（机械制造及其自动化专业论文）变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究.pdf

本 立进行 文不包 的研究 人完全 卜，卜_、lr 气 广、 变压边力和变冲压速度液压机 控制技术的研究 r e s e a r c ho nc o n t r o lt e c h n o l o g yo fh y d r a u l i cp r e s sw i t h v a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c ea n dv a r i a b l ep u n c hs p e e d 指导老师 姓名黄窒! 釜 2 0 0 6 年5 月 兮 八 摘要 摘要 随着人们对汽车轻量化问题越来越多的关注，薄板成形技术已经成为研究的 重点方向之一。新材料的开发和使用己使传统恒压边力技术难以满足冲压要求， 变压边力和变速拉深相对传统拉深工艺及控制方法具有显著优势。本文设计了一 台带二步可调液压垫的智能单动薄板液压机，实现以拉深深度为自变量的变压边 力和变冲压速度。该液压垫通过组合式顶出杆和比例溢流阀实现总压边力的可变 和优化分配，冲压速度通过比例泵实现连续可调，并分别配置了相应的检测装置， 采用积分分离p i d 算法为主、模糊p i d 作为补充的控制策略，旨在实现压边力和 冲压速度的闭环控制，提高控制精度。根据系统控制的要求，确定了控制系统的 总体方案，对控制系统进行了硬件设计，并开发了与成形过程相匹配的软件系统。 最后根据目前研究的几种变压边力和变冲压速度的加载方式来验证本液压机变压 边力和变冲压速度控制效果，证明了该压机采用变压边力和变速拉深工艺能显著 提高板料成形性能。 关键词：变压边力，变冲压速度，闭环控制，可调液压垫 卜而产i ， _ 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er e d u c t i o no fa u t o m o b i l e s w e i g h ta t t r a c t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n ，t h ef o r m i n go fs h e e tm e t a lh a sb e e no n eo ft h ek e yt o p i c si nr e s e a r c h t h e e x p l o i t a t i o na n du s eo fn e wm a t e r i a l sm a k e t h et r a d i t i o n a ld e e pd r a w i n gw i t hc o n s t a n t b l a n kh o l d e rf o r c e ( c b h f ) h a r dt os a t i s f y 诵t h ，t h ed e e pd r a w i n g 谢t 1 1c h a n g e a b l e s p e e da n db l a n kh o l d e rf o r c e ( b h f ) i ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lt e c h n i c s i nt h i sp a p e r , a ni n t e l l i g e n th y d r a u l i cp r e s sw i t ha d j u s t a b l ed i e c u s h i o ni sd e s i g n e d ，w h i c hr e a l i z et h e v a r i a b l ep u n c hs p e e da n db h fa l o n g 、析t hd r a w i n gd e p t h i ti sp o s s i b l et or e a l i z e c h a n g e a b l eo v e r a l lb h fa n di t so p t i m u md i s t r i b u t i o nt h r o u g hh e i g h ta d j u s t a b l ec u s h i o n p i n sa n dp r o p o r t i o n a lv a l v e s ，t h ec o n t i n u i n gc h a n g e a b l ep u n c hs p e e di sa c h i e v e db y p r o p o r t i o n a lp u m p ，a n dc o n f i g u r i n gt h et e s t i n ge q u i p m e n ts e p a r a t e l yi