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硕士论文 板料拉深成形压边力控制研究 摘要 板料拉深成形是一种十分重要的金属板料塑性加工技术，在工业领域有着极为广 泛的应用，已成为先进制造代表技术之一。在板料成形过程中，压边力的大小是影响 其成形质量的关键因素，因此压边力控制技术直都是人们研究的热点。本文以液压 机为研究对象，以构建液压机压边力控制系统为目标，对相关控制技术进行了研究， 并设计和开发了相应的控制系统。论文主要的研究内容如下： 1 立足于成形液压机，根据压边力控制的功能需要，设计了压边力控制系统的 整体结构。在总体控制结构确定的基础上，设计了用于压边力控制的液压系统，包括 动力部分机构参数确定、液压系统特点分析、压边力液压油路分析和压边力控制关键 元件选型。 2 结合压边力液压系统的特点，提出了模糊p i d 控制算法来实现压边力的精确 控制。在对p i d 算法和模糊算法进行研究的基础上，立足于压边力控制的实际情况， 详细设计了压边力的模糊p i d 控制器，并在m a t l a b s i m u l i n k 中进行了仿真分析， 验证结果表明模糊p i d 控制可以获得良好的控制效果。 3 研究了压边力控制系统实现技术，对控制系统的硬件部分进行了结构设计和 选型，并对p l c 和上位机监控系统进行了设计。 关键词：板料拉深成形，压边力控制，模糊p i d 控制 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t s h e e tm e t a lf o r m i n gi sav e r yi m p o r t a n tp l a s t i cw o r k i n gt e c h n o l o g y , w h i c hh a sb e e n w i d e l yu s e di ni n d u s t r i a ld o m a i n s a n di s a l s oo n eo ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s d u r i n gt h ep r o c e s s i n go fs h e e tm e t a lf o r m i n g ，b l a n kh o l d e rf o r c e ( b h f ) i sa k e yf a c t o rt h a ta f f e c t sf o r m i n gq u a l i t y , t h e r e f o r et h ec o n t r o ls y s t e mo fb h f a r ea l w a y st h e f o c u s t a k i n gt h eh y d r a u l i cp r e s sa st h eo b j e c t ，s o m er e s e a r c h e sa b o u tc o n t r o lt e c h n o l o g y o fb h fh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r , a n dr e l e v a n tc o n t r o ls y s t e mi sa l s od e s i g n e d t h e m a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri s ： 1 b a s e do nf u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt h eh y d r a u l i cp r e s s ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f b h fc o n t r o ls y s t e mi sg i v e n t h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cw h i c hi su s e di nc o n t r o ls y s t e mo f s h e e tm e t a lf o r m i n gi sa l s od e m o n s t r a t e d ，i n c l u d i n gt h e s e l e c t i o no fp o w e rs e c t i o n s p a r a m e t e r s ，t h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cf e a t u r e ，t h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cc i r c u i ta n dt y p e s e l e c t i o no fk e ye l e m e n t s 2 f o ra c c u r a t ec o n t r o lo fb h f , f u z z y