穆天馳,張東民,周偉民

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；2.上海東風(fēng)汽車專用件有限公司，上海 201419)

引言

在我國(guó)制造行業(yè)中,沖壓工藝擁有互換性強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定、可行性高以及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[1]。氣液增力缸具有液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)的雙重優(yōu)點(diǎn)[2-3]，在力和行程可調(diào)的情況下，能夠滿足快速準(zhǔn)確高精度的沖壓要求，廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造行業(yè)；但國(guó)內(nèi)氣液缸控制系統(tǒng)多采用節(jié)流閥或溢流閥同步回路設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥或溢流閥的流量大小來控制氣液缸的工作，此方法適用于大型零部件或?qū)_壓加工精度要求不高的零件，無法滿足體積較小零件的高精度沖壓。張秀華[4]提出采用二位二通電磁換向閥來減小誤差；陳剛[5]提出采用三位五通電磁換向閥來提高液壓缸性能，但對(duì)于加工精度要求非常高的零件需更換球形閥芯，成本較高。為此，本研究提出了一種新型的串聯(lián)氣液缸與機(jī)械剛性連接相結(jié)合的控制系統(tǒng)，并針對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析。該系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提升零件沖壓加工精度，滿足企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，降低成本，將產(chǎn)品合格率從原有的85%提升至95%，沖壓零件耐磨性和剛性強(qiáng)度增強(qiáng)，提升零件的質(zhì)量。

1 控制系統(tǒng)原理與組成

沖壓裝置控制系統(tǒng)是由動(dòng)力源、控制閥、PLC控制箱3部分組成,按照控制要求可知，系統(tǒng)有6個(gè)輸入信號(hào)、6個(gè)輸出信號(hào)，所以選用輸入和輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)都大于12的PLC[6]。其主要優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)沖壓零件的不同規(guī)格進(jìn)行相應(yīng)的沖壓力和沖壓行程的調(diào)節(jié)，滿足不同規(guī)格沖壓零件的沖壓需求，同時(shí)，保證3個(gè)氣液缸并行沖壓誤差在0.05 s的精度誤差范圍內(nèi)，滿足企業(yè)對(duì)沖壓零件的特殊生產(chǎn)要求。當(dāng)沖壓系統(tǒng)接收到信號(hào)時(shí)，沖壓系統(tǒng)會(huì)輸出相應(yīng)的壓力值，壓力通過控制閥調(diào)節(jié)氣液缸進(jìn)給的速度。氣液缸的工作行程分為無負(fù)載空行程和有負(fù)載進(jìn)給行程。無負(fù)載空行程由氣缸完成，有負(fù)載進(jìn)給行程由液壓缸完成，在空載行程遇到?jīng)_壓零件時(shí)，反饋給控制閥，沖壓系統(tǒng)輸出信號(hào)，液壓缸開始工作。相對(duì)于數(shù)學(xué)模型，AMESim圖形化建模更直觀，過程參數(shù)易提取，有利于優(yōu)化閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]。氣液缸由電磁閥控制，氣液缸氣路連接原理如圖1所示，為更好滿足沖壓精度，在此基礎(chǔ)上，采用串聯(lián)液壓缸與機(jī)械剛性連接相結(jié)合的方式來控制沖壓系統(tǒng)。

圖1 氣液缸氣路連接原理

2 3氣液缸同步回路設(shè)計(jì)

特殊沖壓零部件加工精度要求較高，對(duì)于氣液缸的同步性控制尤為關(guān)鍵，要確保3個(gè)氣液缸在工作行程中的時(shí)間誤差控制在0.05 s以內(nèi)，故先后采用了以下4種形式的同步回路設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真(由于氣液缸自身具有一定同步性，為了簡(jiǎn)化同步性分析，用液壓缸代替氣液缸進(jìn)行仿真分析，液壓缸達(dá)到同步性要求，氣液缸也能確保達(dá)到精度要求)：

(1) 機(jī)械剛性連接同步回路設(shè)計(jì)[8]，考慮到氣液缸自身的同步性，采用機(jī)械剛性連接設(shè)計(jì)，此方法較為簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)多缸同步，工作可靠。但同步精度仍然達(dá)不到要求，且只適用于同步距離較近的場(chǎng)合；

(2) 串聯(lián)回路設(shè)計(jì)，此方法結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要補(bǔ)油和放油設(shè)施，增加了運(yùn)行成本；

(3) 節(jié)流閥同步回路設(shè)計(jì)[9]，采用3個(gè)調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)3缸同步，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，但同步精度較低，達(dá)不到裝配要求；

(4) 串聯(lián)氣液缸與機(jī)械剛性連接相結(jié)合的同步回路，其中1個(gè)缸采用油缸直接供油的方式，另外2缸采用串聯(lián)連接的同步回路設(shè)計(jì)，采用此種方法能夠達(dá)到同步性要求，使得工作行程中的時(shí)間誤差控制在0.05 s 以內(nèi)。

