（机械电子工程专业论文）分区变压边力系统的控制优化及试验研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 压边力是许多复杂零件拉深成形过程中必不可少的一个重要工艺参数，起 皱、破裂等失稳现象都可以通过压边力调整来进行有效控制。特别在大型覆盖零 件成形过程中，板料压边位置、拉深位移对压边力的需求是变化的，确定出板料 随压边位置、拉深位移所需的压边力变化规律，获得最优压边力加载方式对复杂 零件拉深成形具有重要意义。 分区变压边力系统是一套在1 0 0 吨四柱液压机上建立起来的、以盒形件为拉 深对象的柔性压边系统。在该系统中，引入比例控制环节，结合针对盒形件成形 特点设计的组合式分区可控压边装置，实现了盒形件拉深过程中压边力在空间、 时间上的变化控制。本文在系统控制优化及盒形件拉深试验方面进行了相关研 究，主要内容如下： 通过对比例阀结构、工作状态的物理分析，利用物质、能量的守恒性和连续 性原理，推导出了压边力控制系统模型，进而采用系统辨识方法确定了模型参数。 针对目前分区变压边力系统在压边力调控上存在的问题，提出了一种误差分 段智能控制算法，研究并实现了参数模糊自整定p i d 控制技术在分区变压边力系 统中的应用，极大地提高了压边力控制系统性能。 在此基础上，对多种压边力加载方式进行了盒形件拉深试验，确定了v 型 曲线是盒形件拉深过程中较为合理的变压边力控制曲线，得到了各分区压边力对 盒形件成形的影响程度，进而给出了优化的压边力加载方式。拉深结果表明分区 变压边力加载方式可以有效减弱盒形件拉深过程中的不均匀性，优化成形过程。 本文对分区变压边力系统进行了深入的理论和试验研究，利用变压边力技术 提高了盒形件成形质量，对实际生产起到了指导作用，为相似及复杂零件最优压 边力加载方式的研究提供了参考。 关键词：变压边力，分区压边力，压边力加载方式，盒形件，拉深 西北工业大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b l a l l l 【- h o l d e rf o r c e ( b h f ) i san e c e s s a r y p a r 锄e t e r i i l c o m p l c xp a r t d e 印- d r a w i n 岛w m l k l i n ga i l dm p t u r ec a i lb ea v o i d e db ya d j u s t m gt h eb h f t h e r e q u i r e db h fi sc h a n g e dw i t ht h ec i r c u n 巧a c e n tl o c a t i o n a n dt h ed e e p d r a w i n g d i s p l a c e m e n t ，e s p e c i a l l yi l ll a r g ec o v e r i n gp a n s t h eb c s tb h f c u n ，ec h a l l g e dw i t ht h e t i m ea i l dt h ep l a c ep l a y sa 1 1i m p o n a n tr o l ei ns h e e tm e 诅lf o m l i 士l gi nc o m p l e xp a n s s e g m e n t e dv a r i a b l eb h fs y s t e mw a san e x i b l eb l a n k - h 0 1 d e rs y s t e mw h i c h w a s d e s i g n e df o rb o xd c e p d r a 、v i n ga n ds u p p o r t e db ym eo r i g i n a l 1 0 0t o n sf b u r - p i l k h y d r a u l i cp r e s s u r en l a c h i n e b ya d d i n gp r o p o r t i o n a lv a l v ea n dap a r t i c u l a rs e g m e n t e d 船s e m b l e db i a n k - h o j d e ri nv i e wo f b o xd e e p d r a 、v i n gc h a r a c t e r i s t i c ，c o n t r o i i i n gb h f c h a i l g e d 诵t hm et i m e a 1 1 dt 1 1 e p l a c ch a sb e e nr e 8 1 i z e d i n1 h i sp a p e rc o t r 0 1 o p t i m i z a t i o no fs e g m e n t e dv a r i a b l eb h fs y s t e ma n db o xd e 印- d r a w m ge x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e