CN104191643B - 单动液压机冲压速度和压边力的监测和控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及单动液压机冲压速度和压边力监测与控制系统及方法。系统包括数据采集模块，数据处理模块，液压机控制模块和人机交互模块；数据采集模块用于采集位移和压力信息，通过导线将电信号传给后续的数据处理模块；数据处理模块用于对比所接收的数据和预设值，判定通过后向液压机控制模块发送电信；人机交互模块用于显示数据采集模块所得信息和更改数据处理模块中的判定条件；液压机控制模块在接收到电信号后通过调节液压站对单动液压机的输油量，以实现对冲压速度及压边力的控制；本发明能够设定冲压速度和压边力关于滑块位移的函数，使得冲压速度和压边力为常数或按线性、非线性变化，且通过闭环控制实现对冲压速度和压边力的精确控制。

Description

单动液压机冲压速度和压边力的监测和控制系统及方法

技术领域

本发明专利涉及单动薄板液压实验机领域，尤其涉及单动液压机冲压速度和压边力监测与控制系统。

背景技术

液压机是进行薄板塑性成形的必要设备，其通过液压缸对上滑块施加压力，基于模具成形各种薄板件；常规单动液压机只能以匀速控制滑块的运动速度，且压边力只能通过模具来保证，无法通过压机实现压边力的控制；而在板料塑性成形中，冲压速度和压边力是影响板料的成形性能的重要因素；冲压速度的大小影响了板料内部微观组织的运动，板料内部无论是晶粒偏转还是位错移动都需要时间，因此冲压速度影响了板料的加工硬化，当冲压速度过大，加工硬化造成的强度上升尚未达到最大值便被迅速上升的应力超过，从而造成了板料破裂，浪费了板料的成形性能；当冲压速度过小，虽然能充分发挥加工硬化带来的抗拉强度和延伸率增大带来的成形性能变好的优势，但却增大了成形零件所需的时间，降低了加工效率；压边力的大小影响了成形中板料的流动，压边力过大，板料由于过大的摩擦力而难以流动，使得凹模圆角处的拉应力过大，从而易于发生破裂；压边力过小，会使得压边处容易产生起皱；因此，对于压边力和冲压速度的合理控制能够提高板料的成形性能，研发能够进行冲压速度和压边力控制的液压机以及对应的控制系统对于提高板料成形技术具有积极的意义。

中国专利文献CN03112933.1公开了一种《变压边力和变冲压速度的单动薄板液压试验机》，该液压试验机以上滑块位移为自变量，根据预设工作曲线，由压力传感器和速度传感器实时采样压力数据和速度数据供PLC控制器进行闭环控制，实现在150KN～1250KN范围内连续改变压边力和在4～20mm/s内调节冲压速度；采用该装置可以实现复杂拉深件成形过程中的压边力变化和上滑块冲压速度变化；但该专利中对于压边圈不同处压边力的控制是通过调节顶杆的长度来实现的，调节较麻烦；此外没有说明能否进行预设工作曲线的调节，以实现不同冲压速度和压边力的控制。

中国专利文献CN1631662A公开了一种《多点变压边力液压液压机》，该液压机下部安装有若干个独立控制的压边缸，通过拉深垫板，对压边圈不同部位施加不同随时间变化的变压边力，从而能在冲压成形过程中，按照工艺条件和设计者的要求随行程和位置精确控制压边力，从而极大地提高板料成形性能，增加冲压件尺寸稳定性；该专利涉及的液压机虽然能控制压边圈不同处的压边力随时间的变化，却无法控制冲压速度。

因此，设计一个能够根据不同冲压速度和压边力关于滑块位移的函数对冲压速度和压边力进行精确控制的系统，能够大大提高液压机的柔性，从而可以在成形中通过调节液压机来避免原先对模具的重复修改，以及面对某些特殊零件时，可以通过对压边力和冲压速度的调节，研究其成形工艺。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有单动液压机控制系统无法提供变冲压速度和变压边力控制的问题，提出了一种单动液压机冲压速度和压边力的监测和控制系统，能够按照不同工艺针对性设定冲压速度和压边力关于液压机上滑块位移的函数，使得冲压速度和压边力为常数或按线性、非线性变化，且通过闭环控制实现对冲压速度和压边力的精确控制。

