（材料加工工程专业论文）基于普通液压机改造的板材成对液压成形控制系统研究.pdf

摘要 摘要 液压成形技术就是采用水、油或其它液体介质传递压力，使坯料在液体介质 压力作用下紧贴刚性凸模或凹模成形。液压成形具有模具成本低、模具制造周期 短、成形极限高等特点，与传统工艺相比，液压成形后的零件精度高、表面质量 好。液压成形特别适合于形状复杂、成形难度大、精度要求较高的薄板零件的拉 深成形。 板材成对液压成形工艺是近年来在单件液压成形基础上发展起来的一种新 工艺。它在具有单件液压成形优点的同时，提高了成形效率，减少了成形设备， 使得加工成本更低，特别适合于诸如摩托车油箱一类由上、下壳体构成的箱体型 零件的成形。 与传统板材成形相比，板材液压成形技术的工艺难度大，设备结构复杂。在 国外，液压成形通常有专用的液压成形设备，但其价格昂贵，超过国内很多厂家 的购买力。 针对这种情况，本文在实验室y h 2 8 一1 0 0 1 8 0 一s m 双动薄板拉伸液压机的基础 上，提出了基于普通液压机改造的板材成对液压成形装备的方案，并对控制系统 进行了重点研究。首先，从所改造的普通液压拉伸机原理、成对液压成形模具、 密封系统、成形力液压系统及变压边力等几个方面出发，较为详细的介绍了改造 的总体方案；其次，提出了该方案对原液压机的液压系统和控制系统进行了必要 的改进设计，增设了可达6 0 m p a 的成形力液压系统和计算机控制系统，能够根据 c a e 模拟分析提供的最佳工艺参数，实现复杂薄板件的成对液压成形工艺。最后， 对成形力和压边力的控制策略迸行了研究，并通过m a t l a b 进行仿真分析，结果 表明模糊自适应p i d 控制可以有效地改善液压成形控制系统的性能。 本文所研究成果丰富了液压成形装备的理论，为研制专用液压成形装备打下 了一定的基础。 关键词：板材液压成形液压成形装备控制系统模糊p i d 控制 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s tr a c t s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi sa d v a n c e dt e c h n o l o g ya n di sd e v e l o p e da n d a p p l i e di nr e c e n ty e a r s s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gh a sc h a r a c t e r ss u c ha s 1 0 wd i ec o s t ，s h o r tj i l a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dh i g hf o r m1 i m i t 。 t h ep a r t s p r o c e s s e db yi th a v eh i g hp r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c eq u a l i t yc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y ，s oi ti ss u i tt op r o c e s ss h e e tp a r t sw i t hc o m p l e x s h a p ea n dh i g hp r e c i s i o n 。 s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r si sn e wt e c h n o l o g yt h a ti sd e v e l o p e d o nb a s eo fs i n g l es h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g i tn o to n l yh a st h ea d v a n t a g e s o fh y d r o f o r m i n gb u ta l s oi n c r e a s e st h ee f f i c i e n c ya n dc u t sd o w nd e v i c e s ， s ot h ep r o c e s s i n gc o s ti sr e d u c e d s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r si s s u i tt op r o c e s st h ec o n t a i n e rs u c ha sm o t o r b i k et a n kt h a ti sm a d eb y w e l d i n gu p p e re o v e ra n dl o w e rc o v e r a d v a n c e de q u i p m e n ti st h eb a s i so fa d v a n c e dp r o c e s s t h o u g hs p e c i a l e q u i p m e n tf o rh y d r o f o r m i n gh a sb e e np r o d u c e d ， t h ep r i c eo fi ti sv e r y e x p e n s i v ew h i c he x c e e d sp u r c h a s i n gp o w e ro fd o m e s t i ef a c t o r y 。 