CN103920839B - 大型模锻液压机混合同步平衡控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型模锻液压机混合同步平衡控制系统，包括多缸并行驱动的主动同步液压子回路和被动平衡液压子回路以及回程同步油缸，还包括信号检测子系统和电气控制子系统，所述的主动同步液压子回路包括五支主工作缸及其相应的泵站驱动进液阀组，所述的主工作缸安装于固定上横梁与活动横梁之间，由进液阀组独立控制，所述的被动平衡液压子回路包括四支同步液压缸，所述的同步液压缸设置于所述的活动横梁下方四角，按每一对角线上的两个为一组分为两组，每组中的一个缸的上腔与另一缸的下腔连通。本发明是一种控制精度高和响应速度快的大型模锻液压机混合同步平衡控制系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种大型模锻液压机，特别是涉及一种大型模锻液压机混合同步平衡控制系统。
背景技术
大型模锻液压机是国防军工、航空航天用于生产大型整体锻件的关键装备。模锻液压机通过动梁对锻件施加载荷，锻件成型质量取决于动梁的运行姿态。液压机在工作时，由于锻件坯料各部位温度、厚度差别以及材料不均匀性，或因油缸的泄露、阻力、制造精度以及结构的弹性变形导致的多缸驱动运行不同步，模锻件的变形力的合力中心偏离液压机中心，导致动梁在偏心力矩作用下产生倾斜。一方面，动梁倾斜后若不及时纠偏，绝大部分力矩传递给液压机框架，导致液压机构件受力情况恶化，有可能使总应力超过允许值而发生事故；另一方面，动梁发生倾斜后，上、下模不能准确压合，无法满足模锻件尺寸精度的要求。同步平衡回路是模锻装备不可或缺的关键环节。
液压机同步主要采用流量补偿型液压系统，即被控对象因各种因素偏离设定位置时，根据检测器检测到的被控对象相对于设定位置的位移偏移量，液压同步系统通过补偿控制系统向需要增压的工作缸液压腔补油，使另一腔封闭或者泄油，工作缸两腔产生的压力差用于平衡外加载荷，阻止被控对象偏离设定位置。
流量补偿型液压同步系统按照工作方式的不同可以分为主动式和被动式同步两种。主动同步系统中起同步作用的是驱动动梁运动的主工作缸。当动梁倾斜时，主工作缸根据检测控制系统实时反馈的控制量主动调节各个驱动缸压力和流量，以保持动梁的水平度。被动同步系统则是在动梁下部四个角点设置平衡液压缸，平衡缸根据动梁倾斜产生的位移偏移量被动地施加与偏转力矩相反的平衡力矩，以阻止动梁倾斜。
中国发明专利公开号为CN1903476A和CN101537469A分别公开了一种模锻液压机同步平衡系统，是国内报道的较先进的同步系统。其运行静精度是0.04‰rad，动精度为0.6‰rad，系统响应时间0.3s。现有的同步控制精度仍无法满足制造具有更高整体形状精度锻件的要求,在系统响应速度、可靠性方面仍有较大提升空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种同步平衡系统控制精度高和响应速度快的大型模锻液压机混合同步平衡控制系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供的大型模锻液压机混合同步平衡控制系统，包括多缸并行驱动的主动同步液压子回路和被动平衡液压子回路以及回程同步油缸，还包括信号检测子系统和电气控制子系统，所述的主动同步液压子回路包括五支主工作缸及其相应的泵站驱动进液阀组，所述的主工作缸安装于固定上横梁与活动横梁之间，由进液阀组独立控制，所述的被动平衡液压子回路包括四支同步液压缸，所述的同步液压缸设置于所述的活动横梁下方四角，按每一对角线上的两个为一组分为两组，每组中的一个缸的上腔与另一缸的下腔连通，所述的主动同步液压子回路采用并行独立驱动支路，每个