本发明所述的单动液压机冲压速度和压边力的监测和控制系统，其组成包括数据采集模块，数据处理模块，液压机控制模块和人机交互模块；其中数据采集模块中用于采集信息的为：安装在液压机上滑块侧面、用于测量上滑块位移的位移传感器；安装在压边圈顶杆处用于测量顶杆与压边圈的接触压力以及安装在液压站与顶缸下腔相连油口处用于测量液压油提供压力的压力传感器；液压机控制模块分为常规控制模块和PLC控制模块，在冲压过程中可选其一来控制压机的运行；其中常规控制模块只能实现压边力恒定条件下液压机滑块的匀速运动；而PLC控制模块可以受人机交互模块编辑实现对液压机变压边力条件下的变速运动。

所述的数据采集模块用于采集上滑块下行位移和压边圈所受压力的信息，并通过导线传递给数据处理模块以及人机交互模块；实现对于冲压速度的控制可以通过换算转变为对液压机滑块位移的控制，速度是单位时间的位移，因此，监测模块中采集的位移信息可以在数据处理模块中转变为速度信息进行判定，对于速度的控制转变为对于位移的控制后向控制模块发送电信号，因此，位移传感器在冲压过程中对于位移数据的采集是进行冲压速度控制的必要条件；数据采集模块中的压力传感器分别布置在压边圈顶杆上以及液压站与顶缸下腔相连油口处，用于采集不同顶杆与压边圈间的接触力以及顶杆所提供的压力；本专利所涉及的液压机可参见中国专利文献CN03112933.1，其压边力由顶杆提供，并通过12根顶杆将力传递给压边圈不同位置，每根顶杆所提供的压力大小取决于顶杆的调节长度；可知所有顶杆与压边圈的接触力之和等于顶缸所提供的压力，两处压力传感器采集的信息可用于检验顶杆对于接触压力测量的准确性；此外，位于液压站与顶缸下腔相连油口处的传感器采集的压力信息为提供的压边力数值大小，是进行后续压边力判定与控制的必要条件。

所述的数据处理模块用于对接收的位移和压边力信息进行处理，随后进行判定，根据判定结果向后续液压机控制模块发送电信号；根据位移传感器采集的位移信息可以得到在该位移处的即时速度，对比预设速度-位移函数中该位移对应的速度值，若相等，则不采取措施；若不相等，则根据对比结果采取相应措施向后续液压机控制模块发送电信号；同理，根据位于液压站与顶缸下腔相连油口处的压力传感器采集的压力信息可以得到在该位移处的即时压边力，对比预设压边力-位移函数中该位移对应的压边力数值，若相等，则不采取措施；若不相等，则根据对比结果采取相应措施向后续液压机控制模块发送电信号。

所述的液压机控制模块由常规控制模块和PLC控制模块两部分组成，其中常规控制模块只能控制液压机滑块匀速运动和维持压边力恒定；PLC控制模块，可以实现冲压速度和压边力按预设冲压速度和压边力关于上滑块位移的函数进行变化；在PLC控制模块中，对于冲压速度的控制是通过主缸上腔入口处的比例溢流阀来控制液压油的流速来实现的，液压油流速与滑块运动速度成正比；根据数据处理模块传来的电信号增大或减小液压油流速，从而实现冲压速度增大或减小，冲压速度可以在3～20mm/s范围内进行调节，误差≤±5％；对于压边力的控制是通过顶缸下腔入口处的比例压力阀来控制液压油的压力来实现的，根据数据处理模块传来的电信号可以调节比例压力阀来增大或减小顶缸内部的压力，从而改变提供的压边力，压边力可以在0KN～600KN范围内可调，误差≤±2％。