a i ma tt h e s es i t u a t i o n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es c h e m et ot r a n s f o r m g e n e r a lh y d r a u l i cp r e s st oan e wp r e s sw h i c hc a nb es u i tf o rs h e e tm e t a l h y d r o f o r m i n gi np a i r so nt h eb a s eo fy h 2 8 1 0 0 1 8 0 s mh y d r a u l i ep r e s si n t h el a ba n dp r i o r i t yr e s e a r c h st h ec o n t r o ls y s t e mo fi t f i r s t ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fy h 2 8 一l o o 1 8 0 s mh y d r a u l i cp r e s s ，t h ed i eo f s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r s ，s e a l i n g ，h y d r a u l i cs y s t e mo ff o 功i n g f o r c ea n dv b h f s e c o n d l y ， t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h em o d i f i c a t i o no f h y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r 0 1s y s t e mw h i c h c a nr e a l i z et h ep r o c e s s i n g d a r a l n e t e r o f h y d r o f o r m i n g l a s t ， t h i s p a p e r r e s e a r c h e st h ec o n t r 0 1 a l g o r i t h m o ff o r m i n gf o r c ea n db h f ，a n d a n a l y s e si tb ym a t l a b ，t h er e s u l t i n d i c a t e st h es e l f t u n n i n gf u z z yp i dc a ni m p o v en a t u r eo fc o n t r o ls y s t e m o fh y d r o f o r m i n ge f f e c ti v e l y 一- t h er e s u l to ft h er e s e a r c hh a se n r i c h e dt h et h e o r yo fe q u i p m e n tf o r h y d r o f o r m i n g i t w i l la d v a n c e d e v e l o p i n g o f s p e c i a le q u i p m e n t f o r h y d r o f o r m i n g k e y w o r d ： s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g ：e q u i p m e n tf o r h y d r o f o r m i n g ：c o n t r o l s y s t e m ：s e l f - t u n n i n gf u z z yp i d i i i 第章绪论 = = = = = = = = 皇= = = = = = 皇= ! 苎= ! = = = = = = = = = = = = = 鼍= 竺= = = = 皇= ：= = = = = ! = = = = 墨! ! ! = 第一章绪论 现代工业产品由大批量向多品种和中小批量方向发展。对于批量小、尺寸多 变的复杂形状板材零件，采用传统冲压方法成形时，模具设计、制造与调试需要 消耗大量的人力、物力与时间，很难适应现代化发展的需要。这就迫切需要研究 一种新的柔性生产方法，达到既降低成本又缩短制造周期的目的。液压成形技术 正是在这种背景下提出来的。 1 1 液压成形技术概述 所谓液压成形技术就是采用水、油或其它液体介质传递压力，使坯料在液体 介质压力作用下紧贴刚性凸模或凹模成形。 按照加工对象的不同，液压成形技术可以分为管材液压成形、板材液压成形 以及液压胀球。