（航空宇航制造工程专业论文）1250吨组合框架式数控液压机控制系统的设计与开发.pdf

硕士论文12 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 摘要 框架式数控多点压边液压机的市场需求日益增长，而目前国内在这一领域的 研究尚处于起步阶段，设计方法陈旧，性能远落后于国外同类产品。本文综合运 用现代化设计方法、先进工控技术与网络技术，研究设计了1 2 5 0 吨组合框架式 数控液压机控制系统，为形成具有自主知识产权的性价比高的框架式数控液压机 系列产品和产业化奠定基础 文章首先分析了框架式数控多点压边液压机国内外研究现状与发展趋势，指 出了其不足之处，并提出了解决的关键技术与方法。其次，通过分析液压机工艺 流程与设计指标，采用模块化设计方法，构建了基于p l c 与工业触摸屏的液压 机控制系统整体结构。针对柔性化数控多点压边控制问题，文章提出了变压边力 闭环控制方案，设计了基于位置匹配的离散压边力选择算法与液压机自适应压力 精度补偿算法。针对液压机远程监控与维护问题，文章设计开发了基于g s m 的 远程通信模块，提出了基于多层模糊匹配的液压机状态评价方法。最后基于 m c g s 平台设计了人机界面，本着人性化，实用性，符合人机工程学要求的原则， 采用“辐射结构”，以控制中心界面为核心，“辐射”其余功能界面，实现良好的 可操作性。 本控制系统通过调试，运行状况良好，成功应用于1 2 5 0 吨组合框架式数控 液压机样机，该样机通过济南铸锻所国家液压机产品检测中心检测与江苏省科技 厅专家组验收。 关键词：模块化设计，变压边力，远程维护，位置匹配，精度补偿，g s m ， 模糊匹配 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h em a r k e td e m a n do ff r a m ec n cm u l t i p o i n tb l a n k - h o l d e rh y d r a u l i c m a c h i n e si sg r o w i n g ，b u tt h ec u r r e n tr e s e a r c ho fo u rc o u n t r yi nt h i sa r e ai ss t i l la tt h e i n i t i a ls t a g e ，t h em e t h o do fd e s i g ni so l da n dt h ep e r f o r m a n c ei sf a rb e h i n dt h ef o r e i g n s i m i l a rp r o d u c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r o u g hm a k i n gc o m p r e h e n s i v eu s eo fm o d e m d e s i g nm e t h o d s ，a d v a n c e di n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , a r e s e a r c h h a sb e e nm a d eo nt h ec o n t r o ls y s t e mo f12 5 0t o n sc o m p o s i t ef r a m en u m e r i c a l c o n t r o lh y d r a u l i cm a c h i n e sf o rl a y i n g t h ef o u n d a t i o nf o r f o r m m i n g t h e i n d u s t r i a l i z a t i o no fo u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sh i g hc o s t e f f e c t i v ef r a m e c n c h y d r a u l i c t h ea r t i c l ef i r s ta n a l y z e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff r a m em u l t i - p o i n t c n cb l a n k h o l d e rh y d r a u l i cm a c h i n e sh o m ea n da b r o a d t h ei n a d e q u a c i e sw e r e p o i n t e do u t ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g ya n dm e t h o d st o s o l v ew e r ep u tf o r w a r d i h e s e c o n d ，a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n o fh y d r a u l i cm a c h i