徐 赟，霍志亮，趙慶龍，錢 軍，顧海燕

（西派格電液控制科技有限公司，江蘇南通 226000）

1 全自動壓機液壓系統(tǒng)概述

現(xiàn)有的汽車內(nèi)飾等塑料成型壓機的液壓系統(tǒng)是通過變頻器控制異步電機加定量液壓泵來控制壓機的進給系統(tǒng)。在壓機液壓系統(tǒng)中為了實現(xiàn)快速、慢速和位置閉環(huán)等工況，設(shè)計者一般選擇價格較貴的大通徑的比例伺服閥，大多數(shù)壓機液壓系統(tǒng)對速度和節(jié)拍要求較高，而對位置控制要求較低，使用比例伺服閥控，造成了系統(tǒng)冗余和浪費。另一種設(shè)計，在液壓回路中增加抗衡閥，起到節(jié)流、溢流和平衡負(fù)載的作用，一臺壓機需要應(yīng)對不同負(fù)載的模具，通過手動調(diào)節(jié)抗衡閥，不僅調(diào)節(jié)難度大，而且需要專業(yè)培訓(xùn)，抗衡閥的節(jié)流和溢流能量損失也都需要電機泵組補償，產(chǎn)生較大能源流失。

2 全自動壓機電液控制系統(tǒng)介紹

圖1為全自動壓機電液控制系統(tǒng)原理。負(fù)載抬升由永磁同步伺服電機驅(qū)動內(nèi)嚙合齒輪泵，給執(zhí)行器下腔供油，可按需供油實現(xiàn)負(fù)載抬升無極調(diào)速。壓機負(fù)載下降，執(zhí)行器下腔的壓力油經(jīng)過流量控制閥控制負(fù)載下降，外部控制器調(diào)節(jié)控制閥閥口大小，實現(xiàn)負(fù)載下降無極調(diào)速。在整個工作周期中，可在系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)按照需求控制系統(tǒng)流量，使系統(tǒng)工作更加靈活。

圖1 全自動壓機電液控制系統(tǒng)原理

3 全自動壓機電液控制系統(tǒng)建模

3.1 流量控制閥模型的搭建

全自動壓機的上模具在一個工作周期中需要快速逼近下模具，上模具在負(fù)載作用下快速下降，微控單元調(diào)節(jié)通徑DN16的流量控制閥通過較大流量，待上模具與下模具之間的距離小于工藝設(shè)計閾值時，微控單元調(diào)節(jié)通徑DN16的流量控制閥通過較小流量，上模具慢速下降，當(dāng)上模具與下模具的工藝距離達(dá)到工件壓制成型的定位距離，微控單元控制伺服電機快速進入工作中，給執(zhí)行器上腔壓油，壓機進入壓制工藝環(huán)節(jié)。

該全自動壓機電液控制系統(tǒng)所用流量控制閥是一種開環(huán)控制單元。在上模具整個運行周期中，位移傳感器始終發(fā)送信號給微控單元（MPU）。微控制單元采集電流或電壓信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過設(shè)計程序控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送給流量控制閥的放大器，以調(diào)節(jié)閥芯位置。流量控制工作原理如圖2所示。

圖2 流量控制工作原理

根據(jù)流量控制閥的工作原理，可使用AMESim軟件搭建其物理模型。

參數(shù)化搭建流量控制閥物理模型后，調(diào)節(jié)其控制電流從0到100%，同時設(shè)定流量控制閥的進口壓力為定值；調(diào)節(jié)流量控制閥的進口壓力從0到30 MPa，同時設(shè)定其控制電流為定值，進行流量控制閥的特性仿真。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)流量控制閥進口壓力不變，調(diào)節(jié)控制電流由小到大時，流量控制閥的輸出流量近似成線性變化；當(dāng)流量控制閥控制電流不變，調(diào)節(jié)流量控制閥的進口壓力由小到大時，流量控制閥的輸出流量能夠迅速穩(wěn)定在某一個流量值附近，且電流越大，最終輸出的穩(wěn)定流量越大。該流量控制閥物理模型仿真的結(jié)果與樣本曲線保持一致，反映出了流量控制閥的控制特性。

3.2 永磁同步電機模型的搭建

與異步電機相比，永磁同步電機（PMSM）具有過載能力強、效率高、轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。在全自動壓機的一個工作周期中，包含壓機上、下模具壓制工藝環(huán)節(jié)，保壓工藝環(huán)節(jié)，上模具快速抬升環(huán)節(jié)，以及模具加熱環(huán)節(jié)等。永磁同步電機驅(qū)動內(nèi)嚙合齒輪泵的容積控制為壓機電液控制系統(tǒng)中的主要控制方式之一。永磁同步電機空間矢量脈寬調(diào)制控制原理如圖3所示。

圖3 永磁同步電機空間矢量脈寬調(diào)制控制原理

在該壓機電液控制系統(tǒng)中采用Hysis 品牌U31013C 系列永磁同步電機，通過AMESim 軟件的電機庫和信號庫搭建U31013C 永磁同步電機模型。

對搭建的永磁同步電機設(shè)置完整模型參數(shù)，其輸入的目標(biāo)扭矩見表1。

表1 永磁同步電機目標(biāo)扭矩

調(diào)節(jié)永磁同步電機輸入轉(zhuǎn)速從0 到4000 r/min，分別設(shè)定輸入扭矩對應(yīng)表1的目標(biāo)扭矩，則U31013C永磁同步電機轉(zhuǎn)速對應(yīng)電機輸出扭矩和其在各個目標(biāo)扭矩下對應(yīng)的輸入功率特性，如圖4、圖5所示。

