（控制理论与控制工程专业论文）锻造操作机控制系统设计与研究.pdf

锻造操作机控制系统设计与研究 学科：控制理论与控制工程 研究生签字：互z 为 卅 指导教师签字： 婶萝t 咄 摘要 l i i i i iii i i i l i l lf i l liu i 17 5 0191 5 t 有轨锻造操作机是为配合西南铝6 0 0 0 t 自由锻造水压机组而设计制造的专用机械 手，主要用于从工业加热炉中央持、送料取料并配合水压机进行锻压操作的专用设备，是 整个锻压机组实现自动化的关键设备之一。锻造操作机的性能应满足整个锻造机组的快速 性、高精度和高自动化的要求。 本文首先介绍了锻造操作机控制系统的发展现状和其电气控制系统特点。根据锻造操 作机的锻造工艺特点和技术要求指标，设计了以p l c 控制为核心的基于电液比例控制， 并融合了先进的控制技术的锻造操作机电气控制系统。并分析了锻造操作机电气控制系统 的组成结构，对各环节进行分析，在此基础上解决了夹钳夹持力调整非线性问题，并建立 了大车进行驱动机构系统的数学模型。 在此基础上针对锻造操作机在运送锻件过程中由于惯量较大引起的大滞后现象，将 变结构p i d 控制技术引入锻造操作机的运动控制系统中。通过分析比较不同形式的p i d 控制方法，设计了基于在不同的偏差情况下p 、p i 、p d 分段控制的变结构p i d 控制器。 通过仿真对比不同的p i d 控制器所产生的锻造操作机速度响应曲线，证明了变结构p i d 在快速性和稳定性上明显优于标准p i d 和积分分离p i d 控制器。采用这种方法对操作机 的液压马达控制得到了满意的控制品质并取得了较好的效果。 现场实验证明，本文设计的锻造操作机电气控制系统安全可靠、操作简单、人机交 互性好，使整个锻压机组实现自动化控制程度有很大程度上的提高。 关键词：锻造操作机；变结构p i d ；液压马达；p l c f o r g i n gm a n i p u l a t o r c o n t r o ls y s t e md e s i g na n dr e s e a r c h d i s c i p l i n e ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t ur e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t 5 tf o r g i n gm a n i p u l a t o ri si nk e e p i n gw i t hs w a6 0 0 0 tf r e ef o r g i n gh y d r a u l i cm a c h i n ea n d t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fs p e c i a lm a c h i n eh a n d i sm a i n l yu s e df o rt 1 1 ec l a m pf r o m i n d u s t r i a lf u r n a c e ，f e e d i n gr e c l a i m e ra n di nl i n ew i t hf o r g i n gh y d r a u l i cm a c h i n ei so p e r a t i n g s p e c i a le q u i p m e n t ，t h ew h o l ef o r g i n gu n i t ，o n eo ft h ek e ye q u i p m e n ta u t o m a t i o n f o r g i n g m a n i p u l a t o rp e r f o r m a n c es h o u l dm e e tt h ee n t i r ef o r g i n gu n i tr a p i d i t y , h i g hp r e c i s i o na n dh i g h a u t o m a t i o nr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n ts t a t u sa n di t se l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n g t ot h e f o r g i n gp r o c e s sf o r d n gm a n i p u l a t o r c h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fi n d i c a t o r sd e s i g n e dt op l c b a s e dc o n t r o