高速液压飞剪控制系统优化.pdf

2 0 1 3年 1 1月 第4 l 卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I C S NO V ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 2 ． 0 3 0 高速液压飞剪控制系统优化 刘杰 ，辛杨桂 1 ．广州市阿盖特科技有 限公 司，广 东广州 5 1 0 6 6 3 ； 2 ．广州机械科学研究院有限公司液压研 究所，广东广州 5 1 0 7 0 0 摘要液压飞剪系统是拉拔机生产线的关键设备。介绍了液压飞剪系统的组成，分别从控制和液压系统两方面分析高 速液压飞剪存在的问题 ，并对液压飞剪系统进行优化以满足高速工况的要求。应用结果表明，该控制系统较好满足了高 速、高精度和高稳定性的实际生产要求。 关键词液压飞剪；高速；控制系统 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码B 文章编号1 13 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 2 0 8 3～ 2 Opt i mi z a t i o n o f Co n t r o l S y s t e m o f Hi g h- S p e e d Hy d r a ul i c Fl y i n g- S he a r L I U J i e ，XI N Ya n g g u i 1 ． G u a n g z h o u A r t g e t T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 6 3 ，C h i n a ； 2． Hy d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t ut e，Gu a n g z h o u Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ．，L t d．， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 7 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c fl y i n g s h e a r i s t h e k e y e q u i p me n t o f d r a w i n g ma c h i n e p r o d u c t i o n l i n e ．C o mp o n e n t s o f h y d r a u l i c fl y i n g s h e a r w e r e i n t r o d u c e d ．P r o b l e ms e x i s t i n g i n h i g h s p e e d h y d r a u l i c fl y i n g - s h e a r p r o c e s s we r e a n a l y z e d f r o m c o n t r o l a n d h y d r a u l i c s y s t e m r e s p e c t i v e l y ．T h e h y d r a u l i c fly i n g s h e a r s y s t e m wa s o p t i mi z e d t o s a t i s f y r e q u i r e me n t s o f h i g h - s p e e d wo r k i n g c o n d i t i o n ．Ap p l i c a t i o n r e s u l t d i s p l a y s t h e c o n t r o l s y s t e m s a t i s f y s a c t u a l p r o d u c t i o n r e q u i r e me n t s o f h i g h - s p e e d ，h i g h p r e c i s i o n a n d h i g h s t a b i l i t y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c fl y i n g - s h e ar；Hi g h - s p e e d；C o n t r o l s y s t e m 文中介绍的是拉拔机生产线上的高速液压飞剪控 制系统及其优化。拉拔机生产线根据生产加工要求 ， 对一定规格的棒线材进行连续生产，其中的液压飞剪 系统是拉拔机生产线的关键设备 ，其控制性能的好坏 直接影响产品的成材率和生产效率。 