si no r d e rt o r e a l i z e t h ec l o s e d l o o pc o n t r o lo fb h fa n dp u n c hs p e e d ，w h i c hc a ne n h a n c e dt h e a c c u r a c yo fc o n t r 0 1 t h ep r o j e c to ft h e c o n t r o ls y s t e mi sc o n f i r m e da c c o r d i n gt oi t s r e q u i r e m e n t t h ep r o p o r t i o n i n t e g r a l - d i f f e r e n t i a l ( p i d ) c o n t r o li st h em a i na l g o r i t h mi n t h ec o n t r o lo fh y d r a u l i cp r e s sa n dt h ef u z z y p i di sas u p p l e m e n t t h es o f t w a r es y s t e m f i t t i n gf o rt h ep r e s si sa l s od e v e l o p e d a tl a s t ，w eu s et h eb h fa n dp u n c hs p e e dl o a d i n g c u r v e sr e s e a r c h e dp r e s e n t l yt ov a l i d a t et h ec o n t r o le f f e c to ft h ep r e s s ，a n di ti sp r o v e d t h a tt h ep r e s sc a ne n h a n c et h ef o r m a b i l i t yo fs h e e tm e t a lt h r o u g hv a r y i n gt h eb l a n k h o l d e rf o r c ea n dv a r y i n gd r a w i n gs p e e d k e y w o r d s ：v a r i a b l eb l a n kh o l d e rf o r c e ，v a r i a b l ep u n c hs p e e d ，c l o s e d l o o pc o n t r o l ， a d j u s t a b l ec u s h i o n i i ， ， 1 ， ，- 广 目录 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 4 3 目录 绪论1 变压边力和变冲压速度技术的研究背景1 变压边力技术的发展3 变冲压速度技术的发展。7 本文研究的内容和方法9 变压边力和变冲压速度液压试验机关键技术1 l 引言1 1i 石1l 二步可调新型液压垫的设计11 2 2 1二步可调新型液压垫的构思1 1 2 2 2 二步可调新型液压垫的设计1 2 压边力和冲压速度闭环控制系统构建1 4 2 3 1 控制策略的选择1 4 2 3 2闭环控制的方案15 2 3 3p i d 控制器的设计1 7 2 3 4 模糊p i d 控制器设计1 9 比例控制技术应用于试验机2 3 本章小结2 4 液压试验机控制系统硬件设计2 5 系统构成及基本工作原理2 5 多功能数据采集卡2 7 工控机与p l c 的通讯2 8 信号抗干扰措施3 0 本章小结31 液压试验机控制系统软件设计3 3 引言3 3 试验机软件系统设计要求3 3 下位机控制软件设计3 4 4 3 1p l c 控制流程3 5 i i i 天、广l 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 4 3 2p l c 读取工控机输出方法3 6 4 4 上位工控机软件设计3 6 4 4 1 软件开发平台及语言。3 6 4 4 2数据采集及输出软件实现方法3 7 4 4 3 模块化人机界面4 0 4 5 本章小结4 4 第五章试验及结果_ 4 5 5 1 试验目的_ 4 5 5 2 试验方案4 5 5 2 1 设备及材料4 5 5 2 2 方法及步骤4 6 5 3 试验结果及分析4 8 第六章结论与展望5 7 6 1 结论5 7 6 2 展望5 7 参考文献5 9 至贮谢6 2 攻读硕士期间发表论文6 3 i v x八j、 1 ，t r 、 摹 r 一 广 第一章绪论 第一章绪论 1 1变压边力和变冲压速度技术的研究背景 随着中国加入w t o 以后，汽车行业获得了前所未有的发展良机，但市场竞争 激烈，环保、安全、价格和舒适性等因素决定了产品的销售情况。