n e ，u s i n g “m o d u l a rd e s i g na p p r o a c h ”，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l c a n di n d u s t r i a lt o u c hs c r e e nw a sc o n s t r u c t e d a c c o r d i n gt o t h ef l e x i b l ec n cm u l t i p o i n tb l a n k h o l d e rc o n t r o lp r o b l e m ，t h e c l o s e d l o o pc o n t r o lp r o g r a m sf o rv a r i a b l eb l a n k - h o l d e rf o r c e w a sp r o p o s e d ，a n dt h e d i s c r e t eb h fa l g o r i t h mb a s e do np o s i t i o nm a t c h i n ga n dt h ea d a p t i v ea c c u r a c y c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mf o rh y d r a u l i cw e r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt oh y d r a u l i cr e m o t e m o n i t o t i n ga n dm a i n t e n a n c ep r o b l e m ，t h eg s m b a s e dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n su n i t a n de v a l u a t i o no ft h eh y d r a u l i cb a s e do nm u l t i l a y e rf u z z ym a t c h i n gh a v eb e e n d e s i g n e da n dd e v e l o p e d i nt h ee n dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c eb a s eo nt h es p i r i to f h u m a n i t y , p r a c t i c a l i t y , e r g o n o m i c sr e q u i r e m e n t sw a sd e s i g n e do nm c g sp l a t f o r m ，i n w h i c ht h e s t r u c t u r a lr a d i a t i o n ”h a sb e e na p p l i e d a st h ec o r ei n t e r f a c e ，t h ec o n t r o l c e n t e rr a d i a t e st h er e s to ft h ef u n c t i o n a li n t e r f a c e ，t h o u g hw h i c ht h ei n t e r o p e r a b i l i t y c a nb er e a l i z e dw e l l t h r o u g ht h ec o m m i s s i o n i n g ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sr u n n i n g w e l la n d h a sb e e n u s e di nt h ep r o t o t y p eo f12 5 0t o n sc o m p o s i t ef r a m en u m e r i c a lc o n t r o lh y d r a u l i c s u c c e s s f u l l y t h i sp r o t o t y p eh a sp a s s e dt h ed e t e c t i o ni nj i n a nc a s t i n ga n df o r g i n ga n d i n s p e c t i o no f j i a n g s up r o v i n c es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya g e n c y k e y w o r d s ：m o d u l a rd e s i g n ，v b h f , r e m o t em a i n t e n a n c e ，p o s i t i o nm a t c h i n g ， i l a c c u r a c yc o m p e n s a t i o n ，g s m ，f u z z ym a t c h i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：御 砂年6 月谚日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：多弓 卅年6 月丞目 硕士论文1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 1 绪论 1 1 课题研究背景 近年来，国外对框架式数控液压机进行了深入研发13 | 。