la st h e c o r e ，e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，a n di n t e g r a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yo f f o r g i n gm a n i p u l a t o re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m a n da n a l y z e dt h ee l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e mf o r f o r g i n gm a n i p u l a t o ro ft h es t r u c t u r e ，a n a l y s i so fv a r i o u ss e c t o r s ，o nt h i s b a s i st os o l v et h e n o n l i n e a rp r o b l e m sa d j u s t i n gc l a m pc l a m p i n gf o r c ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to fac a r tt od r i v et h e b o d ys y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e l v a r i a b l e s t r u c t u r ep i dc o n t r o ls t r a t e g yw a sa p p l i c a b l e dt ot h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mo f f o r g i n gm a n p u l a t o rf o rf o r g i n gi nt h ep r o c e s so fd e l i v e r ya sa r e s u l to fg r e a t e ri n e r t i ac a u s e db y t h ep h e n o m e n o no fl a r g et i m ed e l a y t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tp i dc o n t r o l m e t h o d s ，v a r i a b l e s t r u c t u r ep i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e db a s e do nt h ed e v i a t i o ni nt h ed i f f e r e n t c i r c u m s t a n c e so fp ，p i ，p ds u b - c o n t r o l l e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n dt h ec o m p a r i s o no f c h a n g ec u r v e so fv e l o c i t yb e t w e e nd i f f e r e n tp i dc o n t r o l l e ro ff o r g i n gm a n i p u l a t o rs p e e dc u r v e ， t h es t a n d a r dp i d ，i n t e g r a ls e p a r a t i o np i d ，v a r i a b l e - s t r u c t u r ep i dc o n t r o l l e rw a ss u p e r i o rt o s t a n d a r dp i da n d i n t e g r a ls e p a r a t i o n p i d c o n t r o l l e r u s i n g t h i sc o n t r o lm e t h o d , v a r i a b l e s t r u c t u r ep i dr e a l i z e di nt h ef o r g i n gm a n p u l a t o rm o t o rc o n t r 0 1 i t sc o n t r o lc a p a b i l i t yi s s a t i s f i e dt om e e tt h ee x e c t a t i o n