随着汽车轻量 化日益受到人们的关注，新材料、新技术、新设备已成为汽车车身轻量化的重要 研究课题，其中新型板料成形技术是研究热点之一。 汽车车身覆盖件在金属板料成形中属于难度比较大的成形零件，具体表现在： ( 1 ) 零件尺寸较大，几何型面多为空间自由曲面； ( 2 ) 坯料上各部分的变形状态复杂，一个零件的成形往往兼有拉深、胀形、 翻边、弯曲等多种形式； ( 3 ) 模具压料面常为曲面，所承受的压边力不仅是时间的函数，还是压边位 置的函数。 复杂的工艺边界条件导致冲压时金属流动和变形的不均匀性【l 】。影响成形质量 的因素有冲压方向、冲压速度、工艺补充面、压边力、拉延筋、模具圆角、摩擦 系数等多种因素，其中压边力对成形质量的整体影响效果强、调节能力大 2 1 。在板 料成形过程中，压边装置产生足够的摩擦抗力，增加板料中的拉应力以控制材料 的流动。压边力过小，无法有效地控制板料的流动，板料很容易起皱；而压边力 过大，虽然可以避免起皱，但拉破的趋势会明显增加，而且影响模具的寿命 3 5 1 。 一些形状复杂的车身覆盖件，不同部位可能需要加载不同的压边力才能确保其成 形质量，因此一些学者提出变压边力控制方式【6 】，它不仅可以提高薄板的成形性能、 消除成形过程中起皱和断裂等缺陷 7 1 0 1 ，而且能提高冲压件的尺寸精度和稳定性， 但最优压边力方案的确定目前还是个难点。 冲压速度对成形件的应变速率有直接影响【1 1 】。冲压速度反应出材料的变形速 度，随着变形速度增加，既有使金属的塑性降低和变形抗力增加的一面，又有作 用相反的一面【1 2 1 ，即变形速度还可能通过改变摩擦系数而对金属的塑性和变形抗 力产生一定的影响。在拉深成形中，拉深速度的增加使材料流动剧烈部分的摩擦 系数减小，拉深阻力随之减小，拉深性能得到提高。 蚺 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 传统压力机在冲压过程中一般不能产生随模具行程和压边位置而变化的压边 力和冲压速度，因此，在原有的传统拉深设备和工艺基础上，如何研制出一种既 能提高板材成形极限和质量，又可能够方便地运用到实际生产中的新设备和新工 艺已成为研究的热点 1 3 - 1 4 j 。变压边力和变冲压速度液压机的开发将对现代汽车覆 盖件冲压的发展具有重大意义。日本的日立、小松公司、美国m i c h i g a n 大学、德 国的s c h u l e r 公司、s t u t t g a r t 大学等先后开发了工作台内带液压垫的液压压力机 1 5 - 1 6 ，并成功应用于汽车制造厂【1 7 】；而国内对变压边力液压机的研究开始的比较 晚，主要集中在几所高校，如燕山大学的变压边力实验系统，上海交大的多点变 压边力液压机【1 羽。 目前，变压边力主要通过对原有压机设备的改造来实现，实现变压边力的方 法通常有以下三种： ( 1 ) 改造压边设备； 在压边设备的改造中，添加弹性压边常用橡胶、弹簧，压边力随压缩量增大 而增大，与成形工艺相左，而且压缩量有限【1 9 】。在液压或气压压边装置成形过程 中，压边力随冲头行程的增加而增大，且无法改变【2 0 】。 ( 2 ) 改变压机结构； 改变压机结构调整压边力大小及分布，如斯图加特大学将压边圈分成八块， 每块都有单独的油缸控制。这种方法虽然可以调整压边力的大小和分布，但分块 的压边圈导致压边力在压边区域内不连续，金属的流动和变化规律难以控制，而 且压机调试困难，代价比较昂贵。 ( 3 ) 改变模具压边圈结构。 以上海交大的双层组合压边圈为代表，通过对模具压边圈的改造来实现变压 边力及其优化分配。这种方法解决了以上诸多问题，但压边圈下每个点处压边力 大小的调整比较粗略、压边力大小未知，而且每个不同的覆盖件模具，其压边圈 都要重新设计，通用性不强。 因此，如何寻找到一种方法，既能实现改变压边力大小及分布，又使现有设 备或模具改变的幅度尽量减小。 2 l ， ? 、 气 r ， 第一章绪论 1 2 变压边力技术的发展 变压边力液压机的发展跟变压边力理论研究以及其它领域( 微电子、电液比 例、计算机、传感器、自动控制) 技术的发展是紧密相连的，随着科学技术的发 展，变压边力液压机的发展经历以下几个阶段： ( 1 ) 单纯利用压边圈的压边力控制 d o e g e 和s o m m e r 提出用弹性结构的压边装置【2 1 2 2 】，弹性压边装置最常见的是 橡胶、弹簧。添加气垫和液压垫，成形过程中，压边力难以根据成形工艺要求进 行变化，只适合拉深形状简单、深度较浅的覆盖件。 ( 2 ) 电液比例技术、计算机技术应用于压边力控制 9 0 年代中期，德国压力机制造商舒勒( s h c u l e r ) 公司研制开发了一套多作用 液压控制系统，如图1 1 【2 3 】。液压垫系统有四个由计算机数值控制的液压缸，四 个缸位于四个角点处，每个液压缸通过比例阀或伺服阀来实现计算机数值控制， 以达到给定的随冲程的压边力曲线。 图l 一1 四点调压液压机 此系统有以下三个显著特点： ( a ) 消除了压边圈作用时的振动。