为了提高生产效率和成材率，必须对液压飞剪控 制系统进行优化。液压飞剪控制系统包括液压和控制 系统两部分，不仅需要同时对液压系统和控制系统两 部分进行优化 ，而且这两部分需要协调工作 、优势互 补才能满足高响应性和高稳定性的要求，从而提高生 产效率。所以，两者相辅相成、缺一不可。 1 系统的组成 液压 飞剪控 制系统主要组 成部分如 图 1 所示 。西 门子 S 7 3 0 0 C P U和 S E W 变频器为整个控制系统的核 心 ，它们是实现高速液压飞剪基本剪切功能的必要条 件 ，通过 S 7 3 0 0 C P U和变频器的共同控制实现棒线材 的连续同步剪切；S E W 变频器控制同步伺服电机的 往返运动 ，为实现同步剪切提供同步控制，伺服电机 同步性能的好坏很大程度上影响了剪切的效果 ；编码 器用于检测或反馈电机的运行速度，其采集的数据准 确与否直接影响同步的效果 ；直流电机为棒线材的输 送提供源动力 ；人机界面实现参数的设定和对设备基 本状况的实时监控等功能。 同步伺服电机 旋转编码器 S E W变频器 增量编码器 人 机界 面 TP2 7 7 HM I 匦 流 I 驱f 动 1 图 1 液压飞剪控制系统组成 液压飞剪 系统包括泵站 和飞剪 阀台系统 ，泵站主 要用来实现棒线材的牵引和往复夹紧放松等功能，并 为液 压 剪提 供 液 压 动力 ；液 压 飞剪 阀 台主要 由 MO O G 7 6伺服阀、剪切油缸和蓄能器组成。 2 系统的优化 2 ． 1 基本控制过程 液压飞剪从开始启动到剪切一次材料 的过程如 图 收稿日期2 0 1 3 0 6 1 7 作者简介刘杰 ，男，助理工程师 ，主要研究方向为机电一体化设计与制造。Em a i l l j g o al y a h o o ． c n 。 8 4 机床与液压 第 4 1 卷 2 所 示 。 图 2 剪切过程示意 图 如图2所示 ，A到 D时段为剪切设备准备过程 ， 剪切设备在剪切前通过归零一次回到零位，这样使得 剪切设备从零位开始剪切，避免造成剪切混乱，并且 有利 于长度控 制及 控制 过程 的简化 ；在 时刻 材料 检测开关检测到有料 ，变频器及 S 7 3 0 0 C P U根据电机 转速 自动计算线材经过的长度 ，达到设定长度后 ，进 行剪切 ；在 F到 ， 时段为完成剪切一次线棒材的过 程，其中 为剪切机设备速度达到 同步前 的跟踪时 间 ，肼 段 显示 了剪切 设备 的 惯性 提前 量 ，Y为最 小 返回距离；同时，液压飞剪在剪切设备进入同步后进 行快速剪切一次。j 表示已完成剪切一次，剪切设备 回到零位 ，准备下 一次 剪切 。如 过 程完成 循环 剪 切 。 2 ． 2控制 系统 的优 化 由于剪切设备在很短的距离中要完成启动加速、 同步运行 、减速停止和加速返回等过程 ，普通的启停 控 制 已远远不能满足高速控制 的需要 ，必须对剪切设 备进行位置和同步控制。 在高速返回时 ，由于设备惯性量很大 ，容易冲出 零位区的范围，因此 ，必须对位置控制进行优化 ，通 过对变频器位置控制的P I D参数进行整定，以满足实 际的生产要求。高速液压剪切时出现不稳定现象，棒 线材抖动厉害，甚至影响棒线材的直线度，需对剪切 机 同步速度考虑一定的超前量 K 0 式中 为剪切机同步速度，m ／ m i n ； 。为实际生产速度 ，m ／ ra i n ； K为超前系数 ，一般取 1 ． 0 81 ． 2 5 。 在实际生产中，速度在 5 0 m ／ m i n以下时，液压 剪的剪切效果 良好 ；但高于5 0 m ／ ra i n时，特别是达 到 1 0 0 m ／ m i n时 ，无 论 K值取 得多大 ，还是 会出现剪 切不稳定和剪切时抖动厉害等现象。根据多次实际剪 切分析 ，其原因与液压剪设备运行的轨道长度、液压 剪的响应时间和控制参数等有关。在高速运行时，由 于剪切设备运行的轨道长度有限，此过程中，剪切设 备要完成加 速 、同步 和减 速 返 回的 过程 ，如 图 2所 示 ，在同步时，液压剪快速剪切一次，若剪切速度过 慢 ，则材料有可能并未剪切完毕，设备已进入减速阶 段而不是同步阶段 ，从而出现抖料现象。因此一方面 液压 剪的响应时间必须要 越小越 好 ，剪 切速度越快越 好；另一方面，须对控制器的位置和同步控制的参数 进行优化以满足实际工况要求。 2 ． 3液 压 系统 的优 化 液压飞剪在剪切时特别是在高速工况下剪切时必 须 同时满足剪切 的高 响应性和剪切 的快速性 ，否则直 接影响材料的直线度及成材率。图3所示为该控制系 统优化前后的液压原理图 。 P T a 优 化前 b 优 化 后 图 3液压剪原理 图 优化前 的液压剪系统采用叠加式减压 阀、液压锁 和普通换向阀的形式 ，这种方式虽然价格低，但在高 速时 ，液压剪切效果差 ，抖动厉害，废品率高。