喬禮惠，劉寧書（江蘇國(guó)力鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

伺服泵控液壓機(jī)噸位精確控制的實(shí)現(xiàn)

喬禮惠，劉寧書
（江蘇國(guó)力鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

介紹了工作臺(tái)面有效尺寸僅為800mm×850mm而噸位卻達(dá)到500t液壓機(jī)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、液壓系統(tǒng)有效配置以及電氣控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)配合進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)床在各噸位下的精確控制，控制精度為各種壓制噸位的2%以內(nèi)。通過(guò)有限元計(jì)算與分析，確保機(jī)床的剛性、強(qiáng)度要求。特別通過(guò)多泵并流控制、蓄能快速回程等技術(shù)的運(yùn)用，在滿足控制精度的要求下，整機(jī)的工作頻次可達(dá)15min-1。

液壓機(jī)；伺服泵；液壓系統(tǒng)；多泵并流；蓄能器

液壓機(jī)由液壓系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力，利用液體的壓力傳遞能量以完成各種壓力加工。液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以獲得高壓制力，尤其適合于壓制高密度零件。公司所設(shè)計(jì)的液壓機(jī)機(jī)身采用整體焊接框架式結(jié)構(gòu)，結(jié)合有限元計(jì)算與分析優(yōu)化，具有較好的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)左右立柱上設(shè)置有斜楔式四角八面方型全鋼導(dǎo)軌，用來(lái)對(duì)滑塊進(jìn)行導(dǎo)向，通過(guò)與滑塊上的導(dǎo)軌條相配合可對(duì)滑塊進(jìn)行前后和左右方向的獨(dú)立調(diào)節(jié)，確保液壓機(jī)精度調(diào)整后不易發(fā)生精度跑偏現(xiàn)象，具有極高的導(dǎo)向精度和較強(qiáng)的抗偏載能力。特別是上橫梁上的油缸布局突破常規(guī)，在較小臺(tái)面機(jī)床上采用五缸結(jié)構(gòu)，中間布置一只300t活塞缸，周邊均勻布置四只50t柱塞缸，五只油缸共同工作總噸位達(dá)500t。通過(guò)液壓閥組與電控邏輯的配合分別實(shí)現(xiàn)100t/200t/300t/400t/500t共五種壓制噸位控制，能較好地實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品需求噸位下的精確控制。

1 機(jī)身有限元分析

按工作臺(tái)2/3L×2/3W加載均布載荷進(jìn)行計(jì)算（其中L為工作臺(tái)左右有效尺寸，W為工作臺(tái)前后有效尺寸），上橫梁油缸接觸環(huán)形面按300t+50t×4的油缸載荷分別加載均布載荷，滑塊頂面與活塞桿接觸面分別加載300t+50t×4的油缸載荷。按整體框架結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，有利于模擬各主要零件的變形協(xié)調(diào)關(guān)系。采用Pro/E軟件建模，導(dǎo)入到ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得到機(jī)身的整體Z向變形云圖和整體應(yīng)力云圖如圖1、圖2所示。通過(guò)有限元分析進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確?；瑝K及整機(jī)剛性≥1/6000。

