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        開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用

        2022-11-30 10:10:30謝劍林
        機床與液壓 2022年22期
        關(guān)鍵詞:開模工步調(diào)平

        謝劍林

        (福建海源復(fù)合材料科技股份有限公司,福建福州 350101)

        0 前言

        大型且高質(zhì)量的復(fù)合材料制品常由模壓成型方式制備,復(fù)合材料壓機是模壓成型工藝流程中的核心終端設(shè)備[1-2]。其結(jié)構(gòu)常為三梁四柱式的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),上模具安裝在活動梁下平面上,下模具則安裝在下梁工作臺面上,若壓機工作時上、下模具的合模平行度誤差較大,將造成模具的耐磨塊磨損過大,進而影響模壓成型制品的尺寸精度。由于下梁工作臺面固定,且在安裝時常進行水平度調(diào)整,因此,如何保持活動梁下表面的平行度將成為關(guān)鍵問題[3-5]。

        安裝調(diào)平系統(tǒng)是解決此關(guān)鍵問題的最主要方式,應(yīng)用于壓機上的調(diào)平系統(tǒng)主要有主動和被動式2種形式。主動式調(diào)平系統(tǒng)具有壓制力大的優(yōu)點,但其調(diào)平行程大、控制難度大[6-7]。與之相反,被動式調(diào)平系統(tǒng)具有行程短、調(diào)平力矩大、控制簡單等優(yōu)點,有利于工程推廣[8-10]。但是,被動式調(diào)平系統(tǒng)常采用4個高精度的伺服比例閥進行同步控制,使得整套系統(tǒng)硬件成本仍然較高,在中端壓機市場競爭力不足。鑒于此,本文作者設(shè)計一種開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng),采用三級壓力調(diào)節(jié)插裝式溢流閥取代伺服比例閥進行調(diào)平控制,經(jīng)試機實測,設(shè)計系統(tǒng)可滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對活動梁下平面的平行度要求,即控制在0.1 mm/m以內(nèi);同時,硬件替換后可極大地降低壓機調(diào)平系統(tǒng)的制造成本。

        1 復(fù)合材料壓機的整體結(jié)構(gòu)

        復(fù)合材料壓機(以下簡稱壓機)的結(jié)構(gòu)多為三梁四柱式,如圖1所示,上梁、下梁以及4根立柱作為整體支撐框架,上梁安裝有多個機鎖,可鎖住活動梁,機鎖位是活動梁的運動開始位置?;顒恿和ㄟ^主油缸驅(qū)動實現(xiàn)上下運動,上模具安裝在活動梁下平面,下模具安裝在下梁工作臺面上(圖1所示壓機未安裝上下模)。采用被動式四角調(diào)平系統(tǒng),4個調(diào)平油缸置于活動梁的四角位置并安裝在下梁上,在上下模合模前對活動梁下平面及上模具進行調(diào)平,合模位是活動梁的最大行程位置。

        圖1 壓機結(jié)構(gòu)簡圖

        以壓機活動梁的運動作為主要對象,則壓制流程可劃分為:開機鎖→快下→慢下→加壓→保壓→泄壓→開?!焐P(guān)機鎖。在活動梁到達加壓工步前,4個調(diào)平缸在高于合模位的位置進行待機,進入加壓工步后,活動梁與4個調(diào)平缸接觸并整體下行,下行期間四缸對活動梁下平面進行調(diào)平,到達合模位時主油缸壓力開始上升,進入保壓工步,四缸仍緊貼活動梁。保壓一段時間后進入泄壓工步,四缸狀態(tài)與保壓時一致,此后進入開模工步,四缸與活動梁整體上行,上行過程中四缸進行調(diào)平,最終進入快升工步,活動梁與調(diào)平油缸分離后快速上行,經(jīng)歷慢升工步到達機鎖初始位,而四缸在分離后則重新回歸待機位,為下一個壓制循環(huán)的調(diào)平作準(zhǔn)備。

