文／田巍·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

模鍛液壓機(jī)是生產(chǎn)鎂鋁合金和鈦合金模鍛件的重要設(shè)備，在國(guó)際和航空工業(yè)的模鍛件生產(chǎn)中有著不可替代的作用。而隨著航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)模鍛件的要求也朝著大型、重型方面發(fā)展，因此萬(wàn)噸級(jí)模鍛液壓機(jī)作為大型、重型模鍛件的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其需求量不斷增加。同時(shí)由于萬(wàn)噸級(jí)模鍛液壓機(jī)在工作時(shí)具有流量大、慣性大的特點(diǎn)，大流量和大慣性使得液壓機(jī)工作時(shí)的液壓沖擊也很大，巨大的液壓沖擊不僅使得設(shè)備的故障率居高不下，還嚴(yán)重影響設(shè)備的正常使用壽命和鍛件質(zhì)量。因此如何通過(guò)有效的電氣液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和柔性控制系統(tǒng)來(lái)減小甚至消除萬(wàn)噸級(jí)液壓機(jī)工作時(shí)的液壓沖擊成為了研究方向。本文將就此類液壓機(jī)一種典型應(yīng)用中的柔性控制系統(tǒng)加以詳細(xì)介紹。

印度SQUAD公司是世界頂尖的航空航天用不銹鋼、高溫合金及鋁合金、鈦合金大型鍛件的生產(chǎn)公司，是空客、波音、通用、斯奈克瑪、古德里奇、阿?，m等國(guó)際著名企業(yè)的指定材料供應(yīng)商。本機(jī)是為SQUAD公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的100MN模鍛液壓機(jī)，主要應(yīng)用于航空類大型鎂鋁合金模鍛件的生產(chǎn)。本機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)采用拉桿預(yù)應(yīng)力組合框架式七缸結(jié)構(gòu)形式。主要部件由機(jī)身、主油缸（1個(gè)柱塞缸）、側(cè)油缸（4個(gè)柱塞缸）、回程缸（2個(gè)柱塞缸）、移動(dòng)工作臺(tái)、下頂出裝置等部分組成。

電氣液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制原理

液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

⑴主動(dòng)力系統(tǒng)。14臺(tái)比例泵構(gòu)成本設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)，每個(gè)泵都有一套獨(dú)立的控制單元，可以自由的加入和退出主油路的輸出。單個(gè)比例泵的最大輸出流量370L/min，14臺(tái)共計(jì)5180L/min。

⑵滑塊動(dòng)作系統(tǒng)?；瑝K上腔設(shè)有壓力分級(jí)閥塊，以實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)壓力分級(jí)功能?；瑝K回程腔油路在配置了支撐閥和快下閥之后，又增加了一套比例流量插裝閥與快下閥串聯(lián)使用，用以實(shí)現(xiàn)滑塊在自重下行時(shí)回程腔被動(dòng)排油的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

⑶其他動(dòng)作系統(tǒng)。用以驅(qū)動(dòng)頂出缸、液壓鎖、控制油路和工作臺(tái)油路等部件動(dòng)作。

電氣控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

⑴工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。作為系統(tǒng)的上位機(jī)和人機(jī)交互接口，通過(guò)交換機(jī)以TCP/IP協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊。通過(guò)工控機(jī)可以對(duì)整個(gè)壓機(jī)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置、故障監(jiān)視診斷、數(shù)據(jù)分析等等。

⑵PLC。整個(gè)壓機(jī)電控網(wǎng)絡(luò)的核心，使用S7-400CPU作為整個(gè)控制系統(tǒng)的主站，建立起基于Profinet通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。CPU從各個(gè)分布式IO站點(diǎn)獲取各種傳感器的信號(hào)，并通過(guò)IO站點(diǎn)的模塊來(lái)控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。同時(shí)CPU上的Profinet通訊接口也支持PLC通過(guò)交換機(jī)以TCP/IP協(xié)議與工控機(jī)進(jìn)行通訊。

⑶動(dòng)力從站。Profinet從站，負(fù)責(zé)比例泵流量信號(hào)控制和比例泵控制單元開關(guān)閥的通斷控制，負(fù)責(zé)比例泵泵出口壓力信號(hào)的采集。

⑷上梁從站。Profinet從站，負(fù)責(zé)滑塊動(dòng)作系統(tǒng)電磁閥的控制和壓力信號(hào)采集，負(fù)責(zé)滑塊回程腔比例流量插裝閥的控制輸出。

