王東明 張懷德 馬 麟

（天水鍛壓機(jī)床有限公司國家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心，甘肅天水 741020）

1 多油缸同步技術(shù)概述

影響油缸同步的因素很多，主要有以下幾方面:（1）偏載造成油缸工作負(fù)荷不同和不穩(wěn)定;（2）油缸內(nèi)部摩擦阻力不同;（3）導(dǎo)軌摩擦阻力不同;（4）油缸和液壓閥的泄漏不同;（5）油缸的直徑制造誤差不同;（6）系統(tǒng)和元件的流動(dòng)阻力不同;（7）機(jī)械系統(tǒng)剛性不同等［1］。

多油缸（以下簡(jiǎn)述為多缸）同步傳統(tǒng)的解決方法有:（1）機(jī)械強(qiáng)制同步（俗稱扭軸同步）技術(shù);（2）機(jī)液同步（俗稱旋閥同步）技術(shù);（3）電液伺服閥同步技術(shù);（4）電液比例閥同步技術(shù)等。其中電液伺服閥響應(yīng)速度快，控制精度高，有良好的動(dòng)態(tài)特性，是解決油缸同步技術(shù)的一種先進(jìn)方案，但是生產(chǎn)成本和使用成本較高，目前國內(nèi)外在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸減少。電液比例閥是利用比例電磁鐵技術(shù)對(duì)電液伺服閥進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在壓力、流量和方向閥的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種液壓控制閥［2］。特別是高性能比例閥內(nèi)置位移傳感器LVDT（linear variable differential transformer線性可變差動(dòng)變壓器），使比例閥的控制精度、響應(yīng)速度、動(dòng)態(tài)特性有很大提高，通過電液比例閥，實(shí)現(xiàn)多缸電液比例同步控制，生產(chǎn)成本和使用成本比較低，是目前國內(nèi)外多缸同步控制的主流解決方案。

2 多缸同步控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

和車、銑床等通用數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)化研究快速發(fā)展相比，國內(nèi)多缸同步控制系統(tǒng)的研究和國外有較大的差距。車、銑床通用數(shù)控系統(tǒng)控制的軸一般是電氣伺服軸和機(jī)械多軸聯(lián)動(dòng)控制。多缸同步系統(tǒng)由于液壓油的物理特性決定了其響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)特性都較低，而且在液壓電液比例系統(tǒng)啟動(dòng)、停止以及換向時(shí)都會(huì)出現(xiàn)大滯后性，導(dǎo)致給定量與執(zhí)行系統(tǒng)速度之間有非線性區(qū)域，該區(qū)域恰恰影響液壓系統(tǒng)定位精度。如果以控制線性電氣軸的模型來控制非線性液壓軸，速度會(huì)不穩(wěn)定，而且位置閉環(huán)會(huì)不停地修正由速度不穩(wěn)定所帶來的位置偏差，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定，造成定位誤差較大。另外由于液壓系統(tǒng)的特殊性，需要電氣研發(fā)人員具有豐富的液壓行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，特別是對(duì)液壓專業(yè)技術(shù)掌握程度要求比較高。

目前，國內(nèi)國外多缸電液比例同步控制系統(tǒng)由荷蘭DELEM公司、瑞士CBLCLE公司、比利時(shí)LVD公司和德國BOSCH－REXROCH公司等國外幾家公司生產(chǎn)。其中荷蘭DELEM公司的DA65W系列產(chǎn)品和瑞士CBLCLE公司的MODEVA12系列產(chǎn)品，裝備了國內(nèi)絕大多數(shù)兩缸同步液壓板料折彎機(jī)生產(chǎn)廠家。對(duì)于電液比例多缸（大于等于四缸）同步控制系統(tǒng)只有比利時(shí)LVD公司和德國BOSCH－REXROCH公司可以生產(chǎn)，LVD公司不提供商業(yè)化產(chǎn)品，BOSCH－REXROCH公司產(chǎn)品先后提供從HNC4系列控制器、MX4系列控制系統(tǒng)到MAC8系列控制系統(tǒng)，由于成本等方面的原因國內(nèi)裝備該系列控制系統(tǒng)的液壓板料折彎機(jī)廠商未見報(bào)道。