d b a s e do na n a 】y z i n gt h es l n l c t i l r ea n dt h ew o r k i n gs t a t eo ft h ep r o p o n j o n a lv a 】v e ， t h eb h fc o n t r 0 1s y s t e mm o d e lw a sd e d u c e db yu s i n gl a w s o fc o n s e r v a t i o na n d c o n c a t e n a t i o no fm a s sa n de n e 唱y t h e nt h em o d e lp a r a m e t e r sw e r ed e c i d e d 、，i a s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n m i n ga tt h eb h fc o n t m l l i n gp r o b l e m s “i s t c di ns e g m e n t e dv 撕a b l eb h f s y s t e mc u f r e n t l y ，an e wi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e d 撕t h m e t i cw a sp u tf o r w a r da n daf h z 巧 s e l f - a d 印t i v ep i dc o n t r 0 1 l e rw a sr e s e a r c h e da n d 印p l i e di ns e g m e l l t e dv a r i a b l eb h f s y s t e m s y s t e mp e r f o r i n a n c ew a si m p m v e ds i g n m c a n t l y b a s e do nc o n t r 0 1 叩t i m i z a t i o n b o xd e e p d m 丽n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e du s i n g s e g m e m e dv a r i a b l eb h fs y s t e m p r o c e e d i n g 、v i mb h f “r v e a 1 1 dt h es e g m e n t se 仃e c t t om ef o 肌a b i l i t yo f b o xd e e p d r a w i n 吕am o r er e a s o n a b l eb h fl o a d i n gm o d ed u r i n g b o xd e e p d r a w i n gp r o c e s s i n gw a sf o u n d 觚dg a v er c f e r e n c et ot h ec o m p l e xp a n s v b h fr e s e a r c h i n g k q n v o r d ：v a r i a b i eb l a n k - h o l d e rf o r c e ( 、，b h d ，s e g m e n t e db l a n k h o l d e rf o r c e ， b h f l o a d i n gm o d e ，b o x ，d e e p d r a w i n g 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文= 作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为两北t 业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名越 钾年歹月邪日 指导教师签名 勿叩年 皇隆刍 月形日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本 人在导师的指导卜进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公升发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 跏圈题 勿9 7 年，月场日 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 拉深是钣金成形的传统制造工艺。随着现代产品设计技术和数字化技术的广 泛应用，产品零件形状越来越复杂，对拉深制造工艺技术要求越来越高。影响板 料拉深成形性能的因素很多，国内外研究者在对成形过程理论研究的基础上，借 助成形过程的计算机仿真与模拟技术，对复杂零件成形过程的控制技术开展了较 为深入的研究，其中压边力( b l a n k - h o l d e rf o r c e ，简称b h f ) 成为拉深成形技术中 的重要控制手段。 