（机械电子工程专业论文）高速转塔冲床电液控制系统研究.pdf

摘要 冲压成形是现代制造业中高速发展的重要技术，是广泛应用于汽车、电子、仪表、 电器等行业的先进金属加工方法之一。高速数控转塔冲床( 高速数控冲模回转头压力机) 是应用于高端压力加工的设备。目前我国的高速数控转塔冲床的核心部分高速液压驱动 系统是从国外进口。 采用电液伺服阀控制的压力机驱动系统具有响应快、控制精度高的优点，但它也具 有成本高、能耗大、抗污染能力差的缺点。 本课题所研究的液压系统采用高速开关阀作为先导阀控制二通插装阀构成复合十 二位四通阀，选取其四种机能位置进行冲压油缸控制，具有成本低、控制输出速度高、 油路相对简单的特点，为高速转塔冲床液压控制开辟了一条新路。此复合阀应用于数控 转塔冲床控制，目前未检索到相关文献报道。 本文的主要研究工作包括：根据系统性能的要求，在分析和比较多种方案的基础上， 确定了复合阀的控制方案；建立了所选方案系统回路数学模型，使用m a t l a b 的s i i 肌l i l l k 仿真软件包建立系统仿真模型；进一步对系统各阶段的位移、速度和油缸上、下油腔压 力进行了仿真实验；根据仿真结果，分析了冲压周期中的各阶段工况工作特性，初步确 定了影响系统冲压速度的关键因素给出相应的设计、参数确定原则。 最后参考国外成熟实用化系统提出了系统的改进意见。 论文为高速转塔冲床的液压控制提出了新方法，具有较好的实用前景。 关键词：转塔冲床高速开关阀二通插装阀电液控制 童三! 竖耋三耋堡圭耋堡篁三 a b s t r a c t p i s sf o m l a d o ni so n eo ft l l em o s ta d v a i l c e ds h e e tm e t a lp r o c e s s i n gm e m o d sl nm o d e m m a i l u f 配t i l r e r a p i dn c 眦tp u n c hp r e s sw a su s e da sa d v a l l c e dp r e s sp r o c e s se q l l i p m e m f o rt 1 1 e 血n eb e i n g ，m eh i 曲s p e e d h y d m u l i cc o n i r o ls y s t e m ，嬲t h ek e yc o m p o n e n t s t i ur e l i e s o ni m p o r t a d o n ，w h i c hi sn o ts u i tf o r0 1 1 re c o n o i n i cs i m a d o nb e c a _ u s eo fs h o r t c o m i n go f 1 1 i g h c o s t i n c h p r e s s d r i v e r s y s t e mw i me l e c o h y d r 卸l i c s e r v ov a h ee m p l o y e dh a s g o o d c h a r a c t e r so ff a s tr e s p o n d ，l l i g hc o n t m lp r e d s i o n o l eo 伍e rh a i l d ，i th a sd i s a d v a i l t a g e so f h i 曲c o s t ，m eh u g ee n e r g yw a s t ea n ds e n s i t i v et oo i lp o l l u 曲n 硒g hs p c c do n ，o f fs o l c n o i d v a l v ei s 缸e x p e n s i v e ，s i r n p l ei ns 仇l c t i l r ea i l dn o ts e n s i 廿v et oo i lp 0 1 l u d o nc o i p a r e 、】l ，i 出s e n r o v a l v e ，a l t l l o u g hi t h a ss h o 疵。础n go fs m a l ln o wr a t e c a r t r i d g ev a l v eu s e2w a ys i n 酉e d i r e c d o n a lc o m p o r l e n t sa sm a i nv a l v ea 1 1 du s ep i l o tc o n 扛o ia n dp l u gi i lc o i l i l e c 垃o n ，w h i c hh a s a d v a n t a g e so fs m a nl e a k i i l e s s ，s m a l ln o wr e s i s t a n c e ，f a s tr e s p o n d ，m a s sf l o wr a t e ，e 船yt 0 c o n 廿o lb yp i l o tv a l v ea i l de a s yt oi n t e g r a t