如德国著名的m u l l e r w e i n g a r t e n 公司和s m g 公司，对单动拉深数控液压机的液压垫四角压边力进行数 字化控制，以提高拉深成形的柔性化和智能化。德国著名的s c h u l e r 公司还将数控 四角压边这一共性技术用于单动拉深机械压力机上。数控多点压边技术具有显著的技术 经济效益，可使生产试验成本降低5 0 ，降低对模具研配和板材性能的要求，缩短试模 时间，提高生产效率和制件质量。 框架式数控多点压边单动拉深液压机及其系列产品在国外已比较完善和成熟，而在 国内基本上处于空白状态。国内的高端用户，基本上全盘选购国外设备，或者由国内主 机厂制造机体而核心部分全部购买国外产品配套，经济代价极大( 仅进口一套四角压边 电液比例控制系统就高达5 0 万美元) 。 国内现状是：没有建立在现代设计方法和先进的液电技术、网络技术及其控制基础 上的完整的单动拉深液压机系列，与国外同类产品相比有较大差距。主要差距是：产品 设计以类比为主，整个系列缺少经优化设计的模块化架构；技术参数指标主要是空程速 度和工作速度偏低；关键大件机械加工受装备条件所限，精度储备量不高，进而影响整 机精度；基本上不含成形生产所需的柔性化数控多点压边技术，和有助于用户的远程监 控技术；在整机可靠性即平均无故障运行时间等方面也存在差距。与国外同类产品相比， 国内产品虽有价格优势，但只是在中低档的层面上应对国内需求 4 】 5 1 。 中国正由制造大国转为制造强国，由产业链的低端转向产业链的高端，对制造装备 的需求也将由中低档转向中高档，尤其是汽车制造业对数控化制造装备的需求愈来愈 高。国内迫切需要在学习国外的先进技术思想，通过对同类技术装备实现集成创新，形 成具有中国特色和自主知识产权的性价比高的框架式数控多点压边单动拉深液压机。 为解决国内对框架式数控液压机日益增长的市场需求与技术落后的矛盾，瞄准国外 同类产品的技术指标、特征和特点，2 0 0 7 年江苏省科技厅设立了“新型框架式数控多点 压边单动拉深液压机研制”科技攻关项目，该项目由南通锻压设备有限公司与南京理 工大学共同协作完成。本课题的研究作为该项目的重要组成部分，采用现代设计方法， 综合运用先进工业控制技术与网络技术，旨在实现框架式数控液压机系列化与产业化， 进一步加强我国基础制造装备领域数字化控制技术，加速我国该产品领域技术水平进入 国际先进行列，为形成具有自主知识产权的民族液压机品牌打下了一定的基础。 为实现上述目的，本课题有两项关键技术必须攻克：柔性化数控多点压边控制技术 与液压机远程监控与维护技术。 1 绪论硕士论文 1 2 变压边力控制技术国内外研究状况 在1 9 7 5 年，h a v r a n e k 6 1 首先提出了确定起皱临界曲线6 v l c ) 的方法，他通过锥形杯 的成形实验得出了起皱断裂临界曲线图。其后，h a r d 等 _ 7 】提出了两种闭环控制压边力的 方法：一种是在整个拉延过程中，压边力恒定不变且保持在既不起皱又不至于拉裂的最 小水平上；另一种是通过控制毛坯流进模腔的体积来控制压边力。实验结果表明，上述 方法虽然没有增加极限拉延深度，但明显地降低了极限拉延深度对压边力变化的敏感 性。 随着技术的进一步发展，2 0 世纪9 0 年代初，j a l k h 掣8 1 、h a r d t 等【9 j 继续用闭环控制 的方法来寻求压边力的最优行程曲线，掀起了变压边力研究的热潮。压边力的控制技术 发展的另一个方面是对压边装置的研究。传统的压边方式是采用刚性压边圈，这种压边圈 的压边力分布近似均匀。由于汽车车身覆盖件的复杂性，拉深成形过程中金属材料的流 动在各个部分是不均匀的，如果都采用恒定均匀的压边力，可能导致在同一零件上同时出 现起皱和拉裂的现象。 为此，d o e g e 等【lo 】提出采用弹性结构的压边装置来解决这个问题。1 9 9 5 年，d o e g e 掣1 1 】将弹性压边圈的研究和变压边力的研究综合到一起，提出两种类型的弹性压边圈： 一种是橡胶类的压边装置；另一种是液压闭环控制的压边装置。介于刚性和弹性之间的 一种压边圈是分段式的压边圈 12 1 ，9 0 年代中期，德国舒勒( s c h u l e r ) 公司开发了一种四点 调压的液压压边装置【l3 1 ，这种压边装置的特点是在整个拉深过程中可以对模具4 个角 的压边力进行单独控制，这对传统的压边装置是一种极大改进。由于上述四点压边的压 力机受到工作台面尺寸的限制，不能拉深尺寸较大的零件( 如汽车车身覆盖件) ，为了解 决这个问题，德国s t u g g a r t 大学s i e g e r t 等【1 4 】开发了多个液压缸支撑的液压拉深垫系统， 在该系统中，各液压缸分别由独立的液压阀控制，各压边缸可以施加不同的压边力。