f i e l de x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h i sd e s i g no ff o r g i n gm a n i p u l a t o rs a f ea n dr e l i a b l ee l e c t r i c c o n t r o ls y s t e m ，s i m p l eo p e r a t i o n ，g o o dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns ot h a tt h ew h o l ef o r g i n g u n i tt oa c h i e v et h ed e g r e eo fa u t o m a t i o na n dc o n t r o lt oal a r g ee x t e n ti m p r o v e d k e yw o r d ：f o r g i n gm a n i p u l a t o r ；v a r i a b l e - s t r u c t u r e p i d ；h y d r a u l i cm o t o r ；p l c 目录 1 绪 仑1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 计算机控制系统的特点2 1 4 控制算法的发展现状3 1 5 论文的主要内容4 2 锻造操作机电气控制系统设计方案5 2 1 锻造操作机的系统简介5 2 1 1 锻造操作机工艺原理5 2 1 2 控制系统的技术指标6 2 2 锻造操作机控制系统设计方案9 2 2 1 锻造操作机控制系统结构9 2 2 3 电液比例控制系统特点1 1 2 3 锻造操作机控制系统硬件设计1 l 2 3 1 控制系统的硬件构架。1 1 2 3 2 锻造操作机机体位置检测1 3 2 3 3 电气控制系统主要器件的选型一1 4 2 4p l c 控制系统抗干扰设计1 9 2 4 1 干扰来源及影响一1 9 2 4 2 主要抗干扰措施2 0 2 5 本章小结2 1 3 锻造操作机控制系统分析2 2 3 1 锻造操作机电液调速系统2 2 3 1 1 电液调速系统组成2 2 3 1 2 控制量输出环节分析2 3 3 1 3 系统压力反馈环节分析2 4 3 2 控制系统模型的确立2 5 3 2 1 控制系统数学模型的建立原则2 5 3 2 2 驱动系统动态方程的建立2 5 3 2 3 锻造操作机大车行进系统模型2 7 3 3 锻造操作机夹持力比例调整2 8 3 3 1 夹持力调整系统组成2 8 3 3 2 比例溢流阀的分段线性化2 9 3 4 本章小结3 2 4 锻造操作机控制策略及仿真分析3 3 4 1 系统控制器设计原则3 3 4 2p i d 控制算法基本原理3 3 4 2 1 模拟p i d 控制算法3 4 4 2 2 数字p 1 d 控制算法3 6 4 2 3p i d 控制器的参数整定方法3 9 4 3 积分分离p i d 控制算法3 9 4 4 锻造操作机大车行进控制策略4 0 4 4 1 变结构p i d 控制算法4 0 4 4 2 锻造操作机变结构p i d 控制算法仿真4 2 4 5 本章小结4 5 5 锻造操作机p i e 软件设计方案与调试4 6 5 1 软件设计方案4 6 5 1 1p l c 控制系统工作过程4 6 5 1 2s 7 3 0 0p l c 编程环境4 7 5 1 3p l c 结构化编程4 9 5 2p l c 程序设计框架5 0 5 2 1 手动程序设计5 2 5 2 2 自动程序设计5 3 5 3 现场调试与结果5 4 5 3 1p l c 控制程序调试5 4 5 3 2 现场调试过程与步骤5 6 5 4 本章小结5 7 6 总结5 8 参考文献5 9 攻读硕士学位期间发表的论文6 2 致谢6 3 学位论文知识产权声明6 4 学位论文独创性声明6 5 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 绪论 锻造能力是衡量锻压机技术水平最主要的指标，大吨位锻造压机的水平代表了一个国 家的装备制造能力和工业技术水平。而大型锻造操作机是影响锻压机锻造效率的重要因素 之一，锻造操作机作为大型锻压机的重要辅助设备有着不可替代的作用。 在我国，大型锻件主要应用于水力发电、火电、核电、冶金、锻造、航天、航空、船 舶等大型的装备制造业，是国民经济以及国防建设的关键基础。它经常被用在严酷的工作 环境中、而且使用寿命比较长，因此，对其的质量要求较高。面对社会经济的迅猛发展， 为了提高我国的国民经济实力，装备制造业在不断地发展与创新，对大型锻件的需求也在 不断地增加，但是由于其科技含量高、制造难度大、消耗的能源与原材料较多，目前在国 际市场上已经供不应求。