⑸上梁位移采集模塊?；赑rofibus通訊協(xié)議的模塊，負(fù)責(zé)壓機(jī)四角位移信號(hào)的采集。

⑹其他從站。Profinet從站，負(fù)責(zé)壓機(jī)其他部分信號(hào)的采集和控制輸出。

⑺壓力傳感器。將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電信號(hào)并接到PLC的信號(hào)采集模塊上。BP01～BP14：檢測(cè)比例泵泵出口的壓力信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)分支器分為兩路，一路去PLC信號(hào)采集模塊，集成到PLC中做控制分析和顯示的作用；另一路去比例泵電子放大板（比例泵外部電子控制器）用作純控制作用。BP15～BP20：主機(jī)活動(dòng)部件液壓腔的壓力檢測(cè)，直接進(jìn)入到PLC的信號(hào)采集模塊，集成到PLC中做控制分析和顯示之用。

⑻位移傳感器：將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字脈沖，并傳送給專門位移信號(hào)采集模塊，其檢測(cè)位移精度可以達(dá)到1μm。BQ1：左后角位移檢測(cè)；BQ2：左前角位移檢測(cè)；BQ3：右前角位移檢測(cè)；BQ4：右后角位移檢測(cè)。

⑼比例泵。可以通過(guò)調(diào)節(jié)比例泵外部電子放大板的信號(hào)給定來(lái)實(shí)現(xiàn)比例泵流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。在本控制系統(tǒng)中，0～10V的電信號(hào)對(duì)電子放大板的控制對(duì)應(yīng)著比例泵0～100% 的流量輸出。

液壓機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)柔性控制方法

系統(tǒng)硬件構(gòu)成

⑴控制器：S7-400PLC，CPU412-2PN，控制系統(tǒng)運(yùn)算核心。

⑵傳感器：位移傳感器檢測(cè)滑塊的位移，壓力傳感器檢測(cè)比例泵泵出口的壓力。

⑶比例泵：執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PLC通過(guò)控制比例電子放大板的信號(hào)大小來(lái)控制比例泵流量輸出的多少。數(shù)量14，單臺(tái)流量變化范圍0～370L/min。

⑷滑塊主油缸：數(shù)量1，內(nèi)徑1680mm。

⑸滑塊側(cè)油缸：數(shù)量4，內(nèi)徑550mm。

⑹滑塊回程缸：數(shù)量2，內(nèi)徑475mm。

技術(shù)要求

滑塊工作速度：0～25mm/s，回程速度最大150mm/s。

系統(tǒng)流量供給控制方法

對(duì)于油缸而言，動(dòng)力系統(tǒng)流量供給與油缸進(jìn)給速度之間關(guān)系見公式①：

Q=60πD2V/(4×106) ①

其中：D-油缸直徑（mm）；V-油缸進(jìn)給速度（mm/s）；Q-系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值（L/min）。

對(duì)于本臺(tái)設(shè)備的油缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，滑塊下行動(dòng)作主要從滑塊主油缸和滑塊側(cè)油缸進(jìn)油。根據(jù)上述公式，可以計(jì)算出滑塊下行時(shí)任意速度所需要的系統(tǒng)流量供給Q。

對(duì)本臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)而言，其中任意單臺(tái)比例泵流量輸出都可以實(shí)現(xiàn)從0到100%的變化(對(duì)應(yīng)流量0～370L/min），根據(jù)這種特性，采取控制策略如下：首先規(guī)定好單臺(tái)比例泵流量輸出最大值QAmax，然后將系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值Q進(jìn)行分解，分解公式見公式②：

Q = kQAmax+1×QA ②

其中：Q-系統(tǒng)流量給定目標(biāo)值（L/min）；k-整數(shù)，表示進(jìn)入輸出序列的比例泵數(shù)量，取值范圍0～14；QAmax-單臺(tái)比例泵流量輸出最大值（L/min），該數(shù)值可變，可按需設(shè)定；QA-Q分解余量（L/min）。

系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值Q按上述公式進(jìn)行分解，得出以單臺(tái)最大流量QAmax輸出的泵數(shù)量為k，以Q分解余量QA輸出的比例泵數(shù)量為1，則進(jìn)入流量輸出序列的比例泵數(shù)量為(k+1)，系統(tǒng)中不在輸出序列的比例泵數(shù)量為[14-(k+1)]。

根據(jù)公式①、②計(jì)算出不同的滑塊下行速度設(shè)定值對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值Q以及Q分解后比例泵數(shù)量k和QA對(duì)應(yīng)的流量百分比如表1所示。

下面就根據(jù)表1來(lái)簡(jiǎn)述柔性控制系統(tǒng)對(duì)滑塊從開始啟動(dòng)階段到從高速到低速階段的控制過(guò)程（滑塊工作速度都是從高速到低速變化，沒(méi)有從低速到高速的變化）。

