CN103537599A - 用于锻压机的控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于锻压机的控制方法及其控制系统。该控制方法包括步骤：采集锻坯参数，并根据锻坯参数、预判的锻坯变形位移和预判的锻坯变形速度计算得到在特定温度下锻压锻坯的负载变形抗力模型；根据负载变形抗力模型和上次锻压过程出现的误差计算得到此次锻压所需的所述锻压机的比例阀的开口度；将所述比例阀的开口度调整至计算值之后锻压所述锻坯。根据本发明的用于锻压机的控制方法及其控制系统，其可以频繁地调整横梁的锻压过程，从而确保整个锻压过程稳定运行，因此便可保证锻件的质量。

Description

用于锻压机的控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于锻压机的控制方法及其控制系统，尤其是控制大型模锻压机使其稳定运行。

背景技术

近年来，随着航空、航天技术的发展，新一代航空锻件向着“大型化、整体化、精密化”的趋势发展，且广泛采用变形抗力大、变形温度高、变形温度范围窄和变形速率要求严格的钛合金作为航空锻件的材料。由此给航空锻造技术提出了新挑战。一种较好的解决方案是大型模锻压机采用等温锻造工艺，这样即可以有效地降低锻坯变形抗力，又可以保证动态再结晶充分，而且还提高锻件的质量。

等温锻造工艺通常要求大型锻造液压机具备极低速稳定运行的能力。然而，现有的大型模锻压机的控制系统在低速锻造过程中由于不能进行适当补偿，即频繁地调整横梁的锻压过程，使得锻压机的横梁移动速度容易出现波动，严重时可导致横梁出现爬行，从而影响锻件质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于锻压机的控制方法及其控制系统，其可以频繁地调整横梁的锻压过程，从而确保整个锻压过程稳定运行，因此便可保证锻件的质量。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于锻压机的控制方法，包括步骤：首先，采集锻坯参数，并根据锻坯参数、预判的锻坯变形位移s_n和预判的锻坯变形速度v_n计算得到在特定温度下锻压锻坯的负载变形抗力模型P_n；其次，根据负载变形抗力模型P_n和上次锻压过程出现的误差e_n-1计算得此次锻压所需的锻压机的比例阀的开口度u_n；最后，将比例阀的开口度u_n调整至计算值，之后锻压锻坯。

在一个实施例中，负载变形抗力模型P_n通过公式P_n=fσ_s计算得出，式中，σ_s为锻坯材料的流变应力，f为锻坯形状的关系函数。

在一个实施例中，流变应力σ_s由预判的锻坯变形位移s_n和预判的锻坯变形速度v_n计算得出。

在一个实施例中，开口度u_n与上次锻压过程出现的误差e_n-1关系的表达式为：

[u₁u₂......u_n]=(A^TQ_yA+R_uI)^-1A^TQ_yΔE

式中：

a_n为压机运动模型特性的控制系统阶跃响应系数；Q_y=[11…1]，R_u=[0.010.01…0.01]；I为单位矩阵；ΔE=[e₀e₁e₂…e_n-1]^T，e_n-1为第n-1次锻压过程中出现的误差。

在一个实施例中，压机运动模型为 $M{\stackrel{\·\·}{x}}_n=-F_b+D_1{G}_1+\mathrm{Mg}-D_2{G}_2-F_f-P_n,$ 式中：M为锻压机的运动部件的质量，g为重量常数；D₁和D₂分别为锻压机的横梁驱动缸的有效驱动面积和横梁回程缸的有效驱动面积，F_b和F_f分别为阻尼力和系统摩擦力，G₁和G₂分别为横梁驱动缸的压力和横梁回程缸的压力。

在一个实施例中，阻尼力F_b和系统摩擦力F_f分别通过第一公式和第二公式计算得到，其中：

第一公式为

式中，B为系统粘性阻尼系数；

第二公式为

式中：F_s为最大静摩擦力，F_c为库仑摩擦力，v_s为临界Stribeck速度，σ₂为粘滞摩擦系数。

在一个实施例中，误差e_n-1根据上次锻压的实际横梁移动速度v′_n-1通过公式e_n-1=v′_n-1-v_n-1计算得出。

根据本发明的第二方面，提供了一种锻压机的控制系统，包括：第一采集模块，用于采集锻坯参数；第二采集模块，用于采集锻压机的系统参数；控制模块，用于实施根据本发明的第一方面的控制方法以操作锻压机锻压锻坯。

