电液比例控制技术在快速深拉伸液压机中的应用.pdf

第29卷 第1期 2006年1月 合肥 工 业 大 学 学 报 自 然 科 学 版 JOURNAL OF HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 29 No. 1 Jan. 2006 收稿日期2005204221 ;修改日期2005206210 基金项目合肥学院科学研究发展基金资助项目04ky005zr 作者简介蒙争争1969 - ,女,安徽合肥人,硕士,合肥学院讲师. 电液比例控制技术在快速深拉伸液压机中的应用 蒙争争 合肥学院 机械工程系,安徽 合肥 230022 摘 要目前快速深拉伸液压机大多采用液压开关式控制系统,它存在着响应速度低、 冲击振动大及拉伸件废 品率高等问题。文章在比较了3种液压控制技术性能及特点的基础上,设计了一种快速深拉伸液压机的电液 比例控制系统,使压边力的变化符合了拉伸工艺要求,滑块速度转变平稳,较好地解决了上述问题。 关键词电液比例控制;快速深拉伸;液压机 中图分类号TG315. 4 文献标识码A 文章编号10032506020060120069204 Application of electro2hydraulic proportional control technology in the high2speed hydraulic deep drawing press MEN G Zheng2zheng Dept. of Mechanical Engineering , Hefei University , Hefei 230022 , China Abstract In most of high2speed hydraulic deep drawing presses , the switch2type hydraulic control sys2 tem is adopted ,and there exist some problems such as the low speed of response ,large impact vibra2 tion ,and the high rate of waste product.Based on the comparative analysis of three kinds of hydraulic control systems ,an electro2hydraulic proportional control system is designed for this kind of press. This control system makes the change of blank2holding pressure fit the requirement of the drawing craft , and it also makes the conversion of the slide’s speed smooth and steady. Key words electro2hydraulic proportional control ; high2speed deep drawing; press 1 液压控制技术 就液压控制方式而言,液压开关式控制、 液压 伺服控制和电液比例控制是先后发展起来的液压 控制技术。 液压开关式控制系统使用机械可调式手动 式压力阀、 流量阀、 压力继电器及行程开关等元 件。在开关式电液系统中,方向的变换、 液压参数 压力与流量的变化,通过电磁信号实现,这是一种 传统的、 多数为突变式的变化。伴随发生的是换 向冲击和压力峰值,经常导致液压系统、 主机的提 前磨损和损坏,而且控制精度和响应速度较低。 但由于其价格低廉,使用维护成本低,故在一般的 液压系统中得到了广泛的应用。 液压伺服控制和电液比例控制系统的控制精 度和响应速度远远高于普通的液压开关式控制系 统,其中液压伺服控制主要应用于高精度及快速 响应的高技术领域闭环控制系统中,用以实现位 置、 速度及力的精确控制等。但由于其核心元件 电液伺服阀抗油污能力差,对油液清洁度要求很 高,系统性能易受环境变化影响,制造维护使用成 本高等因素,限制了向一般工业中的推广 [1] 。 