YH33系列精密数控双向压药液压机的设计.pdf

经验 Y H 3 3系列精密数控双向压药液压机的设计 甄 冒发 ，李 秀娟 ，程 国元 1 ． 合肥锻压机床有 限公 司， 安徽合肥 2 3 0 0 2 2 ；2 ． 合肥学院电子信息与电气工程 系， 安徽合肥 2 3 0 6 0 1 于压药T ． Z的精 密数控 液压机 ，简要叙述 如何确定该机 的总体方案 ，以及研制 中的技术难点和解决措施 等问 关键 词精 密数控 ；闭环控制 ；双向压药液压机 中图分类号T G 3 1 5 ．4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 o 0 9 0 0 8 3 - 0 2 1 前 言 液压机是制品成型生产 中应用最 广的设备之一 。 自 1 9 世纪 问世 以来 发展很快 ．其 已成 为_ T 业生 产中必不可 少的 设备 。由于液压机 在工作中 的广 泛适应性 ，使 其在 国民经 济各部 门获得 了广泛的应用 ，如板 材成型 ；管 、线 、型材 挤压 粉末冶 金 、塑料及橡胶制 品成型 ；胶 合板压制 、打 包 ；人造 金 刚石 、耐火 砖压 制 和炭 极压 制成 型 ；轮 轴压 装 、校直等等 。各 种类 型液压机 的迅速发展 ，有力地促进 了各种工业的发展和进步 ⋯。 Y H 3 3系列精 密数控 双向压药 液压机 是 国 内压 药行业 控制先进 的双 向压 药液压机 。其 电气 控制采用 工业控制计 算机加 P L C联 合控制 ，液压 系统采用 比例闭环 控制 系统 。 该机研制成功为改变我 国 目前落后 的粉末压制 成型设备提 供了可能 ，也将提高我 国粉 末压制 的工艺手段 ，为我 国的 压药工艺提供先进 的生产加 工设备 ，该 产品 的研制 成功对 我国压药行业具有重要 的意义 。该机 所达到 的压力控制精 度 、位 置 控 制 精 度 和 速 度 控 制 精 度 均 具 同行 业 领 先 水 平 ， 该机在机 电一体化控制方 面取得 的成 功经验 。可以推广到 大多数领域的液压机 的数控 系统 。为我国压药行业 提供 了 高 性 能 设 备 。 2主要技术指标 主要 技 术指 标 如 表 l所 示 。采 用 工控 机 控 制 。 3总体设计方案 由于该 机使用在防爆 的特殊 环境 中 ，用户在综合 了国 内外同行业压药设备的技术特 点后 ，对本 产品提 出了较高 要求 ．其 电气控 制明确要求采用工业控制 计算机加 P L C联 合控制 ，同时也对速度 、压力 和位移 的控 制提 出了很 高的 收稿 日期2 0 1 0 0 3 0 4 要求 。因此在设计方案制定 中 ，液压系统 采用 了先进 的比 例 闭环控制技术 ，针对用户 的特 点对产 品的结 构和液压 系 统进 一步改进 ，充分发挥 了比例 控制技术 的柔性度 ，按用 户要求 作出了设备的技术方案 。并经过有关 专家和用户 的 反复论证j圳 。具体技术方案如下 。 表 1 主 要 技 术 指 标 指标 数值 公称力 行程 开 口 工作 台尺寸 左 右 前后 主缸 回程力 滑块快下速度 滑块慢下速度 滑块压制速度 可任意调节 滑块回程速度 行程数字分辨率 压力显示精度 装机功率 8 O o o k N 90 0ram 1 4 00 mm 1 37 0 x1 4 0 0ml r l l 2 oo k N 1 5 O ～ 2 0 0 mm／s 6 0～1 0 0 mm／ s 4 - 8 mm／ s l 1 0 mm／ s 0． 2 5 ram 0 - 4 ％ l 2 0 kW 1 机 身 该 机机身应用户要求 采用 四柱式结 构 。并根据 工艺的 不同 ．