板材液压成形按照液压取代形式的不同又可分为两大类型：液体 代替凹模( 如图1 1 ( a ) ) 和液体代替凸模( 如图卜l ( b ) ) 。液体代替凹模时， 刚性凸模将板材压入液压室，板材在液压的作用下紧贴凸模而成形；液体代替凸 模时，则是板材在液压的作用下直接被压入凹模，并紧贴凹模面成形。本文设计 中采用的液压成形是液体代替凸模的形式。 ( a ) 液体代替四模( b ) 液体代替凸模 图1 一l 板材液压成形示意图 f i 9 1 1s k e t c hm a po fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n g 与传统的拉深工艺比较，液压成形具有如下优点：( 1 ) 改变了工件内部应力 状态，提高了板料的成形极限，需多次拉深的零件可用液压成形一次加工出来， 从而精简了工装和模具，降低了费用。且由于液体润滑作用，减少了模具摩损， 广东工业大学工学硕士学位论文 延长了模具寿命：( 2 ) 提高零件的成形质量。对于加工出来的零件，提高了强度 与刚度，回弹小，形状与尺寸的精度都有提高；( 3 ) 能成形形状较复杂的零件。 1 2 液压成形技术介绍 1 2 1 液压成形技术研究应用情况 国外对液压成形的研究较早，美国、德国和日本等国家于上世纪5 0 年代就 开始对板材液压成形技术进行研究，并开发出了相应的设备应用于工业生产。在 上世纪9 0 年代初期，日本丰田公司就建成了以大型充液拉延设备为中心的冲压 自动生产线。日本的m i t s u o k a 公司已采用液压成形技术生产出汽车的前挡板和 防泥板，如图卜2 。同时国际上其它大型汽车制造公司，例如宝马、奔驰等也将 液压成形技术应用于汽车零件的生产。 图卜2 液压成形加工的前档板和防泥扳 f i g l 一2f r o n tb o a r da n df l a s hb o a r dp r o e e s s e db yh y d r o f o r m i n g 相对于国外来说，国内对于液压成形的研究较晚。上世纪九十年代后，国 内一些高校开始对液压成形进行研究，例如哈尔滨工业大学、燕山大学、上海交 通大学等分别对液压成形进行了理论分析和实验研究，总结了不少液压成形的数 据和经验，但是对板材成对液压成形的研究相对较少，处于最初的探索阶段。 1 。2 2 变压边力技术的研究现状 在板料拉深成形过程中，通常需要压边装置产生足够的摩擦抗力t 以增加板 料中的拉应力、控制材料的流动、避免起皱。压边力( b l a n kh 0 1 d i n gf o r c e ，b h f ) 的大小是板料成形中重要的工艺参数，也是板料拉深成形中的重要控制手段。一 2 第一苹绪论 般来说，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，但拉裂趋势会明显增加，同时，模具和板料的表面受 损可能性亦增大，影响模具寿命和板料拉深成形质量。在液压成形中，要求一次 成形，这样压边力参数的合理取值、调整和控制，则成为控制金属流动、防止出 现起皱和破裂的最重要的手段之一。 国外对b h f 的控制研究相对于国内进行得比较早。2 0 世纪9 0 年代，压边力的 研究成为一个热点。1 9 9 3 年，德国斯图加特大学的k s i e g e r t 等人在单动液压机 上用4 个液压缸在4 个角点处施加压边力，建立了计算机数值控制( c n c ) 多点压边 力控制系统。接着他们提出了将压边圈分成几段的薪的分段压边概念。在拉深成 形时，将压边圈分成8 个部分，如图1 - 3 所示，利用法兰流入量和板料与压边圈及 凹模之间的摩擦力来控制整个成形过程。 图卜3 分段压边圈的结构 f i g 卜3s t r u c t u r eo fb l a n kh o l d e r 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。 拉延筋在变压边力技术中也得到广泛的应用。在成形非对称的复杂零件时， 为保证材料变形均匀，常常需要在板料某些“易流动”部位局部增加抗力，在“难 流动”部位局部减少抗力。拉延筋是一种很好的实现这种要求的手段，合理地布 置拉延筋，能够改善板料各处的变形状态，使之趋于均匀：另一方面还可以降低 成形所需的压边力，提高板料成形的表面质量和模具寿命。因此，拉延筋在板料 成形工艺中起着重要的作用。 1 2 3 液压成形设备 液压成形的实用化与迅速发展，很大程度上取决于专用设备的开发与普及。 美国、日本及一些欧洲国家都已开发出了专用的液压成形设备。国际上能够提供 成套技术与设备的制造商多数集中在欧洲，其中，以德国舒勒公司、s p s 公司和 瑞典a p t 公司为主要代表。此外，还有日本的川崎油工、a l i i i n o 、0 p t o n ，美国 的i n t e r l a k e nt e c h n o l o g y ( i t c ) 、h y d r od y n a m i c st e c h n o l o g y ，爰墓大年0 的n a v a ， 德国的g r a b e n e rm a s c h i n e n t e c h n i k 、s d u n k e s ，加拿大的v a l i a n t m a c h i n e t 0 0 l 等公司。