在冲头主缸作用之前，角缸已先起作用把 板料夹紧，而不象空气垫块那样冲压与夹紧基本上同时作用，这对高速冲压非常 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 重要； ( b ) 4 点压力的总和不随冲压速度而变，而在传统的空气垫块作用时，随着 冲压速度的提高，压边力会提高6 0 ； ( c ) 压边力总和可以控制，各个缸的力可以在2 5 - 1 0 0 之间调节，压边力 在冲压过程中可以根据设计来调节。 以上特点使该系统在进行复杂零件冲压成形时，能够针对不同位置的需要， 施加不同的压边力。如矩形零件成形时，在较易流动的部位( 如边部) 要增加约 束力，在不易流动处( 如矩形的角点) 要减少约束力。 ( 3 ) 传感器技术应用于压边力闭环控制 德国s t u t t g a r t 大学s i e g e r t 等人首先研制了由多个液压缸支撑的液压拉深垫系统， 各缸由独立的液压阀控制。到1 9 9 3 年，s i e g e r t 等人在此基础上充分利用传感器技术 开发了c n c 多点液压拉深垫系统 2 4 1 ，在每个压边缸上安装高度自动调节装置和压力 传感器，根据压力传感器测到的各压边缸的压力自动调节顶杆高度，实现随位置或时 间压边力闭环控制。该压力机对提高冲压件的成形性能和成形质量都十分有利。 顶杆 工作台 顶杆高度可调 拉深垫寻向 拉深垫 液压缸 比例阀 图1 - - 2c n c 多点液压拉深垫系统 n - 十世纪末，s t u t t g a r t 大学金属成形技术研究所( i f u ) s i e g e r t 等人又利用 一种可以嵌入下压边圈的压电晶体式传感器( 如图1 - - 3 2 5 】) 建立闭环控制系统。 安装于圆角处传感器安装于直边处传感器 图1 3 嵌入压边圈的压电晶体式传感器 4 a t ， 、 ， 广 卜 t ， 第一章绪论 材料的流动由板料与上下压边圈之间的摩擦力决定，所以建立以摩擦力作为 控制参数，压边力作为反馈的随冲程的摩擦力曲线闭环控制系统，如图1 _ 4 2 5 】。 用b h f 作为反馈是因为摩擦力受压边力( b h f ) 直接影响。 油箱 控制器 图1 - 4 摩擦力闭环控制系统结构 进入二十一世纪以来，一些能置于模具或压边圈里面的新型传感器还在不断 的开发之中，如图l 一5 所示的光电位移传感器( p d s ) 2 6 】，能很容易的置于压边 圈或者模具里面，包括一个夹在两个摩擦轮之间的齿轮，带弹簧的滑动栓，带o 型环的塞子和反射型光纤传感器，传感器嵌入在压边圈上直径1 0 m m 的孔里，它 靠近冲头以便能采集到轴肩上板料的位移。 光纤 图1 - - 5 光电位移传感器( p d s ) ( 4 ) 液压技术、计算机技术、传感器技术、新型压边圈技术于一体的变压边 力控制 德国斯图加特大学ks e r g e r t 等人在建立的c n c 多点压边力控制系统的基础上 又提出了将压边圈分成几段的新的分段压边概念【8 2 7 2 8 1 。在盒形件拉深成形时， 将压边圈分成8 个部分，如图1 6 所示，利用法兰流入量和板料与压边圈及凹模 5 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 之间的摩擦力来控制整个成形过程。虽然分段的压边圈结构更趋合理有效，但没 有给出可行的压边力控制曲线。m u r a t a 和m a t s u i 2 9 】近期的研究结果表明使用分段 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 单片压边圈所得到产品的拉深深度大。 图1 - - 6 分段压边圈液压拉深垫系统 国内对变压边力和冲压速度液压机的研究比较晚，大约在2 0 世纪9 0 年代末， 主要局限在高校和研究所。由于起步比国外晚，所以国外的许多研究成果被用来 作借鉴，在此基础上做出改革和创新。比较典型的属上海交通大学车身研究所开 发的如图1 7 和l 一8 所示的工作台内带多点调压液压垫单动拉深液压机以及跟压 力机相配套的压边圈【30 1 。 b h f 5 b h f 2 图1 7 多点调压单动拉深液压机图l 一8 上交大研制的分段压边圈 6 l 、 l蜃 ， ， 第一章绪论 该变压边力压机主要由下面的1 0 个压边缸对冲压过程中压边力在时间和空间 上的大小及分布进行调节，最终实现根据需要控制压边力，达到理想的压边效果， 改善材料冲压成形性能。在已有液压机的基础上上海交大又开发了一种新型压边 圈，如图1 - - 9 3 1 1 ，在无需对常规薄板拉深液压机进行改造的情况下便可实现连续、 灵活、方便地控制实际压边力的分布状态和大小，提高了复杂拉深成形件的质量。 上层压边圈 小项柱 下层压边圈 下顶杆 图l 一9 双层组合压边圈 在液压机机床本身结构趋于成熟的基础上，变压边力和冲压速度液压机的发 展必须充分利用液压技术、计算机控制技术、微电子技术、传感器技术、电液比 例技术、先进控制理论、新型压边圈技术，在这些科学技术发展成果的基础上必 然朝着高速化、自动化、智能化的方向发展。