在一个实施例中，第一采集模块包括用于检测特定温度的温度传感器。

在一个实施例中，第二采集模块包括用于检测横梁移动速度的速度传感器。

在一个实施例中，处理模块包括用于控制比例阀的开口度的可编程逻辑控制模块。

在一个实施例中，可编程逻辑控制模块构造成能够控制锻压机的第一和第二油泵的启动和关闭，并且还能控制换向阀的导通相位。

根据本发明的用于锻压机的控制方法及其控制系统，每次锻压结束后都会通过上次锻压出现的误差来调整此次锻压所需的比例阀的开口度，以便保证此次锻压效果更佳。另外，由于锻压过程采用的是高自动化的高频率调整横梁的控制方法，因此该锻压机能够在降低操作难度的情况下有效地提高锻件质量。此外，根据本发明的用于锻压机的控制系统的结构简单，使用安全方便，便于实施推广应用。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的用于锻压机的控制系统以及现有的锻压机；和

图2是根据本发明的用于锻压机的控制方法的流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

根据本发明的用于锻压机的控制方法及其控制系统，其不但可以用于大型模锻压机以使其稳定运行，而且还可以用于小型模锻压机以便使其稳定运行。

如图1所示，该锻压机60包括能够彼此匹配而形成锻造模具的第一模具14和第二模具12。第一模具14通常固定不动，然后第二模具12可跟随锻压机60的活动横梁5移动，从而锻压处于第一模具14和第二模具12之间的锻坯13。

另外，该锻压机60还包括液压系统50。液压系统50包括依次连接在油箱1上的第一油泵7、换向阀2、比例阀3和横梁驱动缸4。在工作过程中，第一油泵7首先把油箱1内的液压油输送至换向阀2。若此时接通换向阀2的第一相位，液压油将通过换向阀2之后依次抵达至比例阀3和横梁驱动缸4，并通过横梁驱动缸4作用于横梁5锻压锻坯13。若此时换向阀2接通不是第一相位而是第二相位，那么就连通横梁驱动缸4和油箱1，从而便于横梁5能够顺利回到未锻压时的初始位置。除此之外，液压系统50还包括依次连接在油箱1上的第二油泵15和横梁回程缸6。当横梁5需要回程过程时，换向阀2的第二相位导通，并连通横梁驱动缸4和油箱1，然后开启第二油泵15控制横梁回程缸6使横梁5运动至未锻压时的初始位置，以便于下次继续锻压。

根据本发明的用于锻压机的控制系统100包括第一采集模块23和第二采集模块21。第一采集模块23可用于采集锻坯13的参数。所述参数可包括锻坯13的长、宽、高及材质参数。而第二采集模块21可用于采集锻压机60的系统参数。所述系统参数可包括横梁5的移动速度，其例如由第二采集模块23的速度传感器10来检测得到。其中，第一采集模块23还可以例如通过温度传感器16来检测锻造温度，这样便可准确地确认锻造温度，从而便于控制更加精准。然而容易理解，所述锻造温度应该保证恒温，以便满足等温锻造工艺的要求。

根据本发明，该控制系统100还包括处理模块22。处理模块22可以通过上述参数计算出特定温度（即锻造温度）下锻压锻坯13所需的负载变形抗力模型，并结合上次锻压过程中出现的误差来计算此次锻压过程所需的比例阀3的开口度，即计算值。然后再由处理模块22例如通过可编程逻辑控制模块20来调节比例阀3的开口度为计算值。此时，开启第一油泵7和导通换向阀2的第一相位，以便实现此次锻压。待此次锻压结束后，处理模块22导通换向阀2的第二相位，同时还把横梁驱动缸4与油箱1连通。然后开启第二油泵15控制横梁回程缸6，使横梁5运动至未锻压时的初始位置，以便于下次继续锻压。另外，可编程逻辑控制模块57还可用于控制锻压机60的第一油泵7和第二油泵15的启动和关闭，以及控制换向阀的导通相位，这样便可实现整个锻压过程的自动化。

根据本发明还提供一种用于锻压机的控制方法。根据本发明的用于锻压机的控制系统就是通过该控制方法来使锻压机稳定运行。该控制方法首先是采集锻坯参数，并根据锻坯参数、预判的锻坯变形位移s_n和预判的锻坯变形速度v_n来计算在锻造温度下锻压锻坯所需的负载变形抗力模型P。然而，本领域技术人员通过现有技术或知识很容易计算得出负载变形抗力模型P，因此在本申请就不逐一详述。以下介绍优选的一种计算方法，负载变形抗力模型P_n可通过公式P_n=fσ_s计算得出。式中：σ_s为锻坯材料的流变应力，f为锻坯形状的关系函数。然而，流变应力σ_s能够由预判的锻坯变形位移s_n和锻坯变形速度v_n通过现有技术或知识计算得出，因此在此不作详细描述。本领域技术人员也熟知锻坯形状的关系函数f，为节约篇幅起见，在此也不作详述。