在此 基础上， s i e g e r t 等【1 4 】又开发了计算机数字控锚j ( c n c ) 多点液压拉深垫系统，在每个压 边缸上安装高度可自动调节的装置和压力传感器，根据各压边缸的应力，由计算机自动 调整顶杆的高度，实现压边力随位置和时间变化。 最近一些年来，国内有许多研究人员对压边力的控制技术进行了不同程度的研究， 取得了丰富的研究成果。例如，上海交通大学的余海燕 15 】等开发了工作台内带多点调压 液压垫单动拉深液压机，而且该校的其他研究人员也取得了一些成果。此外，湖南大学 的谢晖 1 6 1 等、山东大学的谭晶 1 刀等、华中科技大学的潘艺果【1 8 等、上海理工大学的徐 尚德【l9 】等以及燕山大学的一些研究人员【2 0 】也做了相应的研究工作。这些研究中，b h f 预测研究是成果典型代表。 b h f 的控制基于b h f 的预测研究，预测研究的主要目的是确定b h f 的优化控制曲 线。预测拉伸成形b h f 优化控制曲线的传统方法主要有两种：理论计算方法和试验法。 2 硕士论文 12 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 近年来又有人把a n n 和f u z z y 等a i 理论引入b h f 最佳控制曲线的预测研究，取得了一定 成果。拉伸件成形过程的智能化控制系统主要由监测、识别、预测和控制这四个基本要 素构成。在拉伸过程的智能化控制中，最佳工艺参数的预测最终归结为压边力变化规律 的确定，而得到压边力变化规律的理论依据是确定起皱和破裂临界条件【2 l j 【2 6 1 。 应该看到，在这些研究成果中，变压边力工艺曲线的研究较多，但是，变压边力控 制算法的研究较少，尤其是柔性化控制策略的研究成果更少。在现有的这些研究成果中， 基于工控机的控制系统研究较多，基于p l c 的变压边力控制系统较少，显而易见，基于 工控机的控制系统在算法运算上实现较为容易，而基于p l c 的控制系统，由于p l c 的运 算能力不足，其算法实现难度相对更大。 1 3 制造装备的远程监控与维护国内外研究状况 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究【27 j l 2 引。1 9 9 7 年1 月， 首届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有 来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放 式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。 由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统， 这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统 t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w 曲组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e m e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m a l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o r 。m a c h i n e r yf a i l u r e p r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、 c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行 设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大 公司也在他们的产品中加入了i n t e m e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监 测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发 送设备运行状态信息；著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v l e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式 在网络范围内进行监控数据的传送。法国“a l a r m ”研究组对生产过程的智能报警和 监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究 2 9 1 。目前，西安交大、华中科技大学、 哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学研 制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d ”、华中科技大学开发 的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d 、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态 1 绪论 硕士论文 监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”等。 