新型压边圈的研究、压边力和冲压 速度的控制、先进控制理论，如神经网络，模糊控制理论的应用，特别是人工智 能技术( a i ) 将成为压边力控制技术的热点【3 2 】。 1 3 变冲压速度技术的发展 冲压速度对板料成形时的应变速率有直接影响，能反应出材料的变形速度， 也就是说液压机某瞬时工作速度很大程度上可以反映出此时材料的变形速度。随 着变形速度的增加，使材料的塑性降低和变形抗力增加的同时，又通过改变摩擦 系数对材料的塑性和变形抗力产生一定的影响。在拉深过程中，拉深速度的增加 使材料剧烈流动部分摩擦系数减小，拉深阻力的减小使拉深性能得到一定的提高， 因此有必要研究拉深速度对拉深成形的影响。 拉深成形是金属成形的一种，主要以塑性为依据，我们希望金属变形时有好 的塑性和低的变形抗力，从图l 一1 0 可以看出，当变形速度不大时( a b 段) ，增加 变形速度有降低塑性的作用，这是由于变形抗力增加所引起的塑性降低大于温度 效应所引起的塑性增加。当变形速度较大时( b c 段) ，由于温度效应显著，使塑性 7 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 基本不随速度变化。当变形速度更大时( c d 段) ，温度效应显著使塑性回升。 塑 性 指 标 拉深速度 图i 一1 0 塑性随拉深速度变化的趋势 另外，拉深速度的增加使润滑剂的摩擦系数减小，摩擦力的减小使拉深阻力 减小，因此，在一定程度上提高了材料的拉深性能。 液压机在工作过程中，根据工艺流程，冲压速度需要在一定范围内可以调节。 在空下和回程时作快速运动以提高效率；而在加压过程中，既要保持压力而速度 要随工艺曲线自动调整，且速度有时候很小。 冲压速度的变化主要通过改变液压系统中的流量来实现，流量的控制依赖于 液压元件，传统的调节方式有定量泵与阀控结合的节流调速、变量泵容积调速、 泵控与阀控结合的二次调速。 随着电机变频技术和a c 伺服电机应用技术的成熟及成本的降低，近年来出现 了所谓的无阀电液伺服系统，即由变频器对交流伺服电机进行无级调速，从而带动 双向定量泵直接驱动液压缸。液压缸的运动速度、正反向、伺服定位等完全由交流 伺服电机来控制，反馈联系可通过位移传感器从液压缸取得位置反馈信号，或在电 机轴上装角位移传感器取得角度信号进行闭环反馈。它具有频率范围宽、动态响应 快、工作效率高、输出特性好、使用方便等其他调速方案所无法比拟的特点，加上 交流电动机对环境适应性强、维修简单、价格低、容易实现高速大容量的优势，使 得以前的直流电机占主要地位的调速传动领域，逐渐被交流电机变频调速所代替【3 3 】。 八十年代末，电液比例技术、数控技术的发展推动了电液一体化比例元件的 出现，各类比例控制泵就是在该时期相继出现的，并且朝集成化方向发展，将控 制元件和执行元件集成为一体，电液数字阀随之出现，电液数字阀直接与计算机 接口，无需d a 转换，实现开环或闭环控制。与伺服阀、比例阀相比，具有结构 简单、抗污染、工作稳定、重复精度高、价廉等优点。 液压机速度的控制朝着高速化、自动化、智能化方向发展，微电子技术、传 8 冁 、 厅 厂 第一章绪论 感器技术、计算机控制技术、先进的控制理论为液压机的发展提供了充分的保障。 各种控制理论的成功应用使自学习、自适应液压机成为研究热点，实现对执行机 构的无冲击起停以及随时改变参数，适应给定控制目标的高速化，智能化控制。 1 4 本文研究的内容和方法 在板料成形中，变压边力和变冲压速度已经成为一种新工艺，它可以使压边 力合理分布，提高板料成形性能，而且一些在原有恒压边力拉伸下破裂或起皱的 新材料在变压边力和变冲压速度的条件下可以避免破裂和起皱，因此，变压边力 和冲压速度的设备显得尤为重要。目前国内外研制的各种变压边力设备多少还存 在着一些问题，如弹性压边装置适用范围有限，而且与成形工艺要求相反；分段 压边控制由于压边力分布不连续使板料的成形情况更为复杂，而且分段压边控制 压机由于多液压缸同时控制，因此改造代价昂贵等等。 鉴于变压边力和冲压速度设备的重要性以及目前设备的存在问题，本文旨在 开发这样一台设备，既可以解决目前的存在问题，同时又要注重其实际应用价值。 具体研究工作如下： 第二章设计了一种新型液压垫，可以方便地实现压边力的分布和大小可变， 同时采用比例泵实现拉深速度的连续可控。在压边力和冲压速度控制元件的基础 上配以检测元件，再以积分分离p i d 算法作为主要控制算法，组成闭环控制系统， 提高压边力和拉深速度控制精度。 第三章在前一章变压边力装置、变速拉深方案以及闭环控制系统确立的基础 上进行了控制硬件系统设计。主要研究如何使液压机在p l c 控制和工控机控制两 种控制方式下均能正常工作，其中工控机控制时，重点进行了工控机数据采集系 统设计以及上下位机通讯设计。 