陳鴻，王東明

（1.天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司，甘肅 天水 741020；2.甘肅省制管裝備自動(dòng)化及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020）

0 引言

預(yù)彎機(jī)是20 年前技術(shù)引進(jìn)、消化吸收的國產(chǎn)化設(shè)備，盡管預(yù)彎機(jī)在制管廠服役了20 多年，但是在使用過程中出現(xiàn)過許多問題。多數(shù)預(yù)彎機(jī)用戶針對使用工藝、部件結(jié)構(gòu)、壓料梁連接方式、液壓系統(tǒng)、控制系等都做過不同程度的研究和改進(jìn)，有些已經(jīng)付諸實(shí)施，效果比較理想。有一些研究成果，以專利、學(xué)術(shù)論文的形式發(fā)表，學(xué)術(shù)觀點(diǎn)有較高的參考價(jià)值?？傊A(yù)彎機(jī)在業(yè)內(nèi)同行的共同努力下，經(jīng)受住了時(shí)間的檢驗(yàn)，同時(shí)，為我國培養(yǎng)了預(yù)彎機(jī)制造、使用和維修等方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人才隊(duì)伍。

作為我國第一代預(yù)彎機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和主管預(yù)彎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，有責(zé)任和義務(wù)對預(yù)彎機(jī)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的反思。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代應(yīng)用自動(dòng)化、信息化、智能化手段，提出預(yù)彎機(jī)升級改造的技術(shù)路線、策略和具體方案。

1 機(jī)械類問題分析及升級改造策略

1.1 活塞桿與提升環(huán)斷裂問題

預(yù)彎機(jī)在生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生提升環(huán)斷裂和提升缸缸桿斷裂問題，嚴(yán)重影響了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率[1]。改進(jìn)預(yù)彎機(jī)的活塞與下模梁連接方式，活塞頭與活塞桿做成分體式，提升環(huán)的連接為整體式結(jié)構(gòu)，增加油缸偏載的間隙余量，避免螺釘斷裂，消除應(yīng)力，增加可靠性和可維修性[2]。

1.1.1 原因分析

預(yù)彎機(jī)回程缸活塞桿靠螺栓連接在下模梁上，提升環(huán)與活塞桿端部的間隙為2.5mm。工作時(shí)下模梁與油缸工作時(shí)發(fā)生位移的方向和距離不一致，最大位移量超出了提升環(huán)間隙的設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致提升環(huán)連接螺栓干涉產(chǎn)生剪切力，頻繁斷裂[3]。

1.1.2 升級改造策略

間隙變大可以解決活塞桿提升環(huán)損壞，但是不能從根本上解決螺釘松動(dòng)問題。最關(guān)鍵的解決辦法就是提高Y1、Y2 軸全行程（上行、預(yù)彎、保壓、卸壓、返程）同步控制精度，從根本上解決此類問題的發(fā)生。具體方案詳見本文3.2.3 節(jié)論述。

1.2 壓料梁偏斜、壓不緊板料問題

1.2.1 原因分析

壓料梁上行是依靠蓄能器壓力被動(dòng)跟隨下模梁上行，在預(yù)彎時(shí)油泵提供壓力完成壓料。壓料梁下行時(shí)，被下模梁壓下，液壓油反沖液到蓄能器?？焖傧滦袝r(shí)主油缸下腔壓力并不是完全為零，下模梁下行時(shí)，會(huì)受到兩個(gè)主油缸的偏載反作用力，致使下模梁速度不穩(wěn)定，加劇了個(gè)回程油缸不同步，進(jìn)而導(dǎo)致回程缸活塞桿受力嚴(yán)重失衡，活塞桿因受力過大被拉斷。夾緊梁在夾緊和保壓過程中，由于控制閥內(nèi)泄導(dǎo)致夾緊缸內(nèi)壓力下降，使夾緊梁不能可靠夾緊鋼板，從而引起彎邊過程中鋼板翹起和橫移[4]。