p i di su s e d b a s e do nf u r t h e rs t u d yo f f u z z y p i d ，t h e w h o l e s y s t e m i s d e s i g n e d i nd e t a i l s i m u l a t i o ni sd o n ei n m a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hp r o v e st h ec o n t r o ls y s t e mw o r k sp e r f e c t l y 3 t h er e a l i z a t i o no fb h fc o n t r o ls y s t e mi si n v e s t i g a t e d ，o fw h i c ht h eh a r d w a r e s t r u c t u r a ld e s i g na n dt y p es e l e c t i o nh a v eb e e nd o n e ，a n da l s ot h ep l ca n dh o s tc o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e ma l eg i v e n k e y w o r d s ：s h e e tm e t a lf o r m i n g ，b l a n kh o l d e rf o r c ec o n t r o l ，f u z z y 。p i dc o n t r o l l l 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：罢墨动。少年6 月彩日研究生签名：丢五动d 少年6 月彩日 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。 1 7 曰 研究生签名：一盘匡 加毋年6 月彩日 硕士论文板料拉深成形压边力控制研究 1 绪论 1 1 引言 板料塑性成形是利用金属板料在固体状态下的塑性，通过模具及外力作用而制成 零件的一种加工方法。与切削加工等方法相比，板料塑性成形不仅具有更高的生产效 率，而且能获得更高的材料利用率，因而在国民经济中得到了极为广泛的应用，特别 是在航空、宇航、汽车、造船、电器、五金等工业部门，板料塑性成形都是必不可少 的主要加工方法i l l 。 板料成形工艺过程的控制涉及许多参数，通常包括毛坯的几何参数、模具的几何 参数、板料的性能参数、工况参数、成形装备的性能参数等 2 1 。一般认为，在成形过 程中除成形装备的性能参数( 如冲制力、冲压速度、压边力等) 可以调节之外，其余 的均是定常的。因此，对板料在成形过程的控制，只有通过控制一些可变参数( s 0 控 制成形装备的性能参数) 来保证或提高零件的质量，而这些可变参数中最活跃的因素 之一就是压边力的控制。压边力( b l a n k h o l d e rf o r c e ，简称b h f ) 是压料板作用于 板料，使板料在模具和压料板之间产生摩擦力，以增加板料的拉应力，控制材料的流 动，避免起皱。一般来说，压边力过小，无法有效地控制材料的流动，板料容易起皱； 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。因此，压边力是拉深成形的 重要工艺参数，对拉深过程的控制，主要就是对拉深过程中的压边力的控制。即使是 带有拉延筋或拉延埂的汽车覆盖件等复杂零件的成形，压边力的控制也是零件成形质 量的重要保证，故压边力的控制技术至今仍是人们的研究热点之一。本文所要解决的 就是液压机的压边力控制问题。 1 2 压边力控制的国内外研究现状 1 2 1 压边力对成形性能影响的研究 在板料冲压成形过程中，压边力是影响冲压件起皱和破裂的主要因素。 德国的e d o e g e 、n s o m m e r 及美国俄亥俄州立大学的t a l t a n 【3 】等通过实验研究， 指出任一拉深件均存在最优恒定压边力。但采用最优恒定压边力作用时，有时并不能 满足实际生产的要求。 意大利巴勒莫大学的l f r a t i n i 和e m i c a r i 【4 】进行了大量的模拟和实验，对不同材 料和拉深比的轴对称件在不同压边力变化方式下进行成形性能研究，得出选择恰当的 渐增的压边力变化方式可以使拉深深度最大的结论。 l 绪论硕士论文 俄亥俄州立大学的m a a h m e t o g l u 和t a l t a n 【5 】在仿真与实验分析中，成功地用 递减模式压边力将直径为3 3 0 2 m m 的热浸镀锌钢板拉深到高度为1 5 9 r a m 的圆筒形 件，拉深高度是采用恒定压边力时拉深成形最大高度的两倍多。 新加坡的s t h i r u v a r u d c h e i v a n l 6 】以铝板、铜板杯形件拉深为例，在实验的基础上 得出采用变压边力形式将有利于提高圆筒形件的成形质量，降低了拉延开始时的拉裂 危险性，消除起皱时所用的最大压边力比采用恒压边力所需最大压边力要小，并且杯 壁部分的减薄量小于恒定压边力作用时的减薄量。 