压边力的作用机理是调节正向压力从而改变毛坯与模具接触面间的摩擦力；1 增加板料中的拉应力，最终改变毛坯的切向压应力分布，达到控制金属流动，避 免起皱的目的。在拉深成形过程中，压边力过小，无法有效地控制材料的流动， 板料很容易起皱；而压边力过大，虽然可以避免起皱，但拉破趋势会明显增加。 同时，在一些大型复杂拉深件( 以覆盖件为例) 成形过程中金属材料的流动在各 个位置是不一致的，如果在板料周围都施加相同的压边力，容易导致同一个零件 上有些部位起皱，有些部位破裂。所以，传统的刚性压边拉深工艺己不能满足零 件成形的要求，为了避免板材起皱或破裂，控制拉深成形过程中的压边力大小是 非常必要的。 近十年来随着冲压设备的不断完善以及计算机控制技术的进一步发展和应 用，国内外有关研究人员通过大量试验研究已经证实1 1 4 】1 1 5 】【2 3 】：在拉深过程中板 料压边位置、拉深位移对压边力的需求是变化的，确定出随板料压边位置、拉深 位移所需的压边力的变化规律，获得最优压边力加载方式对复杂零件拉深成形具 有重要意义，可以极大的提高拉深零件的成形性能。 1 2 变压边力研究现状 复杂零件成形系统中，压边力是最重要的工艺参数之一，它控制着成形过程 中金属的流动以及应变的数值与分布。压边力的作用本来是为了防止凸缘起皱， 所以传统理论认为压边力在实际操作中调整到适当大小即可，特别精确地掌握 压边力的影响是没有必要的，随着国内外压边力控制研究领域一系列成果的获 西北工业大学硕士论文第章绪论 得，这种“压边力大小不必控制”观点，在今天看来显得较为片面和过时。 那么到底哪种压边力控制曲线可以有效地优化成形过程呢? 为了确定出最 优压边力控制曲线，国内外学者对压边力进行了预测性研究，预测性研究的思路 很多，一种容易理解的确定压边力优化加载方式的方法是对多个预测模型进行拉 深试验，基于坯料不失稳、拉深程度最大等原则，找出相对最优的压边力加载方 式。 第1 套可调控的压边力控制设备由h a r d t 等人1 1 4 】设计，用来得到恒定的单位 b h f ，单位b h f 始终被保持在不起皱的最小值上以防止破裂。h a r d t 通过p i 控制器 来控制伺服阀给压边圈施加压边力，完成冷轧钢板的杯形件的成形。 y o s s i f o n 等人通过对a l l l o o o 坯料的系列试验得到成形安全区间，此区 间位于破裂和起皱极限曲线之间，并得出结论：最小防皱压边力是b h f 最优控 制曲线。 h i r o s e 【1 6 】【1 7 1 等人的研究表明，呈上升趋势的线性组合的b h f 路径在汽车车 身覆盖件的成形方面可有效防止起皱，而呈降低趋势线性组合的b h f 路径，对 控制起皱影响不大。 k l i r i i 州等人在板料成形中试验了不同的线性和线性组合b h f 方案，他们 认为呈线性下降的b h f 方案是最佳选择。 g u n n a r s s o n 【19 】等人用一种新的弹簧压边装置作轴对称深拉深试验，得到结 论：在下降趋势的b h f 控制曲线下破裂和起皱之间的加工窗口比恒定或上升趋 势的b h f 控制曲线大，并且拉深极限比也更大。 h i s h j d a 和w a g o n e r f 2 0 】成形两种类型的汽车覆盖件，靠上升的b h f 路径获得 了成功。他们的实验针对成形扳的断裂极限、起皱高度和表面扭曲。在凸模拉深 位移的第一阶段b h f 保持常量，随后增加到一个较高值。 此外，鉴于拉深过程中板料周边不同位置对压边力的需求是不一致的，国内 外不少学者也进行了分区( 分段) 压边力的研究，并研制了相关设备。 德国s t u t t g a r t 的k s i e g e r t 【2 l 】教授以及美国m i c h i g 柏技术大学的s a e e d y 和 m a l e s s i 【2 2 】都已经进行了分段压边的实验研究，就是将整个压边圈分成八个部分： 圆角区域4 个，直边区域4 个，通过8 个液压缸来独立的控制压边力。 m u r a t a 和m a t s u p 】通过方盒件拉深试验研究表明使用分段压边圈的结构， 即使角部和边上的b h f 保持定常时，分段压边圈还是要比刚性的整体压边圈所 得到产品的拉深深度大，并且拉深件不同区域有不同的压边力需求。 上海交通大学模具c a d 工程研究中心【2 4 心j 对某型号液压机进行改造，实现 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 了压边圈上的整体压边力在拉深过程中能按事先设定的曲线精确变化；同时开发 了一种带一系列长度有着微小差异值的小顶柱的新型双层组合压边圈，实现了在 压边圈上的多点以不同的变化率实现变压边力。 上海交通大学车身制造技术中心i 划开发了一台多点变压边力拉深液压试验 机，采用了和k s i e g e r t 教授相似的思路，利用1 0 个液压缸实现了多点变压边 力控制，但未对压边圈进行分段。 国内外很多学者在变压边力研究方面做出了很多的工作，取得了一定成果， 但是总的来说变压边力研究还处于初级阶段，比较分散，没有形成系统，这主要 表现在： ( 1 ) 、目前研究工作更多的集中在筒形件等回转体零件方面，即使是非回转 体的研究，也是以方盒件为主，对于复杂零件成形的压边力研究还不够深入，并 且很多研究因为设备的原因较多的采用数值模拟，缺乏实验依据。 ( 2 ) 、在随位移变化的压边力控制曲线的选定问题方面，究竟哪种压边力控 制曲线可以有效地优化成形过程尚无定论，主要就是因为试验毛坯情况、模具尺 寸以及加载历史或变形路径等复杂因素差异的影响，诸多学者经试验各自得到的 结论也各不相同，还有待作进一步的工艺参数分析并从中总结出更为本质的规。 律。 ( 3 ) 、随拉深位移变化的变压边力控制和随压边位置变化的变压边力控制没 有很好的结合起来，缺少相应的能够进行联合变压边力控制的硬件支持。如何采 用灵活可靠的装置来实现分区变压边力的精确控制以及如何获得分区压边力的 最优加载方式已成为亟待解决的一个科研难题。 1 3 本文研究内容 板料拉深成形变压边力技术在板料成形特别是复杂零件成形工艺中占有重 要地位，世界各国的学者和工程师都在不断的努力，使得板料拉深成形变压边力 技术研究的深度和广度都取得了很大进展。然而直至今天，变压边力控制技术仍 未能在工业界得到广泛应用，其主要原因是变压边力技术的研究还停留在初始阶 段，没有系统化的成果，无法指导实际生产。 为了深入研究压边力加载方式对成形质量的影响，作者在认真学习和总结现 有的国内外研究成果的基础上，以盒形件为研究对象，依托实验室的硬件设备， 优化压边力控制系统，运用分区变压边力技术提高盒形件成形质量。本文理论与 西北工业大学硕士论文第一章绪论 实践研究主要内容集中在控制优化及拉深试验等几个方面进行： ( 1 ) 、压边力控制系统模型的建立。通过分析比例阀结构、工作状态，利用 物质、能量守恒性和连续性，从理论上推出压边力控制系统的数学模型，再结合 系统辨识理论，运用阶跃响应法辨识模型参数。 ( 2 ) 、控制算法的优化设计。针对目前压边力控制系统存在的性能问题，提 出参数自整定p i d 控制+ b a n g _ b a n g 双模态的压边力控制方案，结合m a t i a b 强大的 运算、模拟功能，设计本系统的模糊p i d 控制器，并进行系统仿真。 ( 3 ) 、盒形件拉深试验研究。在优化压边力控制系统的基础上，从变压边力 控制曲线形状和各分区压边力变化对盒形件成形性能的影响两方面入手，利用分 区变压边力系统，对多种压边力加载方式进行盒形件拉深，从而确定出盒形件拉 深过程中相对合理的压边力加载方式。 在这几个方面中，压边力控制系统模型是分析、优化系统所不可或缺的强有 力的工具，也是进行系统仿真的前提，控制系统的优化为盒形件拉深试验奠定基 础，是拉深试验顺利进行的保证。因此，本文在结构上主要按照如下几个部分安 排章节： 第一章：绪论 简要介绍了本文的研究目的、研究背景及研究内容。 第二章：分区变压边力系统 从总体上介绍了针对盒形件成形特点设计的分区变压边力系统的 硬件结构及控制原理。 第三章：压边力控制系统模型一 介绍了本文压边力控制系统模型的建立方法。 第四章：控制算法的优化控制 介绍了一种误差分段的智能控制算法，研究并实现了参数模糊自整 定p i d 控制技术在分区变压边力系统中的应用。 第五章：软件系统设计 介绍了分区变压边力软件系统的设计，包括p l c 程序设计和上位机 程序的设计，着重介绍了上位机程序的实现方法及实现的功能。 第六章：盒形件拉深试验 介绍了盒形件拉深试验内容，以及得到的结论。 第七章：总结与展望 总结本文研究成果，展望后续工作。 4 西北工业大学硕士论文第二章分区变压边力系统 第二章分区变压边力系统 分区变压边力系统是以l o o 吨四柱液压机为平台建立起来的一套可以灵活 控制盒形件拉深成形时所需的分区域压边力的压边系统。压边力具体的分区形式 针对盒形件拉深工艺的特殊要求进行设计，整个压边区域分成边部和角部共八个 分区，各个分区上的压边力控制曲线可以根据工艺要求灵活更改，从而实现了盒 形件拉深时压边力随压边位置、拉深位移变化的联合变压边力控制。 2 1 盒形件拉深成形特点2 】 拉深是指将平板毛坯或杯形毛坯在凸模作用下拉入凹模型腔形成开口空心 零件的成形工艺方法，其拉深工艺原理图如图2 1 所示。拉深是饭金成形的基础 性工艺，其应用很广，用拉深工艺可以制成筒形、阶梯形、球形、锥形、抛物线 形、盒形和其他不规则形状的薄壁零件。 图2 1 拉深工艺原理图 1 凸模2 压边圈3 毛坯b 凹模 盒形件作为典型的非回转体拉深件，广泛应用于电子部件和汽车部件中，如 电池盒、半导体盒和汽车反光镜、汽车油箱等。在盒形件拉深过程中材料的变形 较为复杂，以盒形件为研究对象对拉深工艺作进一步的探讨具有实际意义。盒形 件也是金属薄板拉深成形中较为典型的冲压件，其变形规律具有一定的典型性， 西北工业大学硕士论文第二章分区变压边力系统 研究这类零件的成形规律，不仅对这类零件成形工艺参数和工艺步骤的确定是至 关重要的，同时也是进一步认识复杂件成形规律的基础。 从几何形状特点看，盒形件可划分为由4 个长度分别为a - 2 r 和b 2 r 的直边 和4 个半径为r 的1 4 圆筒部分组成( 如图2 2 ) 。在不考虑直边部分与圆角部分在 变形上相互影响的前提下，可以简单的认为：在拉深过程中，直边部分只产生反 复的弯曲变形，而圆角部分则产生相当于四分之一的圆筒形件的拉深变形。