为了满足不断变化市场的需求，国内外都在研究大型锻件的制造 与生产。但是由于我国对大型锻件的研究起步较晚，还处于初级阶段，与发达国家相比， 还有很大的差距。 锻造操作机是配合大型锻压机完成锻造工艺的重要设备，其结构复杂、工艺要求高、 控制要求高精度、高效率，因此对其机体结构和控制系统的设计要求远比锻压机本身更具 复杂性。锻造操作机的发展水平是影响大型装备制造业发展的一个重要因素。在没有锻造 操作机辅助锻压机进行大型锻件锻造的情况下，就只能使用其他辅助手段完成锻造工艺， 一般使用行车与人工配合的来完成，这样就大大降低了压机的工作效率，增加了锻件锻造 的单位时间，增加了锻件的回炉次数，同时也就增加了材料的浪费，进而增加了锻造成本 和能耗。只就材料的利用率而言，国内的大锻件材料利用率只有5 0 5 5 ，而韩国和日 本则分别高达7 0 平1 17 5 。据上海重型机械厂统计，使用锻造操作机后能够将锻压机锻 件的生产效率至少提高2 3 倍。因此，锻造操作机的发展对重大装备制造业的发展具有重 要意义【1 】【2 】。 1 2 国内外研究现状 锻造操作机2 0 世纪6 0 年代就已间世，最早出现的欧美国家，随后其它国家也发展了 自己的专用锻造辅助设备。随着其设计和制造技术的逐渐成熟，锻造操作机已经成为了专 业化、系列化工业设备，成为锻造行业不可缺少的专用辅助设备，并逐渐形成标准化和系 列化。早期的锻造操作机大多是采用完全机械的传动方式和控制方法，其结构简单，功能 单一，难以完成众多较为复杂的锻造工艺。七十年代随着液压技术的发展，出现了机械传 动与液压控制的混合型和全液压系统的锻造操作机，使其功能更加完善，控制更加灵活。 由它辅助锻压机完成各种锻造工艺，极大地提高了锻压机的利用率和锻造生产的效率，同 西安工业大学硕士学位论文 时因其设计更加专业化，设备更加专用化，使得锻件的锻造质量得到较大提升。随后各国 的锻造操作机的设计和制造水平均不断提高，并随着锻造技术和工艺的不断发展，对锻造 操作机的功能和工艺水平提出了更高的要求。随着计算机技术的发展，九十年代出现了装 备有电控系统的锻造操作机，由于计算机在控制领域所特有的优势，使得新型的锻造操作 机具有了更加丰富的功能，对比以往的操作机系统，其具有更高快速化、智能性更高、系 统更加稳定、可靠性强和系统维护方便等特点。 随着我国经济建设的迅速发展和对大型锻件需求的不断增加，我国锻造行业对锻造操 作机的应用和其在锻造工艺上的重要性有了越来越深入的认识。2 0 世纪6 0 年代，我国开 始发展自己的锻造操作机，起初设计的锻造操作机机械结构简单，其夹持工件时还需依靠 人工配合完成其工艺流程，只能使用在一些简单的锻造工艺之中。随后我国也完成了液压 传动的锻造操作机的设计和制造，并且其技术在7 0 、8 0 年代得到了极大发展。迄今为止 我国自主生产的锻造操作机大部分还是采用混合传动控制及全液压控制的锻造操作机，并 己大规模应用在国内的锻造行业。目前，我国自主设计的5 0 t 全液压传动锻造操作机， 其性能和技术指标己达到国外发达国家的设计和工艺水平。 目前，国内设计制造的锻造操作机大部分还是使用全液压控制或部分电气混合液压控 制系统。其电气控制系统、液压动力站和控制管线均集中安装在锻造操作机机体上，使整 车构成了一个完整的系统。易于实现其要求的各种动作，并且系统结构紧凑，其控制系统 更加合理化、系统化。但是相对于国外目前大多数锻造操作机均采用专业的全电控系统而 言，其控制系统设计缺乏灵活性和可扩展性。随着计算机控制系统进入工业控制领域，以 其为基础，使锻造操作机控制系统设计更加灵活，实现功能更加强大，能使本来单独控制 的系统可以方便地进行扩展，并且扩展实现对整套锻压机组的联合控制。同时，可以与计 算机管理网络连接，易于实现对系统的实时监控和生产的综合控制1 3j 【引。 目前，国外主要的锻压辅助设备制造公司都设有相当规模的数控技术研发部，专门设 计和研制新型的控制系统。其它一些公司则向专业化电气公司订购先进的控制装置，以便 和自行研制的新型锻造操作机相配套。 1 3 计算机控制系统的特点 随着科学技术的发展和计算机控制技术的日趋成熟，并随着对工业自动化程度和可靠 性要求的提高，目l j 国内外已开始普遍采用以p l c 控制为核心的锻造操作机控制系统代 替老式的全液压控制系统。 传统的锻造操作机一般采用全液压或混合控制方式，随着计算机技术的发展、工业自 动化程度和可靠性要求的提高，目前国内外已开始普遍采用可编程控制器p l c 实现锻造 操作机工作的自动化控制，配以实时监控系统与p l c 通讯来实现操作机在不同工艺要求 下的实时机体状态的监测，以及工作过程中所需工艺参数的录入。与传统的全液压控制相 比，p l c 控制具有多方面的优点。 2 1 绪论 1 ) 从控制方法上看，液压控制系统的控制逻辑采用液压控制回路管线控制，其控制 管线庞大、管线多、组合复杂、体积大，难以组合复杂的控制逻辑。