拉伸壓力機液壓系統的改造設計和壓力機控制系統設計

壓力機是壓縮成型和壓注成型的主要設備，適用于可塑性材料的壓制工藝，如沖壓、彎曲、翻邊、薄板拉伸等。某不銹鋼制品公司采用拉伸壓力機生產不銹鋼廚房水槽，早期產品形式和規格單一，壓力機采用液壓開關閥實現速度切換，負載小、運動速度相對較低，系統能夠滿足工藝要求。

隨著企業規模不斷擴大，產品形式和規格越來越復雜，原有系統在控制產品質量、運行平穩性、噪聲、生產效率等方面暴露出了諸多問題，對液壓及控制系統也提出了更高要求。因此為應對大幅變化的工作負載、大范圍內運動速度的頻繁調整、更換模具的調試等復雜工況的要求，設計開發了一套基于比例液壓控制的壓力機系統。

1、拉伸壓力機液壓系統的改造設計

為了滿足新產品的工藝要求，對不銹鋼水槽拉伸壓力機原液壓系統進行了升級改造，設計了基于德國博世力士樂公司生產的4 WRPEH型高頻響比例閥控制的壓力機液壓系統，如圖1所示。

1.1液壓系統工作原理設計

圖1中，液壓泵站1為壓力機液壓系統提供具有一定流量的壓力油。壓力表2、10分別顯示液壓泵出口和三通減壓閥出口的工作壓力。元件3是三位四通M型電磁換向閥，該閥不得電時液壓泵實現卸荷，當左位工作時，給蓄能器6提供壓力油，同時主液壓缸12可以按照工作流程要求完成往復運動。單向閥4避免蓄能器油液及系統高壓油倒流。

壓力繼電器5在系統建壓后，確保系統壓力達到工作壓力時壓力機方可開始工作。蓄能器6能夠提供短時快速段的速度需求，確保壓力機在工作過程中壓力和流量的穩定。元件7是高頻響比例換向閥，通過xm型運動控制器，利用比例閥的控制特性，滿足壓力機主液壓缸伸出、退回的速度和加減速度控制要求。元件8是單電控二位四通換向閥，當主液壓缸退回時，需要單電控二位四通換向閥得電，當主液壓缸保壓停留時，需要單電控二位四通換向閥失電。三通減壓閥9產生壓力機主液壓缸浮動壓邊時所需穩定的支撐力。

元件11是液控單向閥，在主液壓缸12停留保壓時，通過液控單向閥11實現對主液壓缸無桿腔壓力的可靠鎖緊。主液壓缸12驅動滑塊上的模具完成水槽的壓制成型動作，位移傳感器13檢測主液壓缸的往復運動位置。下缸14帶動安裝于下缸上的模具隨同主液壓缸一起動作，完成主液壓缸浮動壓邊過程中的壓力支撐作用。

1.2壓力機液壓系統工作過程分析

壓力機工作過程中，各閥電磁鐵得失電情況如表1所示。

圖片

(1)液壓泵卸荷。液壓泵站1啟動后，泵出口的壓力油經過三位四通M型電磁換向閥3直接流回油箱，實現液壓泵的卸荷。

(2)主液壓缸快速空程下行。三位四通電磁換向閥3的電磁鐵Y1得電，液壓系統建壓，當壓力達到壓力機要求的工作壓力且壓力機主液壓缸12在初始位置(位置1)時，運動控制器輸出電壓V給高頻響比例換向閥7，此時主液壓缸12驅動滑塊上的模具快速運動到下缸成型模具所在的位置2，快速段的實現依靠蓄能器6短時大流量的供油，主液壓缸12運動位置的檢測由安裝在主液壓缸的位移傳感器13來實現。

(3)主液壓缸慢速加壓成型。當主液壓缸12快速運動到位置2后，運動控制器輸出電壓V，給高頻響比例換向閥7，此時主液壓缸12驅動滑塊上的模具慢速加壓成型，直至運動到位置3。

(4)浮動壓邊過程。主液壓缸12向下慢速加壓過程中，下缸14的活塞桿被迫隨之向后運動，下缸14無桿腔油液經三通減壓閥9的T口流回油箱，此時下缸14無桿腔的支撐壓力始終保持不變。根據不同產品的工作需求，可調節三通減壓閥9來改變浮動壓邊壓力。此時下缸14有桿腔出現的局部真空可以通過液壓泵站1的油箱進行補油。

(5)主液壓缸前終端停留保壓。當主液壓缸運動到位置3時，立刻停在當前位置，且停留時間為3 s。此時液控單向閥11確保主液壓缸12可靠地停留在當前位置，液壓泵站1通過三位四通換向閥3實現卸荷。為避免造成油缸位置漂移，確保主液壓缸12精確定位在位置3，需要運動控制器輸出電壓V給高頻響比例閥7，通過蓄能器6來實現主液壓缸12供油，用以修正比例閥零位的影響。

(6)主液壓缸快速回程。當在位置3停留時間結束后，三位四通電磁換向閥3的電磁鐵Y1、單電控二位四通換向閥Y3得電，同時運動控制器輸出電壓V，給高頻響比例換向閥7，此時主液壓缸12快速退回至初始位置1，快速段的實現依靠蓄能器6短時大流量的供油。在主液壓缸12快速退回的同時，下缸14立刻伸出到其初始位置。