第四章在硬件设计完成的基础上进行了软件系统的设计，其中上下位机的控制 程序是压机能否正常工作、能否实现变压边力和冲压速度的关键：其次编制了人机 界面，可以进行各种参数的设定，各种实时数据、工作曲线的显示，可以将试验数 据进行数据库管理。友好的人机界面方便了试验的进行，可以提高试验效率。 第五章在前面压机设计完成的基础之上进行试验，确定试验方案，对试验结 果进行分析，以对研制的液压机的控制性能作出判断。 第六章对全文进行了总结，并提出了进一步研究的方向和内容。 9 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 l o n 飞 一 ， 第二章变压边力和变冲压速度液压试验机关键技术 第二章变压边力和变冲压速度液压试验机关键技术 2 1 引言 在车身覆盖件成形领域，变压边力和变冲压速度工艺已经成为研究热点之一， 而压边力和冲压速度的准确、量化控制主要依赖于液压设备。就目前国内外研制 的变压边力和冲压速度液压机而言，采取多点液压缸控制的液压机调试难度大， 对控制系统也提出很高的要求，而且代价昂贵；而分段控制压边力则使压边力在 压边区域内分布不连续，使成形情况更为复杂，而且不同的模具需要设计不同的 分段压边圈。因此有必要设计一种新的装置，既可以达到压边力可变和优化分配 的目的，又具有一定的可推广性。在实现变压边力和变拉深速度的同时，建立闭 环控制系统提高控制精度。 2 2 二步可调新型液压垫的设计 2 2 1二步可调新型液压垫的构思 影响板料成形质量的因素有冲压方向、冲压速度、工艺补充面、压边力、拉 延筋、模具圆角、摩擦系数等多种因素，其中压边力对成形质量的整体影响效果 强、调节能力大。压边力的调整依赖于液压机，而改造传统恒压边力液压机成本 极高，因此国际国内也有一些研究将压边装置作为切入点，以实现拉深过程中压 边力可变的目标【7 1 0 3 5 1 。 斯图加特大学s i g e r tk 等将压边装置分成四个角部和四个直边部分，并通过液 压缸分别控制，由于压边圈是与板料直接接触的，分块的压边圈不能有效保证压 边区域的压边力连续变化，因此金属不能在压边区域平滑流动，增加了板料拉深 成形的复杂性。 上海交通大学开发的变压边力压机主要由下面的1 0 个压边缸对冲压过程中压 边力在时间上和空间上的大小分布进行调节，实现根据需要控制压边力【3 0 1 。虽然不 存在压边力在压边区域内分布不连续问题，但跟斯图加特大学早期研制的c n c 多 点液压拉深垫系统一样，每个作用点都有单独液压缸控制，液压系统相当复杂，造 价昂贵，调试困难，而且多个液压缸需要处理器同时控制，大量的数据处理和多液 t r r 产 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 压执行机构的控制对控制系统提出了很高的要求，否则系统延迟将相当严重，这样 无论是对传统设备的改造还是新设备的推广都是不现实的，可推广性和适用性都不 强；而且每个作用点处的液压缸都是固定的，因此对于调整压边力在压边区域内的 空间分布灵活性不强，如果空间分布灵活性加强的话那必然需要增加作用点，而作 用点的增加必然加大设备的复杂程度和成本。后来上海交大又研制了一种双层组合 压边圈，在上下两层压边圈之间嵌入具有微小长度差的小顶柱，而上层压边圈又是 弹性的，总压边力通过顶出杆传递到下压边圈，再由小顶柱传递到上层压边圈，由 于小顶柱具有微小的长度差，所以压边力呈区域分布，这一装置虽然实现了针对某 一总压边力来调整实际大小及其分布的目的，实现了连续多点控制压边力，但是每 个点处的力的大小只能通过有微小长度差的小顶柱粗略调节，而且不测量该处力的 大小，因此无法决定调整量的大小；而且对于不同形状的覆盖件，压边圈都需要根 据覆盖件设计成这种上下层形式，这无疑降低了它的通用性。 综合考虑以上因素，如压边力多点连续可控、压边力在压边区域内分布连续 性、压边力调整在压边区域内空间分布的灵活性以及新系统的可推广性等，本文 受上海交大研制将的双层压边圈的启示，针对它的不足并将这种思路转化到液压 垫顶出装置，将有微小高度差的小顶杆以高度可调的项出杆代替，将弹性压边圈 用另外一种弹性体代替，并且可以通过这种弹性体可以知道该处实际作用力的大 小，最后我们以力传感器作为尝试，希望可以依靠这种装置将总压边力优化分配 到各个作用点，每个点处的压边力大小可以根据需要通过调节该装置来实现，而 且可以方便地测得每个点处压边力的大小。我们的目的是希望基于这样的思路创 新设计出的二步可调新型液压垫，既能消除金属板料在压边区域的流动性的不良 影响，又能方便地改变压边力的空间分布状态和大小，保持压边力变化的连续性。 这样的液压垫系统只有一个总压边力顶出油缸，在实现功能的情况下，由于其并 未加大压机液压系统和控制系统的复杂程度，同时也未对模具进行改动，因此， 无论是传统液压机的改造还是新装置的推广都具备一定的现实意义。 2 2 2 二步可调新型液压垫的设计 液压垫实际上就是一种传力装置，目的就是将总的压边力更好地传递并分配到 压边圈的各个位置点上，我们受双层组合压边圈的启发并转化到液压垫系统中，设 计了一种二步可调的新型液压垫。