h i r o s e l 7 1 等人用线性组合压边力曲线，通过对车身覆盖件成形起皱情况的研究， 得出了渐增式压边力可以有效抑制起皱的出现，而渐减式压边力对抑制起皱效果不明 显的结论。 以上研究结论表明，渐增式压边力变化对提高冲压件的成形性能有利。但是，许 多研究人员的研究结果和以上的结论并不一致，他们的研究结果发现下降式的变压边 力可以提高成形性能。 r k e r g e n 和p j o d o g n e t 乳9 1 介绍了一种计算机控制压边力和凸模力的压力机，并通 过实验研究了钢板圆筒形件拉深情况，提出初始压边力设置较高，然后进行闭环控制， 将显著提高圆筒形件的极限拉深比。 a z u n a r ik i r i l l l 0 】等人通过对一钛合金汽车外覆盖件施加不同形式的压边力试验发 现渐减式压边力为最优压边力形式。初始时设置较大的压边力是为了阻止多余材料流 入凹模。然后慢慢减小压边力，使得材料贴合凸模型面，这样获得的外覆盖件既不开 裂也不起皱，表面质量较好。 k i r i i 等人【1 1 1 用不同的线性和线性组合压边力方式对板料进行实验，得出下降压 边力方案为最优，因为它可以消除拉深件的断裂和起皱，并能获得较好质量的成形件。 a h m e t o g l u 等人i 钉对渐减式压边力曲线进行了进一步的实验研究，他们用铝合金 2 0 0 8 t 4 进行方形盒拉深，实验和有限元分析的结果表明，从较大的压边力逐步减少 到仅能消除起皱的恒定压边力的变化曲线能显著减小法兰起皱的高度，并且可以避免 较大的恒定压边力所造成的断裂。 在国内，变压边力对成形性能的研究也逐渐起步，取得了一些理论成就。上海交 通大学模具c a d 工程中心的王东哲、娄臻亮等人1 1 2 1 利用d y n a f o r m 软件，以渐减式 及“v ”型的变压边力对方盒形件进行模拟分析，得出了“v ”型压边力有利于提高成形 性能的结论。 1 。2 2 压边力控制方法的研究 压边力的控制技术是零件成形质量的重要保证。因此各国学者都尝试来寻找一种 较优的控制策略和方法。m a n a b ek t l 3 i 等学者给出一个闭环的自适应变压边力控制技 2 硕士论文板料拉深成形压边力控制研究 术，由人工神经网络( a n n ) 和弹塑性理论预测出加工过程中的变压边力，同时给出了 变压边力控制的流程图，在文献 1 4 】中m a n a b ek 等学者又给了一种新的控制系统， 控制的模型是基于压边力和冲制速度的选择开关模型，算法是利用了模糊控制策略， 实验验证的结果是使用这种控制系统生产率可以提高近2 5 。 c h e n g w e ih s u 1 5 】等提出了基于跟踪参考冲制力策略来调整加工过程中的压边 力来保证工件的质量，在过程控制中的主要问题包括工艺控制器和参考冲制力曲线设 计，也用实验验证了此方法的可行性。 孙成智等【l6 l 就薄板成形过程中变压边力的优化技术介绍了国内外的主要研究方 法，同时也讨论了变压边力优化技术的发展方向。 谢晖等【1 7 】通过c a e 仿真计算，对成形过程中某些时刻板料的稳定性进行数值化 描述，直接以板料上某些关键点( 如最易失稳处) 的稳定值作为输入参数，运用r b f 神经网络方法进行压边力的优化，可以得到整个冲压过程的压边力最优控制曲线。 赵军等【18 】研究了轴对称薄壁零件深拉深的智能控制技术并给出了控制原理图， 如图1 2 1 所示。在对轴对称零件拉深的智能控制技术研究的基础上，马瑞【l9 】又对盒 形件等零件进行了智能控制方面的研究。 压力机及 数控压边 拉深装置 压力传感器 位移传感器 比 例 脉 冲 值 动 态 应 变 仪 电压 信号 限压器 蓁怔薹r _ 七 a d - ii 嚣 图1 2 1 智能控制原理图 高裕等1 2 0 l 详细叙述了压边力智能控制系统的架构，完成了在不同模具参数、毛 坯几何参数、材料性能参数、工况参数下圆筒轴对称零件的拉深过程变量的采集建库 工作，并提出将之应用于复杂零件拉深成形变压边力自适应控制过程。 b e n n ye n d e l t 等【2 1 l 提出了以状态空间理论与非线性有限元模型及非线性智能优 化策略控制深拉深过程，这种方法有别于传统的基于专家系统、数据库、响应面法和 神经网络的方法。 西北工业大学的谷宇等 2 2 1 介绍了盒形件变压边力成型控制系统的构成和 r s _ 2 3 2 的通讯技术，并用v b 6 0 编程实现了盒形件变压边力成型中变压边力的控 l 绪论 硕士论文 制。 上海交通大学的朱伟等【2 3 1 针对板料拉深成形系统中的变压边力液压控制动态性 能和稳态精度较差的难题，建立了一个基于模糊p i d 自适应调整的液压模糊控制模 型，并借助m a t l a b 仿真得到了控制参数的优化模糊查询表，最后结合实际板料拉 深系统，选取了两种变压边力加载模式进行实时变压边力模糊控制应用效果验证。通 过对比验证，使整个系统动态性能和稳态精度得到了有效提高。 1 2 3 压边力控制装置的研究 压边力的控制技术发展要求压边力的控制装置也要随之改进，使得压边力的控制 装置更加柔性化。分块压边使得传统的压边面临着巨大的挑战，1 9 9 3 年，德国斯图 加特大学的s i e g e r tk 等【2 4 1 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。