在實(shí)際使用過程中，由于蓄能器需要根據(jù)壓力檢測進(jìn)行隨時(shí)補(bǔ)液，控制環(huán)節(jié)較多，壓力機(jī)繼電器的可靠性和蓄能器性能影響壓料梁壓力波動(dòng)。蓄能器壓力過高，壓料梁返程時(shí)需要增大壓力，機(jī)械沖擊噪聲增大的同時(shí)對主油缸、壓料梁、返程缸之間連接機(jī)構(gòu)引起沖擊。對有間隙的機(jī)械結(jié)構(gòu)長期、反復(fù)沖擊，會(huì)引起連接螺釘松動(dòng)、脫落、失效斷裂、甚至是油缸頭開裂、斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生。如果蓄能器壓力過低，壓料梁上升緩慢，不容易壓緊鋼板，就會(huì)影響預(yù)彎質(zhì)量。

1.2.2 改造升級策略

壓料梁和下模梁分開控制。壓料梁單獨(dú)控制，將壓料梁油缸由原來柱塞缸改用活塞缸，壓料梁下行由原來被下模梁壓下，改為液壓控制下行。

1.2.3 壓料梁和下模梁分開控制的優(yōu)點(diǎn)

（1）避免了因壓料梁控制閥、蓄能器等故障，壓料梁油缸壓力異常時(shí)，與下模梁主缸壓下力相互作用，引起下模梁連接螺絲松動(dòng)或斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）主油缸帶動(dòng)下模梁下行時(shí)只是克服回油阻力，不會(huì)在高速下行過程當(dāng)中，因?yàn)閴毫狭旱淖钃醵a(chǎn)生壓力突變，導(dǎo)致下模梁主油缸液壓系統(tǒng)沖擊。根除了下模梁與壓料梁之間的機(jī)械撞擊噪聲。

（3）預(yù)彎過程分時(shí)、分步控制。預(yù)彎上行時(shí)壓料梁先上行，鋼板隨動(dòng)上行，延時(shí)后下模梁上行。預(yù)彎結(jié)束后下模梁先卸壓下行，延時(shí)后壓料梁卸壓下行，鋼板隨動(dòng)下行。這樣，能有效解決機(jī)械、液壓、鋼板沖擊疊加現(xiàn)象，改善機(jī)床振動(dòng)和工作噪聲。

（4）下模梁主油缸在預(yù)彎不同直徑和壁厚的鋼板時(shí)，下模梁停留在鋼板能夠通過的位置。按照下模梁最大行程為160mm，預(yù)彎速度10mm/s，返程速度30mm/s 計(jì)算，下模梁一次循環(huán)極限時(shí)間為24s。以壓制管徑711mm×16mm，材料X70 規(guī)格為例，此時(shí)下模梁行程54mm，下模梁一次循時(shí)間為10s。因此下模梁和壓料梁分開控制，可減少下模梁行程，提高預(yù)彎效率。

1.3 下模梁全程單一速度策略

1.3.1 快慢速切換問題

以單機(jī)24000kN 預(yù)彎機(jī)為例，壓料梁原設(shè)計(jì)行程140mm，下模梁行程300mm，下模梁預(yù)彎行程160mm，下模梁快速105mm/s，慢速預(yù)彎15mm/s。按照快速105mm/s 計(jì)算，壓料時(shí)間需要1.3s，實(shí)際測量為3s，平均速度只有40mm/s，原因如下。

（1）由于壓料梁行程太短，實(shí)際運(yùn)行中壓料梁根本達(dá)不到設(shè)計(jì)的最高速，因?yàn)榧铀龠^程還沒有達(dá)到最大速度，壓料梁已經(jīng)接近了目標(biāo)值，系統(tǒng)立即減速，切換為慢速預(yù)彎工況。

（2）液壓系統(tǒng)快速105mm/s 時(shí)，充液閥通徑選擇為DN200，控制系統(tǒng)快、慢速切換及M1、M2 機(jī)之間相互等待，引起液壓系統(tǒng)頻繁切換。大通徑充液閥瞬間打開或關(guān)閉會(huì)引起液壓系統(tǒng)沖擊，需要充液閥控制回路的阻尼與延時(shí)配合，使充液閥打開和關(guān)閉的過渡過程平緩。所以在預(yù)彎機(jī)中由于快速行程太短，采用快、慢速切換方案，實(shí)際應(yīng)用效果不理想。