当负载变形抗力模型P_n确定后，并根据负载变形抗力模型P_n和上次锻压过程出现的误差e_n-1计算出此次锻压过程所需的比例阀的开口度u_n。开口度u_n与上次锻压过程出现的误差e_n-1关系的表达式为[u₁u₂......u_n]=(A^TQ_yA+R_uI)^-1A^TQ_yΔE。式中：

a_n为压机运动模型特性的控制系统阶跃响应系；Q_y=[11…1]；R_u=[0.010.01…0.01]；I为单位矩阵；ΔE=[e₀e₁e₂…e_n-1]^T，e_n-1为第n-1次锻压过程中出现的误差。

然而，压机运动模型为 $M{\stackrel{\·\·}{x}}_n=-F_b+D_1{G}_1+\mathrm{Mg}-D_2{G}_2-F_f-P_n.$ 式中：M为锻压机的运动部件的质量（包括横梁5、液压杆以及第一模具12），g为重量常数；D₁和D₂分别为横梁驱动缸4和横梁回程缸6的有效驱动面积，F_b和F_f分别为阻尼力和系统摩擦力，G₁和G₂分别为横梁驱动缸4的压力和横梁回程缸6的压力。其中，阻尼力F_b和系统摩擦力F_f可分别通过第一公式和第二公式计算得到。第一公式为

式中的B为系统粘性阻尼系数。第二公式为

式中的F_s为最大静摩擦力，而F_c为库仑摩擦力，v_s为临界Stribeck速度，σ₂为粘滞摩擦系数。对于误差e_n-1可根据上次锻压的实际横梁移动速度v′_n-1通过公式e_n-1=v′_n-1-v_n-1计算得出。

根据本发明的用于锻压机的控制方法及其控制系统100，其可以频繁地调整横梁5的锻压过程，从而确保整个锻压过程稳定运行，因此便可保证锻件的质量。另外，根据本发明的用于锻压机的控制系统100的结构简单，使用安全方便，便于实施推广应用。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (12)

1.一种用于锻压机的控制方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，采集锻坯参数，并根据所述锻坯参数、预判的锻坯变形位移s_n和预判的锻坯变形速度v_n计算得到在特定温度下锻压锻坯的负载变形抗力模型P_n，

步骤2，根据负载变形抗力模型P_n和上次锻压过程出现的误差e_n-1计算得此次锻压所需的所述锻压机的比例阀的开口度u_n，

步骤3，将所述比例阀的开口度u_n调整至步骤2中的计算值，之后锻压所述锻坯。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤1中，负载变形抗力模型P_n通过公式P_n=fσ_s计算得出，式中，σ_s为锻坯材料的流变应力，f为锻坯形状的关系函数。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述流变应力σ_s由所述预判的锻坯变形位移s_n和预判的锻坯变形速度v_n计算得出。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的控制方法，其特征在于，在步骤2中，开口度u_n与上次锻压过程出现的误差e_n-1关系的表达式为：

[u₁u₂......u_n]=(A^TQ_yA+R_uI)^-1A^TQ_yΔE

式中：

a_n为压机运动模型特性的控制系统阶跃响应系数；Q_y=[11…1]，R_u=[0.010.01…0.01]；I为单位矩阵；ΔE=[e₀e₁e₂…e_n-1]^T，e_n-1为第n-1次锻压过程中出现的误差。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，压机运动模型为 $M{\stackrel{\·\·}{x}}_n=-F_b+D_1{G}_1+\mathrm{Mg}-D_2{G}_2-F_f-P_n,$ 式中：M为所述锻压机的运动部件的质量，g为重量常数；D₁和D₂分别为所述锻压机的横梁驱动缸的有效驱动面积和横梁回程缸的有效驱动面积，F_b和F_f分别为阻尼力和系统摩擦力，G₁和G₂分别为所述横梁驱动缸的压力和横梁回程缸的压力。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述阻尼力F_b和系统摩擦力F_f分别通过第一公式和第二公式计算得到，其中：

第一公式为式中，B为系统粘性阻尼系数；

第二公式为

式中：F_s为最大静摩擦力，F_c为库仑摩擦力，v_s为临界Stribeck速度，σ₂为粘滞摩擦系数。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的控制方法，其特征在于，误差e_n-1根据上次锻压的实际横梁移动速度v′_n-1通过公式e_n-1=v′_n-1-v_n-1计算得出。

8.一种锻压机的控制系统，其特征在于，包括：

第一采集模块，用于采集锻坯参数；

第二采集模块，用于采集所述锻压机的系统参数；和

控制模块，用于实施如权利要求1到7任一项所述的控制方法以操作所述锻压机锻压锻坯。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述第一采集模块包括用于检测所述特定温度的温度传感器。

10.根据权利要求8或9所述的控制系统，其特征在于，所述第二采集模块包括用于检测所述横梁移动速度的速度传感器。

11.根据权利要求8到10中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述处理模块包括用于控制所述比例阀的开口度的可编程逻辑控制模块。

12.根据权利要求8到11中任一项所述的控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制模块构造成能够控制所述锻压机的第一和第二油泵的启动和关闭，并且还能控制换向阀的导通相位。

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