他们提出了分段压边概念f 2 5 1 ：在 盒形件拉深成形时将压边圈分成8 个部分，4 个直边段和4 个圆角段，每一段压边圈 都由独立的液压缸控制，可以根据成形的需要，加载不同的压边力，实现随位置变化 的变压边力控制，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。 a h m e t o g l u m u s t a f a a 等【2 6 1 提出了多点控制压边力，使之成为时间和行程的函数， 来提高非对称零件的拉深性能，并用实验装置进行了实验分析。 孙成智等【2 7 i 对随位置变化的变压边力作用下的矩形盒件的拉深过程进行了数值 模拟，研究了不同部位压边力变化对成形的影响。研究表明，分段压边圈可以有效控 制各部分的材料流动，提高成形性能。 2 0 0 4 年t e t s u y ay a g a m i 等1 2 8 1 日本学者用3 6 块压边块，每个压边块由3 个液压 缸独立驱动，也就是共有1 0 8 个压边单元分布在法兰边，控制着材料的流动。因为压 边单元多，所以可以柔性控制任意形状的零件成形。文献中以一个方盒形的零件对试 验装置进行了验证，取得了满意的效果。 秦泗吉1 2 9 1 提出了伺服数控压边的方法，并对其可行性进行了探讨，同时设计了 数控压边装置。 江苏大学陈炜等3 0 1 研制了一种变压边力和变冲压速度的单动薄板液压试验机， 此发明主要应用于钢板、铝板等薄板材料来冲压成形复杂拉深件的场合，也可应用于 车身覆盖件的小比例模拟件进行试验的场合，该试验机以上滑块位移为自变量，根据 预设工作曲线，由压力传感器和速度传感器实时采样压力数据和速度数据供p l c 控 制器进行闭环控制，实现在1 5 0 k n 一1 2 5 0 k n 范围内连续改变压边力和在4 _ - 2 0 衄彬s 范围内调节冲压速度：采用此装置可以很好实现复杂拉深件成形过程中的压边力变化 和上滑块冲压速度变化，从而控制板料流动的方向和大小，薄板应变速率，最终得到 4 硬士论文 援科拉湃赢鞋压边力控制研究 符台成形质量要求( 破裂、起皱、回弹、刚性不足等缺陷控制在误差范围内) 的复杂 拉深件。 上海交通大学林忠钦等即发明了一种多点变压边力液压压力机，用于板辩成形 领域。如图1 2 2 所示。此液压机包括：主缸、横粱、滑块、立柱、液压拉深垫机构、 底座、工作台，主缸固定在横粱主缸的活塞和滑块相连，滑块沿着立柱上下滑动， 液压拉深垫机构设置在工作台下部，底座支撑着以上部件，液压拉深机构包括接杆、 若干压边缸、项升缸、底板、下拉杆、拉深垫板、顶出杆。此发明的优点是在压力机 下部安装若干个独立控制的压边缸，通过拉深垫扳，对压边圈不同部位施加不同随时 间变化的变压边力，从而能在冲压成形过程中，按照工艺条件和设计者的要求随行程 和位置精确控制压边力，从而极大地提高板料成形性能，增加冲压件尺寸稳定性，为 提高冲压件的尺寸奠定了基础。 l 主缸2 糖粱3 滑块4 立柱s 渡压拉深垫机构6 若干压边缸7 项升缸 8 工作台9 底扳l o 下拉杆1 l 拉深垫板1 2 顶出杆1 3 3 1 作台1 4 顶出杆 图12 2 多点变压边力液压机 天津市天锻压力机有限公司刘风岚m 提供了一种液压机拉深压边力精密控制装 置，如图1 2 3 所示。其特点是：在液压机下横粱中心孔内的可升降的液压垫一俩的 下横粱中心孔壁上安装有由p l c 控制的多点数晃的光栅式位移传感器及其控制顶出 油缸和液压垫油缸运动的液压控制装置。这套装置解决了在拉深过程中压边力随行程 变化的难题，提高了工件拉伸质量。 i n u n l 绪论硕士论文 l 下横梁2 多点光栅式位移传感器3 液压垫4 液压垫油缸5 顶出油缸6 控制泵来油 7 电磁换向阀8 液控单向阀9 单向节流阀l o 比例阀1 1 电磁球阀1 2 单向阀1 3 安全阀 1 4 主阀来油1 5 换向节流阀1 6 换向阀1 7 溢流阀1 8 压力传感器1 9 压力表 图1 2 3 一种液压机拉深压边力精密控制机构 1 2 4 压边力控制技术存在的问题及发展趋势 1 2 4 1 存在的问题 尽管压边力的控制技术取得了很大的进展，但由于板料成形是一个非常复杂、强 非线性及各因素强耦合的过程，很难得到一个精确的压边力控制模型。目前，还存在 下面一些问题： ( 1 ) 变压边力控制薄板拉深成形过程可以提高零件的成形质量，但对于不同的材 料和当成形零件几何特征不同时，究竟是采用渐增形式的变压边力，还是采用递减形 式的压边力或其他的加载模型，并没有统一结论，研究者没有提出基于压边力控制改 善各种零件成形质量的普遍规律，研究成果还不能直接应用于形状复杂零件，迫切需 要一个更为精确的定量分析的压边力控制模型。 ( 2 ) 压边力对成形性能改善的研究主要集中杯形件和盒形件的理论分析、模拟和 实验。对复杂成形零件，现在研究还不深入，同时对确定最佳的压边力还缺少一种有 效的优化方法。 ( 3 ) 复杂零件拉深成形时，压边力随行程和位置变化，两者联合的变压边力控制 技术研究还刚刚开始，而这正是理论研究和生产实际的结合点，是迫切需要解决的难 题之一。 6 硕士论文板料拉深成形压边力控制研究 ( 4 ) 随着对压边力的深入研究，压边装置也在不断改进，传统的压边装置已不能 对压边力进行精确的控制，新的柔性压边装置急待研究和设计制造。 ( 5 ) 当板料成形时间非常短且压边力随凸模行程和随压边位置变化时，如何精确 控制各分块压边区域的材料流动及分析分块区域间的材料相互之间如何影响等问题， 还没有进行深入研究1 3 3 1 。 1 2 4 2 发展趋势 未来各种成形板料( 如高强度钢板、铝合金板等) 和新工艺板料( 拼焊板等) 将越来 越多地被使用，因为这些材料的成形性能差、回弹大，故压边力控制技术对改善这些 材料的成形性能、提高成形精度的作用将越来越明显。压边力控制技术将在下面的几 个方面得到进一步的发展： ( 1 ) 压边力对复杂的成形零件成形性能的更为精确的定量描述； ( 2 ) 基于灿技术和现代控制及优化理论的压边力控制策略； ( 3 ) 压边力随时间( 凸模行程) 和压料位置的多点控制理论； ( 4 ) 更为精确的数值模拟技术； ( 5 ) 柔性数控压边装置。 1 3 论文研究内容及组织结构 论文以课题组的产、学、研合作项目为背景，开展了深拉深液压机的开发和研究， 在本项目的研究中，本人主要负责液压机压边力控制环节的研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 液压机压边力控制系统的总体结构设计； ( 2 ) 压边力液压系统设计； ( 3 ) 压边力控制系统的控制策略； ( 4 ) 压边力控制系统的实现技术。 全文共分6 章，图1 1 3 1 给出了组织结构图。主要内容包括： 第一章阐述了论文的背景和意义，从压边力对成形性能的影响、压边力控制方 法、压边力控制装置、压边力控制技术存在的问题和发展趋势四个方面分析了压边力 控制的国内外研究现状，结合课题背景，提出了本文的研究内容和组织结构。 第二章针对具体的液压机，设计了压边力控制系统的总体结构，从液压动力元 件、液压系统特点、液压控制油路、液压元件选型四个方面分析了压边力液压系统。 第三章针对压边力液压系统的特点，提出模糊p i d 控制策略，研究了p i d 控制 算法和模糊算法理论，结合实际情况设计了压边力模糊p i d 控制器。 第四章通过分析计算给出了压边力控制大致的数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 中，搭建了系统控制模型，利用模糊控制工具箱设计了模糊p i d 控制器，通过仿真分 硬论主 析比较了传统p i d 控制和模糊p i e 控制的控制效果 第五章从硬件结构、硬件选型、p l c 功能设计、上位机监控系统开发等方面研 究了压边力控制系统的实现技术。 第六章对本文研究内容进行了总结，并对未来的工作进行了展望。 | | 筐蚕湍挚f 冀霸攀 薯2 ：莓制系蓼总体结构和毒要拣乓系统分j i i f ：二一i & e l t卜j 。、。，i _ 控制e # # l 鬻| 1 。i e * 自i * 镕自 i4 ? e i # | j ? ” e * “g * ” i 。i - 尊3j 盏力模糊p i d 撞制；驻许：囊j 二 、 p 础“# 镕* * # # # ”目 i 。_ 一 # d 8 t * 自$ l 、。一 l “# 舭系现伢晁”耵。“l 锄一。、“ # a 女 l 尊“誊，弗i | 。“5 ”! 凳鬈：妥隧臻藩 ! 鬟管鎏赫貔 蘩簌! l 辫 d g # 目$ ” l 嚣嚣譬薯 h c b * * i 臻、一鬈 n n n 月月 + 群“i 7 0 i? s 氇鬻蘩爹爹 图i3 1 论文的组织结构 硕士论文 扳料拉深威形压边力控制研究 2 压边力控制系统总体结构和主要液压系统设计 2 1y j 2 8 e - - 1 0 0 0 1 6 0 0 q 液压机概述 y j 2 8 e - - - 1 0 0 0 1 6 0 0 q 液压机主要用于金属薄板拉深与塑性材料的压制加工，如冲 压、弯曲、翻边和金属零件挤压等。该机具有多种工艺功能，可用于汽车车身零部件、 覆盖件、制动片、油箱、底盘、桥壳、保险杠等金属零件的拉深、弯曲、翻边、冲孔、 修边、成型等多种成形工艺，特别适用于轿车和乘用车车身倒围、顶盖、地板、发动 机罩、翼子板、五个门内外扳等大型覆盖类冲压件的落科、拉深、修边冲孔、翻边整 型等冲压工艺模具的生产，同时具有模具的微动对模、试压的功能，能够满足单动、 双动等工艺要求。配合液压垫工作选择，能实现正拉深、反拉深、复合拉深、二次拉 深等多种成型工艺，该液压机如图2 1 1 所示。 图21ly j 2 $ f 一- 1 0 0 0 1 6 0 0 t 液压机 液压机的主要技术规格如表21 1 所示： 表2 li 成形机的主要技术规格 2 压边力控制系统总体结构和主要液压系统设计 硕士论文 续表2 1 1 成形机的主要技术规格 该液压机由机身、主油缸、压边缸、滑块( 内、外滑块) 、液压垫、液压垫缸、移 动工作台、移动工作台升降装置、滑块锁紧装置、移动台路轨、液压张紧装置、液压 系统、电气系统、维修台、基础等十五大部分组成。分为主机、液压系统和电控系统 三大部分，可实现操作的集中控制和移动控制。电气部分采用p l c 控制，并设有按 钮箱实现集中控制；液压部分主要由油泵、电机、液压阀、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，驱动液压机完成工作工艺，如：滑块快下、 主缸加压、主缸保压、压边缸加压、压边缸保压、滑块回程等。 