1.3.2 下模梁全程單一速度優(yōu)點(diǎn)

①消除由于快慢速切換引起的系統(tǒng)沖擊；②可以取消充液閥，液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)變得更加簡單、可靠。

1.4 前后托料輥道與壓料梁不同步問題

在預(yù)彎薄壁大直徑鋼管時(shí)，由于前后托料與壓料梁不同步，使預(yù)彎尺寸誤差偏大，形成破浪、壓痕等。

1.4.1 原因分析

①由于不同規(guī)格鋼板重量不同，傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)速性能不穩(wěn)定，節(jié)流閥阻尼系數(shù)隨溫度變化范圍變小，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。節(jié)流閥沒有壓力及溫度補(bǔ)償裝置，不能自動(dòng)補(bǔ)償負(fù)載及油粘度變化時(shí)所造成的速度不穩(wěn)定[5]；②原數(shù)控系統(tǒng)Y 軸數(shù)據(jù)不開放，控制系統(tǒng)無法完成前、后托料的隨動(dòng)控制，因此得不到理想的托料效果。

1.4.2 升級改造策略

參見3.2.3 節(jié)論述。

2 液壓類問題分析及升級改造策略

2.1 液壓系統(tǒng)普通電機(jī)+定量泵控制模式

原設(shè)計(jì)無論是1250t 或2400t 預(yù)彎機(jī)，選用了一種恒速、恒壓油泵電機(jī)組控制模式，設(shè)計(jì)計(jì)算按照最大噸位和最高工作速度配置，既要保證預(yù)彎力也要保證預(yù)彎速度，電機(jī)功率和油泵排量比較富裕，在實(shí)際使用中表現(xiàn)為功率、流量匹配度不高，發(fā)熱嚴(yán)重。以2400t 預(yù)彎機(jī)為例，將主油泵原來排量250ml/r 的定量泵，電機(jī)200kW，變?yōu)?80ml 變量泵，電機(jī)功率160kW，改造后油溫下降5～10℃，完成一張鋼板預(yù)彎時(shí)間270s，滿足生產(chǎn)線節(jié)拍[6]。

2.1.1 原因分析

原預(yù)彎機(jī)控制系統(tǒng)屬于閥控系統(tǒng)，在普通電機(jī)+定量泵控制模式下，油泵輸出的流量是一定值，如果負(fù)載速度發(fā)生變化，一部分流量從主溢流閥溢流，產(chǎn)生溢流損耗。由于用比例方向閥控制系統(tǒng)速度，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)和節(jié)流損耗。系統(tǒng)的流量、壓力不跟隨負(fù)載的變化而變化，系統(tǒng)負(fù)載流量和壓力與動(dòng)力源所提供的難以實(shí)時(shí)匹配，因此會(huì)存在較大的溢流和節(jié)流損失，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量大、能源利用率低[7]。

2.1.2 升級改造策略

（1）策略一：采用伺服電機(jī)+定量泵控制模式。由伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)下模梁位置和工況，通過控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，控制油泵轉(zhuǎn)速與壓力，達(dá)到控制系統(tǒng)流量和壓力的目的，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)流量、壓力隨負(fù)載變化而變化的控制策略。

當(dāng)然，伺服電機(jī)+定量泵+比例方向閥控制模式，能更精確控制下模梁的加、減速斜率和速度，使整個(gè)預(yù)彎過程更加流暢，系統(tǒng)沖擊減小、工作穩(wěn)定可靠。

（2）策略二：液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感（Load Sensing）液壓泵。該泵可以同時(shí)感知液壓系統(tǒng)流量、壓力的變化，并根據(jù)流量、壓力的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)柱塞泵輸出的流量與壓力，達(dá)到根據(jù)負(fù)載變化調(diào)整速度與壓力的目的。負(fù)載敏感液壓泵的LS 口感知預(yù)彎主缸無桿腔的負(fù)載壓力，根據(jù)負(fù)載壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量工進(jìn)預(yù)彎，位移傳感器檢測鋼板接近上模梁時(shí)，控制單元通過比例換向閥調(diào)整預(yù)彎主缸至工進(jìn)速度，負(fù)載壓力升高，負(fù)載敏感液壓泵的輸出流量減小，保壓成形，負(fù)載敏感液壓泵輸出預(yù)設(shè)流量補(bǔ)充內(nèi)泄壓降[7]。