e t h e s ef e a t u r e sc o m p e n s a t es h o r t c o 面n go fl l i g h s p e e do 舶f ! f s o l e n o i dv a l v e n e c o m p l e x4w a y1 2p o n v a l v e sw 1 1 i c hu s e di i l l i sp r o j e c tt a k eo 舶f rs o l e n o i dv a l v e a sp i l o tv a l v ea i l dc a r t r i d g ev a l v ea sm a i v a l v e ，w h i c hh a v e p r i o 矗t yo f l o w c o s t ，h i g ho u t p u t s p e e d a r l ds i n l p ki nc i r c u i t 4 劬c d o n a l p o n s o fc o i n p l e xv a l v ew e r e e m p l o y e d i n p l l i l c hp r e s sc i r c u i t ，an e ww a y i i l f i e l do f 哪c tp u n c hp f e s sh y 出a u h cc o n 仕0 1w 鹅f o u n db y 也i sw a ya n di l or e l a t e dr e p o n f o u do nm i sk i n do f c o n l p l e xv a l v eu s i n gi nm p i d 眦c tp u n c hp r e s st ou p d a 瞳e t h es t a 吐ca 1 1 a l y s i sa 1 1 dt w os c h e m e so n s y s _ e e m a r ep r c s e n t e df i r s t ，t h e n 血es y s t e mm o d e l i sb u i l ta i l ds i 砌1 a d o ni sc o m p l e t e db yu s m gs i i u l i l l 】( t o o l so fm a a b a sa r e s u l t ，s y s t e m p o s i t i o nc u r v e ，v e l o c i 哆c u r v e ，觚dp r e s s l _ ec u r v e a r eg o 咖 n el a s tp a no ft 量l i sa m d e a n a l y s i sm e s i i n u l a t i o nr e s u n s 趾d g a v ee x p l 趾a l i o n f o r f e a t u r e so f e v e r ) ，s t a g ei nap u n c hc y c l e t h e n r c l a t e d d e s 蟾na n dp 猢e t e r d e c i s i o nr o l e sa r e 百v e n 丘d m m e k e y f a c t o r sw h i c ha f 艳c t 山e p u i l c hs p e e d a t 山ee n d ，b yr c f b r e n d n gw e l lu s e d s y s t e m ，i m p m v e a d v i c e sw e r c g i v e n f o r l es y s t e m k e y w o r d s ：t i l l t e tp u n c hp f e s s ；h i g hs p e e do 曲f ! fs o l e n o i dv 小e ；c a 耐d g e v e h y d 】一e l e c 仃d l l i cc o m r 0 1 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 2 1 世纪的制造业，将由以机器为特征的传统技术时代，向以信息为特征的技术时代 迈进。即用信息技术改造和提升传统产业。经济全球化和世界市场一体化的加速发展， 不断加剧制造商之间的竞争，提出了快速反应市场的要求。与之相适应，制造业对柔性 自动化技术及装备的要求更加迫切。同时，微电子技术和信息技术的快速发展，为柔性 自动化提供了重要的技术支撑，工业装备的自动化、数控化、柔性化呈现蓬勃发展的趋 势。 冲压是现代制造业中高速发展的重要技术，是广泛应用于机电产品，尤其是电子与 仪表行业以及其他各金属加工行业的先进金属加工方法之一。冲压与其他机械加工成型 方法比较具有以下特点：生产率高、生产工艺相对简单、切屑少、冲压后一般无须精加 工处理、材料利用率高、同批工件的重复性精度高、冲压设备实现数控化后易于形成板 材加工柔性制造系统，易于实现生产管理现代化。 先进的冲压设备是冲压技术发展的先决条件。