针对制造装备的远程监测、诊断和维护问题国外早已有了研究，如斯坦福大学建立 了基于i n t c r n e t 的诊断原型系统、美国密歇根大学和威斯康辛大学共同建立的智能维护 系统( i m s ) 研究中心在智能预测诊断代理系统、t e s t b e d 应用系统和d 2 b ( d e v i c et o b u s i n e s s ) 的研究与应用开发方面均取得了进展，成果已应用在压缩机、齿轮箱等的状态 监测与故障预诊断中。 目前这些研究的主要思考方式有几个弊端：由设备使用方而不是设备提供商建立设 备在线监测系统，而设备使用方对设备监测、诊断和维护知识并不熟悉，他们也不愿意 承担此项任务：这样的系统很难满足敏捷制造环境下虚拟企业间异地制造、异地监控的 要求，其可重构性、可配置性不强； 国内在这方面的研究起步较晚，研究相对较少，对于液压机的监控与维护尤为如此， 一般对于液压机的监控其结构特点是工控机与显示终端、可编程控制器相连，工控机主 板上装有光隔离通信卡和模拟量输出板卡，光隔离通信卡分别与液压机压力数显和行程 数显相连接，摸拟量输出板卡与控制液压机比例变量泵的比例放大板相连【3 0 j 。该方式最 大的问题是基于成熟工控模块组合而成，成本高、系统庞大，且系统的可配置性低。 1 4 课题的研究内容与研究目标 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 框架式数控多点压边液压机控制系统总体设计 在深入分析控制系统主要技术指标与液压机工艺流程基础上，提出控制系统结构， 并进行模块接口设计。基于控制系统功能需求分析，进行系统功能设计。 ( 2 ) 框架式数控多点压边液压机数控多点压边技术研究； 基于位置匹配的离散压边力选择算法与液压机自适应压力精度补偿算法，采用智能 p i d 闭环控制方案，实现液压机数控多点变压边力控制。 ( 3 ) 框架式数控多点压边液压机远程通讯与维护系统研究； 本课题采用嵌入式控制、远程通信、检测监控、故障诊断、网络数据库等技术，研 究开发液压机的网络化远程监控、诊断和服务技术及系统，扩大液压机的“服务”功能， 实现对液压机运行状态的远程监控以及故障的远程诊断与维护，为用户提供远程加工程 序下载及远程培训和咨询服务打下基础。 ( 4 ) 框架式数控多点压边液压机控制系统数字化集成控制与模块化设计实现； 应用模块化设计方法，采用工业控制p c 与基于m c g s 的人机界面系统，基于智能 p i d 控制、嵌入式控制等技术，实现对单动拉深液压机的机械系统、电气系统、仪表系 统、液压执行系统等硬软件的集成控制；实现对液压机可变分区压边力的同步控制和柔 4 硕士论文12 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 性控制；开发液压机的嵌入式控制系统，实现对拉深过程的多模态控制、拉深工艺数据 现场管理、现场故障报警以及液压机运行安全管理等。 ( 5 ) 框架式数控多点压边液压机控制系统样机研制； 研制框架式数控多点压边液压机控制系统，进行相关参数性能调试与验证。 1 4 2 研究目标 本课题研究目标是瞄准国际、国内高性能数控液压机技术指标，综合应用现代设计 方法与技术、先进的智能控制技术、现场控制网络技术等，开发出具有自主知识产权的 柔性化、集成化、网络化技术特征的新型框架式数控多点压边液压机。具体研究目标如 下： 基于框架式数控多点压边液压机主要指标与功能需求分析，设计控制系统整体 方案。 研究数控多点变压边力控制技术。 研究液压机远程监控与维护技术。 框架式数控多点压边液压机控制系统数字化集成控制与模块化设计。 框架式数控多点压边液压机样机研制。 1 5 章节安排 全文共分为七章，章节安排如下： 第一章绪论 首先分析框架式数控液压机国内外研究现状与不足之处，提出了解决的关键技术和 方法；接着分析了液压机变压边力控制技术与制造装备远程监控与维护技术的发展现状， 指出其问题，并提出了研究方向；最后对全文内容和结构进行了介绍。 第二章控制系统总体设计 阐述了1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机的组成结构与工艺流程，通过分析其主要技 术指标与系统功能需求，提出了控制系统的整体结构，并对该结构各模块接口进行了设 计。 第三章关键技术研究 研究了数控多点变压边力系统，提出了变压边力闭环控制方案，设计了基于位置匹 配的离散压边力选择算法与液压机自适应压力精度补偿算法。针对液压机远程监控与维 护问题，设计开发了基于g s m 的远程通信模块，提出了基于多层模糊匹配的液压机状 态评价方法。 第四章系统硬件设计开发 系统硬件选型，包括可编程控制器选型、高速计数模块选型、编码器与触摸屏选型。 1 绪论 硕士论文 底层控制系统硬件设计与远程维护单元硬件设计。 第五章系统软件设计与开发 基于模块化设计方法，设计了p l c 程序。基于m c g s 平台设计了人机界面，本着 人性化，实用性，符合人机工程学要求的原则，采用“辐射结构”，以控制中心界面为 核心，“辐射”其余功能界面，实现良好的可操作性。 