但事 实上，盒形件的直边部分和圆角部分并不是处于相互分离与各自独立的状态，这 两部分是相互联结在一起的整体毛坯，所以在这两部分中，任何一部分的变形都 要受到另一部分的影响。 图2 2 盒形件拉深变形特点图2 3 盒形件控深时的应力分布 盒形件的变形特点可归纳为以下几点： ( 1 ) 、盒形件拉深时，角部变形基本上与圆筒件拉深变形相似，只是由于金 属向直边流动，使得径向拉应力及切向压应力在角部的分布是不均匀的，圆角中 部最大，逐渐向两边减小( 如图2 3 所示) 。 ( 2 ) 、拉深时，直边部分除弯曲变形外，在与圆角的连接部分，还有横向压 缩及纵向伸长。因而其应力也包括纵向拉应力与横向压应力两部分。 ( 3 ) 、盒形件拉深时，圆角部分的径向拉应力是分布不均匀的，而其平均拉 应力比之相同的圆筒件径向拉应力要小得多。因而矩形件的极限变形程度可相应 加大，拉深系数可相应的减小。 ( 4 ) 、盒形件的最大应力出现在角部，因而起皱、破裂现象也多在角部产生， 在远离角部的直边部分一般不易发生起皱、破裂现象。 ( 5 ) 、盒形件变形时，圆角与直边相互影响的大小，取决于其相对圆角半径 r ，b 的比值。r b 数值越小，两者的变形影响越显著，圆角部分的变形情况与圆筒 6 西北工业大学硕士论文第二章分区变压边力系统 形的变形情况差别越大。 由于盒形件形状的非旋转性和自身结构的复杂性，决定了盒形件成形时不同 于圆筒形件的最大特点就是不均匀性，正是基于盒形件成形特点的分析，分区变 压边力系统针对盒形件特殊工艺要求进行压边圈分区，实施分区域可变压边力控 制，很好的符合了材料成形过程中所需要的变形控制，从定程度上减弱了盒形 件拉深过程中的不均匀性，优化了盒形件拉深成形。 2 2 分区变压边力系统 在板料拉深成形过程中，分区变压边力系统中提供分区压边力的各液压缸装 在凸模的周围，与凹模正对；同时为保证液压缸的安装方便、便于更换位置以适 应不同零件成形的需求，而将各压边液压缸安装在下方。因此凹模通过螺栓安装 在l o o 吨四柱液压机的主滑块的下方，而凸模固定在液压机的工作台上，即采用 凹模在上凸模在下的模具倒装形式，盒形件拉深装置原理图见图2 ，4 ，成形系统 实物图见图2 5 。 拉濯主滑块 图2 4 盒形件拉深装置原理图 7 西北工业大学硕士论文 第二章分区变压边力系统 图2 5 盒形件成形系统实物图 1 】o o 吨四柱液压机2 凹摸3 凸模4 分区可控压边装置5 液压执行系 统b 分区变压边力控制系统 整个盒形件成形系统结构上分为l o o 吨四柱液压机、拉深模具( 包括凹凸 模) 、分区变压边力系统，分区变压边力系统由分区可控压边装置、液压执行系 统、分区变压边力控制系统等组成。 盒形件成形系统 l o o 吨四柱液压机 分区变压边力系统 羹差圣垂兰萎蓁三系统 根据盒形件成形特点，为了实现分区变压边力控制，分区变压边力系统设计 了分区可控压边装置( 带分区压边块的压边圈) ，在该装置上设置与各控制区域 对应的压边力控制单元。每个单元引入液压比例阀，独立控制各分区压边力，分 区变压边力系统通过安装在压边缸活塞杆上的各压力传感器实时测量各分区压 边力大小，由相应控制算法提供控制量，经由电液比例控制器控制相应比例阀阀 门的开启大小，最终调整对应分区压边力至目标值。 西北工业大学硕士论文第二章分区变压边力系统 2 2 1 分区可控压边装置 分区可控压边装置是分区变压边力系统中的核心装置，它实际上是带分区可 控功能的组合式压边圈。因为盒形件拉深成形时，由盒形件成形特剧2 】可知，变 形均匀化是消除成形失稳缺陷的主要思路之。所以系统采用分块式压边圈，分 区形式采取长边块、短边块和圆角块共分八块，其中2 个长边块( 边2 、边3 ) ， 2 个短边块( 边1 、边4 ) ，4 个圆角块( 角l 、角2 、角3 、角4 ) ，如图2 6 、2 7 所示，每个压边块对应一个压力控制单元，通过不同的压边块提供不一样的压边 力，使整个法兰区域的变形均匀化程度提高，圆周部分变形程度得到缓解。 图2 6 分区可控压边装置图2 7 分区编号 为使得压边块在拉深时无水平方向的位移而垂直方向各块之间无约束，因此 设计时考虑采用块与块之间垂直自由无刚性连接，设计一托盘以约束压边块的水 平位移，如图2 6 所示。同时通过在托盘上加装导柱，在拉深模具下模板上加装 与之配合的导套，来对压边块进行整体定位。压边缸与凸模一起置于1 0 0 吨四柱 液压机工作台之上，在活塞杆杆头加装压力传感器，其上放置压边块，用于测量 拉深过程中压边缸所提供的实时压边力的精确值。同时压力传感器下端与压边缸 采用螺纹拴接，这样便于在安装调试时调节压边圈内的各压边块保持水平，从而 在结构上保证了传感器输出的有效性。 2 2 2 液压执行系统 整个压边液压执行系统是由液压泵、液压控制阀、液压缸等组成。液压控制 阀主要有比例溢流阀、方向阀包括( 电磁换向阀、液控单向阀、单向阀等) 、节 流阀等。在结构上，压边液压执行系统又主要由8 个完全平等的压边力控制单元 所构成，每个压边力控制单元由电磁换向阀、液控单向阀、节流阀、比例溢流阀 和液压缸组成，其中比例溢流阀的作用是完成压边力大小的实时控制；电磁换向 9 西北工业大学硕士论文第二章分区变压边力系统 阀的作用是控制压边缸活塞的上行和下行；节流阀的作用是控制压边缸活塞上行 和下行的速度。