数控回转头压力机是由计算机控制的 板材冲压加工设备，由于它具有高精度、高效率、高自动化、生产成本低，柔性化的特 点，适合于多品种、中小批量生产，因而深受广大用户的欢迎，在国内外得到了越来越 广泛的应用。 高速数控转塔冲床( 高速数控冲模回转头压力机) 是应用于压力加工的高端设备， 能够使金属板材压力加工易于数控化、网络化、柔性化。目前我国的高速数控转塔冲床 的核心部分，高速液压驱动系统是从国外进口，成本高，不适合于我国目前的经济发展 状况。采用电液伺服阀控制的压力机驱动系统具有响应快、控制精度高的优点，但它也 具有成本高、能耗大、抗污染能力差的缺点。 广东工业大学机电液工程智能控制研究室与外单位合作，研制开发高速数控转塔冲 床电液控制系统，有利于提高我国压力加工设备技术水平，降低生产成本。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 板料冲压机床简述 板料冲压是指金属板带在压力机的模具上冲压成各种零件的金属塑性加工方法。一 般冲裁件的板料厚度在1 0 n l i i l 以下，成形件厚度在2 0 m m 以下。对镍铬钢、钛合金和镁 合金等材料，有时为了减少变形抗力，也采用热冲压。板材冲压的生产率高，可实现机 械化、自动化；大批量生产时成本低，产品精度高。 板材冲压有剪切、冲裁、弯曲和拉伸等加工方式。板料的冲压性能用拉伸、硬度、 金相、杯突、冷弯等试验测定。冲压前，除了提供板料的屈服强度、抗拉强度、延伸率 等数值以外，还应提供应变硬化、厚度和平面各向异性等数值。不同的加工方式对以上 数值应有不同的要求，以便取得最好的冲压效果。本文的研究对象是高速数控转塔冲床， 其工作状况以冲切、冲裁为主。 金属板材冲压所使用的压力机从主传动可以分为机械和液压压力机两大类；按机身 形式压力机可以分为开式压力机和闭式压力机；按滑块数量及有无压边滑块和拉伸滑 块，压力机可分为单动式压力机和双动式压力机；机械式冲压机中按滑块的传动机构可 分为曲柄滑块式和多连杆式压力机；按照冲压机的自动化程度可以分为手动控制压力 机、半自动冲压机、全自动冲压机、数控冲压机、柔性板材压力生产线( f m s ) 。 开式冲压机的机身包括c 型、j 型，闭式压力机的机身为门式、框式或四柱式。开 式机身的结构决定了其刚度、强度都要比闭式结构低，相应的冲压过程中的机身变形、 振动、噪声都要大。所以一般采用钢板焊接结构来提高刚度和强度。开式结构占地面积 小，对送料机构的限制小，送料方式灵活。闭式结构的刚度、强度大，冲压变形小，模 具使用寿命长，但体积大，对送料机构的限制多。 液压压力机可再分为单动液压压力机机、双动液压压力机、拉深液压机、高速液压 数控转塔冲床。 高速数控转塔冲床的主传动可以采用机械传动或液压传动，如果使用转塔模具库， 则称为数控液压转塔冲床。转塔式模具库一直是数控冲床模具库的主流模式，这种模具 库结构简单、容量大、模具结构合理、换模迅速、模具装拆方便。数控转塔冲床的冲压 次数一般具有比较高的送料速度和冲压速度，其最高冲压频率在4 0 0 h p m ( h i tp e rm i n u t e ， 每分钟冲压次数) 到1 5 0 0 h p m 。采用液压传动的冲床与一般机械传动冲床相比，具有结 2 第一章绪论 构简单、体积小、成本低、噪声小、工作平稳、易实现过载保护等特点。而且在全工作 行程中，冲剪力均能达到最大值，特别适用于冲裁加工，随着液压技术的发展其工作频 率可与机械冲床相媲美，因此得到用户的欢迎。 液压压力机的从控制系统来分，一般可以分为三类： 1 ，以继电器为主控元件的传统型液压机； 2 以可编程控制器控制的液压机； 3 以高性能微处理器或工业控制计算机结合单片机或单板机进行控制的液压机。 其各自特点是“1 ： 1 继电器控制电路简单，技术要求低，成本低，控制功能简单，适应性稳定性差。 适用于单机工作，加工精度要求低的大量生产。这种压力机产品在国内的拥有量比较大， 为适应新的生产要求，大部分需要向可编程控制器和工业控制计算机控制方式改造。 2 可编程控制器、单片机、单板机控制都是计算机控制的分支，集成了计算机、自 动化、通讯等多方面技术。而可编程控制器因为具有高可靠性稳定性及易用性，已经广 泛被应用于各种生产机械和自动化过程中。 3 ，工业控制计算机控制是以具有高可靠性稳定性的工控机为控制主体，装有操作系 统，能够完成自动编程、高速实时控制等复杂工作。液压压力机控制的总发展趋势是高 速化、智能化、网络化。 高速数控转塔冲床的控制系统全部采用工业控制计算机控制并配有相应的数控软 件。现在广泛使用的成熟数控系统有：s i 濉n s 、f a g o r 、f a n u c 、a m d a 等数控系统，具 有自动编程功能，稳定性可靠性高，人机界面友好。 从冲压压力机的整体发展方向来看，一个大的发展方向是吨位的提高，另外一个就 是数控化、高效率、智能化。具体的发展趋势如下： 1 压力机的吨位不断提高以适应大型冲压件的生产。 2 压力机的运行速度高速化，通过提高每分钟冲压次数来提高生产效率。 3 控制系统向数控化、自动化、光机电液一体化发展，系统安全性可靠性不断提 高。 