第六章系统调试与运行 介绍压力校正方法与变压边力实际运行状况。 第七章总结与展望 6 硕士论文 1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 2 控制系统的总体设计 2 1 组合框架式数控液压机的组成 1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机为框架式结构，由机械结构、液压系统和控制系统三 大部分组成，通过液压管路及电气装置联系起来构成一整体。如图2 1 所示。 图2 11 2 5 0 吨组合框架式数控液压机组成图 ( 1 ) 机械部分 机械部分由机身、主缸、液压垫、缓冲装置和锁紧装置组成。 机身 机身由上横梁、滑块、工作台、移动工作台、液压垫等组成。滑块安装在上横梁与 移动工作台之间，采用四角八面导轨作导向上下运动，液压垫位于工作台内，滑块和移 动工作台均有t 形槽，以便于模具安装。 主缸 主吨位由3 只油缸实现，紧固于上横梁内。活塞下端用连接法兰、螺栓与滑块联接。 活塞头部之材料为铸铁，作导向用。活塞头部外圆处装有方向相反的密封圈，内有“o ” 型圈密封，将缸内形成上下两个油腔，缸口部分也装有密封圈，借助缸口螺母锁紧，以 保证下腔密封。 液压垫 液压垫为钢板焊接结构，利用导板导向，内部装有三个油缸，可实现快速顶出；液 7 2 控制系统的总体设计硕士论文 压垫可作顶出器，也可作拉伸垫使用。 缓冲装置 配备冲裁缓冲装置，实现全吨位冲裁缓冲，调节方式为人工调节。缓冲装置能有效够 吸收冲裁过程中产生的液体能量，降低冲裁噪声，减少冲裁振动，改善工作环境，并有 效地延长了模具和液压机的使用寿命。冲裁缓冲装置设在移动工作台两侧。 锁紧装置 为防止滑块下滑，在滑块上设有死点锁紧装置。该装置有限位指示与主电路互锁， 以确保人员的安全。 ( 2 ) 液压系统 液压系统由比例阀、二通插装阀、液压泵站与液压管路组成。 液压泵站( 动力系统) 布置在液压机的顶部。动力机构由油箱、高压泵、油泵电动 机组、阀组等组成。它是产生和分配工作液压而使缸体实现各种动作的机构液压元器件 构成。 油箱为钢板焊接件，箱内装有供油洄流的隔板，前端装有长形油标，其油箱注油量 不得低于油标可视部分的三分之二处，防止出现油泵吸空现象。 油泵电机组 油泵电机组经二通插装阀组及管路系统为主缸、顶缸、锁紧缸等执行元件提供了液 压动力。 二通插装阀组 采用二通插装集成系统，具有液压阻力小、通油能力大、动作速度快密封性能好、 阀芯不易卡阻的特点；与普通的液压控制阀相比，不但抗污染能力强、占用空间体积小， 而且具有寿命长，便于调整维修等诸多优势。 管路系统 管路系统是各液压缸工作油液、远控调压阀及压力仪表之间的液压通路，是液压动 力控制系统与液压执行部件之间的液压动力输送的必须零部件。 ( 3 ) 控制系统 控制系统由p l c 、远程维护、工业触摸屏、数据采集模块与电气线路组成。 2 2 组合框架式数控液压机工作流程 压制工艺要求设有点动和半自动两种工作方式，手动状态控制包括滑块压制与回 程，液压垫顶出与退回四个动作，相对其他状态较为简单，在流程图中就不予以体现。 如图2 2 所示： 硕士论文1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 锁紧缸松锁 滑块快下 滑块慢下 保压延时 泄压延时 上 滑块快回 滑块慢回 锁紧缸锁紧 液压垫快顶 液压垫慢项 液压垫顶出延时 液压垫退回 缓冲缸顶出 图2 21 2 5 0 吨组合框架式数控液压机工艺流程 点动主要用于机器的调整和模具的调整，其动作有主缸压制、回程，锁紧缸锁紧、 退回，夹紧缸夹紧、松开，浮起缸浮起、下降，移动台前进、后退，液压垫顶出、退回， 缓冲缸顶出等，按压相应按钮即得相应动作，松开按钮即停止动作。 半自动方式下，只需按“双手运行”按钮，即能实现一次压制工艺过程。 具体工作流程：首先起动电动机，注意电动机的转向应与泵的转向一致，否则系统 不能工作，并有可能发生故障。 ( 1 ) 初始位置： 采用“点动”动作，使滑块处于回程极限位置，s q l 接近开关被压合；顶出活塞处 于下位。 ( 2 ) 操作顺序 先将选择开关s a l 搬于“半自动”工作位置；液压垫s a 2 搬于“自动”工作位置： 锁紧缸s a 3 搬于“自动”工作位置：缓冲选择s a 5 搬于“自动”工作位置。 9 2 控制系统的总体设计 硕士论文 根据工艺要求将压力和相关动作延时设定好，各行程开关位置s q l , - - - , s q l o 调整好。 上述操作完毕后，按压“双手运行”按钮，压机便按工艺动作程序的设定，完成下列 各动作：锁紧缸松锁、滑块快速下行、慢速下行、保压延时、泄压延时、滑块快回、滑 块慢回、锁紧缸锁紧、液压垫快顶、液压垫慢项、顶出延时、液压垫退回、缓冲缸顶出。 至此，即完成一个半自动循环动作。 2 3 控制系统需求 2 3 1 主要技术指标 1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机的技术指标由南通锻压设备有限公司与南京理工大 学根据用户需求，参照国外同类液压机技术指标，共同研究确定。 