另外，液压控制管线 受空间限制，所以使得全液压控制系统的可扩展性受到很大限制。而p l c 的控制逻辑以 程序的方式存放在存储器中，用编程的方式来实现对设备的控制，要改变控制逻辑只需改 变程序，因而很容易改变或增加系统功能。系统连线少、体积小、可扩展性强。另外，由 于p l c 系统具备可扩展性强的特点，可以方便的增加或减少其控制模块的数量，因此， 方便对控制系统的进一步改进和修改。 2 ) 从实时性和控制精度上看，液压控制系统是通过改变液压控制回路管线内液体的 流量和压力控制阀门动作，其控制速率慢，精度很难把握，难以实现自动检测和高精度控 制。而p l c 通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，其输出信号可以快速到达电气 执行机构，速度快，精度高，程序指令执行时间在微秒级，并通过实时检测反馈信号对机 体状态进行实时高精度调整，易于实现自动控制功能并达到与锻压机组的同步工艺要求。 3 ) 监控功能，由于计算机控制是通过采集电信号和输出电信号来实现对系统的控制， 因此，易于实现对系统状态的实时监控功能。p l c 控制系统可以实时采集现场的各种数 据，并进行分析和处理，配合其它相关数据和控制信息进行整合，最终以直观的方式提供 给操作人员参考。这些信息一般不直接用于对系统的控制，需要经过操作人员对其进行判 断后，根据实际情况对系统做出相应的调整。 4 ) 自动校正控制系统，p l c 控制系统具有良好实时性、高精度和可靠性等特点，方 便实现对被控对象的闭坏反馈控制和自动控制功能。控制系统可以自动根据采集的现场数 据，配合相应的控制算法，将系统工作状态调整到最佳。 5 ) 数据通讯与综合自动化控制。p l c 控制系统可通过选择相应的现场总线协议与整 个机组完成综合的自动化控制，完成主机与辅助系统的数据共享，易于实现整套机组的快 速性、高精度和高自动化的要求。 综上所述，p l c 控制系统相比传统液压控制具有更好的实时性、高精度、可靠和扩 展性，并具备综合的计算机数据处理功能。这些优点都为运用自动校正、自动决策和先进 控制算法，实现更加稳定、准确、快速的控制提供了良好的基础。另外，p l c 还具有自 诊断功能，能快速检测出自身的故障，并随时提示给操作人员，并能动态地监视控制程序 的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。 1 4 控制算法的发展现状 目前我国对锻造操作机控制系统的算法研究还非常少，由于锻造工艺的特殊要求，锻 造操作机必须具备多个自由度动作的功能，并且由于锻造操作机本身质量较大和电液伺服 系统的相位滞后，导致其控制过程中惯量较大，现有的控制系统普遍采用的是工业控制中 广泛采用的常规p i d 控制器。p i d 控制算法是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法 简单、直观、理论发展成熟，设计使用简单方便，被广泛应用于工业过程控制。但传统的 西安丁业人学硕十学位论文 p i d 控制器采用线性组合方法，难于协调快速性和稳定性之间的矛盾，在相当多的情况下， 不能取得令人满意的效果，近年来新型锻造操作机的设计吸收新的控制思想并利用计算机 的优势，形成了模糊p i d 、自适应p i d 、非线性p i d 等多种控制器。 由于电液控制系统属于具有非线性，不确定性的系统，如电液伺服阀或比例阀的压力 流量特性、液压动力机构的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性；而不确定性 因素则主要包括外来干扰力、温度变化等。因此用经典的控制和现代控制方法有时难以达 到令人满意的效果。为了得到准确快速响应，各种控制策略被广泛的研究。多年来，从传 统的p i d 控制、自适应控制到变结构控制、智能控制等诸多新颖的控制手段得到了不断 的发展和完善【1 1 j 。 1 5 论文的主要内容 本论文以西南铝5 t 锻造操作机控制系统为研究对象，课题的研究工作主要是对锻造 操作机电气控制系统的设计和研究。并重点针对系统夹持力的调整和大车驱动系统的启动 调速过程进行分析。以及确定适用于该系统的控制算法并进行研究和仿真，最终使其设计 思想得以实现。论文章节安排如下： 第一章、首先介绍了课题研究的背景和意义，介绍了锻造操作机控制系统的国内外发 展和现状，p l c 控制系统相对于传统控制系统的优点，电液控制系统的主要控制算法， 并介绍本文的研究内容和结构安排。 第二章、深入研究锻造操作机的工作原理，和其配合锻压机进行辅助锻造时的工艺流 程及技术指标。由于锻造操作机电气控制系统属于典型的电液比例控制系统，因此，本章 重点介绍了电液比例控制系统的特点，并结合s i m a t i cs 7 3 0 0 系列可编程控制器( p l c ) 的原理和技术特点。