4 冲压生产由手工生产向机械化、自动化发展，由单机向生产线方向发展。 5 ，向精密化发展。通过提高压力机的刚度、精度来不断提高产品精度、质量，廷 广东工业大学工学硕士学位论文 长模具寿命。 6 多工位压力机逐步取代中小型单个压力机组成的自动冲压生产线。 7 液压元件集成化、标准化。减少了管路连接，有效防止泄漏和污染，减少了维 护工作。 8 压力机的宜人化。随着液压机的高速化、自动化，限制噪声和振动、消除事故、 保证安全可靠运行、改善工作条件日渐重要。 高速数控转塔冲床的发展趋势是小吨位、高冲压速度、数控化、智能化网络化。 1 2 1 高速液压数控转塔冲床的结构 图l 一0 1 数控转塔冲床结构 f 远1 一0 1s m l c t l l r co fn ct i l r r c tp u n c hp r e s s 高速数控转塔冲床结构可以分为机械、液压和控制系统三大部分。机械部分主要包 括机身、工作台、冲模回转头。液压部分包括液压站和冲头( 油缸控制总成) 。控制系 4 第一章绪论 统包括控制计算机( 数控) 、工作台控制驱动和油缸电控部分。 1 工作原理 机器的工作原理如图1 一0 1 所示。主要机械运动由3 个方向运动合成：水平x 、y 方 向上的联动以和垂直z 方向上的冲压运动。附加运动包括x 轴上的夹钳动作，用作换 模的转塔以及定位销动作。其中，夹钳和定位销动作由气阀来控制。机械部分最大特点在 于转塔的灵活性。转塔由上下甄个链传动的转盘构成，它由一台太惯量伺服电机并经减 速链轮来驱动，从而实现快速换模。可预装1 2 7 2 种不同台位尺寸、多种形状的冲孔 模具，而且可以随时更换不同形状和大小的模具，可以依据程序冲出各种形状复杂的板 材。夹钳水平x 、y 方向的运动由数字交流伺服电机驱动的滚珠丝杠来完成。y 方向的 丝杠及导轨和机床床身纵向平行。x 方向的丝杠装在y 方向丝杠的托架上面，并且与y 方向丝杠垂直。x 方向丝杠和导轨驱动夹钳。x y 丝杠的运动合成夹钳的移动动作。 液压部分主要是冲头( 由差动式液压缸带动) 。冲头主体是个外形为长方体的油缸， 油缸控制阀、蓄能器可以直接装在油缸上面，无须另加阀块。主控制阀可以是换向阀、 高速开关阀、高频响方向阀、伺服阀。具体各种阀构成的油路特性将在后面讲述。在油 缸靠近活塞出口一侧安装位移传感器以向控制系统提供油缸位置信号。 控制系统的控制计算机、工作台控制驱动一般都选用成熟的数控计算机系统和交流 伺服电机。油缸电控部分可以合并到数控部分，也可以使用单片机单独控制以提高可靠 性和简化冲头控制接口。 2 主要部件 机身。冲模回转头压力机机身多数是钢板焊接结构，且大部分采用开式机身( 即c 形或j 形机身) ，只有少数厂商采用闭式机身( 即0 形机身) 。为了减小开式机身变形， 提高机身刚度，各厂商在设计阶段进行有限元分析优化设计并采取相应措施对薄弱处加 强。目前来看，公称力在4 0 0 k n 以下时，两种床身形式的数控冲床对机床的性能基本上 没有影响。在加工制造、用户操作观察方面，开式床身比闭式还更好一些。1 。当然，大 吨位冲床在床身重量一样时，闭式床身对减少机床的变形更有利。 工作台。焊接结构，由本体( 机身的一部分) 、活动拖架和滑动夹钳组成。活动拖架 由装在本体上的伺服电机、滚珠丝杠驱动。还配有冲击缓冲器、限位传感器来防止因失 控产生的撞击损坏。 广东工业大学工学硕士学位论文 主传动。由液压站、控制回路、油缸组成。控制回路根据数控系统的指令控制由液 压站往油缸供油，完成相应的冲压动作。现阶段在板料移动步距2 5 眦的冲压频率可以 达到2 0 0 9 0 0 h p m ，步冲频率可达1 5 0 0 h p m 。 转塔( 冲模回转头) 由上下两个转盘组成，模具装在转盘上面。一般转塔可装模具数 在1 8 7 2 副。上下转盘的外柱面上开有与模具位数量相等的锥形定位销孔，锥销插入 销孔后可完成准确定位。有些机型的转塔在部分模位还装有转模机构，可使模具沿着本 身轴线旋转。转模机构可提高加工的灵活性。 1 2 2 高速液压数控转塔冲床的特点 高速数控转塔冲床( 包括机械式、液压式) 具有以下特点： 1 、转塔刀库容量大，换刀方便，对加工对象改型的适应能力强，适应于多品种小 批量生产的需要。 2 、生产率高，随着液压技术的发展，加工时间和辅助时间短。 3 、同批零件的重复精度高，可以避免手工操作产生的误差。 4 、机床的使用范围广，能加工一些手工控制无法加工的复杂零件。 5 、减少在制品，加速流动资金周转，提高经济效益。 6 、能够自动编程，存储优化程序。数控化的机床可作为柔性加工制造单元，进一 步组成柔性制造系统，实现生产管理现代化。1 。 因为采用了液压主传动，液压数控压力机除具备传统数控压力机的特点外更具柔 性。其显著的特点是： l 加工精度高：由于采用高性能的数控系统、数字交流伺服电机、高精度滚珠丝杠 和直线滚动导轨，机器具有极高的定位精度，工件的最大孔距误差不超过土0 1 珊。 2 工艺范围宽：由于数控液压冲床的滑块由液压驱动，因而可以实现对滑块的位 置、行程长度、速度的准确控制：可实现快速下行、慢速冲压、快速回程，且可在任意 位置停滞。冲压力大小可依液压系统调定而变化，并可在整个行程中提供最大的工作压 力。