优化 后的液压剪系统采用具有较高动态响应性和使用寿命 长的 M O O G 7 6系列伺服阀和蓄能器相结合 的形式 ， 不仅使得泵源系统电机功率和泵规格大为减小，而且 满足了剪切瞬间流量大和剪切响应高的要求，特别是 在高速工况下，优化后的液压剪系统具有明显的剪切 稳定性 ，大大提高生产效率和成材率 。此液压剪系统 还具有油温控制简单和节约大量能源的特点。 采用优 化后 的液压 飞剪系统 和在此基础上调 整控 制器参数后的控制系统，较好地解决了国内飞剪机普 遍存在的高速工况下剪切效果差和成材率低的缺点。 3应用 结果 为对该控制系统性能进行评估 ，对剪切出来的线 棒材进行了大量的检测 ，主要检测结果如下 液压剪最高频率不小于6 5 , ／ m i n ； 生产速度 0～1 0 0 m ／ m i n 剪切长度精度不大于 5 m m 下转第 9 6页 9 6 机床与液压 第 4 1 卷 l 一 高压 油 泵 2 一 高压溢 流 阀 3 一 二位 二通 电磁 阀 4 一 蓄 能器 5 一 三 位 四通 常 闭 电磁阀 6 一 油缸 7 一 同步 阀 8 一低 压 溢流 阀 低压 油泵 图 7 液压 系统原理 图 打 钉的动作是先向下运动后 向上运动 ，由于 向下 运动阻力越来越大，为了更经济 ，可以利用两个油 泵 ，一个是低压油泵 ，一个是高压油泵 。先打开低压 油泵 9 ，三位 四通 常闭电磁 阀 5打到左 位 ，两个 油缸 的活塞同时开始向下运动，蓄能器 4开始储存能量。 这样三位四通常闭电磁阀的左位形成差动回路 ，回油 封闭，从静止到启动较平稳。当油压达到低压溢流阀 8的调整压力 时 ，溢流 阀打 开 ，给二位 二通 电磁 阀 3 发送一个信号，此时电磁阀打开。再打开高压油泵 1 ，高压油泵和蓄能器共同提供油压 ，活塞继续 向下 运动 ，克 服木板 的大阻力 ，然后将 钉子打入木板 。最 后将 三位 四通常闭 电磁 阀打到右位 ，此时活塞 向上运 动，离开扶钉装置。这样就完成了打钉工作。 3 ． 4 ． 2 撞针设 计 液压 系统的活塞杆通过 吊架与设备 的中横梁 固定 一 起 ，撞 针座安装在 中横梁之下 ，撞针与撞针座 的安 装见 图 8 所示 。 l 一 压板 2 一 撞针 座 3 一 撞针 螺栓 卜 中横梁底板 图 8撞 针 1 个撞 针座安装 3根撞针 ，设 计 的打钉机有 3组 撞针座 。当拧松 螺栓 4时 ，压板 1 不 起作用 ，撞针 3 在撞针座 2开 的槽里左 右移动调节 ，也可以 由撞针座 2带动撞针 3前后移动调节 ，这样 就可 以满足生 产不 同型号木托盘的要求。特别注意 撞针移动的范围必 须根据扶钉 盒可以调节的范围来设计 。 撞 针的长短必须经过计 算取得 ，根据打钉的时候 撞针座不能与导钉管相撞，通过计算取得撞针长为 2 5 5 mm。 4 结束语 结合木托盘生产的实际要求及木托盘的规格 ，设 计 出一 台能够生产不 同类型 的 自动打钉机 。已成功应 用 于木托 盘生产企业 ，有效 降低 了木托盘生产 过程 的 劳动强度 ，提高了企业的生产效率 ，使企业赢得了更 大的利润 。 参考文献 【 1 】h t t p ／ ／ w e n k u ． b a i d u ． c o t r t ／ v i e w ／ c 7 5 c d 8 e 6 5 2 4 d e 5 1 8 9 6 4 b 7 d 8 f ． ht r n 1 ． 【 2 】 全国物流标准化技术委员会． G B ／ T 2 9 3 4 2 0 0 7 联运通用 平托盘主要尺寸及公差 [ ． S ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 08． 【 3 】赖荣杭 具有摇臂压着结构之全自动气压钉跟机 中国， 0 1 2 3 9 3 9 8 ． 3 [ P ] ． 2 0 0 20 3 2 7 ． 【 4 】杨建 国． 后帮打钉机打钉机构 中国， 2 0 0 5 2 0 0 1 3 9 2 4 ． 1 [ P ] ． 2 0 0 6 0 90 6 ． 【 5 】郑甲红． 机械原理[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 5 5 6 3． 【 6 】 张功学． 理论力学 [ M] 西安 西安电子科技大学出版 社 ， 2 0 0 8 5 0 5 1 ． 【 7 】 戴枝荣， 张远明． 工程材料及机械制造基础 I 工程材 料[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 6 4 7 8 8 ． 【 8 】 濮 良 贵 ， 纪名刚． 机械设计[ 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