在此基础上，设计一套采用西门子s 7 3 0 0p l c ，基于p r o f i b u s - d p 实时监控的锻造操作机控制系统。 第三章、结合锻造操作机的工艺原理及技术指标，分析处理影响电液控制系统的各种 因素。根据比例溢流阀的非线性特性，设计了夹钳加持力调整系统。建立了大车驱动液压 执行机构的数学模型，并表明控制对象可近似为一个惯性纯滞后的电液比例系统，并根据 大车驱动液压马达的数学模型和系统特性探索合适的控制算法。 第四章、介绍了p i d 控制器的基本原理，并根据大车驱动系统数学模型设计了变结 构p i d 控制器，对其进行仿真，并对仿真的结果进行分析。经研究对比，证明所设计的 变结构p i d 控制算法响应速度快、鲁棒性强，是一种较好的控制方案。 第五章。简要论述了下位机可编程控制器s 7 3 0 0p l c 系统的硬件组态及的编程环境， p l c 软件的模块化编程，以及部分程序设计和锻造操作机电气控制系统的调试步骤和结 果，并介绍了系统的实际运行情况。 第六章对本论文完成的工作进行总结。 4 2 锻造操作机电气控制系统设计方案 2 锻造操作机电气控制系统设计方案 2 1 锻造操作机的系统简介 5 t 有轨锻造操作机是为配合西南铝6 0 0 0 t 自由锻造水压机组而设计制造的专用机械 手，主要用于从工业加热炉中央持、送料取料并配合水压机进行锻压操作的专用设备，是 整个锻压机组实现自动化的关键设备之一。锻造操作机的性能应满足整个锻造机组的快速 性、高精度和高自动化的要求。实物如图2 1 所示 图2 1 锻造操作机及现场实物图 2 1 1 锻造操作机工艺原理 锻造操作机一般具七个运动特性，除了由大车前进和后退和台架自动转动的运动特性 外，锻造操作机还应具有机架垂直升降、俯仰，钳口旋转、钳杆伸缩和钳口的抓握等五个 运动特性，这五个运动特性由控制锻造操作机的平行升降和倾斜机构，伸缩机构、夹紧和 旋转机构配合工作得以实现的 5 1 。一般来讲垂直升降、俯仰、抓握、旋转和伸缩这五个运 动特性的运动性能是不同的，控制和实现这五个自由度运动性能的最优，是很值得研究的 问题。 锻造操作机采用框架式机械结构，通过预紧螺栓现场安装，便于运输和安装。整个锻 造操作机由大车、夹钳、钳杆等机械装置及液压和电气控制系统组成，可以配合6 0 0 0 t 锻造水压机在手动、半自动和自动三种工作模式下，完成锻造的整个锻造工艺要求，具体 工艺流程如下。 5 两安工业大学硕士学位论文 取料：大车在轨道上前后行走，带动整个锻造操作机前后运动，大车前进至加热炉 侧，停止前进。钳架顺时针旋转，通过钳架水平调整升降高度至炉口，然后钳杆伸出至加 热炉里，夹钳加紧工件( 提前根据工件调整好钳头的打开范围) ，钳杆缩回，最后钳架逆 时针旋转，取料工作完成。 送料：分为大车配合和大车不配合锻造过程两种情况。 大车配合锻造过程：夹钳夹紧工件，大车行走至工位。通过钳架水平调整升降高度将 工件放在砧面上，夹钳送开、大车后退，开始锻打。 大车不配合锻造过程：夹钳夹紧工件，大车行走至工位，停止。通过钳架水平调整升 降高度将工件放在砧面上，开始锻打。每锻打一次，下一次锻打前由央钳旋转、钳架上仰、 下倾等需要来调整锻打位置。大车不后退，此时钳杆伸缩油缸处于回缩位置，锁紧、不工 作。 锻造：在锻压过程中，大车调整好位置后，钳架机构始终保持己调整状态并锁紧、 不工作。钳杆处于回缩位置，锁紧、不工作。如果工艺要求，大车配合锻造过程，则大车 既不能前进也不能后退。 锻造完毕后，夹钳夹紧工件，大车后退离开砧面工作区，退至放料区，停止。通过 钳架调整升降高度到达适合的位置后，钳架逆时针旋转，然后钳杆下倾着地，夹钳送开， 将工件放到指定区域。钳杆上仰后，钳架旋转顺时针，至原始位置。按照如此动作顺序， 开始对下一个工件的操作。 另外，由于锻造工艺的特殊要求，其工作环境恶劣，因此在锻造操作机执行上述工艺 流程时，必须加以相应的连锁保护措施，主要包括大车行进时不允许央钳转动；大车行进 不允许钳架水平运动也不允许其俯仰；钳架旋转时不允许钳架动作；钳杆伸缩时不允许央 钳转动等保护措施。 在整个锻造过程中，钳口的夹紧、钳杆的升降和倾斜以及钳杆的水平位移均发生在开 始锻造以前的调整过程中。其控制采用p l c 自动控制，通过操作人员将位置调整好。而 大车的前后行走和夹钳的旋转要配合锻造过程逐步地完成各种锻造工艺。在锻造工艺中， 每次工件的送进量和旋转的角度都由钳杆和夹钳来控制。钳杆和夹钳的控制精度对整个工 艺有决定性的影响。但由于锻造操作机本身质量较大和电液伺服系统的相位滞后，其控制 过程中惯量较大表现为纯滞后系统。 2 1 2 控制系统的技术指标 5 t 锻造操作机是为配合西南铝锻造车间6 0 0 0 t 自由锻造水压机组设计制造的专用设 备，其锻造工艺要求操作机的夹钳必须能够一次夹持质量不少于5 吨的铝质锻件，并且能 够在夹持状念下运送工件，必要时需配合锻压机进行锻造工作。 