由于滑块速度可以调整，液压数控冲床适合于多种冲压工艺。除了能冲孔外，还可 进行压印、弯曲、成形、滚压等工艺，同时还适于冲压各种材料和不同板厚。液压数控 冲床可使模具结构简单，模具只需根据工艺本身的需要设计其结构和选择最佳行程，模 第一章绪论 具磨损后不用采取机械补偿措施。其次液压数控冲床可有效地减小冲头撞击材料和材料 断裂所产生的噪声。此外还可实现浅拉伸、浅成形、精压及弯边等加工，因而有较宽的 工艺范围。传统的机械式数控压力机的滑块运动规律呈“v ”形曲线，速度和位置足固定 不变的，以上所提这些特性在机械冲床是难以实现的“1 。 4 作业速度高：液压数控冲床由于采用了高频冲压液压系统，并采用p h n c ( t h e p o w e rh y d r a u l i c 卜m m 嘶c a lc o n 虹试) 技术，运动部件少，机械磨损小，步冲频率高。一 般机型最高步冲次数可以达到4 0 0 一1 5 0 0 h p m 6 1 ，工件移动速度可达1 0 0 m m i n ，作业速度 快，生产率非常高。p h n c 技术原理是由控制系统依据工作状况计算出最优冲压速度、 油缸工作压力、冲压周期，再基于这些信息获取最大生产率并把噪音降到最低“1 。 5 结构简单，制造方便，易维护：液压数控冲床不需飞轮、曲柄连杆机构、离合器 和制动器等复杂运动、控制部件和过载保护机构，而选择通用化程度很高的标准液压元 件构成主传动，使成本得到有效控制，并且具有很高的可靠性。标准液压元件维修更换 方便迅速。 7 ，安全可靠：采用液压式主传动，对不同板厚的材料均可以最大冲压力工作，只需 调节溢流阀，限制液压系统的工作压力就能起到安全保护作用，简单可靠。这是液压转 塔冲床相对于机械式数控冲床的另一优点。 1 3 高速数控转塔冲床的国内外发展概况 数控板材加工设备是广泛应用于通讯设备、电力开关、电梯、汽车、农机、仪器仪 表等行业的生产装备。这类企业均是国家大力扶持的行业，特别是汽车、通讯和电力， 是我国国民经济支柱产业。这些行业对数控板材加工设备的需求越来越大，据行业管理 部门调查预测，目前广东市场对数控板材加工设备的年需求总量为5 0 0 8 0 0 台套，市 场总值人民币8 1 0 亿元，全国年需求总量为3 0 0 0 5 0 0 0 台套，市场总值人民币4 0 6 0 亿元。而且行业对设备的性能指标也提出了更高的要求，如设备应具有更高的生产效 率和可靠性。 就数控转塔冲床的发展历程而论，世界各著名生产企业大体上经历了四个阶段。第 一阶段为清一色的机械驱动方式，数控轴数多为三轴，辅助功能较少：第二阶段出现了 广东工业大学工学硕士学位论文 液压驱动的四轴转塔冲床，辅助功能增多，并很快成为主导产品、第三阶段是辅助功能 日臻完善，液压驱动的四轴、五轴转塔冲床几乎一统天下；第四阶段的标志是，网络式 数控转塔冲床的问世，并出现了伺服电机直接驱动的结构形式。 现阶段国内外数控转塔冲床的共同特点是：采用了先进伺服液压驱动技术的高性能 冲床专用液压系统，极大地提高了冲压次数，使步冲频率达6 0 0 1 5 0 0 h p ；智能型的夹 钳机构，最大限度地减小了冲裁死区：毛刷型工作台保证了对板科的有效支撑，并保护 板科在快速运动时表面不被划伤。工作台快速移动速度普遍提高，轴向速度达8 0 m m i n ， 合成速度达1 2 0 m m i n 以上，具有两个或两个以上自动分度工位，并将大直径的模位设 置在自动分度工位上；配置了先进的开放型数控系统，具有友好的用户界面和较高的可 扩展性，并配备高效的自动编程软件”1 。 数控转塔冲床在国外已经有三十多年的发展历史，先后经历了模具库从手动选择模 具到自动选择模具，动力方式从机械到液压等发展变化。近几年来，国外产品基本形成 统一的形式。特点是加工频率高、送料速度快，有自动分度模位，模具分类齐全，动力 方式为全液压式，数控系统一般为s i 忸n s 、f a g o r 或f a n u c ，然后针对板材加工工艺进 行二次开发，组成专业的板材加工设备。 目前国外的生产厂家约有三十家，形成以日本a m a d a 、i f 【u r a t a 、k o m a t s u 、a i d a 、 n i s s h i n b o ，德国t r u m f ，比利时l v d ，芬兰f i n n p 0 w e r ，意大利s a l a v g n i n i 、i t 既、 r a i n e r ，西班牙d 矧o b a t 为代表的多家企业。这些企业产品的发展趋势就是设备向高效 率、网络化、智能化方向发展。 在国外产品方面，数控转塔冲床以液压传动为主，生产机械传动式机型已经很少， 而且几乎没有新机型开发。在新型传动形式上，日本a m a d a 公司2 0 0 3 年的机型e m 2 5 1 0 n t d 型数控转塔冲床采用双伺服马达直接驱动结构。该机以曲轴为伺服电机转子，使伺服电 机和传统的曲柄滑块机构巧妙结合，实现了冲压行程、冲压速度的数控化“1 ；该机公称 压力2 0 0 l ( n ，冲压频率5 0 0 h p m ( 5 姗行程2 5 4 咖步距) 、7 8 0 h p m ( 5 姗行程2 岫步距) 、 1 8 0 0 h p m ( 1 4 姗行程0 6 m 步距) ，x y 轴速度1 0 0 8 0 ( m m i n ) “。 