电液比例控制是介于普通液压阀的开关式控 制和电液伺服控制之间的控制方式,一般为模拟 式开环控制系统,使用各种比例阀和配套的电子 放大器。压力、 流量和方向的设定值,由模拟电信 号预先给出,过渡过程特性通过斜坡函数设置。 预置设定值的调用,由机器控制。其核心元件电 液比例阀的构成是在普通液压阀的基础上,装上 一个比例电磁铁以代替原有的驱动部分。在使用 过程中,电液比例阀可以按输入的电信号连续地、 按比例地对油液的压力、 流量和方向进行控制。 因此,它的控制性能优于开关式控制,与电液伺服 阀相比,其优点是价廉及抗污染能力强。除了在 控制精度及响应快速性不如伺服阀外,其他方面 的性能和控制水平与伺服阀相当,其动、 静态性能 足以满足大多数工业应用的要求。因此,电液比 例控制技术广泛应用于对液压参数进行连续控制 或程序控制、 对控制精度或动态性能有一定要求 的液压系统中 [1] 。 2 液压开关式控制系统存在的问题 1响应速度慢限制了液压机的快速化。随 着液压机快速化的发展,液压机滑块的快降速度 及回程速度大大提高,目前国内快速液压机的快 降速度达到400～450 mm/ s ,回程速度达到300 ～350 mm/ s。快速化使液压机滑块等运动部件 在高速下行时惯性很大,由于开关式液压控制系 统的响应速度较慢,使滑块从到达快转慢行程限 位时发出电信号到相应元件动作使滑块速度慢下 来的过程较长,在这个过程中滑块仍然高速下行, 如果慢降行程调短,甚至会出现上模砸坏下模的 事故。为了安全,往往将慢降行程调得较长,或者 增加主油缸下腔背压,以降低快降速度,这些做法 延长了液压机工作循环时间,降低了生产率 [2] 。 2由于滑块速度的突变,系统存在着较大 的冲击振动。快速化使液压机滑块在由快降转为 慢降、 泄压转为快速回程及快速回程转为上限位 停止等动作转换瞬间,由于速度的突变而出现较 大的冲击振动,对液压机的主机刚性和基础稳定 造成潜在的威胁。虽然有些液压机系统采用了多 泵组合分段减速控制的方式,使冲击振动大大减 小。但却使液压系统变得更加复杂,另外由于速 度还是存在突变,冲击仍然存在。为了减少压力 冲击,使滑块动作平稳,速度变化曲线应是连续 的 [3] ,而且回程速度应满足先慢后快再慢的要求。 3由于在拉伸过程中无法实现变压边力控 制,拉伸制品的废品率较高。随着金属薄板拉伸 件特别是复杂的、 非对称形状的薄板拉伸件需 求的增长,对其生产设备液压机的性能要求也大 大提高。另外,用户为了节约设备投资,往往要求 工件能在一台液压机上一次拉伸成形,即要求液 压机的拉伸深度较大,这些都使液压机的拉伸工 艺变得更加复杂。 研究表明,对于复杂及非对称形状的薄板深 拉伸件,在拉伸过程中最常见的缺陷是起皱和拉 裂。为防止产生起皱和拉裂,应采用变压边力的 控制方式 [4] 。变压边力控制是指在板材成形过程 中,随时间或行程改变而改变压边力大小。 压边力是板材成形中最重要的工艺控制参数 之一,对于拉伸工艺,压边力必须适当,如果压边 力太大,会使工件的底部拉裂;压边力太小,则工 件凸缘部分容易起皱。因此,压边力应该是能保 证工件凸缘部分不起皱的最小压边力。起皱主要 是由于凸缘的切向压应力σ3超过了板材临界压 应力所引起的,最大切向压应力σ3max产生在凸缘 外缘处,起皱首先在此处开始。 在拉伸过程中, σ 3max随拉伸行程而增加,使失稳趋势增加。 另一方 面,凸缘变形区却不断缩小,板材相对厚度增大, 使抵抗失稳能力相应地增加。 对于圆筒形零件,这 2个因素共同作用的结果是使凸缘起皱最严重的 瞬间落在0.8～0.9 R 毛坯处,此时压边力应达到 最大,随后则随着行程的增加而减小 [5] 。可见在 拉伸过程中,为使工件不起皱的最小压边力是变 化的,因此系统所能提供的压边力最好能符合最 小压边力的变化规律,即采用变压边力控制。它 可以提高制品特别是复杂深拉伸制品的质量, 减小缺陷。而传统的开关式液压控制系统,其压 边力在拉伸过程中是不可变的,也是恒定的。为 使工件不起皱,其压边力必须事先调整到整个拉 伸行程中最小压边力的最大值,这就大大增加了 工件特别是拉伸深度较深工件被拉裂的可能 性。由于制品缺陷率、 废品率较高,限制了其在复 杂深拉伸制品生产中的应用。 3 电液比例控制技术的应用 从以上分析可知,为了减小冲击振动,滑块等 运动部件的速度应避免出现突变,而要降低复杂 07 合肥工业大学学报自然科学版第29卷 深拉伸制品的废品率,可通过采用变压边力控制 的措施来实现。