为了保证锻压工件的质量和避免事故的发生，必须使锻造操作机控制系统严格按照生 产的工艺要求工作，控制系统要求在达到系统快速性的基础上，必须保证其工作的稳定性 6 2 锻造操作机电气控制系统设计方案 和可靠性。要求只有当夹钳完全央住工件时才允许钳架转动和大车行走；大车行走时不允 许钳杆伸缩和钳夹松开，也不允许钳夹转动。另外，钳夹夹紧力和系统缓冲的闭环调节和 控制。在生产运行中，锻造操作机有多种工艺量、状态需要监测；同时，出现故障或紧急 情况时，能及时自动进行相应的处理。其与控制系统设计有关的工艺参数如表2 1 所示： 表2 1 锻造操作机主要技术指标 ( 1 ) 夹钳旋转。锻造操作机的夹钳旋转机构由电磁比例溢流阀通过控制液压马达的 流量得以实现。机体在手动模式下工作时，钳夹转动的角度、方向和旋转速度( o - - 一2 5 r m i n ) 由操作人员手动操作操控手柄对其进行控制，以满足现场实际工艺要求。在半自动和自动 模式下工作时钳夹旋转角度和方向可自由设置以配合锻造工艺要求，操作机在自动种状态 下工作时钳夹旋转线速度恒定，以保证整个系统的稳定性，防止事故发生。 ( 2 ) 钳架水平旋转。锻造操作机的钳架旋转机构由电磁阀通过控制大车旋转液压马 达的流量和流向得以实现。钳架水平旋转的速度可以通过触摸屏在钳架机构转动前设置 ( 3 r m i n ) ，由于钳架在夹钳央持工件状态转动时其整体惯性较大，因此钳架旋转过程中 角速度保持恒定不允许对速度进行设置，防止在机体转动时因速度改变而发生事故。在手 动、半自动和自动模式时旋转方向均需要操作人员通过操控手柄进行控制。 ( 3 ) 钳口垂直摆角。锻造操作机钳架的平行提升和俯仰主要通过电磁阀控制主推液 压缸和垂直提升液压缸动作，从而改变机械结构的平行四边形组合得以实现。钳架水平提 7 两安丁：业大学硕十学位论文 升的最大离地高度为2 1 0 0 m m ，水平下降的最小离地高度为5 0 0 r a m ，钳架带动夹钳可 在1 6 0 0 m m 的范围内实现工件的水平提升和下降功能。钳架的俯仰功能由操作人员通 操作手柄控制其钳架带动夹钳完成工件位置的调整。钳架俯仰的角度范围为以水平轴 士7 0 ，并通过光电限位传感器保护机械平行四边形的完整性，保持设备运行的可靠性和 全性。 ( 4 ) 大车行走速度。操作机大车行进是通过电磁比例溢流阀控制，大车行进液压 达作为动力驱动带动车体主动轮转动得以实现。大车行进动作由操作人员根据现场环境 求通过操作手柄控制其运动方向和速度。由于锻造操作机的刚度和稳定性要求比较高， 且锻造过程中的冲击力存在，在锻造操作机设计时还要考虑机体本身的顺应性能力，因 导致了锻造操作机本身的质量增大。所以操作机在大车的启动、停止和快速加速时的惯量 比较大。同时在大车运动过程中不允许夹钳旋转和夹钳松开等动作，此功能通过程序中设 定相应的逻辑关系实现。 ( 5 ) 夹持力调整。夹钳夹持工件时，夹持力如果过大可能导致被夹持工件出现缺陷 导致锻件质量不合格，如果夹持力过小则会导致被夹持工件脱落，造成操作事故。因此央 持力的调整在系统的可靠性上非常重要，其调整范围也不易过大。夹持力的设定和调整主 要分：锻造操作机运料过程中的夹持力设定；锻造过程中夹持力的调整。在锻造操作机运 料过程中由于工件有其固定的型号和规格，因此可以依据夹紧力公式计算出央持力调整的 大小，并设定。另外，当夹持特殊工件时，操作人员可根据现场条件在己设定的夹持力参 数基础上对其进行简单调整。在运料过程中其夹钳的夹持力不会改变，以防止工件在运输 过程中脱落。当锻造操作机配合锻压机进行锻造工作时，控制系统会根据锻压机提供的信 号和缓冲压力的采集值计算出相应的压力补偿，并通过电磁比例溢流阀控制在央持力油缸 实现夹持力的调整。 ( 6 ) 状态监控。在触摸屏的监控面板上实时显示锻造操作机的机体状态，设置参数、 系统状态参数、行径距离、运动角度和速度等主要工艺指标。 ( 7 ) 连锁及其报警。由于锻造操作机机体庞大且动作繁多，所以在不影响机体正常 工作的情况下必须加以必要的连锁系统，保障其在工作过程中的安全性和可靠性。主要连 锁系统体现在大车行进时不允许夹钳转动；大车行进不允许钳架水平运动也不允许其俯 仰；钳架旋转时不允许钳架动作；钳杆伸缩时不允许夹钳转动；大车行进至极限位时卸除 系统压力以及配合锻造时机体顺应性的连锁保护。当控制系统检测到连锁功能时，系统将 提供报警并处理。 从锻造操作机的工艺原理和技术指标看，控制系统最关键的就是要保证整机系统各 个旋转机构系统的稳定性和快速性，另外就是保证系统工作时的可靠性和安全性。由于锻 造操作机的刚度和稳定性要求比较高，并且操作工艺特殊，在锻造操作机设计时还要考虑 机体本身的顺应性能力，因此导致了锻造操作机本身的质量增大。所以操作机的各旋转机 构中大车行进机构的启动、停止和快速加速时的惯量最大也最难以控制。