国内数控压力机的研制工作起步较早，但初期进步缓慢，目前水平仍比较低，缺乏 具有自主知识产权的产品。1 9 7 6 年，上海第二锻压机床厂曾研制出硬件数控( n c ) 步冲 第一章绪论 压力机。在8 0 年代，国内的数控压力机主要是从国外引进的。在从国外引进大量的数 控压力机后，国内对其技术进行消化、吸收及国产化工作。国内最早生产的c n c 数控 压力机足是在1 9 8 4 年由济南铸锻研究所与杨州锻压机床厂合作生产的j 9 2 k _ 4 0 型桥形 转塔式数控压力机。1 9 8 7 年，此二单位又研制出j 9 2 k 一3 0 型和j 9 2 k - 2 5 型j 形框架结构 的转塔式数控压力机。1 9 9 3 年，扬州锻压机床厂又生产出了4 轴控制的3 0 0 k n 数控压 力机。黑龙江锻压机床厂和上海第二锻压机床厂先后引进了英国砒l o d e s 公司的制造技 术，黄石锻压机床厂引进美国s t r i p p i t 公司技术，现已形成了小批量生产的能力。近几 年来，随着p h n c ( p o w e rh y d r a u h cn 岫e r i c a lc o n 廿0 1 ) 技术的发展，采用液压传动已显示 出越来越多的优越性。最近几次国际机床博览会上，展出的数控压力机几乎全部都是液 压传动式数控压力机。采用液压传动代替机械传动已代表了当今数控压力机的发展趋 势。 目前国内生产数控转塔冲床的主要产品有： 济南捷迈数控机械有限公司的s k y y 系列，江苏富力数控机床有限公司的m p 8 系 列，江苏亚威机床有限公司( 与日本m s s m n b o 公司合作) 的q 系列，黄石锻压 机床有限公司( 与美国s t r 口w 公司合作) 的1 2 5 0 h 系列，扬州金方圆数控机床有限 公司的r t 、v t 、e t 系列，徐州锻压机床厂的n t p 3 0 ，上海第二锻压机床厂的j 9 2 k 梁 发记机械有限公司的1 m p 3 0 系列，埃佛茵( 天津) 机床有限公司的t 3 0 2 0 等。 1 4 高速液压数控转塔冲床电液控制系统 高速液压数控转塔冲床的电液控制系统从其主要液压元件来分有三种： a 采用伺服阀的电液控制系统。大部分厂家高速产品普遍使用 b 采用高速开关阀的电液控制系统。目前只有少数厂家进行实验。 c 采用普通换向阀的电液控制系统。部分厂家的中、低速产品使用。 采用电液伺服阀控制的压力机驱动系统具有响应快、控制精度高的优点，但它也具 有成本高、能耗大、抗污染能力差的缺点。本文将讨论后两种形式的控制回路。 查三些銮茎三兰堡圭兰堡兰圣 1 5 本论文的主要工作内容 1 、主要完成的目标 本课题所完成的工作包括：对采用高速开关阀的数控转塔冲床液压控制 回路进行设计、建模、仿真；在仿真和实验的基础上，对所选方案的液压系 统进行分析、研究，分析其动态响应特性，选取一种方案进行实验验证并为 进一步改善提供依据。本课题主要是为进一步完善该快速液压系统提供理论 依据。 2 、研究方法 分析系统设计要求、各液压元件及系统的工作原理，确定系统的初步工作 方案。对系统建模，运用m a t l a b 进行数字仿真，得出系统的仿真曲线。对 所设计系统进行实验研究，确定系统的最终可行性。对系统仿真和实验结果 分析，找出影响系统动态性能的决定因素并用于设计改善。 3 、研究内容 本课题的主要研究内容包括： a 确定系统的方案，比较分析各方案的优缺点。了解所选元件及所构成的 液压系统的工作特性，各主要参数及其对系统主要特性的影响。 b 对所选择的方案进行设计计算，选取元件；进行静态计算，初步分析。 c 对所选方案的液压回路内部各元件及所组成的液压系统构造数学模型。 d 用s i m u l i n k 对所选系统进行仿真，根据仿真曲线对系统进行动态分 析。 e 以仿真结论为基础，对所确定方案的仿真结果进行分析；再于仿真、实 验基础上进一步分析该液压系统的性能，提出改进措施。 1 0 第二章高速数控转塔冲床的油路设计与研究 第二章高速数控转塔冲床的油路研究 2 1 高速转塔冲床的静态分析 在进行高速转塔冲床的冲压速度表述时，没有具体统一的标定条件。一般厂家在标 识冲压频率的时候，会注明是在何种工作条件( 步距，行程，x y 轴速度) 下测定的。 通常有以下几种表示方式： l 、1 0 m m 行程，2 5 4 m m 步距； 2 、5 m m 行程，2 5 4 n l i i l 步距； 3 、5 m m 行程，2 r m 步距： 4 、1 4 衄行程，o 6 硼步距。 根据合作单位的要求，本课题对冲压频率的标定条件是：1 0 m i n 行程，0 5 衄步距。 冲压循环周期所经历的过程可以分为几个阶段：冲压指令发出，主阀动作，快进， 快进转工进，工进，主阀换向，快速回程。其中除冲压指令发出外，每一个动作都对应 相应的时间。根据合作单位的设计要求和我们的基本分析，得到如下的设计和静态分析 初步结果。 