所述的人工交互模块用于显示数据采集模块所得冲压速度和压边力关于位移的曲线、更改冲压速度-位移关系和压边力-位移关系的函数表达式(即改变数据处理模块中的判定条件)；通过更改冲压速度和压边力关于位移的函数表达式可以改变冲压过程中冲压速度和压边力随位移的变化，可以针对不同零件进行柔性化工艺设计；所设定的函数可以为常函数、一阶函数和高阶函数，结合数据采集模块、数据处理模块、液压机控制模块，实现对冲压速度和压边力的连续性精确闭环控制；实时显示由数据采集模块所得的冲压速度和压边力关于位移的函数曲线，对比设定函数曲线，可以判定控制的精确性，若出现问题，可以给操作者提供调整所需的参考消息。

所述的液压机控制模块中位于液压站与顶缸下腔相连的油口处的比例压力阀分为低压比例压力阀和高压比例压力阀，分别用于不同的压边力范围，在冲压过程中时，控制系统会根据位移对应的压边力大小自动切换到合适的比例压力阀；低压比例压力阀可使压边力在0KN～210KN范围内可调，高压比例压力阀可使压边力在大于210KN至600KN的范围内可调；不同的压边力范围选取不同的比例压力阀可以保证压边力的控制精度。

本发明提供了一种单动液压机冲压速度和压边力的监测和控制系统，结合配套压机，可以实现针对不同冲压工艺控制冲压速度和压边力的连续性变化；相比于普通压机控制系统，其具有以下优势：(1)可以通过控制压机冲压速度和压边力按预设曲线连续性变化。(2)可以通过人机交互模块设定冲压速度和压边力关于位移的函数，从而针对不同工艺控制冲压速度和压边力在冲压过程中的变化。(3)通过数据采集模块、数据处理模块和PLC控制模块实现冲压过程中对冲压速度和压边力的闭环控制，且保证了控制的精确性。

附图说明

图1：单动液压机冲压速度和压边力的监测和控制系统结构图；

图2；单动液压机冲压速度和压边力的监测和控制系统运行流程图；

附图中：

Ⅰ-单动液压机，Ⅱ-液压机控制模块；1-液压机上滑块，2-主缸上腔，3-输油管，4-压边圈，5-顶缸下腔，6-顶杆，7-压力传感器(顶杆处)，8-压力传感器(压力阀处)，9-位移传感器，10-比例溢流阀，11-低压比例压力阀，12-高压比例压力阀，13-液压站，14-油箱，15-第一数据采集模块，16-第二数据处理模块，17-PLC控制模块，18-常规控制模块，19-人机交互模块。

具体实施方式

下面通过实例对照附图，进一步说明本发明的具体结构及其实施方式。

如图1所示，一种单动液压机冲压速度和压边力的监测与控制系统，通过单动液压机Ⅰ、液压站13和油箱14等机构，实现对液压机冲压速度和压边力关于液压机上滑块1位移的精确控制；其中单动液压机Ⅰ为系统载体，油箱14用于提供液压油，液压站13与油箱13相连可以在系统控制下调节输出液压油的流量。

所述的系统包括第一数据采集模块15，第二数据处理模块16，液压机控制模块Ⅱ和人机交互模块19，其中第一数据采集模块15通过位移传感器9与压力传感器7、8采集位移和压力信息，并通过导线将电信号传给后续的第二数据处理模块16；第二数据处理模块16在接收到电信号后进行换算，得到该位移处的冲压速度和压边力数值，并对比冲压速度-位移曲线和压边力-位移曲线上该位移对应的冲压速度和压边力数值，根据对比结果决定是否向后续液压机控制系统发送电信号；液压机控制模块Ⅱ在接收到电信号后通过调节液压站13对单动液压机Ⅰ的输油量，以实现对冲压速度及压边力的控制；人机交互模块19与第一数据采集模块15、第二数据处理模块16相连接，用于显示数据采集模块所得信息和更改数据处理模块中的判定条件。

所述的第二数据采集模块16中用于采集信息的为位移传感器9和压力传感器7、8；其中位移传感器9安装在液压机上滑块1侧面液压机机架上用于测量上滑块1的位移，由于设定滑块1位于上顶点时位移为0，因此滑块1下行的距离就是其位移值；压力传感器7安装在压边圈顶杆6处用于测量顶杆与压边圈4的接触压力，压力传感器8安装在液压站与顶缸下腔5相连油口处用于测量液压油提供压力；布置在顶杆顶端压力传感器7在接触压边圈4提供压边力时，其采集的信息即为各顶杆6提供的压边力，还有压力传感器8布置在顶缸下腔5入口处用于采集液压站13提供的总压边力。