设计有三粱 四柱式 和五梁 四柱式 等几种结构 ，确 保 机床精 度 ，四根拉杆 采用 螺帽预紧。 2 滑块 滑块设 有液压保护 ，滑块行程范 围内位置指示采用 了 交流 进 口 的直 线 位 移 传 感 器 及 二 次 仪 表 ，位 置 显 示 精 度 0． 1 mm。 3 密 封 考虑到用户所提技术要求中的超慢速运行对 油缸 密封 的要求 ，在油缸的结构设计和密封设计 中充分考虑 了加工 能力及机器的超慢速运行和超长时间保压的苛刻要求 ，对 结构进行了优化组合 ，确保 系统 的稳定运行。 4液压 系统 该 机 液压 系统 采 用 了先 进 的 二通 插 装 阎 系 统 ．设 计 了 一 套专用的液压 系统 ，该系统采用 了比例 闭环 控制 ，压机 采用了先进的压力检测元件和位置检测元 件与特殊设计的 液压系统有机的组合在一起 。通过工控机进行精密控制 。 5 电气系统 由于本压机是用于压制炸药 ，所 以在主机室 内的电气 元件采用防爆 电气元件 ，考虑 到压 药工艺的危险性 ，为 了 确保安全 ，电气控制系统采用冗余技术 ，P L C控制系统可 独立 于 C N C系统外 ，即使 C N C系统 出现故 障 ，P L C也能 独立工作 。本 系列压机控制 系统 采用数控“ C N C ”和可编 程序“ P L C ”双重控制方 案 ，即 C N C P L C 。 “ C N C ”作为 主控 系统 ， “ P L C ” 完成 一般输入／ 输出和顺序逻辑控 制。 C N C的主要功能是完成 比例控制 ，包括两缸联动 的速度 和 位置闭环插补控制和系统压力的闭环控制 ，负责系统的全 面监控和管理 。 4双 向压药液压机的具体设计 该机 为框架式结构 ．机床精度高 ，电气采用触 摸屏 与 P L C组合进行控制 ，液压系统采用 比例闭环控 制 ，通过 数 字 P I D进行精 密控 制 ，该机 可实现对滑块 位置预先设 定 ， 可以对工件压制过程中的压力 、位置 、温度 、保压 时间等 参数进行记录保存和打印 ．具备故障诊断功能 、液压支撑 保险 回路 、过载保护 、压力 闭环控 制回路 、速度闭环控制 回路 ⋯、温度 闭环控制回路 ，可实现人机对话功能 ，很方 便 的在工控 机的显 示器上 预置 滑块 的运行 位置 、运行 速 度 、设定压 力 、选 择保压 方式 、设 定保压 时间 等技 术参 数 ，实现了数字化控制。 4 ． 1 液压 系统 的设计 机器液压系统采用比例闭环控制 ，压机 1 二 作方式有调 整 、半 自动及全 自动三种。 1 为满足制件在未最终成形前既要高速压制 ，又要 对 压 力 有 一 定 的 控 制 精 度 要 求 。采 用 德 国 P ARK公 司生 产 的 高 性 能 、大流 量 电子 泵 ．液 压 系统 的 压 力 及 流 量 实 行 预 闭环控制 ．使 系统压 力与流量有一个较 粗的控制精度 ，同 时油缸 下腔设有液压双 回路支撑 、过载保护 ，超 高速稳定 运 行 回路 。 为确保压机 超高 速 压制下 在电 子泵输 出流量不 到 额 定 流量的 l ％最后成形 的系统压力 控制精度 ，液压 系统设 计 中 采 用 了 比 例 闭 环 调 压 技 术 ，利 用 阀 响 应 速 度 快 的 特 点 。在泵控 压力基 础上 ，用 比例 阀对系统 压力 进行 二次 调 节 。机器采 用进 口意 大利 A T O S公 司 的大通 径高 频响 比例 压 力 阀 ．并 在 阀 体 自身 压 力 小 闭 环 基 础 上 ，通 过 技 术创新 。在 液压缸体进 油点处设置高性 能 的压 力传感器 ， 从 而 构 成 一 个 大 闭 环 ， 实 现 压 力 双 闭 环 控 制 ， 并 通 过 数 字 修 订，采用 P I D的分段 处理 技术 ．