该液压机的主要工况分为单动和双动拉深，单动拉深时只有主缸作用，其工艺流 程如图2 1 2 所示，双动拉深工作状态下的工作方式包括复合拉深、正拉深带顶出、 正拉深不带顶出三种工艺形式，图2 1 3 给出了正拉深带顶出的工艺流程图。 1 0 硕士论文 板料拉深成形压边力控制研究 压边圈就位 拉深梁快速下行 拉深梁慢速下行 压边缸加压 压边缸保压 l 主缸慢速加压i l 1 二一 豳 ， 拉深梁慢速回程 拉深梁快速回程 拉深梁慢速回程 设备回到原位 图2 1 2 单动拉深工艺流程图 图2 1 3 正拉深带顶出工艺流程图 2 2 压边力控制系统的总体结构 根据液压机压边力控制的功能需要，设计该液压机的压边力控制系统，整个控制 系统应该具有以下功能： ( 1 ) 动作执行和状态指示功能 完成液压机的启动、暂停、停止等动作，并且对应相应动作有指示灯显示进入了 当前动作状态； ( 2 ) 实时监控功能 可以实时监控液压机的压力、压边力、行程、油温等方面的状态； ( 3 ) 参数设置和修改功能 能够针对具体工件对压边力工艺参数进行设置，并且根据不同的工件修改工艺参 数： ( 4 ) 数据处理功能 能够对系统压边力的工艺参数进行存储和修改，并能对各种参数进行查询、打印 和记录； ( 5 ) 传感器标定功能 由于压边力的压力信号是由压力传感器采集，并通过d a ，a d 转换并控制相关 2 压边力控制系统总体结构和主要液压系统设计硕士论文 的液压执行元件实现对压边力的控制，而压力传感器和液压执行元件的性能随时间和 环境会有所不同，所以必须定期对控制系统进行传感器标定； ( 6 ) 控制算法实现功能 能够方便地对系统控制算法的控制参数进行设计和修改，以便达到最好的控制效 果： ( 7 ) 故障报警处理功能 当液压机出现过载、超程、油温高、液位高等故障时，以不同的形式进行报警与 提示，以提醒操作人员做出相应的故障处理。报警方式包括屏幕显示报警、打印报警 和声光报警等多种形式； ( 8 ) 上下位机通信功能 能够根据相应的通信协议，实现上位机与下位机之间的实时通信，以控制整个系 统完成相应的工艺。 以上即为整个控制系统的主要功能，在满足以上要求的情况下，就可以运用以上 功能在液压机拉深过程中根据行程对压边力进行有效的控制。 根据以上的要求，本控制系统采用p l c 和工控机两级控制，其中工控机作为上 位机，p l c 为现场控制级。p l c 负责按钮、行程开关和其他开关量信号的输入，以 及发出信号去控制接触器、继电器、比例阀的放大板等电气元件，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。工控机主要作 用是对系统的工作参数进行设定和修改、实现控制算法、自动控制工艺过程、在线监 视系统工况、进行信息交换等工作。工控机通过串行口与p l c 相连，进行相互通信， 所以工控机是通过发出命令去控制p l c 的运行以达到进行控制的目的。另外，控制 系统设有手动功能，由p l c 实现，手动控制能够完成系统的基本动作，对输入要求 不高，能够在工控机发生故障时继续工作，保障系统与人员安全。 系统的压边力主要由拉深深度确定，为了实时测定拉深深度，在机床右立柱内侧 安装有位移传感器用于进行行程检测，在拉深行程中，传感器将拉深深度的实时数据 通过p l c 送到工控机中，由工控机根据位移情况实时发出命令让p l c 完成压边力的 控制。 为了实现压边力的闭环控制，本机器还安装有压力传感器，能够比较准确地测定 压边力和拉深力的实时信息，它们的实时数据也通过p l c 送到工控机中，通过监控 可以随时了解整个拉深过程中拉深力和压边力的信息，p l c 则可以实现压边力的闭环 控制。 整个压边力控制结构如图2 2 1 所示。由于研究只涉及压边缸的施力，故简化了 液压机模型，没有给出所有部件。 1 2 硕士论文 板料拉深成形压边力控制研究 压边 图2 2 。1 压边力控制结构图 2 3 液压系统动力部分机构及主要参数确定 确定液压动力部分的结构是指确定液压机工作主缸的个数及其主体结构形式，以 及压边缸、液压垫缸、项出缸的个数和形式等。此液压机主缸采用一个活塞缸和两个 柱塞缸作为主动力元件，当活塞缸和柱塞缸上腔进油时，为工作行程；而当活塞缸下 腔进油时，实现滑块的返程。压边缸设置在上横梁的四周，利用活塞缸的上下腔进油 实现压边滑块的工作和返程。液压垫缸为两个柱塞缸，用于在工件拉深过程中提供液 压垫力。顶出缸用于在整个拉深过程结束后项起工件以便取件。整个液压动力部分结 构如图2 2 1 所示，其中液压垫缸和项出缸没有给出。 压边活塞缸拉深柱塞缸拉深活塞缸拉深柱塞缸 压边活塞缸 图2 3 1 液压动力部分结构 通过液压动力部分的主体结构，结合前面给出的成形机技术规格可以通过计算确 定动力部分的主要参数： ( 1 ) 选择系统压力 系统压力是否选择合理，直接关系到整个系统设计的合理程度。在液压系统功率 一定的情况下，若系统压力选得过低，则液压元、辅件的尺寸和重量就增加，系统造 2 压边力控制系统总体结构和主要液压系统设计硕士论文 价也相应增加：若系统压力选得更高，则液压设备的尺寸、重量和造价会相应降低。 但系统压力过高，对制造液压元件的材质、密封、制造精度等的要求也要提高，系统 效率和使用使命也会下降。 