所述的主工作缸由相应的进液阀组单独控制，所述的进液阀组的连接方式是：液压泵出口与三位四通电磁换向阀的进口相连，液压泵出口连接的比例压力阀、溢流阀与二位三通电磁阀，所述的三位四通电磁换向阀的出口与方向伺服阀相连接，所述的方向伺服阀阀口前后加装有压差补偿器，所述的方向伺服阀通往所述的主工作缸的油路上使用单向阀；所述的被动平衡液压子回路的连接方式是：液压泵的出口连接有方向伺服电磁阀，在所述的方向伺服电磁阀的进油口旁接一蓄能器，所述的方向伺服电磁阀连接二个插装阀和二个电磁换向阀控制四个同步缸进油、回油路的通断，所述的被动平衡液压子回路上设有压力继电器；所述的主缸进液阀组与所述的被动平衡液压子回路的控制端均与控制器输出端口通信相连。
所述的主动同步液压子回路采用溢流阀与二位四通电磁换向阀配合实现系统卸荷。
所述的信号检测子系统是指：所述的活动横梁的四角上各设有一个高精度磁致伸缩位移传感器，压力传感器和流量传感器安装于所述的主动同步液压子回路和所述的被动平衡液压子回路和液压回路上，信号经A/D转换器输入控制端。
所述的电气控制子系统采用Profibus拓扑网络结构，采用上位机与可编程控制器相结合的两级控制方案，上位机通过通讯卡和Profibus总线网络实现与PLC之间的数据通讯。PLC控制液压系统工作，对信号检测系统检测到的动梁四角位移信号和其它传感器检测到的有关信号信息进行处理，给出的控制信号经功率放大后驱动各液压执行元件正确工作；通过组态软件和人机交互界面显示采集的系统工艺参数和生产过程中的技术数据。
本发明提出了混合平衡补偿技术原理，即将多缸并行驱动与被动同步相结合，在动梁原有被动平衡力矩基础上增加主动力矩，以提高系统响应速度。具体组成包括主动液压子回路和被动液压子回路，主动液压子回路，即多缸并行驱动回路与进液阀组相连，被动液压子回路与被动补偿阀组相连。
主动液压子回路采用并行独立驱动支路，每个主工作缸由相应的进液阀组单独控制。采集的动梁位移、速度，各个油路压力、流量等信号输入控制器处理，分别控制各个主工作缸进油压力、流量。如果一个主工作缸的位置与中央主缸位置偏差超过某一个值时，控制输入所对应的电液伺服阀的输入电压，改变主缸进油量。如果该主缸动作过快，输入方向伺服阀中的电压将会减小，即进入其中的流量将会减少；反之，输入伺服阀中的电压将会增大，即进入其中的流量将会增加。采用压差补偿器避免油液脉动对高频响伺服阀的影响，保证了主缸进油流量的稳定。比例压力阀根据工况调整系统基准压力，以适应不同的工作状态对平衡系统压力的要求，保证各主缸的位移同步。
被动液压子回路的液压缸按对角线分为两组，同组的其中一支液压缸上腔与另一支液压缸的下腔相连接。采用高频响的方向伺服阀作为关键器件，控制补偿进油量，增加了超调保护，保证了系统合理性和可靠性。为提高系统响应速度，在伺服阀的进油口旁接一蓄能器。插装阀控制同步缸进油、回油路的通断，插装阀与电磁换向阀组合调定系统背压。假设动梁发生偏转，则向较低一侧液压缸下腔补充油液，另一侧下腔回油，压力继电器和电磁换向阀相互配合实现差动纠偏。当动梁处于水平状态是，同步缸封闭腔容积不变，插装阀组锁死形成封闭系统。运用多级调压的插装阀组，增加卸荷过程控制，有效避免冲击振动。
信号检测子系统根据检测要求，采用了基于Profibus现场总线的拓扑网络结构。活动横梁的位移由分别安装在动梁四角上的4个高精度磁致伸缩位移传感器检测，达到了全行程上的高精度检测。两对角位移检测量的差值与这两个传感器之间距离之比等价于动梁倾斜角。压力、流量传感器安装于主缸和同步缸的进油路上，保证压力和流量信号的实时传递。
