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        壓機電液控制系統(tǒng)的AMESim的仿真分析

        2023-11-23 15:00:56霍志亮趙慶龍顧海燕
        今日自動化 2023年7期
        關(guān)鍵詞:壓機控制閥壓制

        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、溢流和平衡負載的作用,一臺壓機需要應(yīng)對不同負載的模具,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,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)負載抬升無極調(diào)速。壓機負載下降,執(zhí)行器下腔的壓力油經(jīng)過流量控制閥控制負載下降,外部控制器調(diào)節(jié)控制閥閥口大小,實現(xiàn)負載下降無極調(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,當上模具與下模具的工藝距離達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),其輸入的目標扭矩見表1。

        表1 永磁同步電機目標扭矩

        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,均到達設(shè)定目標位置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。

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