其系统原理图如图2 8 所示： 在拉深准备阶段，为了完成压边缸活塞杆的顶出。首先启动液压泵2 3 ，压 力油通过电磁阀2 2 卸荷，保证了油泵的无负载启动。在控制系统的作用下，电 磁换向阀9 1 6 上行线圈上电( 图中w 1 ，w 3 ，y v 5 ，y v 7 ，w 9 ，y v l l ，w 1 3 ，y v l 5 上电) ，电磁换向阀9 1 6 置于左位，然后当电磁换向阀2 0 置于左位时，压力油 就由单向阀1 1 9 、油滤2 1 、方向阀2 0 、方向阀9 1 6 、单向阀1 1 1 8 ，通过节流阀 j 1 0 8 的调速，供入各压边缸无杆腔，完成压边缸活塞杆的顶出。在压边圈达到 预定位置以后，电磁阀2 0 去电置于中位，压边圈就停止就位。 在放置板料毛坯完成后，开始拉深。首先通过电磁换向阀2 2 换向至右端将 压力油卸荷。然后根据工艺要求，将需要压边力控制的区域对应的压边力控制单 元的电磁换向阀9 1 6 去电置于中位。在控制系统的作用下1 0 0 吨四柱液压机的 拉深主滑块和凹模开始下行。当凹模与毛坯表面接触形成拉深时，由于凹模通过 毛坯对压边圈的作用，将压边缸的活塞杆下压，压边缸无杆腔中的液压油排出。 由于单向阀1 1 1 8 的作用，液压油通过比例溢流阀e 1 e 8 进行溢流，形成背压控 制，控制比例溢流阀的阀门丁f 启大小即可调节无杆腔油压从而控制压边力大小。 从溢流阀流出的液压油一部分补充进压边缸的有杆腔中，一部分流回油箱。 在完成拉深过程后，控制系统控制液压机的拉深滑块回程。然后切换电磁换 向阀9 1 6 至右位，准备压边圈下行。在电磁换向阀2 0 切换至左位后，将油泵提 供的压力油通过换向阀供入压边缸有杆腔，使之完成下行动作直至下行就位。 1 0 zlo 习州母 卜矗 = 捌 o o u 划! 刚制。l ；幽 臼 u l 曹 。 团 剐 医 嘏= 倏 幽 裂 一 囤 li引一 门川j 挑 嘏 岛、i 硼非 ；、，印卜l 丑； 。、d 卜j 一 盐； 螺聪r斟蚪斛谢求料抵 仪秘书隧扑k爿h暑目 西北工业大学硕士学位论文第二章分区变压边力系统 2 2 3 基于p l c 的分区变压边力控制系统 分区变压边力控制系统采用工控机和p l c 的两级控制结构，使用r s 2 3 2 c 端口实现l ：1 的上位机链接通信。上位机选择一台研华6 l o 工业控制机，作为 操作站实现整个系统的监控和数据的监测，完成工艺参数的设定和修改、控制算 法的实现、工艺过程的自动控制、系统工况的在线监视、信息交换等工作。p l c 负责压边力、拉深力的采集，各种按钮、行程开关等开关量的输入，以及发出信 号去控制接触器、继电器、电液比例控制器等电气元件，进而控制液压系统的压 力油的流向、压力以及电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。控制系统框图 如图2 9 所示。 图2 9 控制系统框图 在系统中为了测定拉深位移，设置了一个光栅线位移传感器，尺身安装在液 压机工作台旁的竖直立柱上，读数头与压边圈水平固连。该传感器通过采集卡 p c l 8 3 3 把压边圈的位置信号直接送到工控机中得到拉深位移，这样就充分利用 了高级语言编程的方便和工控机强大的计算处理能力。 为了实现压边圈上八个分区压边力的闭环控制，在八个压边缸活塞杆头上分 别安装了8 个压力传感器，直接与压边圈中的八个压边块的底部接触，这样较为 准确的测量了各分区压边力数值。在对压边力进行控制调整时，首先压力传感器 检测压边力信号，经信号调理仪( 相当于功率放大作用) 后由p l ca d 模块采 西北工业大学硕士学位论文第二章分区变压边力系统 集得到压边力值，根据拉深位移和设定压边力值，工控机通过控制算法运算得到 控制量，控制量由p l cd a 模块输出到t b 例控制器改变比例溢流阀的阀门开启 大小，最终调整压边缸活塞杆上的系统工作压力，即压边力。压边力控制回路方 块图见图2 1 0 。 同时，为了监测拉深过程中的主拉深力，在液压机主滑块与凹模之间安装了 一个轮辐式压力传感器，实时测量拉深力。 图2 1 0 压边力控制回路方块图 2 3 盒形件拉深工作过程 在盒形件拉深过程中，需要操作计算机控制平台和控制按钮完成全部的工艺 操作。 在开始拉深之前，首先通过控制按钮启动液压机和压边系统主电机，然后在 计算机平台上对盒形件拉深八个分区分别设定相应的压边力控制曲线，通过操作 控制八个压边缸的活塞杆上行或下行，带动压边圈( 分区可控压边装置) 使其调 整就位后，将毛坯板料放置到压边圈上。 通过操作控制1 0 0 吨四柱液压机主滑块下行带动凹模下行，直至凹模接触板 料开始拉深。拉深过程中分区变压边力控制系统通过刖d 模块实时采集各分区 压边力和拉深位移值，由控制算法得出实时控制量“，通过d a 模块将控制量传 递给液压系统中的执行部件，从而控制各分区压边力随设定压边力控制曲线变 化，直至盒形件拉深成形。 西北工业大学硕士学位论文第二章分区变压边力系统 2 4 本童小结 本章从总体上介绍了分区变压边力系统的硬件结构和控制原理。依托1 0 0 吨 四柱液压机设计了一套柔性压边系统分区变压边力系统，在此系统中，引入 比例控制环节，实现了拉深过程中压边力的实时控制，同时，结合针对盒形件拉 深成形特点设计的组合式分区可控压边装置，实现了盒形件拉深中压边力随压边 位置、拉深位移变化的联合变压边力控制。