哈尔滨工业大学是国内最早开展液压成形技术研究和设各研制的单 位，燕山大学、上海交通大学等高校也相继开展了此技术的研究，但他们的设备或是用 于管件液压成形，或是用于简单规则零件成形，却很少有应用于像汽车覆盖件和 摩托车油箱这样的复杂薄板件的成形。 1 2 4 液压成形技术的发展趋势 汽车工业推动了液压成形技术的发展，控制技术的不断提高使液压成形工艺 自动化程度不断提高，应用范围迅速扩大。液压成形技术已成为先进制造技术的 一个研究热点，其主要发展趋势表现在以下几点： ( 1 ) 液压成形工艺的成形极限主要由材料的成形性、工件与模具闻的摩擦 条件及坯料几何形状决定。目前所用材料主要是碳钢、铝及铝合金，为使构件重 量和强度比值合理，需要采用高强度钢及钛合金等材料，因此，需进一步降低工 艺对材料成形性的要求。近几年提出的采用粘性、粘塑性材料作为传力介质的液 压成形，可望用于钛合金等低塑性、难加工材料的成形。 ( 2 ) 如何评价材料对液压成形工艺的适应性也是亟待解决的问题。除化学 成分外，模具及成形件的几何形状、变形区应交状态都对坯料的成形性有影响， 因此，利用有限元分析、计算机辅助设计和模拟系统，开发预测金属液压成形性 能的系统非常重要。 ( 3 ) 继续完善工艺理论和实验研究，综合考虑设计结构、工艺参数的影响， 进一步加强工艺控制，推动液压成形技术的不断发展。 4 第一苹绪论 ( 4 ) 随麓生产过程自动化程度的提高，对工艺智能化的要求越来越高。不 断改进控制技术，通过配备自动换模装置、连续送料自动装置，实现快速充液及 快速开合来克服液压成形工艺的缺点，并且使液压成形工艺能与辅助工序或前、 后加工工序集成，进一步提高生产效率及自动化程度“1 。 制造业的发展需要先进技术的支持，液压成形技术作为一种先进的加工技术 正逐步展现其强大的生命力。随着研究的扩大和深入，液压成形技术将得到进一 步的发展和完善，其应用也将更为广泛。可以预见，液压成形技术将会是未来金 属板材塑性加工的重要技术。 1 。3 研究的意义及主要内容 有了新的工艺就要有相适应的新工艺装备，如上所述，国外已有不少专用的 液压成形设备，但是它们的价格却非常昂贵，超过国内很多厂家的购买能力。国 内虽也有不少大学和汽车制造厂研制出了一些液压成形设备，但他们的设备或是 用于管件液压成形，或是用于简单规则零件成形，却很少有应用于像汽车覆盖件 和摩托车油箱这样的复杂薄板件的成形。本文就是将液压成形工艺应用于复杂的 薄板件成形，立足于普通液压拉伸机，开发出较国外价格低而又可以应用于复杂 薄板件的液压成形的设备。本文研究内容来源于广州市科技攻关项目“复杂薄板 件液压成形新工艺及新装备”。 本文采用的是成对液压成形技术，用液体代替凸模成形，它的基本原理过程 如图1 1 4 所示：注油板有如压管路与外部液压系统相连接，同时也通往上下凹模 腔，在注油板的上下各放一个凹模，再在各个凹模和注油板之间放上板料，通过 注油板的注油道分别向上下两个凹模注入高压油，由于油液的高压，板料被压入 凹模型腔并紧贴凹模壁而成形。 从国内外对液压成形技术的研究状况来看，绝大多数采用的是对向液压拉深 技术，即用液体代替凹模，而对于液体代替凸模的成对液压成形技术的研究却少 之又少，此项技术的研究几乎为空白。对内液压拉深技术现在比较成熟，已得到 一定范围的应用，但其成形周期较长，故生产效率较低。而成对液压成形技术是 一种软凸模成形技术，具有很好的柔性，可减少模具数量，一次可成形两个零件， 提高了生产效率，同时也节省了设备，降低了成本。 ：! ：一：= ：= ：一：。：三奎三兰查兰三兰堡圭! ：! 查兰：二： ：一! ：= ： ( a ) 图卜4 板材成对液压成形示意图 f i g i 一4s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r s 卜上凹模2 一注油板3 _ 板料4 一下凹模 本文主要的研究内容如下： 1 、成形力液压系统的设计，研究变频器控制电机从而改变泵的流量来实现压力 实时变化的方法； 2 、根据液压成形工艺需要，研究液压成形工艺参数的控制方法，在现有通用液 压机基础上，增加控制系统硬件，完成p l c 部分的电气设计； 3 、提出该控制系统的软件框架，并设计系统的初步方案，在p l c 中实现p i d 控 制策略，并研究在p l c 中实现模糊自适应p i d 控制策略的方法； 4 、利用m a t l a b 的模糊逻辑工具箱创建模糊控制器，并利用s i m u l i n k 仿真工具 将模猢控制嚣和p i d 控制结合起来，对模糊自适应p i d 控制系统进行仿真； 5 、根据液压成形工艺要求，开发编制监控系统人机界面。 6 第二章成对液压成形装备的总体方案 第二章成对液压成形装备的总体方案 2 1y h 2 8 10 0 18 0 一s m 双动薄板拉伸液压机 本文所改造的液压机为合肥锻压机床总厂的y h 2 8 一1 0 0 1 8 0 s m 双动薄板拉 伸液压机，它主要用于不锈钢及其它各种金属薄板的拉深成形，具有结构紧凑， 速度快，效率高等特点，有较先进的液压和控制系统，操作方便，功能齐全。 该液压机的实物图如图2 - l 所示。 图2 一ly h 2 8 一l o o 1 8 0 s m 双动薄板拉伸液压机 f i 9 2 1h y d r a u l i cp r e s so fy h 2 8 1 0 0 1 8 0 一s m 该机有独立的动力机构和电气系统，并采用按钮集中控制，可实现调整、半 自动、自动三种工作方式，液压系统采用二通插装阀，结构紧凑，安装维修方便， 动传灵敏可靠，传动效率高，密封性能好。 