3 基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統(tǒng)研究

3.1 西門子T－CPU控制平臺(tái)

近年來西門子公司推出了T－CPU（Technological tasks with SIMATIC），給用戶提供 S7－300 PLC邏輯控制的同時(shí)，提供了典型的多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、壓力控制和液壓軸的控制功能，是一種實(shí)用性很強(qiáng)的電氣液壓多功能控制平臺(tái)。

T－CPU設(shè)計(jì)理念是把PLC控制功能和運(yùn)動(dòng)控制功能，傳動(dòng)裝置參數(shù)化功能融合在一起，組成一個(gè)自動(dòng)化控制平臺(tái)。T－CPU是雙CPU系統(tǒng)，一個(gè)是傳統(tǒng)的S7系列PLC的CPU，另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)控制CPU，兩CPU之間通過硬件連接，不需要用戶編寫程序。T－CPU還包含一個(gè)符合PLCopen國際標(biāo)準(zhǔn)的功能塊庫，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的編程，用戶可以調(diào)用現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)控制功能塊，該功能塊在接口、功能和順序方面方便工程組態(tài)、調(diào)試和服務(wù)。

T－CPU硬件包括DP/MPI和DP（DRIVE）兩個(gè)接口，使用 HW Config創(chuàng)建所需驅(qū)動(dòng)組件。通過DP（DRIVE）接口和IM174模塊鏈接。每個(gè)IM174模塊，可以輸出4個(gè)獨(dú)立的模擬量給定信號(hào);編碼器類型可以選擇4個(gè)TTL增量型編碼器，或者4個(gè)SSI絕對(duì)值編碼器;20路I/O點(diǎn)，和T－CPU的同步通訊速率最大到12 MB/s。

3.2 基于T－CPU多缸電液比例同步控制系統(tǒng)方案

T－CPU控制多缸電液比例同步系統(tǒng)時(shí)，T－CPU是該系統(tǒng)的主控制器。就單個(gè)油缸控制而言，T－CPU可以通過模擬量輸出來控制比例方向閥的開度和方向，從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度大小;油缸速度和位置反饋傳感器（光柵尺或磁柵尺）通過IM174接口模塊輸入脈沖信號(hào)反饋給T－CPU，油缸實(shí)際速度和位置反饋值通過PROFIBUS－DP（DRIVE）從IM174模塊傳送至T－CPU，由T－CPU控制器計(jì)算出的控制設(shè)定值傳送至IM174模塊，傳送的控制設(shè)定值作為模擬量值從IM174模塊輸出至電液比例方向閥，電液比例方向閥控制液壓油缸運(yùn)行，組成一個(gè)單軸位置閉環(huán)電液比例控制系統(tǒng)。

在T－CPU軟件系統(tǒng)中，“同步軸”概念的提出使多缸同步控制成為可能?！巴捷S”是在同步控制多個(gè)軸時(shí)，其中以一個(gè)軸的控制數(shù)據(jù)或以這個(gè)軸的實(shí)際反饋傳感器為主軸，提供控制基準(zhǔn)，其他軸均為從軸，按比例系數(shù)或按預(yù)設(shè)的曲線進(jìn)行同步跟蹤，移植液壓?jiǎn)屋S運(yùn)動(dòng)控制功能，同步軸控制功能完成多缸間精確的同步速度及最終位置控制。在該系統(tǒng)中將Y1軸作為主軸，其他Y2、Y3、Y4三個(gè)軸為同步從軸是主軸的跟隨軸，將同步控制的速度和位置賦值給主軸，各從軸同時(shí)獲得速度和位置的所有賦值，在動(dòng)態(tài)控制過程中從軸跟隨主軸的主控值，主控值和從軸的位置之比按照一比一計(jì)算。圖1給出了基于T－CPU的多缸電液比例同步電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3.3 基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統(tǒng)軟硬件配置

