等温锻造液压机的四角调平控制系统.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 0 0 6 0 0 2 8 0 3 等 温 锻 造 液 压 机 的 四角 调 平控 制 系统 韩 其 义 ， 山东 力 丰 重 型 机 床 有 限公 司 张 英 男 天 津 分 公 司 ， 天 津3 0 0 1 3 4 摘要 介 绍 了等 温锻造 液压机 在 等温锻造 时的一种 四角调 平控 制方 案 ， 通过现 场 等温锻 造验 证 ， 表 明该 设 计方案在 等温锻 造 的四角调平 控制 中是 行之 有效 的。 关键 词 机械 制造 ； 四角调平 ； 等温锻造 ； 液压机 中 图 分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文 献 标 识 码 B 1 引言 带 四 角 调 平 系 统 的等 温 锻 造 液 压 机 ，是 我 国发 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 7 作者简介 韩其义 1 9 6 1 一 ， 男， 工程师 ， 从事机械设计与 自动化 表 4右偏 载路 径上节 点位 移值 路径 1 路径 2 路径 3 起点位移／ m m 0 ．7 7 8 1 ．4 5 4 0 ． 6 6 4 终点位移， m m 1 ． 8 8 4 3 ．6 0 6 1 ． 6 1 4 极值， m m 3 ．0 0 8 - 0 ． 0 2 6 右 偏 载 状 态 下 ， 读 取 图 1 4中标 注 点 左 右 方 向 的 位移 值分别 为一 0 ． 1 3 3 mm、 一 0 ． 0 4 6 mm，即在右偏 载力 的作 用 下 ， 上 、 下 模 具 间 隙值 变 化 了 0 ． 0 8 7 mm。 5结 论 通 过 有 限 元 分 析 方 法 ，获 得 了结 构 在 公 称 力 载 荷 状 态 下 的应 力 和 位 移 云 图 ，进 而 得 出 结 构 的 应 力 集 中情 况 及 变 形 情 况 。 非 偏 载 公 称 力 载 荷 作 用 下 ，液 压 机 机 身 应 力 在 3 0 MP a ～ 4 0 MP a范 围 内 ， 滑 块 与 导 柱 接 触 处 的 最 大 集 中 应 力 值 在 1 7 0 MP a左 右 。 上 横 梁 、 下 横 梁 、 滑 块 的 变形 值分别 为 1 ． 4 8 mm、 1 ． 1 6 5 mm、 0 ． 2 3 8 mm。 展 新 型航空 航 天高 新 技术 工程 中所需 的重 大设 备 ， 主 要 适 用 于航 空 高 强 度 材 料 等 温超 塑 性 成 形新 工 艺 。因被锻 材料塑 性差 ， 变 形抗力 大 ， 变 形速率 要求 严格 ， 锻 造 丁艺 复杂 ， 因此 ， 液压 机 的设 计 制造都 应 偏 载 状 态 下 ， 机 身 应 力值 在 6 0 MP a以下 ； 滑 块 与导柱 接触 区域 最 大应力 值在 2 0 0 MP a左右 。左偏 载力 作用 下 模 具 间 隙值 变化 了 0 ． 1 3 6 mm，上梁 、 滑 块 、 下 梁 的 倾 斜 值 分 别 变 化 了 1 ． 1 0 7 mm、 2 ． 2 6 6 mm、 0 ． 9 5 3 mm。 右 偏 载 力 作 用 下 模 具 间 隙 值 变 化 了 0 ． 0 8 7 mm， 倾 斜 值 分 别 为 一 1 ． 1 0 6 ram、 一 2 ． 1 5 2 ram、 -0． 95mm 。 【 参 考文献 】 [ 1 ] 中国机械 工程 学会塑性工程学会 【 M】 ． 锻压手 册． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 7 1 0 ． [ 2 ] 刘相新 ， 盂宪颐．A N S Y S 基础与应用教程【 M 】 ． 北京 科学出版社， 2 o 0 6 ． [ 3 】 王尚斌， 孙宇， 张庆飞． 5 0 0 0 k N机械压力机机身有限元分析 ． 锻压技术 ， 2 0 0 9 ， 1 l 1 9 1 2 3 ． 【 4 】 李月仙 ， 元秀梅． 基 于 A N S YS的注塑机前 模板有限元分析册． 机 械工程及 自动化 ， 2 0 0 8 ， 2 7 0 7 1 ． [ 5 ] 王春寒． 在 A N S Y S软件 中高强度预 紧力的施加方 法【 J ] ． 四川建 筑 ， 2 0 0 6 ． 2 1 4 0 1 4 1 ． 满 足 工 艺 对 结 构 形 式 、 刚 度 、 强 度 、 机 械 精 度 ， 特 别 是 对 滑 块 运 动 速 度 及 滑 块 平 面 位 置 的 控 制 精 度 的 特 殊 要 求 ， 以 便 改 善 产 品 精 度 ， 提 升 产 品 质 量 。 