电气控制子系统基于现场总线网络通讯技术，采用上位机结合可编程控制器的两级控制方案。工控机作为上位机，可编程控制器（PLC）作为工作站。上位机通过CP5611通讯卡和Profibus网络实现与PLC之间的数据通讯。PLC控制液压系统工作，采集液压机工作的各种信号，并将这些信号通过总线通讯方式传输到上位PC机。通过Wincc软件和人机交互界面作为系统工作时的参数输入端和工况监视端。
综上所述，本发明是一种同步平衡系统控制精度高和响应速度快的大型模锻液压机混合同步平衡控制系统。本系统减少了液压元件数目，结构紧凑，同时兼具主动同步与被动同步系统的优点，可进一步缩短系统响应时间，提高系统静精度和动精度，实现驱动与同步平衡相统一。
附图说明
图1为液压机本体结构示意图。
图2为图1中A--A向剖示图。
图3为图1中B--B剖示图。
图4为被动同步液压子回路原理图。
图5为主动同步液压子回路原理图。
图6为混合同步控制流程图。
图7为主被动联合控制方案图。
图8为混合同步控制系统结构。
标号说明：1-上油箱；2-上横梁；3-主工作缸；4-活动横梁；5-立柱；6-同步工作缸；7-下横梁；8-电机；9-液压泵；10-滤油器；11-单向阀；12-压力表；13-蓄能器；14-方向伺服电磁阀；15,26-插装阀；16,25,27,33-二位二通电磁阀；17，24，29-二位三通电磁阀；18,23-梭阀；19,22-压力继电器；20，21-同步工作缸；28-插装阀；30，94-溢流阀；31-三位三通电磁阀；32-顺序阀；95-插装阀；96-油箱；34-插装阀；35-溢流阀；36，54-二位四通电磁阀；37，40，43,46，49-比例压力阀；38，41,44,47,50-液压泵；39，42,45,48,51-二位三通电磁阀；52-顺序阀；53-溢流阀；55，56,57,67，90-三位四通电磁阀；60,61,64,68，72-方向伺服阀；58，59,65,70，73-压力补偿器；62，63,66,69,71,89-单向阀；74,75,76,77,78-充液阀；79,80,81,82,83-主工作缸；84,85-回程缸；86-二位三通电磁阀；87-溢流阀；88，91-插装阀；92-二位四通电磁阀；93-顺序阀；97-回程缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1、图2和图3为液压机本体结构示意图。具体组成包括上油箱1、固定上横梁2、5支主工作缸3、活动横梁4、立柱5、4支同步工作缸6、2支回程缸97、固定下横梁7。A-A和B-B剖视图表示主工作缸3、同步工作缸6、回程缸97以及立柱5的方位。主工作缸3接主动同步驱动进液阀组，4支同步缸按对角连接分为两组,同步工作缸接被动同步进液阀组，回程缸接支撑阀组。
混合同步平衡系统设计了同步平衡控制的两个阶段：被动阶段和主动阶段。下面结合图4和图5阐述混合同步控制原理。
1.被动阶段
图4为被动同步液压子回路原理图。在活动横梁的四个角点分别设置一个同步液压缸，处于对角线位置的两支液压缸为一组。每组液压缸其中一支液压缸的上腔和下腔分别与另一支液压缸的下腔和上腔相连。
下面假设以活动横梁发生逆时针方向偏斜时的情况为例，对照图2将平衡工作原理阐述如下(动梁顺时针偏斜时纠偏原理与逆时针偏斜时纠偏原理类似)：
6YA得电，7YA失电，则插装阀15导通，插装阀26关闭。液压油经方向伺服阀14通过插装阀15进入左边液压缸下腔与右边液压缸的上腔，同时压力继电器19动作，9YA得电，换向阀25导通，左边液压缸上腔与右边液压缸的下油腔回油。由于7YA失电，梭阀18使插装阀26关闭，此时10YA得电，液压油经二位二通电磁换向阀25补入左边液压缸下腔和右边液压缸上腔实现差动，而使活动横梁尽快回到水平姿态。蓄能器13用于提高系统的响应速度。插装阀35的先导溢流阀34用来调整系统压力，电磁换向阀31,33与先导溢流阀32配合限制系统的最高压力。阀组28,29,30用来设定系统泄油时的背压。当活动横梁的偏斜量在允许的范围内时，6YA、7YA失电，梭阀18,23使得插装阀15、26均可靠地关闭，同步液压缸各个油腔封闭而形成封闭系统，此时液压泵通过阀组31,32,33,34,35卸载。