綜上分析可知，采用串聯(lián)氣液缸與機(jī)械剛性連接相結(jié)合的方式能有效滿足同步性需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，設(shè)計(jì)成套，調(diào)試和使用容易，也方便后期維護(hù)保養(yǎng)，同時(shí)，產(chǎn)品要求0.05 s以內(nèi)的誤差，而采用此種方法能夠?qū)r(shí)間精度控制在0.01 s以內(nèi)，大大提高了同步精度。

3 3缸同步性仿真分析

3.1 同步回路的建立和仿真參數(shù)確定

AMESim液壓仿真軟件有4種基本工作模式：方案模式(Sketch Mode)、子模型模式(Submodel Mode)、參數(shù)模式(Parameter Mode)和運(yùn)行模式(Simulation Mode)。在方案模式下建立同步回路，如圖2所示。

圖2 AMESim中同步回路建立

3缸負(fù)載為5000 N，液壓缸內(nèi)徑63 mm，活塞桿直徑30 mm，設(shè)定工作壓力16 MPa。在參數(shù)模式(Parameter Mode)下輸入液壓缸相應(yīng)參數(shù)：液壓缸的內(nèi)徑、活塞桿的直徑、液壓缸活塞的行程等，其他參數(shù)按默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，如液壓泵、節(jié)流閥等液壓元件的參數(shù)[10-12]。

3.2 同步液壓回路仿真結(jié)果分析

在運(yùn)行模式(Simulation Mode)下對(duì)上述液壓同步回路進(jìn)行仿真，圖3～圖5分別為3個(gè)缸在工作行程50 mm時(shí)位移-時(shí)間曲線。從仿真結(jié)果可以看出，缸1所用時(shí)間為0.07 s，缸2和缸3所用時(shí)間為0.08 s，相差0.01 s的時(shí)間誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需要的0.05 s時(shí)間誤差，采取此種液壓回路設(shè)計(jì)能夠滿足沖壓精度，并進(jìn)一步提高產(chǎn)品合格率。

圖3 缸1位移-時(shí)間曲線

圖4 缸2位移-時(shí)間曲線

圖5 缸3位移-時(shí)間曲線

4 裝置試生產(chǎn)驗(yàn)證

4.1 試生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)

在新控制系統(tǒng)的沖壓裝置下，選取30個(gè)M8規(guī)格的螺母和30個(gè)M16規(guī)格的螺母作為實(shí)驗(yàn)樣本，在連續(xù)沖壓30次后，用千分尺按沖壓順序分別對(duì)2種規(guī)格的30個(gè)螺母的三邊沖槽深度h進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算三邊沖槽深度的期望值μ。

4.2 試生產(chǎn)結(jié)果分析

記錄下2種規(guī)格螺母的30組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示。M8螺母的合格率為100%，M16螺母的合格率為96.7%，均滿足所需要求，同時(shí)從表中可以看出，連續(xù)沖壓30次后，與希望的M8規(guī)格螺母的0.1 mm沖槽深度，M16螺母的0.2 mm沖槽深度偏差較小，氣液缸沖壓的穩(wěn)定性較好。由于螺母規(guī)格的增大，所需沖壓力和沖槽深度增加，致使產(chǎn)生不合格品概率增加。通過正態(tài)分布期望圖6、圖7可以看出，M8螺母的沖槽深度均值為0.108 mm，σ為0.008，滿足3σ定理，M16螺母的沖槽深度均值為0.214 mm，σ為0.027，滿足3σ定理，但M16的σ值大于M8,故M8沖壓穩(wěn)定性比M16要更穩(wěn)定。新的控制回路設(shè)計(jì)使得沖壓件的精度和沖壓穩(wěn)定性得到了提升。

表1 三邊沖槽深度 mm

圖6 M8螺母正態(tài)分布期望

圖7 M16螺母正態(tài)分布期望

5 結(jié)論

(1) 針對(duì)此種特殊的沖壓件，設(shè)計(jì)了一種采用串聯(lián)氣液缸與機(jī)械剛性連接相結(jié)合的控制方式，確保了沖壓件的精度要求，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的合格率；

(2) 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于氣液缸的連續(xù)沖壓穩(wěn)定性以及對(duì)不同規(guī)格螺母沖壓的一致性得到了較為可靠的數(shù)據(jù)，與仿真分析結(jié)果較為相似；

(3) 在沖壓控制系統(tǒng)上使得該設(shè)備能夠沖壓多種規(guī)格特殊的沖壓件，對(duì)于其他需要對(duì)多邊沖壓的設(shè)備的控制系統(tǒng)的研究提供了一定的方案參考。