这 里 ， 等 温 锻 造 液 压 机 采 用 了 新 型 组 合 大 型 框 架 主 机 结 构 ， 滑 块 采 用 5缸 驱 动 。 主 缸 是 一 个 可 产 生 主 吨 位 压 力 的 柱 塞 缸 ， 滑 块 四 角 分 布 4个 调 平 缸 ， 为 活 塞 缸 。 目前 ， 对等 温锻 造液压 机 工作参 数作 了如下要 求 速 度 范 围 0 ． 0 0 5 ～ 0 ． 5 mm／ s ， 实 现 恒 速 控 制 ， 滑 块 下 平 面 精 度 在 0 ． 1 mm／ m 内 2系 统 设 计 控 制 方 式 2 ． 1四角 调 平 理 论 在 等 温 锻 造 高 强 度 材 料 时 ， 因单 位 面 积 材 料 上 变 形 抗 力 不 一 致 ，容 易 导 致 滑 块 受 力 偏 载 而 发 生 弹 性 变 形 此 处 假 设 模 具 不 发 生 变 形 ， 难 以 保 证 压 制 产 品 精 度 。为 此 ， 在 设 计 液 压 机 时 ， 应 使 滑 块 具 备 四 角 调 平 功 能 ， 以 抵 消 滑 块 偏 载 变 形 。 滑 块 在 压 制 产 品 过 程 中 ，可 以 从 滑 块 四 角 的各 直 线 位 移 数 显 尺 检 测 出其 各 自所 对 应 调 平 缸 的 实 时 位置 数据 ，同时并将 这 4组数 据 与主缸 的直线 位移 数 显 尺 检 测 出 的 数 据 进 行 比较 ，然 后 再 根 据 各 自比 较所得 的差 值数 据进 而输 出电信号 ，决 定 液压 调平 系 统 控 制 各 自对 应 的 调 平 缸 作 用 力 的 状 况 ， 以抵 消 滑 块在 等温 锻造 工艺过 程 中受力 偏 载而发 生 的弹性 变 形 ， 进 而 达 到 理 想 调 平 效 果 。 例 如 ， 调 平 缸 的 直 线 位 移 数 显 尺 数 值 位 置 高 于 中 间 主 缸 直 线 位 移 数 显 尺 数值 位置 ，说 明此 处安 装 的调平 缸对 应 的滑块 点 上 位 置 发 生 弹 性 变 形 ， 已 经 高 于 滑 块 中 心 位 置 ， 此 时 通 过其 液 压控 制 系 统供 给调 平 缸 一个 向下 的作 用 力 ， 以 消 除 此 处 滑 块 的 弹 性 变 形 量 。 图 1 所 示 为 调 平 作 用受 力状 况 。 同理 ， 当调 平缸 的直 线位 移数 显 尺数值 位 置 低 于 中 间 主 缸 直 线 位 移 数 显 尺 数 值 位 置 时 ， 此 处 就需 要液 压控 制 系统供 给调 平缸 一个 向上 的作用 力 ， 以 消 除 此 处 滑 块 的 弹 性 变 形 量 。 由 上 述 分 析 可 知 ， 达 到 调 平 效 果 要 求 ， 需 要 满 足 主缸 图 1 调平作用受力简 图 如 下 条 件 M调平力矩 偏载 力矩 V 凋平速度 主缸速度 2 ． 2液 压 系 统 等 温 锻造 液 压 机 的 四角 调平 控 制要 求 严 格 ， 在 其液 压传 动 系统 中 ，高 控制 精度 及反应 灵 敏度 一直 是 一 个 较 难 解 决 的 难 题 。 为 此 ， 采 取 了 以下 几 个 方 面 的 措 施 。 1 为 了 保 证 调 平 控 制 系 统 和 主 液 压 控 制 系 统 的 简 单 性 及 独 立 性 ，将 调 平 控 制 系 统 和 主 液 压 控 制 系统 分别做 成 独立 的泵 阀液压 控制 系统 ， 以防干涉 ， 并 为 调 试 及 检 修 提 供 了简 单 的平 台 。 2 理 论 上 可 以认 为 滑 块 受 力 均 匀 ， 压 制 工 艺 过 程 中不 存在偏 载 情况 ， 并且 针对 等温 锻造 工艺 特点 ， 其 压 制 速 度 一 般 情 况 在 0 ． 0 0 5 ～ 0 ． 5 mm／ s之 间 ， 根 据 V调 平 速 度 I ， 主 缸 速 度的要 求 ，可 以 知 道 实 际 调 平 缸 调 平 工 作 所 需 要 的 流 量 是 很 小 的 。 同 时 ， 在 假 设 滑 块 压 制 工 艺 过 程 中 不 存 在 偏 载 情 况 ，为 了 尽 可 能 保 证 4个 调 平 缸 同 步 下 行 ，所 以 从 理 论 上 考 虑 选 取 4个 小 型 柱塞 定量 泵 ，每个 柱塞 定量泵 供 给各 自的 调平缸 流 量 ， 以便 从 宏 观 上 保 证 调 平 缸 的 同 步 运 动 和 滑 块 平 衡 下 行 。 3 为保 证 液压 机 滑 块下 平 面 0 ． 1 mm ／ m 的高 精 度 ，根 据 阀 控 系 统 具 备 高 精 度 和 高 动 态 响 应 及 功 率 小 的特 点 ，采用 比例 伺服 阀及 补偿 同步偏 差形 成 的 闭 环 回 路 ， 组 合 成 一 套 液 压 调 平 系 统 。 