圖1 整體Z向變形云圖

圖2 整體應(yīng)力云圖

2 液壓系統(tǒng)說(shuō)明

此機(jī)床液壓系統(tǒng)由主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)兩部分組成，如圖3所示。主系統(tǒng)上所有動(dòng)態(tài)閥及比例流量閥所需的壓力穩(wěn)定的控制油液均由輔助系統(tǒng)及獨(dú)立的泵源提供，為主系統(tǒng)快速、穩(wěn)定動(dòng)作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。主系統(tǒng)油液有三只伺服泵組提供，其中伺服泵組M1為8.6kW伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)福伊特內(nèi)齒泵IPVAP4-13171，伺服泵組M2、M3為16.7kW 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)福伊特內(nèi)齒泵 IPVAP4-25171，同時(shí)在主系統(tǒng)上配有噸位匹配功能，通過(guò)觸摸屏畫面進(jìn)行快速選取實(shí)現(xiàn)五種噸位的選擇，為了實(shí)現(xiàn)在不同噸位下工作時(shí)滑塊速度盡量相一致，設(shè)計(jì)匹配了選擇100t工作噸位時(shí)，僅伺服泵組M1工作，油泵提供的油液進(jìn)入柱塞缸3、柱塞缸4的上腔進(jìn)而產(chǎn)生壓制壓力；選擇200t工作噸位時(shí)，僅伺服泵組M2工作，油泵提供的油液進(jìn)入柱塞缸1、柱塞缸2、柱塞缸3、柱塞缸4的上腔進(jìn)而產(chǎn)生壓制壓力；選擇300t工作噸位時(shí)，伺服泵組M1、M2同時(shí)工作，油泵提供的油液僅進(jìn)入中間活塞缸的上腔進(jìn)而產(chǎn)生壓制壓力；選擇400t工作噸位時(shí)，伺服泵組M2、M3同時(shí)工作，油泵提供的油液分別進(jìn)入柱塞缸3、柱塞缸4和活塞缸的上腔進(jìn)而產(chǎn)生壓制壓力；而在選擇500t工作噸位時(shí)，則伺服泵M1、M2、M3同時(shí)工作，油泵提供的油液同時(shí)進(jìn)入五個(gè)缸的上腔進(jìn)而產(chǎn)生壓制壓力。各噸位之間只是壓制壓力不同，工作原理、工作效率基本一致，通過(guò)合理的能源匹配，達(dá)到了最大化的節(jié)能效果，體現(xiàn)出使用伺服泵控的優(yōu)勢(shì)。

圖3 主系統(tǒng)液壓原理圖

通常油缸上腔的高壓是通過(guò)充液閥的打開(kāi)進(jìn)行泄壓的，充液閥帶有預(yù)泄壓功能，但其預(yù)泄口的大小是固定的，如泄壓時(shí)間設(shè)定的短則泄壓不充分，回程時(shí)將產(chǎn)生沖擊；而泄壓時(shí)間設(shè)定的長(zhǎng)可充分泄壓但會(huì)影響運(yùn)行效率，因此在油缸上腔采用快速卸壓閥組，通過(guò)觸摸屏上設(shè)置系數(shù)可實(shí)時(shí)改變泄壓速度，效率高且動(dòng)作穩(wěn)定。另外在油缸下腔控制油路上設(shè)置有比例流量閥，通過(guò)改變電氣控制信號(hào)便可實(shí)現(xiàn)滑塊快下速度的變化，同時(shí)做到在滑塊下行速度由快下轉(zhuǎn)為工進(jìn)時(shí)的柔性轉(zhuǎn)換，減小了液壓沖擊，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。

3 多泵并流控制

由于受到油泵排量或電機(jī)功率的限制，單泵系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種特殊要求機(jī)器流量的需求，需通過(guò)把多個(gè)單泵系統(tǒng)的出油口并聯(lián)實(shí)現(xiàn)合流以獲得較大流量滿足動(dòng)作需要。多泵并流控制是指通過(guò)設(shè)置一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器為主驅(qū)動(dòng)器，其余設(shè)為從驅(qū)動(dòng)器，主驅(qū)動(dòng)器接收PLC發(fā)送的流量給定、壓力給定信號(hào)，并接有壓力反饋傳感器信號(hào)，當(dāng)主驅(qū)動(dòng)接收到PLC發(fā)送的信號(hào)后，主驅(qū)動(dòng)進(jìn)行流量分配并通過(guò)信號(hào)線傳輸給從驅(qū)動(dòng)。當(dāng)主從驅(qū)動(dòng)器使能都有效后，主從驅(qū)動(dòng)器同時(shí)啟動(dòng)，此時(shí)從驅(qū)的轉(zhuǎn)速與主驅(qū)一致。當(dāng)主驅(qū)動(dòng)接收的流量小于設(shè)置的從泵流量切換下限值時(shí)，主驅(qū)動(dòng)會(huì)發(fā)送流量零指令給從驅(qū)動(dòng)，從而切斷從驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。并且，當(dāng)壓力反饋大于或等于壓力給定時(shí)，主驅(qū)動(dòng)同樣切斷從泵，并結(jié)合驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)的PID運(yùn)算，解決壓力超調(diào)問(wèn)題。

