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，一臺壓機需要應對不同負載的模具，通過手動調節(jié)抗衡閥，不僅調節(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動內嚙合齒輪泵，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，外部控制器調節(jié)控制閥閥口大小，實現(xiàn)負載下降無極調速。在整個工作周期中，可在系統(tǒng)調節(jié)范圍內按照需求控制系統(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計閾值時，微控單元調節(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，轉換成數(shù)字信號，并通過設計程序控制數(shù)字信號轉換成模擬信號發(fā)送給流量控制閥的放大器，以調節(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，調節(jié)其控制電流從0到100%，同時設定流量控制閥的進口壓力為定值；調節(jié)流量控制閥的進口壓力從0到30 MPa，同時設定其控制電流為定值，進行流量控制閥的特性仿真。

由仿真結果可知，當流量控制閥進口壓力不變，調節(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、轉矩大、結構簡單等優(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。永磁同步電機驅動內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

調節(jié)永磁同步電機輸入轉速從0 到4000 r/min，分別設定輸入扭矩對應表1的目標扭矩，則U31013C永磁同步電機轉速對應電機輸出扭矩和其在各個目標扭矩下對應的輸入功率特性，如圖4、圖5所示。

圖5 伺服電轉速、扭矩-輸入功率特性

查看U31013C 系列永磁同步電機說明書，額定轉速n=3000 r/min，額定扭矩T=217 N·m，對應的電機功率P=68 kW，與圖4、圖5中的轉速、扭矩及功率均能對應。因此，所搭建的永磁同步電機脈寬調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，提出了工件生產過程的綠色化，即把設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。用于生產新能源汽車內飾部件的壓機，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。

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，且系統(tǒng)響應的快速性、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

針對汽車內飾全自動壓機工作要求，設計其基本工藝路線：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 結束語

文章詳細敘述了汽車內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，可應用流量控制閥閥控與伺服電機泵控相結合的電液控制系統(tǒng)的設計方案來解決。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飾全自動壓機的生產效率和節(jié)拍，可以靈活適應不同負載的模具，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。