二步可调新型液压垫见图2 1 ，由工作台、专用 1 2 ，、 弋 一 ， 一 、 鼓 广 第二章变压边力和变冲压速度液压试验机关键技术 组合式顶出杆、垫板、液压垫缸组成。总压边力由顶出油缸产生后作用到液压垫板 上，再由液压机专用组合式顶出杆传递到压边圈上，组合式顶出杆的长度可以调节， 长度的不同使各个位置的弹性形变不同，从而使作用到模具压边圈上的压边力在不 同位置有着不同的大小，实现了分段压边的目的，而总的压边力大小由比例溢流阀 控制，大小根据需要可以任意设定，形成压边力的二步可调。 工作台 专用组合式顶出杆 垫板 液压垫油缸 比例溢流 图2 1 二步可调液压垫结构示意图 压边力在压边区域内分布的灵活性问题是通过在工作台上开有多达4 9 个顶出 孔来解决，可以根据非对称复杂件的形状和压边力要求来布置组合式顶出杆的位置 和数量，与德国斯图加特大学研制的将压边圈分成8 块和上海交大研制的分段压边 圈相比，既避免了分段压边圈的压边力在压边区域内不连续的问题，又加强了压边 力在压边区域内分布的灵活性，对形状复杂的覆盖件适用性得到进一步的加强。 专用组合式顶出杆是实现压边力优化分配的关键性部件，组合式顶出杆长 度的变化决定了弹性形变量大小，传感器敏感元件形变量大，压边圈下该处压 边力大；反之，形变量小，压边圈在该处受力小。而顶出部分总长度的微小变 化通过具有微小厚度差的垫片实现，组合式顶出杆，如图2 2 ，由力传感器、 顶出杆上部、垫片、锁紧螺母、顶出杆下部五部分组成。在某一处需要垫入垫 片的厚度由该处需要加载的力的大小决定，因此在顶出杆顶部装有力传感器，根 据传感器采集到的压边力值来决定减小还是增大顶出杆的长度，即减小垫片厚度 还是垫入更厚的垫片。总的压边力通过比例溢流阀来调节，从而实现总压边力 r ， 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 的二步可调，各项出位置压边力以行程为自变量，达到多点连续可控。 顶出杆下部 顶出杆上部 力传感器 图2 2 组合式顶出杆结构图 2 3 压边力和冲压速度闭环控制系统构建 2 3 1 控制策略的选择 锁紧螺母垫片 液压试验机控制的核心问题是参数压力和速度的控制，控制的方式有开环和 闭环两种，闭环控制与开环控制相比，可以降低超调量，减少延迟时间，因此我 们首先确定了闭环控制方案。 液压机压力、速度的控制目前大多是电液比例控制。就目前的控制理论来说， 电液比例系统的控制策略有很多，有最传统的，也是最经典的p i d 控制，还有属 于现代控制的自适应控制，此外，还有属于智能控制的模糊控制、神经网络控制、 专家控制、遗传控制，甚至还有各种控制策略的渗透结合，如：模糊p i d 、模糊自 适应控制、神经p i d 等【3 6 】。 p i d 控制是具有几十年的应用经验的算法，在模拟调节或数字控制中，都得到 了广泛的应用，到目前为止，大多数工业控制回路仍采用各种形式的p i d 控制算 法，p i d 算法简单明了，形成了完整的设计和参数调整方法，但是对对象参数变化 的适应性有限，当p i d 参数设定好以后，不能随环境的变化作出调整，因此，对 于有大滞后、存在非线性因素的系统控制效果不太理想。 虽然先进的控制策略形形色色，但许多智能控制还停留在实验室阶段，离实际 的工程成熟应用还有一段距斛3 8 1 。我们确定采取哪一种控制策略需要考虑系统的 特点，系统普遍存在着非线性、时变性和不确定性，因而难以建立精确的数学模型， 1 4 謦 j 、 ， 第二章变压边力和变冲压速度液压试验机关键技术 若考虑下压环节、溢流阀和管路等环节的非线性因素的影响，包括当系统停止位置、 运行方向、行程长度和负载改变等一系列因素，本控制系统具有如下特点： ( 1 ) 通过控制液压系统的压力和流量，从而实现液压缸的速度和压力的控制， 但执行装置对控制的响应具有滞后性，是一个大滞后环节。 ( 2 ) 液压系统中由于有管阻等因素的影响，又由于泵的一些固有特性，控制 系统存在非线性。 ( 3 ) 系统中加入了比例泵，泵的运行状态直接影响系统模型参数，而比例泵 的运行状态是不断变化的，因此认为系统是时变的。 由此可见，虽然控制压力和拉深速度的比例溢流阀和比例泵总体是线性的，但 由于系统存在很多影响线性的因素，因此直接应用比例溢流阀与压力、比例泵与流 量的关系是很不合适的。而模糊控制不依赖于对象模型，它利用被控过程的动态信 息，依据规则知识进行推理获得合适的控制量，因而具有较强的鲁棒性。由相关文 献 3 9 - - 4 0 】可知，模糊控制和p i d 的结合是提高控制性能的有效手段。为了提高p i d 的控 制精度及鲁棒性，人们提出了基于辨识的p i d 参数自适应整定方法、p i d 参数模糊自 适应调节和自调整因子最优三维模糊控制策略等，收到了较好的控制效果。 因此，本控制系统以p i d 控制为主，在p i d 控制用于大量试验并取得大量经 验值的基础上，把模糊控制算法引入控制系统，作为补充的控制策略，用于系统 压力和流量变化难以控制的试验，提高控制精度。 