根据前面的成形机技术规格可知，系统压力为：p = 2 5 m p a 。 ( 2 ) 计算拉深缸尺寸 本液压机设计的拉深力为1 0 0 0 0 k n ，由一个主缸和两个侧缸共同产生此压制力。 主油缸为活塞缸，提供主要压制力，设定为5 0 0 0 k n 。在压制时，无杆腔进油， 有杆腔排油，只考虑无杆腔，忽略滑块的自重和摩擦力， 有f = p x a 而 彳：x d 2 4 故有 d 一接瑚4 乃删 其中，f 为压制力，p 为系统压力，a 为主缸无杆腔面积，d 为活塞缸无杆腔 直径。 经过圆整，取d 为5 0 0 m m 经过选型，主缸活塞缸尺寸确定为巾5 0 0 4 3 0 m m 提供压制力的两侧缸为柱塞缸，同主油缸一起提供压制力，设计两侧缸共同提供 5 0 0 0 k n 的压制力，则 f = 2 x p x a 根据彳：孚 有 。肚摇划6 州删 其中，为压制力，p 为系统压力，么为柱塞杆面积，d 为柱塞杆直径。 经过圆整，取d 为3 6 0 m m ( 3 ) 计算压边缸尺寸 本液压机设计压边力为6 0 0 0 k n ，由四个柱塞缸来共同提供，原理同主缸。 忽略滑块自重和摩擦力，则有f = 4 x p x a 上式中，f = 6 0 0 0 k n p = 2 5 m p a 1 4 硕士论文板料拉深成形压边力控制研究 经计算， 么= 石f = 罢器一o 渤2 又有 爿= 簪 则 ，瓜 拈i 其中，f 为压边力，p 为系统压力，4 为压边缸无杆腔面积，d 为压边缸缸无杆 腔直径。 经计算d = 2 7 6 4 7 r a m 圆整取d = 2 8 0 r a m 经过选型，压边缸尺寸确定为4 2 8 0 2 6 5 m m ( 4 ) 计算液压垫缸尺寸 本文设计液压垫力为4 0 0 0 k n ，由两个柱塞缸来提供此力，参考提供压制力的侧 缸公式，有 肚拦q 拽2 3 删 其中，f 为液压垫力，p 为系统压力，d 为柱塞杆直径。 经过圆整，取d 为3 2 0 n n n ( 5 ) 计算顶出缸尺寸 顶出缸在整个液压机中的作用是在整个拉深过程结束后顶起工件以便取件，其顶 出力设计为8 0 0 k n ，顶出缸为一个柱塞缸，根据计算公式，有 肚接划咖所 上式中，为顶出力，p 为系统压力，d 为顶出缸无杆腔直径。 经过圆整，取d = 2 0 0 m m 经过选型，顶出缸尺寸确定为d p 2 0 0 1 5 0 m m 2 4 压边力液压系统特点 本液压机属于高压大流量的系统，为了提高机器运行的可靠性和稳定性，在液压 控制方面采用先进的两通插装阀系统。 二通插装阀具有一系列独特的优点，如结构紧凑、工艺性好、流动阻力小、通流 能力大、响应快、抗污染能力强、工作可靠、寿命长、密封性好、效率高等。因此， 1 5 2 压边力控制系统总体结构和主要液压系统设计硕士论文 这种阀的出现在很大程度上满足了液压技术发展的需求，同时得到了世界各国普遍的 重视，发展异常迅速。 二通插装阀无论从结构原理上还是从控制机能上来看，与其它传统的液压控制阀 都有很大的差别。二通插装阀液压系统与通用的滑阀系统相比，在结构形式上显然是 不同的，其设计方法也不一样。 二通插装阀作为系统基本工作单元具有两个重要的特征：一是组合化，二是多机 能化。它由主级和先导级二部分组成。作为直接控制工作液流的主级一插入元件的结 构很简单，只有两个工作口，它的工作状态是先导级控制的，只要配置不同的先导元 件和改变连接形式，即可实现各种不同的方向、压力、流量控制等功能，应用十分灵 活。所以，系统主级的结构设计比较简单，变化也不大，而先导级的结构设计却是比 较复杂的，变化也大，是二通插装阀液压系统的关键所在。 二通插装阀作为系统的基本控制单元是以液压执行机构的基本工作单元一单个 工作腔作为控制对象的。一个复杂的液压系统可能包含多个执行机构，而且要有多个 复杂的动作和功能要求，但是如果从每个单个工作腔的工作情况来分析的话，无非是 要求控制它的液流方向、压力和流量这三大参数。所以，在二通插装阀系统中就以单 个工作腔的复合控制作为设计的出发点。 二通插装阀液压系统总是以插装阀式连接，以集成化的形式出现，且不受压力和 通径的限制畔l 。 为了提高液压系统的可靠性和抗干扰性，同时防止泄露的产生，阀门的选型上采 用了叠加式安装，管路上采用了集成块的设计。用集成式液压元件组成液压系统时， 不需另外的连接块，以自身的阀体作为连接体直接叠合而成。它具有以下的特点： ( 1 ) 液压系统结构紧凑，安装方便，装配周期短； ( 2 ) 若液压系统有变化，改变工况需要增加元件时，组装方便迅速； ( 3 ) 元件之间实现无管连接，消除了因油管、管接头等引起的泄露、噪声和振动； ( 4 ) 整个系统配置灵活，外观整齐，维修保养容易； ( 5 ) 标准化、通用化和集成化程度高。 2 5 压边力液压系统分析 2 5 1 压边力液压油路 实现压边力的液压部分主要由单向阀、溢流阀、节流阀、换向阀、压边油缸等组 成，其整体油路如图2 4 1 所示。 1 6 硕士论文 板料拉深成形压边力控制研究 图2 4 1 压边缸受力的液压整体油路 从图中可以看出，整体油路控制4 个压边缸同时作用，以完成液压机的压边力的 加载和随行程变化的要求。 