        2 開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計

        為滿足4個調(diào)平油缸的下行和上行同步運動,并考慮硬件成本問題,設(shè)計了開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng),其液壓回路設(shè)計如圖2所示。油源壓力p=25 MPa,T口接油箱;比例閥10控制四缸的下腔進出油,插裝式減壓閥9將減壓后的6 MPa油路提供給四缸的上腔,兩者共同實現(xiàn)調(diào)平油缸的穩(wěn)步升降。減壓閥12提供控制油路壓力為15 MPa,蓄能器1為調(diào)平缸上腔穩(wěn)壓,同時為調(diào)平缸下行時的上腔快速補油;三級壓力調(diào)節(jié)插裝式溢流閥6(以下簡稱調(diào)壓溢流閥)通過開關(guān)控制實現(xiàn)對四缸的同步控制。位移傳感器3提供各調(diào)平缸的實時位移反饋,作為控制系統(tǒng)的輸入信號;壓力傳感器5實時監(jiān)測調(diào)平缸下腔壓力。

        具體控制過程如下:

        (1)開模后至加壓工步之前

        調(diào)平缸已處于待機最高位。此時液控單向閥8.1-8.4的控制信號DT9.2/9.5/9.8/9.11得電,液控單向閥反向截止,調(diào)壓溢流閥6的控制信號DT9.3/9.4、DT9.6/9.7、DT9.9/9.10、DT9.12/9.13處于失電狀態(tài),則溢流壓力為高壓32 MPa,使得四缸下腔壓力保持在高壓狀態(tài),以確保四缸位移處于最高位。

        圖2 被動式四角調(diào)平系統(tǒng)液壓原理

        (2)加壓工步時

        活動梁下行至接近調(diào)平缸待機最高位時,壓機進入加壓工步,液控單向閥8.1-8.4的控制信號DT9.2/9.5/9.8/9.11仍得電,繼續(xù)保持反向截止作用。調(diào)壓溢流閥6的控制信號DT9.3/DT9.6/DT9.9/DT9.12得電,則溢流壓力為中壓7 MPa,四缸下腔壓力維持在7 MPa。此后,活動梁四角與調(diào)平缸活塞桿接觸,并共同下行,下行速度由活動梁位置閉環(huán)控制,四缸下腔油液由調(diào)壓溢流閥6溢流。四缸在下行過程中進行位置同步控制,常用同步策略方式有主從式[11-13]、等同式和交叉耦合式[14-16]。該設(shè)計系統(tǒng)使用主從最低缸同步控制策略,即四缸跟蹤最低的調(diào)平缸進行位置同步控制。

        主從最低缸同步控制過程為:比較四缸的位移信號,計算各缸與最低缸之間的同步偏差正值e1~e4,設(shè)定合理誤差判斷范圍為emax和emin,若i號缸(i=1,2,3,4)的同步偏差ei大于等于設(shè)定值emax時,說明活動梁平面在i號缸處向上傾斜過大,控制i號缸調(diào)壓溢流閥6對應(yīng)的控制信號DT9.4/DT9.7/DT9.10/DT9.13得電,使得i號缸的下腔溢流壓力從中壓7 MPa降低到低壓4 MPa,則活動梁平面將在i號缸與它對角缸共同作用的調(diào)平力矩下回到水平。隨著ei的減小,為防止i號缸過度調(diào)平,若同步偏差ei減小到設(shè)定值emin時,控制i號缸調(diào)壓溢流閥6對應(yīng)的控制信號DT9.4/DT9.7/DT9.10/DT9.13失電,i號缸的下腔溢流壓力又從4 MPa升至7 MPa,此后同步偏差ei又將會增大。如此反復(fù),通過對調(diào)壓溢流閥6進行高頻開關(guān)控制,實現(xiàn)四缸的同步調(diào)平控制。

        (3)保壓和泄壓工步時

        當(dāng)活動梁與調(diào)平缸下行至合模位后,主缸壓力開始上升,進入限時保壓工步,保壓后進入泄壓工步。在這2個工步下,液控單向閥8.1-8.4繼續(xù)保持反向截止作用,四缸調(diào)壓溢流閥的控制信號DT9.4/DT9.7/DT9.10/DT9.13都得電,四缸下腔保持在低壓4 MPa,使得調(diào)平缸能緊貼活動梁,保壓和泄壓時的同步精度主要由模具精度決定。