2.主动阶段
图5为主动同步液压子系统原理图。5支主工作缸都分别由5条独立的油路控制，通过控制进入主缸的流量实现主动同步控制。液压泵38,41,44,47,50出口与电磁换向阀55,56,57,67,90的进口相连。比例压力阀37，40,43,46，49调整系统压力，溢流阀与二位三通电磁阀39,42,45,48,51相互配合对系统起到安全保护的作用。溢流阀52,53与二位四通电磁换向阀54配合实现系统卸荷。三位四通电磁换向阀55,56,57,67,90的出口与压差补偿器58,59,65,70,73相连接。方向伺服阀60,61,64,68,72阀口前后加装压差补偿器，以维持比例伺服阀口前后压差不变，保证伺服阀输出流量的稳定性，并使系统具备一定的抗干扰能力。为避免压力脉动对高频响伺服阀的影响，在伺服阀通往主工作缸79,80,81,82,83的油路上使用单向阀62,63,66,69,71将比例伺服阀与系统隔离。回程缸84,85与溢流阀87和插装阀组连接。插装阀91,92和溢流阀93,35和电磁换向阀92,36配合实现动梁快降和慢降时支撑提供背压的功能。
信号采集系统采集的活动横梁四角的位移及各主工作缸压力、流量等反馈信号，控制器调节输入伺服阀60,61,64,68,72和比例压力阀37，40,43,46，49的电压信号，进而控制各主工作缸的进液流量和压力。如果一个油缸动作过快，进入其中的流量将会减少，如果一个油缸动作过慢，进入其中的流量将会增加，从而实现主缸的主动同步控制。以其中一路进液阀组为例作进一步分析，当该支路相应主缸的位置与中央主缸不在同一水平位置时，位移传感器反馈信号输入控制器，控制该主缸电液伺服阀的电压（流量），使其跟踪中央主缸的位移，主动使其运动与中央主缸保持同步，当系统需要增压时，控制系统根据各主缸的位移和压力反馈信号调整控制相应比例压力阀的电压，保证各主缸的位移同步。
图6为混合同步平衡控制流程图。动梁的位移由磁致伸缩式位移传感器测得。信号检测系统将测量的活动横梁四角位移转换成动梁两个方向的倾角信号θ1和θ2。当动梁倾角θ1,θ2超过偏角限定值θ0时，主动同步液压控制子回路启动纠偏，控制器输出电压信号调节伺服阀输出流量，其纠偏过程如附图5实施方式所述。当信号检测系统监测到动梁倾斜角变化率和超过设定值时（此时动梁偏离水平位置的速度非常快），启动被动同步控制器。
图7为主被动联合控制方案图。主动和被动阀控系统“等同”地跟踪期望输入xd，各个主工作缸分别受控于五个相互独立的控制器。四支同步缸按对角分为两组，两组被动阀控缸系统分别受控于两个控制器，其输出纠偏力矩分别为τ1和τ2。以中间主工作缸为基准，其它四支主缸相对中间缸的位移差值馈入控制器1,2,3,4，以减少各驱动回路交叉耦合对同步性能的影响。为解决混合同步平衡系统易引起的功能界面发生奇异的问题，引入监督器决定同步纠偏顺序。根据倾斜角变化率和大小判断两组对角缸启动纠偏的次序，从而决定对相应的同步工作缸进行补偿。如果倾角变化率大于则优先启动倾角θ1对应的一组主、被动同步缸工作；反之，优先启动倾角θ2对应的一组同步缸工作。