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章压边力控制系统模型 第三章压边力控制系统模型 在控制系统的研究中，建立系统的数学模型是非常重要的，它是进行计算机 仿真的前提，有一个系统数学模型作为参考，能大大减少控制算法的计算量和加 快算法的收敛速度，它是设计系统、分析系统性能和改进系统结构所不可或缺的 强有力的工具。 北京华德液压公司生产的d b e i r 型比例溢流阀( 图2 8 中e 1 e 8 ) 是分区 变压边力控制系统的关键元件，以此比例溢流阀为核心的压边力调控系统其数学 模型与动态性能不仅与该比例阀的结构参数相关，而且与比例电磁铁及比例控制 器的电气性能也密切相关，仅依赖理论推导方法，求其数学模型及其参数是十分 困难的。 本文将从比例阀结构、工作状态的出发，利用物质、能量的守恒性和连续性 原理，先推导出系统待辨识模型，再结合系统辨识理论辨识其参数，从而建立压 边力控制系统模型。 3 1 比例阀控系统 d b e t r 型比例溢流阀是一种带电反馈的直动型锥阀式比例压力溢流阀，它 与比例控制器配套使用，用于控制系统工作压力。其结构原理如图3 1 所示。 1234 图3 1d b e t r 型比例阀结构原理图 1 锥阀芯2 传力弹簧3 推杆b 比例电磁铁 该阀的工作原理：当输入的电压信号经过比例控制器转换为与其成比例的驱 动电流信号l ，该驱动电流作用于比例阀的比例电磁铁4 产生与l 成比例的吸力， 吸力经推杆3 和传力弹簧2 作用在锥阀芯1 上，当锥阀芯左端的液压力大于电磁吸 西北工业大学硕士学位论文第三章压边力控制系统模型 力时，锥阀芯被顶开溢流。连续地改变控制电压信号的大小，即可连续按比例地 控制锥阀的开启压力。 以d b e t r 型比例溢流阀为核心的压力调控系统简化示意图如图3 r 2 所示，盒 形件拉深工作过程中，液压缸活塞杆以速度v 匀速向下运动，下腔压力大于比例 阀的开启压力时，比例阀溢流，溢流的液压油一部分补充到液压缸上腔，一部分 返回到油箱。通过控制锥阀的开启压力来控制液压缸下腔的油压，进而控制液压 缸活塞杆上的系统工作压力f 。 3 2 系统模型 苴 图3 2 比例阀控系统简化原理图 由于液压介质流动复杂，为了研究的方便，假设液压介质油不可压缩，且整 个液压系统工作过程中泄漏忽略不计。 在工作状态下，工作中的液压缸向比例阀p 口稳定压入液压油，当p 口液压 力大于比例电磁铁吸力时，p 口向t 口溢流。需要注意的是d b e t r 与开关控制 型压力阀不同，弹簧2 的刚度对比例阀的启闭特性并无影响。因为当通过锥阀的 流量发生变化时，尽管锥阀的开度x 发生变化，但只要比例电磁铁4 的输入电流 不变，电磁铁吸力就不变，弹簧的压缩量就不会改变。所以传力弹簧2 在整个工 作过程中不是用来调压，而是起传力作用的。以锥阀为研究对象，建立力学平衡 方程： = k l + + 出 ( 3 1 ) 1 6 西北工业大学硕士学位论文 第三章压边力控制系统模型 式中，k 为比例电磁铁比例系数；t 为比例电磁铁驱动电流：加为阀芯质量； 珞为作用在阀芯上的轴向液压力；b 为阀芯与阀套间的粘滞阻尼系数；工为阀 芯位移( 阀芯开度) 。 假定锥阀入口p 口处的流速为h 、压力为丑( 只：p ) ，锥阀出口t 口处的 流速为吃、压力为b ，锥阀口的开度为x ，半锥角为岱，阀座孔直径d 。在比例 阀工作状态时，锥阀开度x 不大，则可认为v l = o ，e 为大气压( 最= o ) ，液流 射流角伊= 口。 对于锥阀，通过阀口的流量可用下式表示f 5 】 g = e 4 厕 ( 3 2 ) 式中，q 为流量系数；爿为阀口通流面积；印为阀口前、后压差( 印2 p ) 如图3 1 所示，当阀口开度为x 时，阀芯与阀座间过流间隙高度为 = x s i n 口，阀 口的通流面积为 4 = 石出s i n 邮一寺s i n 2 口) 一般，x 远远小于d ，则彳= 万凼s i i l a 所以 g = e 石出s i n 口历 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 由式( 3 4 ) 可以看出，比例阀溢流流量与锥阀芯开度、负载压力之间为非 线性关系，为了简化起见，进行线性化处理，得到工作点( ，p o ) 附近的压力 一流量特性： 却= 塞k 川缸+ 睾k 印 ( 3 5 ) 堕些三些盔堂堡主兰垡迨皇笙三童堡望垄笙型墨竺堡型 由于工作时液压缸活塞杆匀速，即比例阀的溢流流量恒定，可知g = o ，上 式： 岷础毗船+ 警印 悖。， q l p q p( 、。& 、 在稳定流动时，利用动量定理可知，作用在锥阀上的轴向推力为 = 倒一朋( v 2c o s 口一m ) ，式中4 为阀座孔的断面积，爿= 万d 2 4 ，因v j “o ， 故可忽略j | d g v l ，这样 = 一p g 屹c o s 口 ( 3 7 ) 上式右端第一项为锥阀底面的液压力：第二项为液流流经锥阀阀口的稳态液 觌此力的方向使阀芯趋于关闭。