 ． 数字 阀 8 同 步调平缸 图 2同步控制液压系统工作原理图 F i g ． 2 W o r k i n g P r i n c i p l e o f t h e S y n c h r o n o u s C o n t r o l Hy d r a u l i c S y s t e m Di a g r a m 4 个同步液压缸的液压系统图[6 3 ， 如图2所示。 主要功能为辅 助主油缸实现陕进，驱动同步缸实现工进和活动横梁的调平， 辅 助主油缸实现陕退。快进过程 三个主油缸驱动活动横梁快速下 移， 电磁铁 4得电， 三位三通电磁换向阀右侧油路导通； 电磁铁 1 Y 得电， 三位三通电磁换向阀左侧油路导通， 另外数字阀7 嘲 到到最 大开口处， 两阀同时工作， 保证同步液压缸快速辅助进给。工进过 程 四个 同步液压缸驱动活动横梁完成液压机工进 ， 电磁铁 3 Y失 电换向阀6 处于关闭状态， 电磁铁 1 Y仍处于得电状态， 三个主油 缸自由开启， 仅依靠数字阀来实现液压机工进和活动横梁的四角 位移调平 。快退过程 3 个主油缸驱动活动横梁快速退回。 3 - 2同步控制流程 液压机同步控制精度要求较高， 采用位置闭环控制 液压机 上横梁四角位置各装有一个高精度拉线位移编码器， 编码器拉环 安装在液压机活动横梁四角的对应位置，输出端 口连接控制器； 数字阀右端连接一个交流伺服电机， 伺服电机和控制器之间连接 伺服驱动器， 形成一个闭环控制回路。 活动横梁工进下移发生倾斜后，拉线位移传感器对活动横 梁四角位移进行实施测量， 通过转换输出一个与所测位移量成比 例关系的A B Z方波信号， 编码器将方波信号传递给 P L C控制器， 控制器再上传递给上位 P C机， 上位机经过分析计算得出活动横 梁四角位移偏差， 反馈给 P L C控制器； 若偏差值在允许水平精度 范围内， 则该处数字阀缝隙长度不变， 数字阀流量不变； 若偏差值 超出精度范围，控制器通过伺服驱动器给伺服电机发送脉冲信 号，伺服电机驱动数字阀芯螺母副轴向移动改变其缝隙长度， 调 节数字阀流量大小， 实现液压缸微量进给， 从而保证四个同步液 压缸位移同步， 实现液压机活动横梁的平衡控制。 4基于 A ME S i m的同步控制液压系统建 模与仿真 4 ． 1同步控制液压系统 AME s i m建模 图3 A M E S i m仿真模型 Fi g ． 3 S i mu l a t i o n Mo d e l o f AMES i m L i b r a r i e s 此同步控制方案依靠伺服电机驱动数字阀阀芯轴向移动， 来调节数字阀开口长度和流量， 在 A ME S i m标准库中没有此结构 的对应元件， 参照文献听0 用液压元件设计 H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n ， HC D库中普通节流阀和有终端的线性位移块简易的地 搭建出伺服电机和数字阀串联模型。基于 A M E S i m建立的同步 控制液压系统仿真模型， 如图3所示。 1 5 2 机 械 设计 与 制造 No ． 6 J u n e ． 2 0 1 4 4 ． 2仿真参数设置 A M E S i m仿真初设系统参数 如下 液压泵额定流量设为 1 5 0 L ／ mi n ， 系统工作压力为 2 5 MP a ， 液压油密度设为 8 5 0 k g ／ m ， 绝 对黏度设为 2 ． 5 c P ， 电机转速设为 1 0 0 0 r ／ m i n ， 液压缸活塞直径为 2 0 0 mm，杆径为 1 4 0 m m，行程为 1 0 0 ram，数字阀阀芯直径为 2 4 ra m， 缝隙长度范围 0 - 4 0 m m， 缝隙值为 O ．0 8 m m。 4 ． 3仿真结果及分析 设定系统在液压缸零位开始仿真，变量信号为数字阀缝隙 长度， 仿真时间为 l s ， 仿真步长为 o ． 1 s ， 仿真结果， 如图4 一 图7所 示。 数字阀两端口的压力随时间变化曲线， 如图4 所示。 数字阀流 量随时间变化曲线， 如图5所示。O s 处初始值均为为 0 ， 0 ． 1 s 以后 数字阀两端压力、 数字阀流量均稳定， 这是因为A ME S i m仿真时， 液压泵是从 O s 起给各液压元件提供油压， 有 0 ． 1 s 的延时误差， 实 际当中数字阀两端压力、 流量变化曲线均为0 ． 1 s 后的曲线。 t lI bafl呻 一 sure portl[bar] 0 一 b a f l - p re s I | y 0 ． 0 0 0 ． 2 0 0 ．4 0 0 ．6 0 0 ． 8 0 1 ． 0 0 X Time [ s ] O 图 4数字阀端口压力曲线 F i g ．4 Di g i t a l Va l v e P r e s s u r e C u r v e -2 一 b B f l na w r a t e p o r t 2 [ Umi n U． U U U． ZU U ． 4 U U ． O U U． U 1 ． UU X T i me [ s ] 图 5 数字 阀流量 曲线 F i g ．5 Di g i t a l Va l v e Fl o w Ch a r t 数字阀缝隙长度变化时数字阀流量曲线， 如图6所示。随着 数字阀缝隙长度的增大， 数字阀流量不断减小， 当缝隙长度大于 8 mm后， 数字阀流量曲线变化缓慢， 此时可以有效控制液压缸活 塞的微量移动， 实现液压缸的同步进给。 缝隙长度 L m m 图 6数字阀流量 曲线 F i g ．6 D i git al V a l v e F l o w C h a r t 数字阀缝隙长度变化时液压缸位移曲线， 如图7 所示。随着 数字阀缝隙长度的增大， 液压缸位移不断减小， 当缝隙长度达到 3 4 mm后， 液压缸位移曲线变化缓慢， 速度较低时可能出现爬行 现象 ； 为避免爬行带来的负面影响， 应尽可能增大液压系统的刚 性， 提高系统油温， 采用制造精度较高的液压缸。 缝隙长度 L m m 图7 数字液压缸位移曲线 F i g ． 7 Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Di s p l a c e me n t C u rve 5结论 通过对液压机工作缸不同步因素和活动横梁倾斜原因分 析， 设计了一套基于数字油缸技术的液压机多油缸同步驱动控制 方案，并利用 A M E S i m液压仿真软件对其液压系统进行仿真分 析， 得到了液压缸位移和数字阀缝隙长度的对应关系， 该同步控 制系统可以更好的控制锻压时活动横梁的水平精度， 提高锻件的 加工精度 ， 改善液压机的受力状况， 延长液压机的使用寿命。 参考文献 [ 1 ] 刘忠伟． 巨型模锻液压机主动同步控制方案的设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2， 4 0 3 1 0 3 1 0 5 ． 1 1 1 ． L i u Z h o n g - 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