广东工业大学工学硕士学位论文 该机拉伸油缸采用快速缸，速度可达2 8 0 m s ，拉伸力可达1 0 0 0 k n ，压边力 可达8 0 0 k n ，速度和压力都可在规定范围内调节，用户可根据需要把拉伸速度和 压边力选择到最佳工作状态，可拉深出质量较高的不锈钢等各种制品，是薄板拉 深的理想设备。y h 2 8 1 0 0 1 8 0 一s m 双动薄板拉伸液压机主要技术参数如表2 ，1 所 示。 序号项目单位数值 l 拉伸公称力 k n1 0 0 0 2 压边公称力 k n8 0 0 3顶出力 k n3 1 5 4 拉伸滑块回程力 k n 3 1 5 5液体最大工作压力 m 咿a2 5 6拉伸滑块距工作台最大距离 m m1 4 6 0 7 拉伸滑块工作最大行程 m m7 1 0 8 压边( 顶出) 滑块最大行程 m m3 5 0 9 拉伸滑块速度空程下行 u l l ，s 兰2 8 0 拉伸 m n “s4 0 1 0 拔模回程 m m ，s1 3 0 2 0 0 1 0压边( 顶出)顶出 m m ，s1 0 0 滑块速度压边 m l n ，s5 0 1 1 工作台有效尺前后 m m6 3 0 寸左右m m6 3 0 1 2 立柱中心距前后 m m 4 7 0 左右 m m7 2 0 1 3 工作台距地面高度 m m7 5 0 1 4压边滑块中心孔尺寸 m m3 3 8 0 ( 矩形) 1 5机器外形尺寸( 长+ 宽+ 高) m m2 3 0 0 9 0 0 3 6 7 0 1 6电机工率 k w2 2 1 7 机器总重量 t5 5 表2 1y h 2 8 1 0 0 1 8 0 s m 双动薄板拉伸液压机主要技术参数 该机器的液压动力系统和电气系统相互连接构成了一个整体，其电气部分采 用p l c 控制，并采用按钮集中控制；液压动力系统由电机、泵、阀、油箱等组成， 用于产生、传递和分配工作液体，借助电气系统控制，驱动液压机实现各种工艺 动作，其顺序如下：压边梁下行，压边加压保压、拉伸梁快速下行、拉伸梁减速 下行、拉伸梁加压、拉伸梁保压、拉伸梁卸压、拉伸梁拔模、拉伸梁回程、压边 梁卸压、压边梁回程、静止”1 。 第二：章成对液压成形装备的总体方案 2 2 成对液压成形模具 成对液压成形对于成形容器型零件非常有利，因此在选择零件时首先应该考 虑容器型零件，同时为体现液压成形在成形复杂零件方面的优势，所选择的零件 应该比较复杂，采用传统的工艺加工较为困难。根据上述原则，本文选择了豪迈 牌女式摩托车油箱，该油箱具有较为复杂的形状，采用常规工艺较为困难，因此 适合于采用板材成对液压成形技术。 此模具主要由三部分组成：上凹模、注油板、下凹模。上凹模成形摩托车油 箱的上壳部分，下凹模则成形其下壳部分，注油板位于两凹模之间，起压边圈的 作用并分别向两凹模注入高压液体，成对液压成形模具结构示意图如图2 2 所 示。对于模具的升降，装置中采用了类似于注塑机二级分模机构的提升机构，通 过此机构可分别将上凹模和注油板提起或放下。成形过程大致如下：当成形时， 首先将上凹模提升到一定高度，并通过拉杆再将注油板也提升一定高度，以便使 两块板材能分别放置于上凹模与注油板之间和下凹模与注油板之间。待两块板材 放置好后，再依次降下注油板和上凹模，并在上凹模作用一定的压力以形成合模 力。通过中间的注油板分别向两个凹模注入高压油。两块板材在高压油的作用下 分别被压入凹模型腔，并紧贴凹模型腔而成形。待成形完毕后，上凹模通过液压 机被提起，上升到一定距离后( 此距离需大于成形零件的高度) ，再通过拉杆将 注油板也提起到一定高度( 此距离需大于成形零件的高度) ，便可将上下两个零 件取出，从而完成一次成形“1 。 这里需要说明的是由于两个凹模的体积较大，若全部采用较昂贵的模具材 料，必然会造成材料的浪费和成本的增加，因此可将凹模分为两部分制造，每部 分根据要求采用不同的材料，加工完成后通过螺钉联结。板料在其中流动的这 面我们采用了c r 。2 m o v ( 铬1 2 镍钒) ，所使用的厚度为2 0 哪，剩余部分我们采用 了h t 3 0 0 铸铁。这样避免了大量使用昂贵的模具材料，大大节省了制造成本。凹 模造型如图2 3 所示。 9 图2 2 成对液压成形模具结构示意图 f i g2 2s t r u c t u r eo fs h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r s d i e 图2 3 凹模造型 f i g2 3m o d e l i n go fd i e l o 第二章成对液压成形装备的总体方案 2 3 密封系统 在液压成形过程中，由于需要很高的液压，因此密封系统的设计非常重要， 如果密封系统不合适，则不能产生成形所需要的压力。因此，密封系统的设计在 液压成形装置设计中是一个关键环节。由于成形过程中所需要的液压达到五六十 m p a ，压力非常高，因此，本文采用组合密封的形式。采用聚四氟乙烯环与o 形圈 组合，耐压程度达6 0 m p a 。其密封槽截面图如图2 4 所示”3 。 图2 4 板材液压成形密封槽截面图 f i 9 2 4c r o s s s e c t i o np i c t u r eo fs e a lg r o o v ei n s h e e tm e t a lh y d r o f o r m i n gi np a i r s 2 4 提供成形力的液压系统的设计 提供成形力的液压系统要求满足液压成形的工艺要求，同时系统不会过于复 杂。