因峨砒i 眦厕岍e 乒， 则上式为 = p 譬一q e 万却s i n 2 口 将式( 3 - 8 ) 线性化，得到： ( 3 8 ) f 禳= 一q e 万勿。s i n 2 础x + ( 等一q e 万氐s i i l 2 口) 卸 ( 3 9 ) 将式( 3 1 ) 、( 3 6 ) 、( 3 9 ) 分别进行拉氏变换，联立整理后得到比例溢 流阀的传递函数： ( 3 1 0 ) 由图3 2 可知，工作时液压缸上腔油压可看成为大气压，以活塞杆为对象的 力学平衡方程为 西北工业大学硕士学位论文 第三章压边力控制系统模型 f = f | 七p a g ( 3 1 】) 式中，f 为活塞杆上的系统工作压力；b 为活塞运动摩擦力，一般取活塞质量 的o ，1 5 ；4 为活塞面积。 将式( 3 1 1 ) 进行拉氏变换得到f ( s ) = 以p ( j ) ，又由于比例控制器上输入的 电压信号与比例电磁铁驱动电流成比例【，= t ，结合式( 3 一1 0 ) 得到该阀控系 统的系统模型结构 盟 型： 叭d 鲁 鲁h 譬一吾q g 万氐s i n 2 口 2 p o2 风 42 ” ( 3 1 2 ) 式中，为电液比例控制器电压一电流系数。 3 3 模型参数旧 在对液压系统作理想化假设的前提下，通过以上对比例阀结构、工作状态的 物理分析，利用物质和能量的守恒性和连续性原理，推导出了以d b e t r 型比例 溢流阀为核心的阀控系统的数学模型结构( 式3 - 1 2 ) 。 在工业生产过程中，大多数的实验阶跃响应曲线是“过阻尼，的。即f l 。 对于二阶过阻尼环节的实验阶跃响应曲线，稳态放大系数世是输出稳态值y j 与阶跃扰动输入幅值之比 k ：丛竺 u o ( 3 1 3 ) 在计算时间常数丁和阻尼系数f 时，先将实验阶跃响应曲线y ( f ) 修改成如下 的标准阶跃响应曲线y + ( f ) y + ( r ) ：尝 然后，根据y ，( ，) 求传递函数中的参数丁和f 。 1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章压边力控制系统模型 将式( 3 1 5 ) 分解为 式中 写为 或 g = 丙矗丽 g = 再靠 q ：委【f 一唇_ 】 哆：三k + 唇i 】 因为f l ，故和哆为实数，且均大于零。由式( 3 1 7 ) 可推导出 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 ，1 7 ) ( 3 1 8 ) 因此，只要有实验曲线算出q 和哆后，就可以求得丁和f 。式( 3 1 6 ) 可 g 2 瓦器丽d + q j p + n k ， 当输入单位阶跃函数时，该环节的阶跃响应曲线为 ( 3 1 9 ) y + o ) ：1 一! ! l p q + ! ! l p 一心 吐一q哆一q ( 3 2 0 ) 2 0 击撩 l l l | k 西北工业大学硕士学位论文第三章压边力控制系统模型 令 1 一y + o ) = j ! ! l p 一州一j ! 一p 一吨 哆一q吐一q ( 3 2 1 ) 呸2 d q 将式( 3 2 2 ) 代入式( 3 2 1 ) 后，得 ( 3 2 2 ) t 中= 砉e q r 一击e 嘲，= 刍e l f 【l 一“m “ ：， 对上式两边取常用对数，得 l g 1 ( f ) 】_ l g 【砉h f l g 外1 - 。1 蛔“ ( 3 - 2 4 ) 口一l口 ( 1 7 4 1 当f 哼时，l g 【1 一三口巾- 1 ) q ，】斗o ，则上式为 仃 l g 【l y 】_ l g 【刍】_ o 4 3 4 3 叩 可以看出，这时l g 【1 一y + ( f ) 】趋近于一条直线，其斜率所和截距6 为 因此，只要在坐标纸上画出f 较大时的l g 1 一y + ( ，) 的图形，然后作出 1 9 【l y + ( r ) 】的渐近线，再求出此直线的斜率和截距，就可以算出 2 1 ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) f j i ， 懈告 = 划 m 6 西北工业大学硕士学位论文第三章压边力控制系统模型 薯幕 ( 3 2 7 ) 实验时，电液比例控制器输入的控制电压的阶跃扰动幅值为砜2 6 5 矿，阶 跃响应输出稳态值为y ( 。) 21 5 0 0 殛，实验数据见表3 1 所示。 表3 1 压边力控制系统阶跃响应实验数据 f ( s ) o 8o 8 5o 9o 9 511 0 51 11 1 5 y o ) ( 题7 ) 1 4 7 91 4 8 5 51 4 8 7 2 51 4 9 2 51 4 9 5 7 5 1 4 9 71 4 9 7 7 51 4 9 8 y ( f ) o 9 8 6o 9 9 0 3 3 3o 9 9 1 5o 9 9 5o 9 9 7 1 6 7 o 9 9 8o 9 9 8 50 9 9 8 6 6 7 在坐标纸上画出了l g 【l y + ( f ) 】的图形，作出l g 1 一y + ( f ) 】的渐近线为 y = 0 1 7 2 f + o 6 9 4 7 ，此直线的斜率m 为- 3 1 7 2 、截距6 为o 6 9 4 7 ，可以得到 k ：丛堕：2 3 0 7 7 砜 以= -