4 電控系統(tǒng)控制原理說(shuō)明

如圖4所示，整個(gè)電氣控制系統(tǒng)以西門子S7-300型中型PLC為核心，配以西門子TP1200系列觸摸屏作為人機(jī)交互窗口，接收由巴魯夫磁致伸縮傳感器提供的實(shí)時(shí)位置以及ATOS壓力傳感器提供的實(shí)時(shí)壓力采集值，PLC進(jìn)行運(yùn)算處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)泰豐液壓系統(tǒng)和南京埃斯頓伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，滿足工藝高速高精的控制要求。特別是通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部所擁有的壓力流量雙閉環(huán)算法，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓制噸位的高精度控制，即在實(shí)際壓制噸位接近于觸摸屏中設(shè)置的壓力目標(biāo)值時(shí)，伺服電機(jī)會(huì)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，從而確保壓力不會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，將噸位精度控制在2%范圍內(nèi)。在操作上根據(jù)所選擇的不同噸位，壓制時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換成相對(duì)應(yīng)的伺服泵進(jìn)行控制。

圖4 觸摸屏監(jiān)控畫面

5 蓄能器的應(yīng)用

通常為提高整個(gè)機(jī)床的工作效率，都會(huì)要求提高滑塊的回程速度，但若按照最大負(fù)載時(shí)的回程壓力和最大運(yùn)動(dòng)速度時(shí)的流量來(lái)選擇泵和電機(jī)時(shí)，會(huì)造成整個(gè)機(jī)床能量的浪費(fèi)和設(shè)計(jì)制造成本的上升。因此在此設(shè)計(jì)中采用了蓄能器這一結(jié)構(gòu)部件，在滑塊下行過(guò)程中通過(guò)輔助油泵對(duì)蓄能器進(jìn)行充液，達(dá)到設(shè)定壓力通過(guò)壓力信號(hào)發(fā)訊切斷供油管路，而當(dāng)滑塊回程時(shí)通過(guò)電磁閥的得電，使得蓄能器中的油液釋放，補(bǔ)充到主油缸下腔的管路中，提高滑塊的回程速度。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能量的合理轉(zhuǎn)換并進(jìn)行有效利用，既減小了整機(jī)的裝機(jī)容量，又節(jié)約了液壓裝置的安裝空間。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)有限元分析結(jié)果，確定了機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案并加以實(shí)施，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)的機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，其剛性、強(qiáng)度完全能滿足使用。整機(jī)控制利用液壓系統(tǒng)的有效配置以及快速響應(yīng)的電氣系統(tǒng)，特別是結(jié)合多泵并流控制、蓄能快速回程等技術(shù)的應(yīng)用，在滿足高精度壓力控制的同時(shí)，整機(jī)工作效率得到了保證。

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Achievement of accurate control for the
tonnage of servo pump controlled hydraulic press

QIAO Lihui,LIU Ningshu
（Jiangsu Guoli Metalforming Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

The accurate control under various tonnages has been achieved to the hydraulic press in 500 tonnages with only 800mm×850mm valid table,by use of mechanical structure optimization,valid hydraulic deposition and quick response from electric control system.The control accuracy can be controlled within 2%of each tonnage.By finite element calculation and analysis,the rigidity and strength demands of the press have been ensured.By adoption of multi-pump flow control and accumulating quick return technology, the working frequency of whole machine can reach 15 times/min under the satisfied control accuracy requirement.

Hydraulic press;Servo pump;Hydraulic system;Multi-pump flow;Accumulator

TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.005

1672-0121（2017）02-0019-03

2016-11-01；

2017-02-15

喬禮惠（1979-），男，工程師，從事鍛壓設(shè)備電氣設(shè)計(jì)研究。

E-mail：qw060616@126.com