2 3 2 闭环控制的方案 本系统目的是实现变压边力和变冲压速度，而压力和速度的控制取决于对油 缸的控制，虽然目前有数字液压缸，但代价昂贵，所以我们只是采用了普通液压 缸，这就需要把液压缸的运行速度和压力传递出来，而其运动的控制则靠外部液 压系统实现。 液压缸运动时的信息我们选择采集位置信息，因为我们需要的变化的压边力 和变化的拉深速度都是以位置作为自变量的，而拉深速度的闭环控制系统需要的 是液压油缸运动时的速度信息，而速度和位置信息之间的关系是一次导数关系， 因此在有光栅尺采集到位置信息的前提下，由于计算机监控程序循环执行扫描的 周期是4 0 m s ，在很短的时间内，我们近似地将一个周期4 0 m s 内的平均速度作为 该时间段内的速度值，从而确定液压缸运动的速度。位置信息我们采用光栅尺采 p ， 声 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 集，如图2 3 ，光栅尺的精确度达到0 0 1 r a m 。液压油缸运动时的压力信息则采 用压力传感器采集，我们选用的进口意大利阿托斯压力传感器，如图2 4 ，精度 等级达到o 3 ，压力传感器安装在液压集成块上，主缸上腔和液压垫缸下腔进油路 上，尽量靠近需要检测的那个点。 图2 3f a g o r 光栅尺图2 4a t o s 压力传感器 液压油缸的运动控制依赖于外部液压系统，而要实现变化的压力和流量，依 靠传统的液压回路系统是不容易实现的，需要增减减压阀、节流阀和改变回路结 构，而目前的数字液压装置则很方便地通过程序设定，给予变化着的数字量，不 断调整阀开口量，从而实现变化的压力和流量，本系统中压力的调整通过比例溢 流阀控制，如图2 5 ，阀的压力调整量与输入信号成比例，比例阀与电子放大器 配合工作，电子放大器对比例阀提供一适当的电流信号，以校准阀的压力调整量， 使之与电子放大器供给的输入信号相对应。系统流量的控制则通过比例泵来实现， 与目前常用方法定量泵与阀控节流调速、变量泵容积调速等方法相比，比例泵是 数字控制装置，可以方便、准确地实现变化的系统流量。 图2 - - 5r z m o 型比例溢流阀 液压油缸控制原理如图2 6 ，系统工作时，在计算机中输入拉深过程中需要 的压边力后，计算机生成输入信号，通过d a 转换将数字信号转化为模拟信号， 传到比例溢流阀，从而控制压力机液压系统压力，而实时压边力值由传感器检测， 工控机进行采集，工控机通过控制算法将得到的调整量输出至p c i 1 7 2 0 d a 模板 1 6 n ， 一、 第二章变压边力和变冲压速度液压试验机关键技术 端口，输出电压量，经放大器转换为相应电流控制比例溢流阀，实现对比例溢流 阀的调节，从而完成压边力的闭环控制。系统流量的连续调节通过比例泵实现， 设定冲压速度曲线后，工控机输出的速度值经d a 转换和放大器后输出至比例泵， 系统的实时速度值则由光栅尺采集脉冲后计算而得，数值大小由数据采集卡采集 后传输至工控机，工控机根据实时速度计算出闭环调整量，调整量经d a 转换后 输出调整比例泵，如此反复，实现冲压速度的连续可变。 图2 6 闭环控制原理图 2 3 3pld 控制器的设计 p i d 控制基于系统误差的现实因素( p ) 、过去因素( i ) 、未来因素( d ) 的线 性组合构成控制量，对被控对象进行控制。p i d 控制系统原理框图如图2 7 所示。 图2 7p i d 控制原理图 1 7 o u t ( k ) 江苏大学硕士学位论文：变压边力和变冲压速度液压机控制技术的研究 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据血( t ) 与实际输出值y o u t ( t ) 构成控制偏差 e r r o r ( t ) - - f i n ( t ) 一y o u t ( t ) 控制规律为：“( d = k p p 。，( d + 毒弘玎。，- ( f ) 衍+ 竿 p i d 控制用传递函数的形式表示为： g = 哿吗( 1 + 去+ t o s ) 其中k p 、t i 、t d 分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数。 ( 1 ) 数字式p i d 控制 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计 算机控制系统，不仅可以用软件实现p i d 控制算法，而且可以利用计算机的逻辑 功能，使p i d 控制更加灵活。数字p i d 控制在生产中是一种普遍采用的控制方法， p i d 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积 分、用向后差分代替微分，采用如下公式 2 3 】： b f d = b f n + ( k p ) ( e n )