2 1 1 设计要求 1 、公称压力：2 0 0 l 【n 2 、活塞行程：4 0 m m 可调( 对加工厚2 i 眦板材时活塞行程为1 0 i i l i l l ) 3 、冲压频率：f _ 2 0 0 3 0 0 h p m ( 板厚2 n 肺，行程1 0 m m ，步距o 5 m m ) 2 1 2 液压控制方案选择 在液压元件的选取上，一般的三位四通换向阀的切换时间都在4 0 m s 以上，且不允 许连续高速切换，仅适合于冲压频率低于2 0 0 h p m 的回路；伺服阀的频率响应高，切换 l l 广东工业大学工学硕士学位论文 1 三位雹遥羁2 溢灌问3 差亏i 翻i 袖缸5 冉齿轮幕 图2 0 1 方案一：三位四通阀驱动 f i 9 2 - 0 1s c h e i n c l ：d r i v e nb y 4 w a y3 p o n v a l v e 下鼠粤； 秀! ：；番! r f l 。 毯? 7 j 丽 _ l u 。 4l l_一 占j3 咿 。 fl 不 讼f b 占留制i ，q 烈。 l 姓l u lv 1 高速开关阀2 二通插装阀3 溢流阎4 液压缸5 接近开关6 齿轮泵 图2 0 2 方案二：高速开关阀控制二通插装阀 f i 9 2 0 2s c h e m e 2 ：埘g hs p e e d o 幽f rv a l v ec o n n o l c a r 缸咄ev a h e 1 2 蘑_辱i i r。 ， 第二章高速数控转塔冲床的油路设计与研究 时间非常短，但成本过高，不适用于2 0 0 3 0 0 h p m 的低成本回路。方向控制阀只有先导 式三位四通阀中的一个型号具有2 5 3 5 m s 的响应时间，可以考虑选用；博世力士乐把 1 虑油器2 叶片泵3 交流电机4 虑油器5 单向阀 6 油缸7 蓄能器8 截至阀9 油压裹i o 压力传感器 1 1 快速开关阀1 2 逻辑换向阀1 3 溢流阀1 4 冷却器 1 5 换向阀 图2 0 3 方案三：高速开关阀控制二通插装阀 f i 9 2 - 0 3 s c h e m e 3 ：m g hs p do 舶廿v a l v ec o n 仕d lc a r 比i d g ev a l v e 一些经过特殊处理的具有快速响应特性的比例方向阀、比例伺服阀归为一类，称高频晌 阀，该类阀的阶越响应时间在1 5 4 0 m s 之间，可以选择，但需考虑成本问题；高速开 关阀具有很短的响应时间( 1 6 m s ) 和低廉的价格，但高速开关阀的流量一般不大于 1 0 l ，i i l i n 。可以考虑选用，需要用二级阀来放大流量。根据以上分析，初步确定如图2 一0 1 、 图2 0 2 、图2 一0 3 所示几种方案。 2 1 3 液压元件的选择 1 液压缸主要参数的确定 工作压力确定：一般情况下液压系统的工作压力为7 m p p 3 5 m p a ，常用液压元器件 的工作压力上限可达3 5 m p a ，可取安全工作压力在3 0 m p a 以下，过高压力将影响液压 广东工业大学工学硕士学位论文 元件的寿命，冲压时产生油路过大波动；工作压力过低，则相应的泵流量需要加大，换 向时同样会产生冲击和振动。综合二者影响，并参照其他厂家产品，取额定工作压力 p n 为2 5 m p a ，安全阀溢流压力p r 为3 5 0 8 = 2 8 m p a 。为提高冲压速度，可以把冲压进 给分成差动快速进给和直动工作进给两个阶段，来减少空行程阶段所用时间。在差动状 态下，液压缸带动模具压到板料，液压回路中的压力上升，达到一个接近额定工作压力 的临界压力p 。时，液压缸的工作状态由差动状态向直动状态切换，以产生更大的冲压力。 临界压力p 。可尽量选高，以便在差动状态下产生较大的冲压力。这样，在某些冲压力要 求低时候就可以在差动状态下冲压，不需经过直动状态。但p 。又不宜过高，以防止模具 接触板料时的冲击使回路压力超过安全溢流压力p r ，综合考虑，p 。先选定为2 l m p a 。 液压缸径确定：取机械效率- 0 9 ，有 d - 。兰：、k 鬟塑婴婴嬖i ：o 1 0 0 5 ( m ) ：1 0 0 5 ) ( 2 - 0 1 ) 暑石 y 2 8 1 0 6 o 9 3 1 4 、 、 7、 考虑到应用差动来加快空行程速度，取活塞杆面积为液压缸无杆腔面积的一半，即有 d = 0 7 d = 0 7 1 0 0 5 = 7 0 3 5 ( i 砌)( 2 0 2 ) 据g b 2 3 4 8 8 0 取d = 1 0 0 i i l m ，d = 7 0 m m 。 活塞面积a 。