图8为同步平衡电气控制系统结构。电控系统基于Profibus拓扑网络结构，采用上位机结合可编程控制器的两级控制方案。上位机通过通讯卡和Profibus网络实现与PLC之间的数据通讯。PLC控制液压系统工作，对信号检测系统检测到的动梁四角位移信号和其它传感器检测到的有关信号信息进行处理，给出的控制信号经功率放大后驱动各液压执行元件正确工作。通过Wincc软件和人机界面将数据采集到上位PC机中进行分析处理。人机界面用于对压机进行参数设置、运行状态与工艺参数进行监控等。在主画面上通过指示灯来显示动梁位移和液压机同步系统的基本状态。通过点击I/O信息与报警信息，可以实现对数据数据输入、输出及各类报警信息的监控等。在工作画面上显示有同步液压回路电磁铁动作表、位移、压力、流量、偏转角等参数。
本发明设计了两级混合同步（主动+被动）平衡控制系统。简化了原有的液压回路结构，采用高频响电液伺服阀，减少了换向阀数量，增加了插装阀数量，从而提高了系统可靠性。由于将主动和被动同步相结合，相当于在对动梁施加的被动力矩基础上，增加了主动力矩，较之原有同步系统在响应速度方面具有无可比拟的优势，并且增加了系统的平衡能力。基于流量补偿思想，通过对动梁位移实时跟踪，避免了干扰外负载变化或者补偿过度造成的系统失稳，保证了整个同步系统的稳定性。
Claims (4)
1.一种大型模锻液压机混合同步平衡控制系统，包括多缸并行驱动的主动同步液压子回路和被动平衡液压子回路以及回程同步油缸，还包括信号检测子系统和电气控制子系统，所述的主动同步液压子回路包括五支主工作缸及其相应的泵站驱动进液阀组，所述的主工作缸安装于固定上横梁与活动横梁之间，由进液阀组独立控制，所述的被动平衡液压子回路包括四支同步液压缸，所述的同步液压缸设置于所述的活动横梁下方四角，按每一对角线上的两个为一组分为两组，每组中的一个缸的上腔与另一缸的下腔连通，其特征是：所述的主动同步液压子回路采用并行独立驱动支路，每个所述的主工作缸由相应的进液阀组单独控制，所述的进液阀组的连接方式是：液压泵出口与三位四通电磁换向阀的进口相连，液压泵出口连接比例压力阀、溢流阀与二位三通电磁阀，所述的三位四通电磁换向阀的出口与方向伺服阀相连接，所述的方向伺服阀阀口前后加装有压差补偿器，所述的方向伺服阀通往所述的主工作缸的油路上使用单向阀；所述的被动平衡液压子回路的连接方式是：液压泵的出口连接有方向伺服电磁阀，在所述的方向伺服电磁阀的进油口旁接一蓄能器，所述的方向伺服电磁阀连接二个插装阀和二个电磁换向阀控制四个同步缸进油、回油路的通断，所述的被动平衡液压子回路上设有压力继电器；所述的进液阀组与所述的被动平衡液压子回路的控制端均与控制器输出端口通信相连。
2.根据权利要求1所述的大型模锻液压机混合同步平衡控制系统，其特征在于：所述的主动同步液压子回路采用溢流阀与二位四通电磁换向阀配合实现系统卸荷。
3.根据权利要求1所述的大型模锻液压机混合同步平衡控制系统，其特征在于：所述的信号检测子系统是指：所述的活动横梁的四角上各设有一个高精度磁致伸缩位移传感器，压力传感器和流量传感器安装于所述的主动同步液压子回路和所述的被动平衡液压子回路和液压回路上，信号经A/D转换器输入控制端。
4.根据权利要求1所述的大型模锻液压机混合同步平衡控制系统，其特征在于：所述的电气控制子系统采用Profibus拓扑网络结构，采用上位机与可编程控制器相结合的两级控制方案，上位机通过通讯卡和Profibus总线网络实现与PLC之间的数据通讯；PLC控制液压系统工作，对信号检测系统检测到的动梁四角位移信号和其它传感器检测到的有关信号信息进行处理，给出的控制信号经功率放大后驱动各液压执行元件正确工作；通过组态软件和人机交互界面显示采集的系统工艺参数和生产过程中的技术数据。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "基于WinCC的300MN模锻水压机监控系统设计";陈晖等;《微计算机信息》;20070115;第23卷(第1-1期);第45-47页 * |
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