3 電氣類問題分析及升級改造策略

3.1 原系統(tǒng)控制策略

3.1.1 預(yù)彎機(jī)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)控制預(yù)彎機(jī)下模梁同步運(yùn)行及最終預(yù)彎，通過DNC60（或DAC51）數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。1 臺DNC60（或DAC51）數(shù)控系統(tǒng)能同時(shí)控制2 組Y1、Y2電液比例閉環(huán)軸，控制1 組電液比例壓力閥。系統(tǒng)選用西門子S7315-2DP 作為預(yù)彎邊機(jī)組的主站、對整機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。選擇ET200M 作為 DNC60數(shù)控系統(tǒng)與主站交換I/O 控制信號的接口模塊[8]。由于數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)不開放，數(shù)控系統(tǒng)與PLC 之間只沒有數(shù)據(jù)通信，只有I/O 開關(guān)量的信號交換，系統(tǒng)集成性不高。

3.1.2 原M1、M2 機(jī)同步控制策略

M1、M2 機(jī)的Y1、Y2 軸通過兩臺數(shù)控系統(tǒng)分別控制，單臺數(shù)控系統(tǒng)控制Y1、Y2 軸的速度同步及預(yù)彎最終位置[9]。由于是折彎機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用在預(yù)彎機(jī)控制中，其適應(yīng)性與性能匹配度不高，兩臺數(shù)控系統(tǒng)之間通過下模梁下止點(diǎn)，上止點(diǎn)，夾緊點(diǎn)之間的I/O 信號鏈接。M1、M2 機(jī)之間沒有同步控制，在預(yù)彎過程中速度快的主機(jī)先到夾緊點(diǎn)停止，等待速度慢的主機(jī)，然后同時(shí)預(yù)彎（M1、M2 機(jī)不是同步預(yù)彎），預(yù)彎結(jié)束后在上止點(diǎn)同時(shí)下行（M1、M2 機(jī)不是同步下行）。在大通徑、大流量、短行程液壓系統(tǒng)運(yùn)行中頻繁啟、停，使液壓系統(tǒng)同步可控制性變差。

3.1.3 數(shù)控系統(tǒng)

按照折彎機(jī)思路，在預(yù)彎機(jī)使用過程中Y1、Y2軸沒有反映出預(yù)彎模具的實(shí)際位置值，而是采用試驗(yàn)的辦法獲取Y1、Y2 軸的相對位置值，不能直觀反映預(yù)彎機(jī)下模的實(shí)際位置值，造成預(yù)彎機(jī)操作與維修不方便。

3.2 新系統(tǒng)升級改造策略

3.2.1 在TIA 博途平臺下全集成PLC+HMI

TIA 博途（Totally Integrated Automation Portal）為全集成自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供了通用的工程平臺。使用一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫，以一致的數(shù)據(jù)管理、通用的工業(yè)通訊、集成的工業(yè)信息安全和功能安全為基礎(chǔ)，貫穿項(xiàng)目規(guī)劃、工程研發(fā)、生產(chǎn)運(yùn)行到服務(wù)升級的各個(gè)工程階段[10]。S7-1500T 控制器、HMI 人機(jī)界面、伺服驅(qū)動(dòng)、液壓控制功能庫等已經(jīng)無縫集成到TIA博途平臺上，使組態(tài)、編程和使用新功能更加方便、快捷。將預(yù)彎機(jī)控制數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、工單管理數(shù)據(jù)、信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)無縫集成，實(shí)時(shí)交互變?yōu)榱丝赡堋?/p>