现设计其液压原理如图2 5 所示。其动作说明如下：电机启动，泵来油经换 向阀中位流回油箱，泵卸荷。当l d t 通电时，油经过换向阀、单向阀进入注油板 将板料压入凹模而成形，在成形的末期，1 d t 断电，2 d t 通电，油经过增压缸进 入注油板，在超高压的作用下，板料进步紧贴凹模面成形其小圆角。该液压系 统中的关键是变频器5 与增压缸1 0 。 图2 5 成形力液压系统原理图 f i 9 2 5h y d r a u l i cs y s t e mo ff o r m i n gf o r c e 卜油箱2 一过滤器3 一油泵4 一电机5 一变频器6 一溢流阀7 一压力表 8 一换向阀9 一单向阀1 0 _ 增压缸 在液压成形中，根据工艺的需要，该液压系统提供的工作流量和工作压力应 该是不断变化的，因此液压系统所消耗的功率也应该是随着工作流量和工作压力 的变化而不断变化的。液压泵是液压系统的动力源，液压机中的液压泵大多是定 量泵，拉深工序中不同动作所需的液压油工作流量和压力是通过一系列阀门及相 关回路来调节的。由于泵的流量一定，也就意味着在工作周期的各个阶段其流量 均为最大工作流量，在不需最大工作流量的工序上，多余的压力油经溢流阀回路 流回油箱，而驱动液压泵的电机始终保持着维持最大工作流量时的转速，因此电 机所消耗的功率也始终维持在工作周期中的最大功率上，造成了大基的电能浪 费。在液压回路上加装变频器回路，根据工作周期中所需的压力的变化，利用变 频器的变频功能改变驱动电机的电源频率，使周期中的每一个确定的液压工作流 量都对应不同的电机转数( 频率) ，使电机的转数根据工作要求的变化而实时变 化，从而可达到对液压系统的工作流量和工作压力进行实时控制和节约电能的目 的。 增压缸是在成形的最后阶段为了成形工件的小圆角而为液压室提供高压的 一种措施。例如，假使零件的最小圆角半径为5 m ，成形零件采用0 8 a l 钢，板 厚为0 8 咖，按照液体压力的计算公式：p = 2 t o r ( t 为板料厚度，o 为材料 屈服应力，r 为最小圆角半径) ，算出所需的压强为5 7 6 m p a ，由于所需压强较高， 一般的液压元件难以满足，若整个系统采用超高压泵和耐高压液压元件，势必会 增加制造成本，所以我们在这里采用了增压缸来满足成形后期所需的高压。 图2 6 成形力液捱站实图 f i 9 2 6p i c t u r eo fh y d r a u l i cs y s t e mo ff o r m i n gf o r c e 图2 7 成形力液压系统与注油板连接图 f i 9 2 7p i c t u r eo fj o i nb e t w e e nh y d r a u l i cs y s t e ma n dd i e 加工制造出来的液压站如图2 6 所示。由图中可以看到该液压站结构设计合 理，紧凑，占用空间小。 由于在加工前后注油板需要升降，所以我们的成形力液压系统采用了软管与 注油板相连接，其连接图如图2 7 所示。 2 5 变压边力的实现 压边力是板料成形中最重要的工艺控制参数之一，对于拉深工艺来说，压边 力必须适当，如果压边力太大，则会使工件的底部拉裂；压边力太小，则工件凸 缘部分容易起皱。变压边力( v a r i a b l eb 1 a n k h o l d e rf o r c e 简称v b h f ) 是指在薄 板成形过程中，随时间或凸模行程改变压边力大小。随着对板料拉深工艺及金属 塑性变形规律的深入研究，现在我们已经认识到采用变压边力拉深更符合金属塑 性变形的规律，采用变压边力控制，可以提高制品质量，减小缺陷。但是在目前 所采用的拉深工艺中，拉深过程中的压边力是不随拉深行程而变化的，也就是说 存整个拉深阶段压边力是恒定的。变压边力拉深液压机的研究在国外发展得比较 早，与国外相比，国内相关领域的研究起步较晚。 为了实现压边力的实时变化要求，我们采用的方案跟实现成形力实时变化的 方案样，用一台变频器控制电机转速实现泵的转速的改变从而改变压边力的大 小。 l 聿 第三章控制系统的设计与硬件选择 3 1 概述 第三章控制系统的设计与硬件选择 改造的整套液压成形装备除了要能实现液压机本身的动作及提供成形力的 液压系统的动作之外，还要能实现压边力及成形压力的实时控制，这就需要设计 一套合适的控制系统来实现，控制系统包括硬件及软件两部分内容，本章将介绍 硬件部分内容。 3 2 控制系统总图 图3 1 控制系统图 f i 9 3 1 s k e t c hm a po fc o n t r 0 1 s y s t e m 整套液压成形装备控制系统图如图3 一l 所示。p c 机主要作用是对工艺过程 进行监控和管理。本文选用了一台新的p l c ，p l c 除了统一控制原来的液压机的 液压系统2 及提供成形力的液压系统l 之外，还控制两台变频器。变频器l 用来 控制提供成形力的液压系统1 中的电机1 ，从而改变泵1 的流量来实现成形力的 实时变化。变频器2 用来控制原来的液压机的液压系统2 中的电机2 ，从而改变 厂乐工业大学工学硕士学位论文 泵2 的流量来实现压边力的实时变化。传感器1 装在成形力回路上，传感器2 装 在压边力回路上。 