根据压边力的整体油路，下面分析在液压机工作过程中的油路的通断情况： 在压边缸随滑块快下时，y a l ，y a 3 ，y a 4 ，y a 6 得电，由于滑块自重，压边缸上腔 油液由油箱直接补充，达到滑块快下的目的；当滑块到达指定位置时，b y 得电，压 边缸开始施力，这时b p 得电，控制压力传感器与上级控制系统对压边力的大小进行 闭环控制；当整个加工完成后。y a 6 ，y a 7 得电，压边缸卸压；卸压完成后，y a 2 ， y a 6 ，y a 7 得电，压边缸回程；当需要进行微动对模时，y a 4 ，y a 5 得电。 2 5 2 压边力控制关键元件选型 本文需要随行程控制压边力的大小，而电液比例阀部分是控制压边力大小的关 键。电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入电压信号产生相应动作，是工作阀芯产生 位移，阀口尺寸发生改变并以此完成输入电压成比例的压力、流量输出的元件。阀芯 位移也可以以机械、液压、电的形式进行反馈。由于电液比例阀具有形式种类多样、 容易组成使用电气及计算机控制的各种电液系统、控制精度高、安装使用灵活以及抗 污染能力强等多方面优点，因而应用领域日益扩宽。而本文采用的插装电液比例阀充 分考虑了液压机的使用特点，具有先导控制、负载传感和压力补偿等功能，将提高整 个压边力控制的精度。 经过研究讨论，选择了意大利a t o s 公司的l i r z o 型比例溢流阀。该阀最大调 1 7 2 压边力控制系统总体结构和主要液压系统设计 硕士论文 节压力3 1 5 m p a ，根据输入电信号调整压力，信号响应时间为8 0 1 7 0 m s ，滞环小于 o ，5 ，线性度1 ，重复精度o 2 。 2 6 本章小结 本章在介绍液压机整体构成的基础上，分析设计了压边力控制的整体结构。在通 过计算确定了液压机动力部分的主要参数后，介绍了压边力液压系统特点，最后分析 了压边力液压系统控制油路，并对控制压边力大小的关键部件电磁比例阀进行了选 型。 1 8 硕士论文板料拉深成形压边力控制研究 3 压边力模糊p i d 控制器设计 3 1 引言 传统的液压系统大都采用p i d 控制技术，它具有结构简单、可靠、稳定等优点， 但不能有效克服负载、模型参数大范围变化等非线性因素的影响，因而在高性能、高 精度的场合不能满足要求。液压系统本身又属于多变量、非线性时变系统，常因油温， 负载等因素的变化使输出不稳定，而且由于许多非线性环节如死区、摩擦和滞环等又 是未知和时变的，很难建立精确的数学模型，因而基于p i d 控制算法的控制器很难获 得满意的效果1 3 9 1 。 同时，由第二章的分析可知，对于本文研究的液压机来说，压边力控制需要四个 压边缸同时作用，为了保证加工的精度，必然要求四个液压缸在一定范围内同步运动， 这样又产生了多缸同步控制的问题。对于液压机的压边缸同步系统，要使各个缸严格 同步，则要求每个缸的各个参数完全相同，且每个缸的尺寸也完全一致。而实际加工 及安装中无法保证各个缸尺寸完全相同，另外，实际加工工况也很难使输入每个液压 缸的流量、外负载力、液压缸的泄露系数等保持一致。所以，必须从同步系统的油路、 控制策略、控制算法上入手，抵消或减小由于以上参数不一致所引起的误差，使各个 压边缸的运动保持在一定的同步精度范围内。 基于以上的原因，本文在控制算法上采用模糊p i d 算法进行控制。模糊控制器作 为一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象精确的数学模 型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由表决定控制量的大小。将模糊控制 和p i d 控制器两者结合起来，扬长避短，即具有模糊控制灵活而适应性强的特点，又 具有p i d 控制精度高的特点。这种f u z z y - p i d 复合控制器，将对整个压边力控制系统 控制精度予以极高的保证。 3 2p i d 控制算法 3 2 1p i d 控制简介 p i d 控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一。多年以来，在生 产过程的自动控制领域，按照偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 进行控制的p i d 是历史最久、生命力最强的基本控制方式。由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被 广泛应用于工业过程并取得了良好的控制效果。在2 0 世纪4 0 年代以前，除在最简单 的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。随着科学技术的发展特别是计算 机的诞生和发展涌现出许多新的控制方式，然而直到现在，p i d 控制由于它的自身 1 9 3 压边力模糊p i d 控制器设计硕士论文 的优点在工业控制中仍然得到广泛的应用。 p i d 控制具有以下几个优点1 3 5 1 ： ( 1 ) 原理简单，使用方便，易于实现； ( 2 ) 适应性强，广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸建材等各种生产部 门； ( 3 ) 鲁棒性好，稳