        (4)開模工步時

        泄壓后進入開模工步,液控單向閥8.1-8.4的控制信號DT9.2/9.5/9.8/9.11失電,液控單向閥反向?qū)ǎ壤y10給定BDT9.1正值模擬量,對應(yīng)圖示比例閥右位,使得調(diào)平缸下腔進油,BDT9.1正值模擬量電壓值將決定調(diào)平缸的開模速度,而調(diào)平缸上腔油液經(jīng)由溢流閥2溢流回油箱?;顒恿旱竭_開模結(jié)束位時,開模結(jié)束,此后活動梁與四缸分離,并從開模末速度經(jīng)加速達到最大快升速度,而調(diào)平缸則回到“開模后至加壓工步之前”的狀態(tài)。

        3 試機實測

        設(shè)計的開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)安裝于某公司HET4000D復(fù)合材料自動液壓機上,該型號壓機活動梁臺面尺寸為3 640 mm×2 600 mm,實際調(diào)平尺寸為4 280 mm×2 240 mm,如圖3所示。此外,壓制行程為70 mm,加壓速度可調(diào)范圍為1~60 mm/s,壓制力為40 MN,壓制工藝為LFT-D工藝。試驗時使用假模進行壓制,四缸的同步判斷標(biāo)準(zhǔn)是以最低缸為目標(biāo)位移,在待機最高位各缸的絕對位移如表1所示,由于1號和3號缸同為最低缸,故兩者相對最低缸同步偏差為0,2號和4號缸相對于最低缸的同步偏差分別為0.265 mm和0.080 mm。

        圖3 下梁工作臺面簡圖

        表1 調(diào)平缸待機位絕對位移與同步偏差 單位:mm

        在試驗機上實測的四缸同步偏差曲線如圖4和圖5所示。

        圖4 全行程四缸同步位移偏差

        圖5 加壓工步下四缸同步位移偏差

        A階段:開模后至加壓工步之前。4個調(diào)平缸頂升至待機最高位,2號缸相對最低缸的同步偏差最大,在0.265~0.275 mm之間,1號缸和4號缸同步位移誤差接近0。

        B階段:加壓工步?;顒恿杭訅合滦兴俣仍O(shè)定為20 mm/s,此階段的同步位移偏差如圖5所示,加壓調(diào)平時間為2.4 s,整個調(diào)平階段的最大同步誤差控制在0.75 mm以下,合模前的調(diào)平穩(wěn)態(tài)誤差控制在0.25 mm附近,也即平行度為0.25/3.640=0.068 7 mm/m,滿足平行度≤0.1 mm/m的精度要求。表明設(shè)計的開關(guān)式被動式調(diào)平系統(tǒng)滿足預(yù)期效果。

        C-D階段:保壓工步。保壓初期,主缸壓力仍然處于增大狀態(tài),使得模具發(fā)生變形,四缸偏差有所增大。C階段的保壓時間設(shè)定為15 s,同步偏差從0.15 mm緩慢增大至0.21 mm。D階段為保壓倒計時5 s,隨后進行同步開模。

        E階段:泄壓工步。泄壓時主缸壓力從4×104kN逐步降低,模具逐漸恢復(fù)變形,此狀態(tài)下四缸同步偏差從0.2 mm減小到0.1 mm以下。

        F階段:開模工步。在實際的模具中,初始開模階段的上下模還處于合模狀態(tài),因而需以較小的開模速度確保較高的開模同步精度,圖4中開模同步精度控制在0.1 mm以下;開模后期上下模已分離,即上模已完全脫離制品表面,調(diào)平缸對活動梁將不存在同步控制要求,以較大開模速度上升,此時監(jiān)測的同步誤差在0.6 mm左右;開模末期,由于活動梁切換至快上工步,調(diào)平缸的負(fù)載突變?yōu)?,將造成四缸瞬間失衡,四缸同步誤差極大,最終到達待機最高位,同步誤差又回到0.265~0.275 mm之間,調(diào)平缸完成一個工作循環(huán)。

        4 結(jié)論

        采用三級壓力調(diào)節(jié)插裝式溢流閥取代多個伺服比例閥設(shè)計開關(guān)型被動式四角調(diào)平系統(tǒng),并結(jié)合主從最低缸同步控制策略,可有效實現(xiàn)較高精度的同步控制,同時極大地降低了系統(tǒng)的硬件成本。將此系統(tǒng)應(yīng)用于HET4000D型號復(fù)合材料全自動液壓機上,測試過程運行可靠,活動梁在20 mm/s的加壓速度下,四缸的同步誤差為0.25 mm,滿足同步控制精度要求,極大提高了中端復(fù)合材料壓機的產(chǎn)品競爭力。

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