随着计算机控制技术、电力电子技术的飞速发展，交流变频调速技术正以其 优异的控制性能日益为工业界所接受，可编程控制器作为一种可靠性的工业p c ， 也正以前所未有的速度在工业自动化领域迅速普及。在我国传统的钢铁冶金、交 通运输、机械化工等各产业中，存在着大量的以继电器、接触器和直流调速为主 的电气传动系统，这些系统存在硬件线路复杂、可靠性低、能耗大、生产维修量 大等许多缺点，因此如何将p l c 与交流变频调速技术相结合，对传统产业进行改 造，是企业界正着力解决的问题“”。 3 3p l c 选型及配置 3 3 1p l c 概述 可编程逻辑控制器( p r o g r a 啪a b l el o g i cc o n t r 0 1 l e r ) 简称可编程控制器， 是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器 的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心的专用计算机“。 国际电工委员会( i e c ) 在1 9 8 5 年的p l c 标准草案第3 稿中，对p l c 作了如 下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应 用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工 业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出， p l c 是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控 制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能“。 自1 9 6 9 年针对工业自动控制的特点和需要而开发的第一台p l c 闯世以来， 迄今已3 0 多年了，它的发展虽然包含了前期控制技术的继承和演变，但又不同 于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各 种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习 惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电 1 6 第= 苹控制系统的设计与硬件选择 器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直 观、方便易学、调试和查错都很容易。可编程控制器p l c 在现代工业自动化控制 中是最值得重视的先进控制技术。p l c 现己成为现代工业控制三大支柱( p l c 、 c a d c a m 、r o b o t ) 之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制 程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟薰进行控制、具备 高速计数与位控等高性能模块等优异性能，曰益取代由大量中间继电器、时间继 电器、计数继电器等组成的传统继电一接触控制系统，在机械、化工、石油、冶 金、电力、轻工等行业得到广泛应用。 在全世界上百个p l c 制造厂中，有几家举足轻重的公司。它们是美国 r o c k w e l l 自动化公司所属的a b ( a l l e n b r a d l y ) 公司、g e f a n u c 公司，德国 的西门子( s i m e n s ) 公司和法国的施耐德( s c h n e i d e r ) 自动化公司，日本的三 菱( m i t s u b i s h i ) 公司和欧姆龙( 0 m r o n ) 公司。 3 3 2p l c 选型 在对普通液压拉伸机进行改造时，其原来的功能及工艺动作可不作改变。前 文提到改造方案中选用了一台新的p l c 统一控制原来的液压机及成形力液压系 统。由于所改造的液压机自身的控制系统是由三菱f 卜6 伽r 型号的p l c 实现的， 为了方便这一部分程序能继续采用，本文选择了一台三菱p l c ，型号为豫：n _ 8 0 m t 。 在将原来那一段程序移植到新的p l c 时，只需相应地改变其输入输出点、辅助继 电器、定时器及计数器等等。 三菱电机8 0 年代推出的f 系列小型p l c 在9 0 年代初被f 。系列和f 。系列取 代，f 系列在我国曾经有很大的市场占有率。其后的f x ：系列在硬件和软件功能 上都有很大的提高，后来推出的f ，f x 。，f x 。f x 。、等系列实现了微型化和多品 种化，可满足不同用户的需要。 f x 。是f x 系列中功能最强、速度最快的微型p l c 。它的基本指令执行时间高 达0 0 8 us 每条指令，内置的用户存储器为8 k 步，可扩展到1 6 k 步，最大可扩 展到2 5 6 个i o 点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，每个f x ”基本单元可扩 展8 个特殊单元。