其主要技术指标如表2 1 所示： 表2 1 主要技术指标 序号项目单位规格 l公称力斟1 2 5 0 0 2 液压垫力 k n5 x 8 0 0 3 液压垫顶出力斟 8 0 0 4 冲裁缓冲力斟 2 x 3 1 5 0 5液体最大工作压力 m p a2 5 6液压垫最大行程m m 4 0 0 7 滑块最大行程m m 1 3 0 0 8 滑块下平面距工作台面最大距离 n 】m1 8 0 0 快速下行 m m s4 0 0 9滑块行程速度慢下m m s 1 3 3 2 回程m m s 1 8 0 2 0 0 左右m m3 8 0 0 1 0液压垫尺寸 前后n n1 4 6 0 左右n 】m4 5 0 0 1 1 移动工作台有效面积 煎后 n n2 2 0 0 1 2电机功率 k w4 x 5 5 + 2 2 + 1 1 1 0 硕士论文1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 表2 1 给出了1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机的主要技术指标，控制系统的设计指标 应当满足或超过以上指标，系统硬件选型时应当注意这一点。 2 3 2 功能需求 在液压机控制系统中，系统的需求分析包括三个层级：底层控制级、现场监控级、 远程维护级。 ( 1 ) 底层控制级功能需求 夺工艺流程控制：根据液压机工作工艺流程，使得液压机安全高效运行。 令数据采集与处理：自动实时采集液压机压力、流量、速度、继电器设备通断状 态等数据，p l c 综合处理分析并上传至触摸屏显示。 令报警与紧急事件处理：当液压机工作过程中，操作或参数设置错误，或设备出 现故障，必须作出相应的报警处理及紧急自动停机； 夺与触摸屏及实时通信：实时把采集的数据信息上传给触摸屏，在触摸屏上显示 各个设备状态。 令与远程服务器通讯：出现故障，根据故障监控处理机制，将液压机状态数据打 包发送到远程服务器，以便对故障进行进一步分析。 ( 2 ) 现场监控级功能需求 液压机状态监控：触摸屏对底层故障数据分析，发出故障状态指示，操作员根 据指示对液压机工作状态进行监控。 夺工艺参数管理与监控：根据不同工艺状态，实现工艺参数编辑、存储与选择与 实时显示。 历史数据收集、归档和分析：实现液压机各项数据自动收集，存储与分析。 信息集成服务：提供远程故障诊断模块的通讯接口，实现远程故障诊断维护模 块与控制系统的信息集成。 ( 3 ) 远程维护级功能需求 夺状态数据接收、分析与存储：远程服务器程序能够实现远程数据接收，并分析， 给出处理办法，并存储。 2 4 控制系统方案设计 根据现有的设备条件和实际现场情况，以高可靠性、高性价比、实用性、先进性为 设计原则，进行控制系统的方案设计洲。 2 4 1 控制系统的结构设计 系统的控制核心为p l c ，上层人机接口为工业触摸屏，通过高速计数模块与编码器 测定滑块与液压垫行程；通过d a 模块将压力数字量转换为电压信号控制比例电磁阀； 1 1 2 控制系统的总体设计 硕士论文 通过a d 模块采集压力数据；继电开关由p l c 直接输出控制；故障检测由p l c 完成， 并将数据发送到远程通讯模块，远程通讯模块将状态数据打包发送到远程服务器。 通过以上简要分析结合图2 3 ，我们可以看出系统可以分为四个大的部分，控制核 心部分p l c ；人机接口部分一触摸屏；远程通讯部分远程通信模块接收端与客户 端；底层数据采集与驱动部分。 一一一一一一一一一一一? ： 现场监控级 。 ：远程维护级 i 一一 远程服务器 f 工艺参数管理if 故障报警l t f 系统运行监控f 系统数据采集l 远程维护单元 ( 客户端) 工业触摸屏 f r s 2 3 2 接e 3 远程维护单元 令“f ( 接收端) 十 i r $ 2 3 2 一b d j 雨而丽- r j 焉订i 斤 滑高 1 f l = = = 二三2 一l ! = 竺= 三= 竺 块 速扩 编程口串行通讯口 八 + r 面而f 卜啊萜面了 位斗计展 + | 比例阀3h 压边缸1 移数 电 路 o叫比例阀4 h 压边缸2 + | 比例阀5 卜- 叫压边缸3 叫比例阀6 h 压边缸4 一主缸压力表i 脉模缆 故障检测 。 八 一顶缸压力表l 冲块位 置 p l c 压 扩 t 展 电 _ 幽圉 寥 ，薮控 缆 控 顶 高 制 缸 编速 位o码 斗计 x 输入iy 输出 制 移 器数jl 1 堡垫鱼! i 脉 口 路 冲 丁赢圃 o 按钮开关继电器 一压望篁! l j 几i 再矗彳刁 二通插装阀 一 些丝_ 虬兰f 底层控制级： 二一一i 图2 3 控制系统架构图 p l c 与触摸屏采用编程口通讯，通讯协议为三菱编程口协议。p l c 与远程监控模块 采用串行通讯，r s 2 3 2 接口。p l c 与高速计数模块采用p l c 自带功能扩展电缆连接， 将编码器连接到x o 、x 1 两口。p l c 与a d 和d a 模块采用自带扩展板连接。继电开 关用p l c 输出口y 直接驱动。 2 4 2 控制系统功能设计 控制系统的功能设计将1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机功能结构分为三个部分，如 图2 4 所示： 1 2 硕士论文1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 图2 4 控制系统功能结构图 生产过程控制功能部分、现场监控级功能部分以及远程维护级功能部分。