在运行时，大车 8 2 锻造操作机电气控制系统设计方案 行进机构要靠一定的驱动力对其快速启动，但大车正常运动时需要维持一定的速度，而在 启动的过程中速度通常会突然变化，速度的突然变化必将引起系统的震荡，反之系统的震 荡也会影响驱动机构同时影响速度，因此为协调好速度变化和系统稳定的关系【_ 7 1 。为了拟 定合理、切实可行的锻造操作机控制方案，以下章节将对锻造操作机行进控制策略进行了 具体的分析和研究。 2 2 锻造操作机控制系统设计方案 2 2 1 锻造操作机控制系统结构 锻造操作机系统主要由机身主体、液压系统、电气控制系统等部分组成。 ( 1 ) 主体。锻造操作机机体结构主要包括大车车体、钳架旋转机构、钳架提升机构。 大车车体机构是整车机构的基础，负责为其他子系统提供安装空间和实现平台，另外大车 车体机构安装了大车行进驱动装置，以实现整车系统的行进功能。钳架旋转机构安装在大 车车体中央，由液压马达驱动实现除大车车体之外所有机构的整体水平旋转功能。钳架提 升机构是通过变换机架的平行四边形结构提供了钳架的水平升降和俯仰功能。 ( 2 ) 液压系统。主要由液压站和各种电控液压阀门及液压辅件组成，包括为液压站 提供驱动的9 0 k w 主泵电机，加热器、液位计、磁性滤油器、电磁式溢流阀、电接点温 度表、电接点压力表等液压辅件。液压系统专为电液比例加载系统和工作油缸提供液压油。 并由电液比例系统控制功能油缸和液压马达完成对大车行进、钳架旋转、钳架水平及俯仰、 央钳伸缩、夹钳旋转和央持力调整等各种动作的控制。 ( 3 ) 电气控制系统。以西门子s 7 3 0 0p l c 作为核心控制器，负责实现各种控制算法， 控制现场可执行元件的动作，通过传感器采集现场各种检测信号，传送实时数据给触摸屏， 接收触摸屏的各种参数设置和控制指令等任务，从而实现系统整体动作的自动协调，完成 锻造操作机的工艺要求。 监控装置是西门子m p 2 7 71 0 寸触摸屏，主要负责现场实时数据的数字显示，锻造操 作机机体状态的实时动画显示，系统参数的设定及简单的控制，报警等功能。并配以视觉 监视系统，提供驾驶室内的操作人员以更广阔的视野。 p l c 和m p 2 7 7 触摸屏之间的通讯是通过p r o f i b u s d p 专用电缆实现。 现代锻造操作机控制系统设计是一个多目标优化的一个过程，锻造操作机工艺动作繁 多，需要兼顾多方面的因素，同时考虑多个指标的设计。对于其控制系统的设计，目前大 型锻造操作机中一个普通的现象是多个输入对应单个输出，前后臂的提升，和夹钳部位的 缓冲缸，夹钳绕自身轴线的转动都采用多个输入，这就涉及到输入匹配，如何匹配是控制 中要解决的重要问题之一【8 9 1 。另一个问题就是，操作机在自动运行过程中的速度和加速 度性能指标问题，以及在工作过程中与压机的同步协调问题和操作机配合水压机锻造时的 顺应性问题【l0 1 。其中重点和难点是锻造操作机顺应性中的钳口夹紧力和大车行进功能控 制能力的计算和控制策略问题。锻造操作机控制系统结构如图2 2 所示 9 西安丁业大学硕士学位论文 可编程控制器 输入机构显j j 机构 监控设备 模拟景采集 液 压 站 主 系 统 压 力 值 垂 直 缓 冲 缸 压 。1 、 作 机 控 制 下 柄 模 拟 最 输 入 夹 持 j 3 调 整 缓 冲 缸 压 ) 、 操 作 厶 l j 部 分 输 入 信 号 各 种 限 位 及 压 机 自 动 信 号 操 作 机 开 关 阀 组 控 制 模拟最输出 li i , i4 数功能 垂 直 缓 冲 比 例 阀 组 控 制 夹 钳 旋 转 比 例 阀 组 控 制 操 作 机 大 车 行 走 控 制 图2 2 锻造操作机控制系统结构框图 央 持 ) 比 例 阀 组 控 制 操 作 机 旋 转 机 构 角 度 信 号 操 作 机 位 移 检 测 信 号 锻造操作机电气控制系统以可编程控制器( p l c ) 为控制核心，配合其他扩展模块及 监控系统实现其整机的控制技术指标要求。 ( 1 ) 模拟量采集主要通过压力传感器和变送器等装置采集包括液压站主系统压力、 垂直缓冲缸压力、夹持力缓冲缸压力、操作手柄输入等模拟量数据，并由模拟量扩展模块 传送至可编程控制器的c p u 模块，为控制策略提供模拟数据。 ( 2 ) 模拟量输出主要是c p u 处理的模拟量控制输出，包括大车行进比例控制、垂直 缓冲比例控制、夹持力比例控制、夹钳旋转比例控制等模拟数值的输出，并由模拟量扩展 模块传输至比例放大控制板，并通过其控制相应的电磁比例溢流阀或液压马达得以实现对 相应执行机构的控制功能。 ( 3 ) 数字量接1 2 1i o 。数字量输入主要完成对驾驶室内操作控制台、操作手柄按键、 现场数字量传感器及锻造水压机的控制信号的采集，并作为控制命令提供给c p u 进行控 制策略运算。c p u 经过系统逻辑运算处理后输出控制指令，通过数字量模块输出至执行 元件，实现其开关控制功能。 ( 4 ) 计数功能。由于锻造操作机具七个运动特性，其中大车行进的距离和速度，钳 杆伸缩