每 套 调 平 系 统 都 采用 独立 液压控 制单 元 ，每套 比例伺 服控制 阀安 装 在 各 对 应 调 平 缸 缸 体 上 。 一 方 面 进 一 步 提 高 同 步 精 度 、 调 平精 度和 高响 应效果 的控 制 ， 另一 方面 又能 够 便 于 跟 踪 管 理 和 系 统 维 护 。 4 比例 伺 服 阀流量 可 以按输 入 的 电信号 连 续 地 、 按 比例 或 非 线 性 地 控 制 液 压 系 统 的 流 量 ， 有 效 地 解 决 超 调 问 题 。 根 据 直 线 位 移 数 显 尺 比 较 的 实 时 数 值 ， 当 有 大 误 差 时 ， 比 例 伺 服 阀 根 据 电 信 号 阀 口 以 大 流量方 式开 启 ，以使 阀芯 能 以最短 时间 达 到并跟 踪 其 给 定 的位 置 ； 当 误 差 达 到 一 个 允 许 的 小 误 差 时 ， 比 例 伺服 阀 阀 口根 据 电信号 以小 流量开 启 ，并且 根 据 mm／ m 。 2． 3 在 液 较 大 的 速 图 2 液压原理图 1 ． 泵2 ． 电机3 ．过 滤器4 ． 压力传 感器5 ． 溢流 阀 6 ． 比例伺服阀 应 ，而 同时在等温 锻造恒速 运行 t ,-j 又要求 速度 波动 很 小 ， 即要 求系统 的稳态指 标要高 。 为 了达到设 计要 求 ， 采用积分 分离 P I D控 制方法 ， 研制 了一种具 有高 可靠 性和可维 护性 的锻造液 压机控 制系统 ，完成 了 x ,- t 液 压机 的恒 速度 、 同步 、 调 平 的控 制 。在模 拟控 制 系 统 中 ， 控 制 器 最 常 用 的 控 制 规 律 是 P I D 控 制 。 常 规 P I D控 制 系 统 原 理 框 图 如 图 3所 示 。 图 3 模拟 P I D控制系统原理框图 简单来 说 ， P I D控制 器各 校正 环节 的作 用如 下 比例 环节 可 及 时 成 比例 地 反 映 控 制 系 统 的偏 差 信 ． 号 ， 偏 差 一 旦 产 生 ， 控 制 器 立 即 产 生 控 制 作 用 ， 以 减 少偏 差 。 积 分环节 主要用 于消 除静差 ， 提 高系统 的无 差 度 。 积 分 作 用 的 强 弱 取 决 于 积 分 时 间 常 数 I， 且 I 越大 ， 积分作用 越弱 ， 反之则越 强 。微分环 节能反 映 偏差信 号 的变化趋势 ，并 能在偏差 信号值 变得太 大 之 前 ， 在 系 统 中 引 人 一 个 有 效 的 早 期 修 正 信 号 ， 从 而 加快 系统 的动作速 度 ， 缩 短调节 时间 ， 保 证 调平 缸具 备高 动态 响应性 能 。 经过现 场负载 实验 ， 被 锻材料 采 用 8 0 0 C变形 高温 合金 ，测 得 的调 平 缸调平 曲线如 图 4所示 ， 完 全 满足 等温 锻造 工艺 精 度 0 ． 1 r n m／ m 的 使 用 要 求 。 l l l I I I I I I l l 1 l l l I I l l I I l I I 一 l 号调平缸 孽 一2 号调平缸 一 3号调平缸 f 一4号调平缸 l I I I I I I } f f f f I I ns 图 4 调平缸调平曲线图 3结 束 语 现场生 产表 明 ，液压 机 的控 制精 度使锻 造 出的 产 品质量达 到保证 ， 说 明该 液压 系统设计 成功 。 选用 比例伺 服 阀控制作 为调平 系统 ， 满 足 了高动态 响应 ， 高精 度 要 求 ， 此 系统 安 全 可靠 ， 安 装 、 调 试 、 维护 方 便 。 【 参 考文献 】 ⋯ 1 陶永华新 型 P I D控制及其应用． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． f 2 】 章宏甲， 黄谊， 王积伟． 液压与气压传动[ M 】 ． 北京 机械工业出 版社 ． 2 0 0 0 ． 【 3 】 h t t p ／ ／ w w w ． e t i i n ． c o rn．c n 中国创新技术信息网 ． [ 4 14 h t t p ／ ／ w w w ．a c a d ．c n k i ． n e t - c n 中国学术期刊网络出版总库 ． [ 5 15 李小庆， 陈柏金． 伺服阀建模与动态仿真． 锻压装备与制造技术。 2 0 0 5 ． 4 0 1 9 4 9 6 ． I 6 16 程国元， 甄冒发． 1 0 0 0 0 k N热成形液压机的研制． 锻压装备与制造 技术 ， 2 0 1 0 。 4 5 2 2 6 2 7 ．