該系統(tǒng)硬件配置在S7－317－2DP系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了S7T Config即CPU硬件配置，具體配置過程如下:①在SIMATIC管理器中創(chuàng)建新的項(xiàng)目并添加一個(gè)SIMATIC300站點(diǎn)，配置硬件組態(tài);②在 S7T Config中配置液壓軸，S7T Config的瀏覽器中，雙擊“插入軸”（Insert axis），在“常規(guī)”（General）選項(xiàng)卡中，選擇“速度控制”（Speed control）和”定位”（Positioning）控制，然后打開軸向?qū)В谳S類型話框中，選擇“液壓”（Hydraulic）軸類型，將閥類型定義為“Q閥”（Q valve）;③配置完液壓軸的物理單位后，進(jìn)入到輸入輸出的配置界面，并選擇其輸出方式模為擬量輸出;④選擇輸出設(shè)備為模擬量輸出模塊，填入相應(yīng)參數(shù)，如模擬量輸出地址（Output）;⑤進(jìn)入位置反饋參數(shù)分配界面，輸入系數(shù)及偏置（Factor/Offset）;⑥分配完所有參數(shù)，單擊“完成”（Finish）退出軸組態(tài)對(duì)話框。

該系統(tǒng)軟件配置在STEP7系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了S7－Technology功能庫，從庫中可以方便選取多缸同步控制需要的功能塊:①讀取參數(shù)（MC_ReadSysParameter FB406）;②修改工藝對(duì)象的參數(shù)（MC_WriteParameter FB 407）;③使能/去能軸（MC_Power FB 401）;④以固定速度進(jìn)給（MC_MoveVelocity FB 414）;⑤運(yùn)行到目標(biāo)位置/終點(diǎn)（MC_MoveToEndPos FB 415）;⑥啟動(dòng)齒輪同步（MC_GearIn FB 420）;⑦停止齒輪同步（MC_GearOut FB 421）;⑧主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的相對(duì)移動(dòng)（MC_Phasing FB 424）;⑨比例壓力限制（MC_ForceLimiting FB470）;⑩比例壓力控制（MC_ForceControl FB471）等。

4 基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統(tǒng)在液壓板料折彎機(jī)中的應(yīng)用

液壓板料折彎機(jī)是一種由模具相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)板料折制成不同角度的板料加工通用設(shè)備。近年液壓板料折彎機(jī)向大噸位（6 000 t）、多缸（四缸以上）、超長(zhǎng)度（工作臺(tái)長(zhǎng)達(dá)13 m）方面發(fā)展。大型液壓板料折彎機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一是液壓油缸多缸同步控制技術(shù)。

液壓板料折彎機(jī)液壓系統(tǒng)主要組成:①4組油缸（Y1～Y4液壓軸）;②4組電液比例方向閥組;③4組油缸下腔安全閥組;④4組油泵電動(dòng)機(jī)及電磁溢流閥組;⑤1組比例壓力閥組;⑥4組油缸位置檢測(cè)傳感器。每組油缸液壓控制系統(tǒng)原理完全一致，圖2給出了液壓板料折彎機(jī)多缸電液比例同步液壓系統(tǒng)圖。

液壓板料折彎機(jī)4組油缸驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，滑塊運(yùn)動(dòng)共分為5個(gè)沖程:①快速下行，滑塊以85 mm/s速度快速下行;②慢速工進(jìn)，滑塊到快慢速切換位置后轉(zhuǎn)入小于10 mm/s的慢速工進(jìn)，在該沖程開始折制工件;③保壓，工件折制到設(shè)定的位置后開始3～5 s的保壓;④卸壓，保壓結(jié)束后液壓系統(tǒng)卸壓;⑤快速返程，卸壓完成后滑塊進(jìn)入75 mm/s快速返回［3］。

將基于T－CPU的多缸電液比例同步控制系統(tǒng)作為通用控制器，應(yīng)用到液壓板料折彎機(jī)中，其控制性能、控制指標(biāo)完全達(dá)到荷蘭 DELEM公司和瑞士CBLCLE公司兩缸同步控制水平，實(shí)現(xiàn)多缸速度控制、多缸精確的位置控制、多缸間精確的位置同步控制，在大噸位、多缸、超長(zhǎng)工作臺(tái)液壓板料折彎機(jī)中性價(jià)比更高，優(yōu)勢(shì)更明顯。

［1］楊寶光.鍛壓機(jī)械液壓傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［2］楊逢瑜.電液伺服與電液比例控制技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［3］雷天覺.液壓工程手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.