3.2.2 HMI 控制策略

在HMI 人機(jī)界面上根據(jù)鋼管厚度、直徑、材質(zhì)等參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇上、下模具號、自動(dòng)計(jì)算下模位置值并自動(dòng)調(diào)整下模位置，自動(dòng)計(jì)算機(jī)架開口位置，并自動(dòng)調(diào)整機(jī)架開口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換規(guī)格。

HMI 人機(jī)界面上設(shè)置和顯示主機(jī)速度、送料輥道線速度，送料參考點(diǎn)與下模前后過渡段之間的距離等參數(shù)。顯示故障代碼、錯(cuò)誤提示。實(shí)時(shí)顯示比例閥開口位置，油缸主壓力、速度，實(shí)施顯示Y1、Y2 軸同步控制曲線。儲(chǔ)存和調(diào)用鋼管工單，通過以太網(wǎng)接受和傳輸工單參數(shù)。

3.2.3 PLC 控制策略

預(yù)彎機(jī)自動(dòng)控制最佳模式應(yīng)該是：壓力控制+位置控制，具體技術(shù)方案如下。

（1）同步軸控制。先配置一個(gè)Y0 軸作為虛擬軸（非物理實(shí)軸）為引導(dǎo)軸，M1 機(jī)的Y1、Y2 軸和M2機(jī)的Y1、Y2 軸跟隨Y0 軸運(yùn)動(dòng)。在預(yù)彎上行與下行時(shí)進(jìn)入速度閉環(huán)同步控制模式，預(yù)彎與保壓階段，伺服電機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)矩控制，主機(jī)進(jìn)入壓力閉環(huán)控制模式。

將前、后托料配置為兩個(gè)數(shù)控軸，增加檢測傳感器。以壓料梁實(shí)際運(yùn)行速度為引導(dǎo)軸，前、后托料為跟隨軸，進(jìn)行速度閉環(huán)同步控制，實(shí)現(xiàn)壓料梁與前、后托料同步。

（2）S7-1500T 控制器能單獨(dú)為每一個(gè)比例方向閥測試性能補(bǔ)償曲線，在設(shè)備長期使用后，每個(gè)比例閥性能會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)按照實(shí)際油缸運(yùn)行軌跡，通過內(nèi)部控制算法，計(jì)算出比例方向閥補(bǔ)償曲線。補(bǔ)償曲線參與前饋控制過程，保障了液壓系統(tǒng)長期使用的控制精度。

（3）虛擬調(diào)試與液壓系統(tǒng)仿真，使用PLCSIM Advanced 作為仿真平臺，將編寫的PLC 程序下載到PLCSIM Advanced 仿真平臺中，液壓軸的仿真可以通過激活軸仿真功能[11]，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，檢驗(yàn)軟、硬件組態(tài)與配置、PLC 用戶自定義變量、HMI 變量等正確性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行系統(tǒng)仿真，模擬系統(tǒng)實(shí)際同步運(yùn)行曲線，為優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)，使控制系統(tǒng)更加精準(zhǔn)。

（4）預(yù)留車間信息化系統(tǒng)接口，開放制管廠信息化系統(tǒng)所需要的各類數(shù)據(jù)。HMI 和PLC 是MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的基礎(chǔ)設(shè)備，是制造技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在HMI 和PLC 的智能化、可編程性上深入挖掘數(shù)據(jù)[12]，對制管企業(yè)信息管理系統(tǒng)升級，提升企業(yè)信息化管理水平具有現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)和人機(jī)界面的遠(yuǎn)程下載、上傳、監(jiān)控等遠(yuǎn)程服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷及預(yù)警，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度縮短故障處理時(shí)間。

4 結(jié)束語

通過走訪國內(nèi)制管企業(yè)，現(xiàn)場實(shí)地考察，收集、整理，借鑒預(yù)彎機(jī)在制造、使用、維修方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，結(jié)合同行近年來的研究成果，將問題歸類、整理、列出問題清單，分析問題，提出了上述預(yù)彎機(jī)升級改造技術(shù)路線、策略和實(shí)施方案。相信在同行的共同努力下，我國預(yù)彎機(jī)綜合技術(shù)水平將會(huì)有更大提升。