底层控制 级功能主要是满足液压机基本运行，包括：工艺流程控制、生产过程数据采集与处理、 设备状态数据采集与处理、报警与紧急事件处理。现场监控级功能主要是保证系统安全 可靠运行，包括液压机运行状态监控、关键参数监控、历史数据存储分析以及工艺参数 优化。远程维护级功能主要是对液压机进行远程监控，包括液压机状态信息接收、存储、 分析、液压机状态评价以及故障预警与反馈维护功能。 2 5 控制系统设计依据 电气设计按要求确定的液压原理图、动作表和工作循环图为依据，按动作表中表明 的动作顺序关系进行设计。 电气设计应符合g b t5 2 2 6 1 2 0 0 2 工业机械电气设备第一部分：通用技术条件、 j b 2 7 3 9 8 3 机床电路图图形符号、j b 2 7 4 0 8 5 机床电气设备电气图图解和表的绘制、 j b 3 9 1 5 8 5 液压机安全技术条件。 1 3 3 关键技术研究 硕士论文 3 关键技术研究 3 1 数控多点压边变压边力系统 本课题基于1 2 5 0 吨组合框架式内置液压垫结构液压机，对数控多点压边系统进行 研究，采用数字控制技术，设计开发一种具有柔性的数控多点压边系统，确保获得优异 的拉深质量。 3 1 1 常见变压边力曲线与计算机控制 目前，起皱和拉破是板材拉深成形过程中最典型的缺陷。压边力( b l a n kh o l d e rf o r c e ， b h f ) 的大小对板料拉深成形质量影响尤为明显，并且最易于控制和调节。在国外，一些 汽车工业较为发达的国家，如日本，已经在原有的液压机的基础上改造出了一种新型的变 压边力拉深液压机，并由此研究出了一种所谓的变压边力拉深工艺，即压边力在整个拉深 过程的不同阶段对应要求有不同的数值大小。压边力大小数值能随板料起皱的可能性大 小而在整个拉深过程中合理变化。这样才能充分发挥材料的成形极限，提高拉深件的成形 质量和降低工业成本【3 2 】。【3 9 】。 典型的变压边力曲线如图3 1 4 0 1 所示： 1 4 压 边 力 主动模行程主动模行程 主动模行程主动模行程 图3 1 几种典型变压边力变化曲线 基于以上典型变压边力曲线，其典型计算机控制实现框图，如图3 2 e 4 13 所示： 硕士论文 1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机控制系统设计与开发 图3 2 数控压边拉深过程控制框图 3 1 21 2 5 0 吨组合框架式数控液压机数控多点压边方案设计 根据1 2 5 0 吨组合框架式数控液压机结构，在液压垫四角设立四个压边缸，实现四 点变压边力。变压边力实现方案如图3 3 所示： 压边力曲 1 线离散 高速计数模块 与编码器 1，p l c j j 3 。, 区 受据输入压边1 1 数据下载至i ： 叫善菱篆菱劈霆巽h 压力补偿hm 调节运算 力管理界面hp l c 存储区扩 触摸屏功能区 ： 压力仪一a d 转抉广 划 厂 执行机构 h 比例阀袭液压系h 。a 模块转换 图3 31 2 5 0 吨组合框架式数控液压机数控多点变压边力方案图 根据压边力位置曲线，将该曲线离散化处理，即在该曲线上选取一定点数表征该 曲线。每个点横坐标代表位置，纵坐标代表对应压力。将所有点的信息输入到触摸屏压 边力工艺数据管理库中，该库负责管理压边力曲线数据。选取库中压边力曲线数据下载 至p l c 存储区，p l c 根据存储区数据，进行变压边力操作。首先，p l c 根据基于位置匹 配离散压边力选择算法，选定当前压力数值，对该数值进行压力补偿处理后送入p i d 调 节运算，运算结果送入d a 转换。 3 1 3 基于位置匹配的离散压边力选择算法 根据变压边力方案设计，需要实现基于位置匹配的离散压边力选择。该算法基于液 压机液压垫当前位置与滑块当前位置为判断依据，将这两种当前位置与设定位置进行比 1 5 3 关键技术研究硕士论文 对以此判定当前四个压边缸压力值。具体实现如图3 4 ： 图3 4 基于位置匹配离散压边力选择算法 首先比较滑块位置与液压垫当前位置差值，若差值大于l m m ，则认为当前位置传 感器进度出现问题需要重新调零。，若小于l m m 则转入循环处理程序，首先位置指针值 z 白加一，判断z 值是否大于离散点数上限，若大于则z 指针清零，程序执行完毕。若 小于等于，比较当前液压垫位置是否在z 指针对应位置值与下一位置范围内，若在此范 围内则认为匹配成功，给出该位置对应压力值进行相应操作。 以上运用滑块位置与液压垫位置进行初始精度测试，可以最大限度的保证每次执行 位置匹配查找时，位置传感器精度是正常的。在位置比对时，采用区域比对的方法，可 以确保不会出现丢点的现象。 3 1 4 液压机自适应压力精度补偿算法 液压机运行，系统具有一定非线性的特点。压力数值直接进行p i d 运算，会出现 p i d 参数难以调节，即使参数预先调节好，但随着液压机的老化，设备精度下降，p i d 参数难以适应这种变化，有可能会出现较大过调或者震荡现象。为了解决这一问题，必 须要使液压机具有精度自动补偿功能。 液压机自适应精度补偿算法就是为满足这一要求而研究的，算法原理：将液压机处 于开环