引言

　　快速鍛造壓機(jī)具有速度快、鍛件精度高及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)?？戾懟芈房刂葡到y(tǒng)是提高鍛造液壓機(jī)整體水平的關(guān)鍵。比例插裝閥控快鍛回路主要應(yīng)用大通徑比例插裝閥為控制元件，實(shí)現(xiàn)鍛造液壓系統(tǒng)的高壓、大流量液壓系統(tǒng)的快速無(wú)沖擊控制。

　　本文主要介紹了一種基于高頻響比例插裝閥的快鍛壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并從控制角度，結(jié)合工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)快速鍛造油壓機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。45 MN自由鍛造液壓機(jī)，如圖1所示，采用大流量定量泵和伺服變量泵直接傳動(dòng)技術(shù)，主系統(tǒng)集成控制Atos高頻響比例插裝閥，使系統(tǒng)按預(yù)設(shè)壓力曲線泄壓，實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)在規(guī)定條件下進(jìn)行快速鍛造，鍛造工作速度達(dá)160 mm／s以上，精整鍛造頻次40次／min以上，縮短了作業(yè)時(shí)間，節(jié)約能源，提高效率和鍛件品質(zhì)，降低了功率損耗。鍛造尺寸精度控制采用了兩套絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)活動(dòng)橫梁的行程和進(jìn)行閉環(huán)控制，針對(duì)快速鍛造時(shí)連續(xù)鍛打的工作特點(diǎn)，采用智能調(diào)節(jié)器自動(dòng)補(bǔ)償活動(dòng)橫梁的位移，使熱態(tài)精整鍛造時(shí)的精度得到控制。

圖1壓機(jī)本體

1 液壓系統(tǒng)工作原理

　　1.1 液壓系統(tǒng)工況分析與主要技術(shù)參數(shù)
　　45 MN自由鍛造液壓機(jī)系統(tǒng)壓力31．5 MPa，快鍛壓下量10 mm，回程30 mm，快鍛頻次達(dá)到83次／min。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

　　常鍛工作順序：壓機(jī)快下靠自重，主側(cè)缸快鍛閥打開(kāi)，回程缸快鍛閥打開(kāi)連通主油箱，滑塊快速下降；同時(shí)，由于負(fù)壓充液閥快速打開(kāi)，向主側(cè)缸補(bǔ)液。當(dāng)上砧接觸到工件后，轉(zhuǎn)加壓，液壓泵排出的壓力油經(jīng)進(jìn)油閥Y9進(jìn)主管道、主缸進(jìn)油閥Y7和側(cè)缸進(jìn)油閥Y6進(jìn)人主缸和側(cè)缸，主缸上腔壓力升高，充液閥自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)壓下至鍛件設(shè)定尺寸時(shí)，液壓泵組卸荷，同時(shí)主側(cè)缸高壓油卸荷，管道卸荷，這里采用PLC控制比例插裝閥即快鍛閥打開(kāi)時(shí)間，以保證卸荷的穩(wěn)定。系統(tǒng)卸荷完畢后，主泵投入系統(tǒng)重新建壓，壓力油經(jīng)回程缸進(jìn)油閥進(jìn)入回程缸，主側(cè)缸充液閥打開(kāi)，快鍛閥打開(kāi)，主側(cè)缸與上油箱相通，滑塊上升，上升到位，一次鍛造結(jié)束。

　　快速鍛造的工作順序是：油泵組排出壓力油進(jìn)入主側(cè)缸，推動(dòng)滑塊快速下降進(jìn)行鍛造，同時(shí)將回程缸內(nèi)油壓人蓄能器內(nèi)，當(dāng)壓下至設(shè)定壓下量時(shí)，泵頭閥卸荷，快鍛閥卸荷，同時(shí)，隨著主側(cè)缸壓力的降低，蓄能器中油壓推動(dòng)回程缸迅速上升，當(dāng)回程至設(shè)定值后，進(jìn)入下一次鍛造。