在超 高速压 制 下确 保 系统 压力的控 制精 度 。整个 系统 的实际可 控压 力分 辨 率 为 O ． 5 ％．完 全可 满足用 户 特殊压 制 T 艺对 系统 压力 的 要求 。而未采 用该项 技 术前 的普 通压 机压 力控制 精度 一 般 在 1 0 ％左 右 。 2 压 机配备高精度的进 口压力传感器 。其理论分辨 率可以达到万分 之一 ，在 实际应用中由于系统的配置 ．其 实际分辨率 可以达到万分 之四 ，完全可以满足程序压力控 制 增值 幅度 的要 求 。压 机 系统采 用德 国 B U L L F F公 司的 B T L 5型位 移传感器 ，分辨率 0 ． 0 1 m m。配合液压 系统 组成 位置 闭环 系统 。实现位置与压 力的配合控制 ，从 而保 证了 系统的快速性 、稳定性和精确性 。 3 压机 配备油温检 测及强制循环冷却系统 ，可 以保 证 压 机 油 温 控 制 4 5 ℃ 以 内 。 压 机 还 设 有 自动 检 测 油 位 功 能 ，防止 因油位过低而损坏 液压系统 。 4 ． 2电气控制系统的设计 电气控制面板如图 1 所示 ，本系列压机控 制系统采用 数控“ C N C ”和可编程序“ P L C ”双重控制方案 ．即 C N C P L C。 “ C N C ”作 为主控系统 ， “ P L C ”完成一般输 入／ 输 出和顺序逻辑控制 。 图 1 电气控制面板 1 通过为本产品设计的 专用软件 ，读人液压 系统 的 压力 、流量 、位移等过程 值 ，对液压系统的 比例泵 、比例 阀 进 行 控 制 ．实 现 压 力 、流 量 和 位 置 的 闭 环 控 制 ，在 显 示 屏 上以菜单提示 方式 预置 压力的控 制参数 控制压力 、流 量 、位置 、保 压时间 、速度 转换点 ，通 过间接 寻址 方式 实现 1 0 0套模具 的储存 ，同时用棒网及数字窗 口监控和显 示 系统 的实时压力值 、压 制速度 、位移 值，检 测数 据自动 储存 。能以表格 和曲线形式输 出打印．如图 2所示 。 2 采用 高速 板卡 记录 四路过 程变 量 ，具 有如 下优 点0 4 通道实时采样频率为 l k H z ，l s 内能记录4通道各 下转 第 9 2页 交流 检测数据 的显示主要是 南数 据接收器 L C D屏幕显示 ， 可显 示 实 时 时 间 、实 时 温 度 和湿 度 以及 最 近 5次 的 数 据 记 录。数据的存储可 以由 U盘来实现 ，也可 以直接连接到计 算机硬 盘上 ，当测量数据结 束后可关闭 发送 和接 收装 置 ， 由计算机读取已经生成 E X C E L表格形式的数据并存储到数 据库中 ，也可根据需要生成相应的历史曲线记 录供查洵。 整个硬件线路 和软件设计完成后 ，以最大传输距离 进 行 了测试．测试的数据结果如表 l 所示 。 表 1 数据传送测试数据 从接收的测试结果 与现场 实际的数据对 比来 看 ，数据 传送准确 ，达到 了预期的 目的。 6结束语 本文通 过采 用无 线技术 实现 了温 湿度数 据的 远传 功 能 。突破 了传 统的总线传输控制 的模式 。该装 置可广泛应 用于大型仓库 、生产车 间等需要对环境温湿度有工艺要求 的场 所 。并实现数据 的 自动存储功能 ，具有较高 的推广应 用价值 。 参考 文献 [ 1 ]李朝青．单片机原理与接 口技术 第 3版 [ Mj．北京北 京航 空 航 天 大 学 出版 社 ．2 0 0 5 ． [ 2 ] 曹丙霞 ，赵艳 华．P rot e 1 9 9 S E原 理 图与 P C B设计[ M]．北 京 电子 工 业 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 3 ]孙余凯 ，吴鸣山，项绮明．