为 a c 】：孚：竺华：7 8 5 3 _ 9 8 1 0 “( m 2 ) ( 2 _ 0 3 ) “ 、 、 7 活塞杆截面积钆s 2 为 4 ：= 竿= 互型竽- 3 8 4 8 t 4 5 1 0 锄2 ) ( 2 0 4 ) 下油腔通油截面积a 3 a 3 = a 1 4 2 = ( 7 8 5 3 9 8 3 8 4 8 4 5 ) l o “= 4 0 0 5 5 3 1 0 4 ( m 2 ) ( 2 一0 5 ) 静态工作压力p 1 验算： 只= 丢= 器瑙5 ) ( 2 - 0 6 ) 差动状态的最大冲压力f d 计算： e = 只4 2 = 2 l 1 0 6 3 8 4 8 4 5 x 1 0 _ 6 = 8 0 8 2 ( 肼) ( 2 0 7 ) 1 4 第= 章高速数控转塔冲床的油路设计与研究 2 ，泵的选则 根据冲压频率的要求f _ 2 0 0 3 0 0 0 l p m ) ，流量q 可由下式计算： q = ( a 2 厶+ a 。) + a c 3 ( 厶+ 印k f = 【a 1 ( 厶+ p + 4 3 ( 2 一0 8 1 = 7 8 5 3 9 8 1 0 _ 6 ( 8 + 2 ) 1 0 _ 3 + 4 0 0 5 5 3 1 0 _ 6 2 1 0 一3 】f 。 = 8 6 5 5 1 1 0 _ 6 f q ，：2 0 0 = 8 6 5 5 l 1 0 _ 6 2 0 0 = o 0 1 7 3 l ( m3 血血) = 1 7 3 1 屯m 讥) q ，：3 0 0 = 8 6 5 5 1 1 0 _ 6 3 0 0 = o 0 2 5 9 7 ( m3 m 如) = 2 5 9 7 c m 如) 根据液压工程手册选取泄漏系数k l = 1 1 ，则实际选取的流量应该是 q = ( 1 7 3 1 2 5 9 7 ) 1 2 = 1 9 0 4 2 8 5 7 ( l ，m i m )( 2 0 9 ) 根据系统所需流量和工作压力，现选取泵选用力士乐( r e 】【r o t h ) 内啮合齿轮泵 1 p f 2 g h 4 1 x 0 2 0 i 也0 7 m u 2 ：排量q = 2 0 7 c m 3 ，转速1 4 4 0 r p m ，按照其容积效率曲线，查 得在2 5 m p a 时的容积效率矾= 0 9 2 ，则其有效输出流量为 q ：业兰笋) 二丑：型翌哇掣坐坚：2 4 9 3 ( ，心) ( 2 - 1 0 ) 、 k 1 1 、 、7 3 阀的选择 根据系统的流量、工作压力及响应时间需求选择液压阀，以力士乐( r e x r o 曲产品为 主，具体型号如下： 方案一： 三位四通阀：4 w e 6 t 6 ) ( ，e g 2 4 n k 4 ，v ，直流2 4 v 电磁铁，切换时间1 j = 2 5 4 5 m s ， t o 口= 1 0 2 5 m s ，最高工作压力3 5 0 b a r 。 液控二位三通阀( 差动开关阀) ：3 w h 6 a 5 ) ( ，o f ，v ，交流电磁铁，切换时间 t 饥= 4 0 m s ，l 口= 3 0 m s ，最高工作压力3 1 5 b a r ，最高控制压力2 0 0 b 盯。 溢流阀：d b d s l 0 k 1 ) ( ，3 1 5 v ( 设定压力至：3 1 5 b a r ，插装，流量压差曲线见图2 4 方案二、三： 高速开关阀：日本不二越公司的高速开关电磁阀h s g 0 1 a r d l ，其性能参数为： 最高切换频率5 0 h z ，最大流量8 u n l i n ，最高压力1 7 m p a ，开启时间t 叽= 4 6 m s ( 通过 降幅双压驱动，可使进一步r i k 降低) ，关闭时间1 0 = 1 5 2 5 m s ，控制电压1 2 v 。最大 广东工业大学工学硕士学位论文 电流2 4 a 。 二通插装阀：力士乐l c l 6 a 4 0 d 7 x 厂v ，通径1 6 ，面积比2 ：l ，工作压力达4 2 0 b a r ， 开启压力4 b a r ，阀芯带阻尼头，理论上开关时间为1 0 s 的控制流量为1 5 4 i 抽j n ，流量 ，压差特性如图2 0 5 所示。 溢流阀：d b d s l 0 k 1 ) ( ，3 1 5 v i 丑 皇和1 u 2 0 0帅1 咖1 2 0 盘j | u h 押- - 图2 一0 4d b d s l 0 k l x ，3 1 5 v 流量，压差曲线 f i 9 2 0 4d b d s l 0 k 1 ) ( ，3 1 5 v n o w r a t e ，6pc u r v e 2 1 4 冲压周期t 的静态计算 1 冲压时序及周期计算公式 在冲压循环中，可以有两种工 作状态，即全差动工作循环和差动 一工进循环。全差动循环是在冲压 力小于f d 时，冲切在差动状态下完 成，不经过直动工作进给状态，时 7 f 鲎 。并叶= =隧 崔 = 差； ，- 二三，! ，j r 白 ：二0 k _ o 一刊m 0 _ i 岁：zit i：l：jl 意_ tl m i n 一 图2 0 5 二通插装阀的流量，压差曲线 f i 9 2 一0 5 c a m i d g ev a l v en o w r a c e ，6pc u r v e 间分配如图2 0 6 ；差动一直动循环图7 一n 虐动一吉云“时息 是在模具接触板料后冲压力大于f d f 培2 一0 6 d i f _ d n 。y c k 时，液压缸由差动转到工进状态，时间分配如图2 一0 7 。 1 6 图7 一n 砼薯斌t 耗时南 f i 9 2 一0 7 d i f f b r e n t i a lc y c l c 十l辱彗一壬 啪御 珊 珊 m ” o ，耳r憎蜢 第二章高速数控转塔冲床的油路设