这些情况均表明需要采用一种能 够对油液的流量及压力实现连续控制的液压控制 技术,显然液压开关式控制技术无法实现以上要 求。而液压伺服控制一般只用于高精度的自动控 制设备中,其在液压机中的典型应用是精密校直 液压机中的位置伺服控制、 挤压机中的速度伺服 控制等,而对于位置、 速度、 力等精度要求不是很 高的快速深拉伸液压机,采用液压伺服控制显然 过于浪费。 作为一种介于开关式控制和伺服控制之间的 控制方式,电液比例控制技术除了能实现对油液 压力和流量的连续控制,还可明显简化液压系统, 既具有良好的性能,又具有适中的价格,因此其在 快速深拉伸液压机液压系统中的应用前景广阔。 快速深拉伸液压机的液压原理如图1所示, 该原理采用了比例控制阀和二通插装阀集成控制 块,在此原理中有2处采用了电液比例控制阀。 1.主油缸 2.主油缸二通插装阀集成控制块 3.平衡杆 4.反馈杆 5.变量活塞 6. A4VSO型主泵 7.斜盘 8.主泵控制块 9.电 液比例压力阀 10.液压垫控制块 11. PCV型辅泵 12.辅泵出口控制块 13.电液比例压力阀 14.蓄能器控制块 15.液压垫缸 16.液压垫 17.位移传感器 18.滑块 图1 应用比例控制阀的快速深拉伸液压机液压原理图 1图1中9为比例压力阀用于对主泵流量 变化的连续控制,该变量泵为德国REXROTH 生产的A4VSO型带比例调速的恒功率变量轴向 柱塞泵。柱塞泵的排量与其斜盘的倾角有关,倾 17 第1期蒙争争电液比例控制技术在快速深拉伸液压机中的应用 角越大,排量就越大,倾角为零,排量也为零。其 工作原理为给比例电磁铁1YA通一定的电流 I,产生电磁力,使伺服阀芯移动,推动伺服平衡杆 绕固定转轴转动,并将弹簧拉长,当弹簧的弹力和 电磁力平衡时,伺服阀芯停止移动。控制油进入 变量活塞左腔,油液推动变量活塞向右移动,泵的 斜盘倾角及排量随之改变。当变量活塞右移时, 带动反馈杆绕固定转轴摆动,弹簧拉动伺服平衡 杆和伺服阀芯回到原位,变量活塞左右两腔进出 油口均又关闭,变量活塞停止右移,反馈杆也停止 转动。只要给定比例压力阀一个电流I,泵的变 量活塞就产生相应的位移量,斜盘就产生一定的 倾角,即可对应一定排量或流量的输出,从而实 现电液比例压力阀对滑块速度变化的连续控制, 从根本上解决了动作转换时产生的冲击振动。 另外,由于采用了电液比例控制系统、 位移传 感器及相应的电控系统,整个系统的响应速度大 大提高,响应时间仅为10～25 ms ,避免了滑块经 过快转慢点后仍停不下来而砸到下模的现象,这 种控制回路特别适用于短行程工艺的控制 [6 ,7] 。 2图1中13为比例压力阀用于对压边力 变化的连续控制,如图2所示。 1.工件 2.压边装置 3.压边力 4.压边圈 5.液压垫 6.液压垫缸 图2 比例压力阀对压边力连续控制示意图 液压垫缸中的油液压力p对油缸柱塞的作用 力通过液压垫、 压边圈及压边装置等传递给工件, 作为工件的压边力F,因此F pA A为液压垫 缸柱塞的面积。 由于油液压力p可由比例压力阀 连续调节,所以压边力的变化也就可以连续改变, 按照一定的规律给比例压力阀输入电流,就能得 到理想的压边力控制曲线。 以上设计的是一种单 动拉伸液压机,如果在双动拉伸液压机中采用比 例控制系统,不仅滑块速度及压边力可连续地变 化,其拉伸力也可以得到连续地控制改变,特别是 压边滑块采用4个压边缸,每个压边缸的压边力 均由一个比例压力阀单独控制即所谓的四角比 例调压 , 这对于拉伸复杂零件,特别是形状不对 称的零件,是较理想的成形设备 [8] 。 4 结束语 本文设计的采用电液比例控制技术的快速深 拉伸液压机,主要用于不锈钢水槽的深拉伸成形, 自投入使用后,该机动作灵敏可靠及动作转换平 稳,与一般液压机相比,制品的废品率大大降低。 在拉伸160 mm深的不锈钢水槽时,废品率仅为 1 ,远远低于一般液压机的5 ～6 。由于电 液比例控制系统具有可靠、 易控、 节能、 廉价、 精度 高及工作平稳等优点,使其在液压机中得到更广 泛的应用 [6] 。 [参 考 文 献] [1] 王占林.近代液压控制[ M].北京机械工业出版社,1997. 1 - 17. 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