⑴開始啟動(dòng)階段。

由滑塊下行速度設(shè)定值計(jì)算出系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值Q和比例泵投入數(shù)量k+1之后，系統(tǒng)流量供給從0到Q的變化如果采用階躍給定，一是對(duì)液壓管路以及閥組沖擊大，容易增加設(shè)備的故障率，不利于設(shè)備保養(yǎng)；二是當(dāng)比例泵流量增加過(guò)快時(shí)，對(duì)泵自身也有一個(gè)沖擊，對(duì)比例泵的長(zhǎng)期使用不利，長(zhǎng)此以往也影響泵的正常使用壽命。因此系統(tǒng)流量的增加應(yīng)該采用曲線方式，可以通過(guò)調(diào)節(jié)比例泵電子放大板的加速增益來(lái)改變比例泵的加速曲線，但是該種方法的專業(yè)性很強(qiáng)，需要調(diào)試人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)，另外一旦電子放大板的加速增益改變了，該放大板就變成針對(duì)特定比例泵特殊定制的硬件，如果放大板損壞，新放大板必須重新調(diào)整加速增益方可使用，這降低了放大板的通用性，增加了其調(diào)試專業(yè)門檻。因此在程序中設(shè)計(jì)了一套阻尼發(fā)生器，通過(guò)軟件方式來(lái)改變比例泵的加速曲線，該種方法不依賴于電子放大板等外圍硬件，僅依靠PLC內(nèi)部程序，工程師調(diào)定好參數(shù)之后，即使外圍硬件損壞，重新更換硬件就可以達(dá)到原來(lái)效果，使得維護(hù)簡(jiǎn)單可靠。

⑵從高速到低速階段。

滑塊速度從高速變化到低速時(shí)，需要將系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值Q減小。現(xiàn)以滑塊速度從25mm/s減速到5mm/s為例分析。通過(guò)表1可得出這兩個(gè)速度段分別對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值Q(25)=4750L/min和Q(5)=950L/min[以Q(25)表示25mm/s對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值，Q(5)表示5mm/s對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)流量供給目標(biāo)值，下同]。

表1 不同滑塊下行速度對(duì)應(yīng)的Q、k及QA值

系統(tǒng)供給流量從Q(25)降到Q(5)，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，一種是并聯(lián)控制，將輸出序列中k+1個(gè)比例泵視為一體，其輸出流量百分比同步減小，達(dá)到減小流量供給的目的。一種串聯(lián)控制，根據(jù)目標(biāo)Q(5)的值，重新計(jì)算出輸出序列中比例泵數(shù)量[k(5)+1]，然后將現(xiàn)輸出序列中多余的比例泵關(guān)閉。在實(shí)際應(yīng)用中并聯(lián)控制的優(yōu)點(diǎn)在于輸出序列的所有比例泵輸出流量百分比同步減小，程序上實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)在于若滑塊減速比較大時(shí)，比例泵輸出流量百分比最終的目標(biāo)值過(guò)小。如本例而言，從表1可知25mm/s時(shí)在輸出序列中泵數(shù)量為13個(gè)，其流量輸出降到目標(biāo)值Q(5)時(shí)，每個(gè)泵的流量輸出百分比變成19.7%，該流量百分比有些小，對(duì)于這么多泵而言不是一個(gè)有效率的輸出方式。相比之下串聯(lián)控制根據(jù)Q(5)值重新計(jì)算之后，其輸出序列泵數(shù)量如表1所示為3個(gè)比例泵，對(duì)于Q(25)對(duì)應(yīng)的13個(gè)比例泵，關(guān)閉了10個(gè)比例泵。相比并聯(lián)控制讓13個(gè)泵都處于低百分比輸出的低效率運(yùn)行方式，串聯(lián)控制讓3個(gè)泵處在高百分比輸出的高效率運(yùn)行方式，其他10個(gè)泵處在空循環(huán)的節(jié)能運(yùn)行方式，因此在這個(gè)階段的控制方式采取串聯(lián)控制的方式。

結(jié)束語(yǔ)

隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于萬(wàn)噸級(jí)模鍛液壓機(jī)的需求越來(lái)越高，針對(duì)于該類設(shè)備的柔性控制系統(tǒng)也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文所闡述的控制系統(tǒng)應(yīng)用于我公司為印度SQUAD公司設(shè)計(jì)的100MN模鍛液壓機(jī)上，運(yùn)行情況良好，各部件動(dòng)作流暢無(wú)沖擊，有效保證了整機(jī)正常運(yùn)行。