(7)主液壓缸初始位置停止。當主液壓缸12退回至初始位置1時，保持停留在當前位置5 S，此時三位四通電磁換向閥失電，液壓泵站1處于卸荷狀態。為確保主液壓缸精確定位在位置1，需要運動控制器輸出電壓V，給高頻響比例閥，通過蓄能器6來實現主液壓缸12供油，用以修正比例閥零位的影響。

(8)下缸動作。該壓力機下缸的動作不受換向閥控制，是一個隨動裝置。當液壓泵站1啟動后，下缸14伸出，無桿腔的壓力等于三通減壓閥9的設定壓力。只有處于浮動壓邊狀態下，下缸14處于隨動狀態，一旦主液壓缸12縮回，下缸14將伸出到前終端停止。

2、壓力機控制系統設計

2.1工作流程

2.1.1手動工作模式

旋鈕轉換開關處于手動狀態，點動按鈕開關實現主液壓缸伸出或者退回動作，松開按鈕開關主液壓缸停止，該模式主要用于更換模具后的設備調試。

2.1.2自動循環工作模式

(1)圖2為主液壓缸在自動模式下的運動曲線，根據產品型號選擇所需的比例閥輸出電壓(V1，V2，V3)和相應的斜坡時間(t1，t2，t3)，以滿足快進、工進和返回的速度及運動平穩性等控制要求。最大快速空程下行和快速回程速度為3m/min，慢速加壓速度為40~250 mm/min。主液壓缸在自動模式下的運動定位誤差不大于±0.1mm，速度誤差不大于±5mm/s。

(2)旋鈕轉換開關處于自動模式狀態，壓力機實現主液壓缸快速空程下行→慢速加壓成型→停留保壓→快速回程→初始位置停止的自動工作循環(如圖3所示)。

壓力機的自動成型過程:按下自動循環按鈕且主液壓缸處于初始狀態→蓄能器充壓，系統建壓，當系統壓力達到所需工作壓力后觸發壓力繼電器→主液壓缸快速空程下行((電壓V1，斜坡時間t1)→主液壓缸快速伸出到位置2→慢速加壓成型(電壓V2，斜坡時間t2)→慢速加壓運動到位置3，同時下缸跟隨主液壓缸后退→精確定位在位置3，停留保壓(電壓V4，斜坡時間t4，位置偏差±0.1mm)→停留3s結束→快速回程(電壓V3，斜坡時間t3)，同時下缸伸出→快速退回至位置1→精確定位在位置1停留，即自動循環延時(電壓V5，斜坡時間t5，位置偏差±0.1 mm)→停留5s結束→新的自動循環開始。

(3)自動循環中斷。當旋鈕轉換開關撥至手動模式主液壓缸立刻停止。中斷后必須將主液壓缸復位，方可重新啟動自動循環。

2.2控制程序設計

改造后的壓力機控制系統所采用的博世力士樂公司生產的XM 21運動控制器，是一個綜合網絡服務器，功能強大，自身帶IP地址，可以在系統調試中調整增益量及記錄數據，帶有總線及IP通信接口，可通過網絡瀏覽器配置和診斷，IndraWorks工業軟件可用作PLC功能;它具有高功率密度、結構緊湊、環境條件寬泛(工作溫度-25~60℃)等優點，附帶液壓軸同步運動，可擴展如電子凸輪及機器人控制等十多種工程軟件包;控制器中插入S20I/O模塊，易于靈活的I/O擴展、快速的I/O處理(典型循環時間為10 μs);與Sercos網絡同步數據交換減少了響應時間和工作周期，提高了測量精度、控制質量。

壓力機控制程序利用控制器自帶的液壓軸同步運動控制功能塊可以方便地實現比例液壓伺服系統控制，更改控制參數以滿足不同形式和規格的產品需求，輸出給4 WRPEH型高頻響比例閥，對主液壓缸的位置、速度及加減速度進行精確控制。

壓力機控制程序主要由主程序和子程序兩部分組成。主程序采用C語言文本結構化編程模式，其功能包括：

(1)添加液壓軸同步運動控制功能塊，確定液壓軸位置控制模式，定義主液壓缸位置、高頻響比例閥的開度和斜坡時間;

(2)實現手動控制模式下的控制程序;

(3)當自動控制轉為手動控制模式時，可以控制子程序的中間變量;

(4)在手動、自動模式下設定高頻響比例閥工作參數，即比例閥的開度和斜坡時間;

(5)確保主液壓缸在位置1和位置3停留時的位置精度符合工藝要求。子程序采用了順序控制清除式步進鏈的編程方法，根據壓力機自動循環工作流程框圖3采用梯形圖完成自動控制動作程序，實現主液壓缸在自動模式下的順序動作，即主液壓缸快進、工進、快退和信留。

3、結束語

壓力機的液壓控制系統通過采用博世力士樂公司生產的4 WRPEH型高頻響比例閥和帶有液壓軸同步功能的XM 21運動制器，實現了柔性加減速，保證了壓力機成型過程的位置和速度精度，提升了系統的響應速度和運行平穩性。運行結果表明，該設備模具更換方便快捷，縮短了調試時間，提高了適應產品變化的靈活性，自動化程度高，大大改善了產品質量和穩定性，生產效率明顯提升，給企業帶來了顯著的經濟效益。伺服壓力機http://www.rfcv.cn/