　　1.2 高頻響比例插裝閥的選擇

　　為了滿足高壓、大流量的鍛造液壓系統(tǒng)，采用了Atos的LIQZO-L*型高頻響二通比例插裝閥，如圖3所示。此閥與內(nèi)置式電子放大器協(xié)同工作，放大器向比例閥提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流，以控制閥口大小實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，使之與供給放大器的輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)，其流量調(diào)節(jié)曲線如圖4所示。閥芯是由一個(gè)高性能比例方向閥驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)主閥位移傳感器和先導(dǎo)閥位移傳感器形成雙閉環(huán)控制，在系統(tǒng)卸荷時(shí)，比例插裝閥能在極短的時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)快速開(kāi)啟，使管道內(nèi)的液流平穩(wěn)過(guò)渡，而無(wú)液壓沖擊，提高鍛造頻次，從而實(shí)現(xiàn)主閥芯高精度控制并獲得高的動(dòng)態(tài)性能。

圖3 LIQZO-L*型二通比例流量插裝閥

圖4流量調(diào)節(jié)曲線

2 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　快速鍛造壓機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由上位機(jī)(IPC)和控制器(PLC)兩級(jí)控制構(gòu)成。系統(tǒng)的PLC采用S7-400系列產(chǎn)品，軟件為STEP7模塊化編程。網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)主站、10個(gè)分布式從站和PROIBUS DP網(wǎng)線構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 PLC網(wǎng)絡(luò)圖

　　2.1 主站

　　主站以$7400系列產(chǎn)品為核心，包括電源模板、中央處理單元和基板。CPU為416-2DP，程序存儲(chǔ)容量大，運(yùn)算速度高。

　　2.2 分布式從站

　　分布式從站按照就近原則同電氣元件及電磁閥、按鈕、接近開(kāi)關(guān)、壓力繼電器、壓力傳感器、溫度傳感器、編碼器、比例閥控制閥連接，主站和從站經(jīng)過(guò)總線系統(tǒng)的通訊，通過(guò)可編程控制器的程序存取。

3 控制程序設(shè)計(jì)

　　快速自由鍛造液壓機(jī)的主要特點(diǎn)是速度快及鍛造精度高，為了滿足要求，必須采取相應(yīng)的控制策略。

　　3.1 編程要求

　　第一，為了使系統(tǒng)泄壓平穩(wěn)，減少振動(dòng)，快鍛閥要求先慢后快的開(kāi)啟速度平滑動(dòng)作，這樣減小系統(tǒng)的沖擊和振動(dòng)，所以要求程序是周期循環(huán)調(diào)用的；第二，精度要求，準(zhǔn)確地計(jì)算滑塊減速距離修正值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)下停點(diǎn)與實(shí)際下停位置的差值±l mm的控制精度。

　　3.2 程序設(shè)計(jì)

　　快鍛過(guò)程控制是閉環(huán)控制，包括位置控制器和伺服控制器，如圖6所示，調(diào)用的循環(huán)掃描周期為2 ms，完全滿足快速鍛造液壓機(jī)的快速性要求?？刂普`差的產(chǎn)生主要是由液壓電磁閥的動(dòng)作精度及鍛造時(shí)負(fù)載的不均勻變化引起，如何計(jì)算滑塊減速距離修正值是實(shí)現(xiàn)高精度的關(guān)鍵。在實(shí)際控制中，采用誤差反饋補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)修正下一次(n+1)程序修正值。具體表達(dá)式如下：

　　修正值(n+1)=修正值(n)-X(n)×修正因子其中，X(n)為實(shí)際鍛造最低位置與目標(biāo)下停點(diǎn)位置的差值。這樣通過(guò)不斷累加，使誤差逐步減小，最終達(dá)到精度要求。

圖6 STEP7控制程序

4 結(jié)論

　　該液壓控制系統(tǒng)已在45 MN快速鍛造液壓機(jī)中得以應(yīng)用。從2011年初試車(chē)聯(lián)調(diào)運(yùn)行至今，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精確，滿足工藝要求。該項(xiàng)控制技術(shù)充分發(fā)揮了液電合一功能，使系統(tǒng)更穩(wěn)定、更快速，可以應(yīng)用于不同規(guī)格快速鍛造液壓機(jī)中高頻響比例閥的控制研究。