传感器应用电路 3 0 0例[ M]．北 京 电子 工 业 出版 社 ，2 0 0 8 ． [ 4 ]刘焕成．工程背景 下的单片机 原理及 系统设计[ M]．北京 清华大学 出版社 ．2 0 0 8 ． [ 5 ]臧春华 ，郑步生 ，魏 小龙．电子设计 自动化技 术 [ M]．北 京 机 械 工 业 出版 社 ，2 0 0 4． 第一作 者简介 孙俊峰 ，男 ，1 9 8 1年生 ，河 南鹤壁人 ，大学本 科 ，技师。研究领域 电力控制 ，自动化控制技术 。已发表论文 1 篇 。 编辑 向 飞 上接 第 8 4页 1 0 0个点的过程量数据；②能实时生产压力 z 、位移 s -- f z 曲线及 尸 s 合成 曲线 ，以及数 据报 表系统 ， 能非常清 晰直 观地反 映出 主缸及辅 缸 的压力 动态 响应特 性 ．可 供 用 户 分 析 主缸 压 力 动 态及 静 态 特 性 。 图 2 精 密数控双向压药液压机 5结 论 经 过 严 格 的现 场 测 试 ，该 机 各 项 指 标 均 达 到技 术 协议 的 要求 ．其 速度 在规 定 的范 围 内可 无 级 调速 。该 机在 开 泵 保压状态下 压力波动 l k g f ／ c m ，在关泵保压状态不采用蓄 能器补压系统能达到 1 6小时 内压降不大于 2 5 k g f ／ c m 的要 求。在加热控制方面达到用户要求的在合模状态下加热 的 温度均 匀性误 差不超过 2 ℃．与环境温度相 比主机 台板温 升 不超 过 2 0 ℃的 高要 求 。 Y H 3 3系列精密数控双 向压 药液压机 的研制成功 ．不 仅满 足国内药柱成型工艺 的需要 ，同时解 决了国防工业 的 急需 ．可 以适用各种粉末冶金和磁性材料 的成型工 艺。为 我 国的粉末压制成型工艺提供 了先进 的生产加工设备 ，可 以实现对制品密度 的控制和监测 。首次实现 了国产液压机 的计算机控制 ，使 国产液压机在机 电一体化方 面有 了突破 性 的 发 展 。 参考文献 [ 1 ]廖 效果．数控 技 术[ M]．武 汉 湖 北科 技技 术 出版社 ， 2 0 0 0． [ 2]杨叔子，杨克冲．机械 工程控制基础[ M]．武汉华中科技 大学 出版社。2 0 0 5 ． [ 3]唐英千．锻压机械液压传动的设计基础 [ M]．北京 机械工 业 出 版 社 ． 1 9 8 0 ． [ 4]杨培元，朱福元．液压 系统设计 简明手册 [ M]．北京 机械 工 业 出 版 社 ． 2 0 0 6． 『 5]何存 兴，张铁华．液压传动与气压传动 [ M]．武汉 华 中科 技 大学出版社 ，2 0 0 4 ． [ 6 ]沈兴全 ，昊 秀玲．液压传动与控制 [ M]．北京 国防工业 出 版 社 ． 2 0 07 ． f 7 1 L．Ch e d e d a n d Ma a n AI Mu l l a ． Co n t r o l o f a f o u r l e v e l e l e - v a t o r s y s t e m u s i n g a p r o g r a m ma b l e l o g i c c o n t rol l e r[ J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f El e c t r i c a l E n g i n e e r i n g Ed u c a t i o n，2 0 0 2 1 1 0 1 1 7 ． 第一作者简介 甄冒发 ．男 ，1 9 6 9年生 ，安徽合 肥人，硕士 ，高 级工程师。研究领域 液压机设计。已发表论 文 l O篇。 编辑 向 飞