圖5 伺服電轉(zhuǎn)速、扭矩-輸入功率特性

查看U31013C 系列永磁同步電機說明書，額定轉(zhuǎn)速n=3000 r/min，額定扭矩T=217 N·m，對應(yīng)的電機功率P=68 kW，與圖4、圖5中的轉(zhuǎn)速、扭矩及功率均能對應(yīng)。因此，所搭建的永磁同步電機脈寬調(diào)制控制模型能夠反映出U31013C 永磁同步電機的特性。

3.3 電液控制系統(tǒng)仿真模型搭建

設(shè)計好流量控制閥和U31013C 永磁同步電機的物理模型后，依據(jù)全自動壓機電液控制系統(tǒng)原理（圖1）完成整個系統(tǒng)物理模型的搭建，如圖6所示。

圖6 全自動壓機電液系統(tǒng)仿真模型

4 仿真分析

隨著現(xiàn)代智能制造的發(fā)展，提出了工件生產(chǎn)過程的綠色化，即把設(shè)備上一個部件制造過程中的碳中和，也納入了綠色智造的范疇。用于生產(chǎn)新能源汽車內(nèi)飾部件的壓機，要求工作周期快、壓制頻次高、狀態(tài)穩(wěn)定，同時要求提高系統(tǒng)能效和減少液壓系統(tǒng)發(fā)熱等問題。全自動壓機電液控制系統(tǒng)采用結(jié)合微控制器單元（MPU）系統(tǒng)的伺服電機泵控和流量控制閥閥控，可達(dá)到全自動壓機能效高、系統(tǒng)發(fā)熱少、壓制工作周期快的目的。文章將從兩個方面對壓機電液控制系統(tǒng)展開分析。

4.1 全自動壓機負(fù)載快速下降

汽車內(nèi)飾壓制模具集成了機械、電氣及液壓等元件，模具自重一般在5～10 t，即負(fù)載變化范圍較寬。作為工業(yè)母機的壓機在模具向下運動過程中，必須快速適應(yīng)模具負(fù)載在較寬范圍的變化。通過流量控制閥控制模具快速下移到距離壓制工藝環(huán)節(jié)前某一位置，設(shè)計仿真分析6個不同的負(fù)載，分別為5 t、6 t、7 t、8 t、9 t 和10 t，上模具下降0.8 m。

5～10 t 的模具在快速下降階段的速度響應(yīng)較快，在負(fù)載開始下降和停止下降過程中，速度振幅快速減弱并逼近定值，最大速度保持在0.31 m/s 以上。

55～10 t的模具在快速下降階段，經(jīng)過2.8 s的時間，均到達(dá)設(shè)定目標(biāo)位置0.8 m，且位移曲線平滑，位置偏差也在允許范圍內(nèi)。

綜上，該壓機電液控制系統(tǒng)采用流量控制閥控制負(fù)載快速下降的環(huán)節(jié)，可以保證壓機在模具重量變化后也能快速自適應(yīng)，且系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性能夠滿足要求。

4.2 全自動壓機基本工作周期

針對汽車內(nèi)飾全自動壓機工作要求，設(shè)計其基本工藝路線：模具快速逼近→模具慢速逼近→模具接觸工件壓制→模具保壓加熱→模具快速抬升→機械手卸料。

該全自動壓機上安裝有位置、壓力等傳感器，通過變換器可實時向微控單元反饋機器的控制信號。依據(jù)工件壓制成型的工藝路線，設(shè)計全自動壓機的控制程序并下載到微控單元中，同時控制和監(jiān)測完整的機器工作周期。文章以6 t、7 t 和8 t 模具來分析全自動壓機的基本工作周期。

以3個工作周期為分析對象，不同重量的模具經(jīng)過兩點幾秒的時間完成模具快速逼近后又經(jīng)過零點幾秒完成模具慢速逼近，此時，模具到達(dá)工藝設(shè)計0.8 m的位置，進入工件壓制工藝；零點幾秒后，模具到達(dá)工件成型位置0.815 m，壓制力增大到約200 kN，模具進入保壓加熱工藝；經(jīng)過3 s 后，模具快速抬升到原點，機械手完成同步卸料動作。約10 s 完成一個基本工作周期。

在壓機基本工作周期中，伺服電機僅在模具壓制和模具快速抬升工藝過程中參與工作，伺服電機工作時間約占壓機基本工作周期的50%。

5 結(jié)束語

文章詳細(xì)敘述了汽車內(nèi)飾全自動壓機電液控制系統(tǒng)及其主要元器件的建模和分析過程，并通過仿真驗證了該電液控制系統(tǒng)的可行性和正確性。對傳統(tǒng)壓機負(fù)載控制不穩(wěn)定、能效低、工作效率低等問題，可應(yīng)用流量控制閥閥控與伺服電機泵控相結(jié)合的電液控制系統(tǒng)的設(shè)計方案來解決。通過以上分析可得，該電液控制系統(tǒng)能夠有效提高汽車內(nèi)飾全自動壓機的生產(chǎn)效率和節(jié)拍，可以靈活適應(yīng)不同負(fù)載的模具，有效控制和減少系統(tǒng)能耗，且系統(tǒng)實現(xiàn)較為簡單，具有工程實用意義。