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 3 3 p l c 配置一特殊功能模块 现代工业控制给p l c 提出了许多新的课题，仅仅用通用i 0 模块来解决，在 硬件方面费用太高，在软件方面编程麻烦，某些控制任务甚至无法用通用i o 模 块来完成。为了增强p l c 的功能，扩大其应用范围，p l c 厂家开发了品种繁多的 特殊用途i o 模块包括带微处理器的智能i 0 模块。 可编程控制器原是从继电器控制系统的替代产品发展而成的。主要的控制对 象是机电产品，以开关量居多。但许多实际生产控制中，控制对象往往有开关量 又有模拟量，因而可编程控制器必须有处理模拟量的能力。由于在控制系统中需 要检测反馈压力的大小，所以本文选择了f x 扩4 a d 模拟量输入模块，其特点为： 提供1 2 位高精度分辨率、4 通道电压输入( 一1 0 l o v 直流) 或电流( 一2 0 m a 2 0 i i l a ) 、 对每通道可以规定电压或电流输入。f x 。n - 4 a d 模拟量输入模块的接线参考参考 文献 1 7 ，要组成模拟量处理系统，要逐一解决以下问题： l 、可以接入p l c 系统的a d 接口的型号及主要技术数据； 2 、如何确定特殊功能模块的块号； 3 、模拟量输入输出信号如何接线； 4 、模拟量输入输出单元中缓冲寄存器b f m 的分配； 5 、a d 转换中的比例关系，以便工程单位与读入数值之间的换算； 6 、如何编写用户程序。 3 4 变频器的选型 3 4 1 变频器概述 近1 0 年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电 气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技 术取代模拟控制技术己成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善 工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。伴随着世 界工业的迅猛发展，面对日益加重的能源危机以及环境污染，变频节能受到了极 大的重视。变频器已广泛应用于建材、电力、冶金、机械、电子、石化、造纸、 第三苹控制系统的设计与硬件选择 纺织等行业。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节 能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速 方式。 在风机、水泵、压缩机等流体机械上应用变频器可以节约大量电能；在纺织、 化纤、塑料、化学等工业领域，利用变频器的自动控制性能可以提高产品质量和 数量；在机械行业中，应用变频器是改造传统产业、实现机电一体化的重要手段： 在工厂自动化技术中，交流伺服系统正在取代直流伺服系统。发展变频器的应用 技术，可以有效地提高经济效益和产品质量。变频器技术不仅可以代替工业领域 中的变速机械，而且也已进入到家电产品中，如空调器、电冰箱、洗衣机等家电 设备中都用到了变频器。几乎可以说，有电动机的地方就有变频器。在一切需要 进行速度控制的场合，变频器以其操作方便、体积小、控制性能高而获得广泛应 用3 。 变频器作为一种新兴的高技术产品，从一开始国外品牌就占据了绝大部分市 场。目前国内变频器市场销售大约为每年5 0 0 _ 8 0 0 万k w ，9 0 的市场份额由美 日欧厂商的产品所占领，国产变频器占很小的市场份额；产品主要来自日本的厂 家如三菱、富士、东芝、安川、日立和松下等，欧洲的西门子、a b b 、施耐德等 也占据了较大的市场份额。 变频器是异步电动机变频调速的控制装置，它的主电路方式虽有电压型变频 器、电流型变频器、交一交变频器等区别，但种类有限，新的电路方式较少。相 比之下，控制方式的区别很大。需要控制的对象包括频率、电压、电流、磁通、 转矩、转速、位置等，对每一种控制对象又有许多控制方式。随着现代控制理论 的应用，新的控制策略不断出现。微处理器和微电子技术的发展，在实现某一种 控制方式时又有许多硬件结构。 3 4 2 变频器选型 本文选择了安川的v a r i s p e e dg 7 变频器，型号为c i m r _ g 7 a 4 7 p 5 ，功率为 7 5 k w 。安川变频器广泛应用于港口、冶金、造纸、供水、污水处理、工业加工 制造业等领域，具有实现节能控制，p i d 控制，速度搜索运行前直流制动，多段 速运行，加减速时间切换运行，频率保持运行等功能。g 7 系列变频器其有如下的 1 9 性能：电流矢量控制、充实的制动功能、安全、确实的保护功能、对应各种输入 输出、操作简单、保养检修简单容易。变频器的具体接线请参考参考文献 2 2 3 4 3 变频器配置 为了将电动机的转速反馈回变频器形成闭环控制，本文还选用了p g b 2 卡。 该卡可以将编码器检测到的数值直接送入变频器，方便简单。 p g b 2 的接线如图3 2 所示。其中应该注意的事项如下：( 1 ) 信号请务必使 用双股绞合屏蔽线；( 2 ) 请勿使用p g 以外的p g 电源；( 3 ) p g 的接线长度请设 置在1 0 0 m 以下； 本文在变频器频率指令输入方法上选择卡输入，即选用数字指令卡d i 1 6 h 2 。 使用该卡可以通过p l c 赢接给交频器频率指令信号。 从d i 一1 6 h 2 的卡输入的频率指令由f 3 0 1 和选择卡基盘