所述的液压机控制模块Ⅱ分为常规控制模块18和PLC控制模块17，其中PLC控制模块17与第一数据采集模块15，第二数据处理模块16构成对冲压速度以及压边力的控制回路；在变压边力和变冲压速度模式下，液压机控制模块中的PLC控制模块17在接收到电信号后，通过调节主缸上腔2入口处的比例溢流阀10来控制液压油的流速实现对冲压速度的调节，流速大则冲压速度大；通过调节顶缸下腔5入口处的比例压力阀11、12来控制液压油的压力实现对压边力的控制，液压油的压力大则压边力大。

所述的人机交互模块19中，能根据不同工艺设定冲压速度和压边力参数关于液压机上滑块位移的函数，并将其编辑为数据处理模块中的判定条件，使得第一数据采集模块15、第二数据处理模块16和PLC控制模块17构成的闭环控制系统，实现冲压过程中液压机冲压速度和压边力和上滑块位移的关系按所设函数精确变化；所设定的函数可以为常函数，即冲压速度和压边力在冲压过程中保持不变；一阶函数，即冲压速度和压边力随位移增大而均匀变化；高阶函数，即冲压速度和压边力随位移增大进行非均匀连续性变化；此外，人机交互模块19会将采集的位移和压边力信息转换为冲压速度和压边力关于位移的实时曲线显示，与预设曲线对比，便于操作者进行设定调整以保证控制精度。

整个系统的工作流程如图2所示，具体如下：

单动液压机Ⅰ启动，当无需进行变冲压速度和变压边力时，直接采用常规控制模块18对液压机进行控制；当需要进行变冲压速度和变压边力运行时，转换为PLC控制模块17进行控制；

根据特定零件的冲压工艺设计冲压速度和压边力关于位移的函数通过人机交互模块19输入，并通过编辑成为第二数据处理模块16中用于闭环控制判定条件；

冲压开始，液压机上滑块1从位移为0的位置开始下行，通过位移传感器9采集位移信息，并通过第二数据处理模块16和PLC控制模块17进行闭环控制，保证冲压速度和位移的关系基本满足预设函数，误差≤±5％；在上滑块1开始下行时，顶杆6顶起，开始合模时，顶杆6与压边圈4接触，通过压力传感器7、第二数据处理模块16和PLC控制模块17对压边力进行闭环调节，保证压边力在合模过程中和上滑块位移的关系基本按预设函数变化，误差≤±2％；

在进行压边力调节时，当压边力0KN～210KN范围内时，所工作的比例压力阀为低压比例压力阀11；当压边力在大于210KN至600KN范围内时，所工作的比例压力阀会自动切换到高压比例压力阀12，以保证比例压力阀的调节精度；

冲压完成后，液压机上滑块1迅速回升至零位移处，压边圈顶杆6下降回原位置。

Claims (5)

1.一种单动液压机冲压速度和压边力的监测与控制系统，通过包括单动液压机、液压站和油箱在内的机构，实现对液压机冲压速度和压边力关于液压机上滑块位移的精确控制；所述系统包括数据采集模块，数据处理模块，液压机控制模块和人机交互模块，其中数据采集模块用于采集位移和压力信息，并通过导线将电信号传给后续的数据处理模块；数据处理模块用于对比所接收的数据和预设值，判定通过后向液压机控制模块发送电信号；人机交互模块用于显示数据采集模块所得信息和更改数据处理模块中的判定条件；液压机控制模块在接收到电信号后通过调节液压站对单动液压机的输油量，以实现对冲压速度及压边力的控制；特征在于：所述的数据采集模块中用于采集信息的为位移传感器和压力传感器，位移传感器安装在液压机上滑块侧面用于测量上滑块位移，并设定上滑块位于上顶点处位移为0，便于信息的采集与数据的处理；压力传感器安装在压边圈顶杆尖端用于测量每根顶杆与压边圈的接触压力以及安装在液压站与顶缸下腔相连油口处用于测量液压油提供的总压边力，两者数据形成对比，便于操作人员调控压边力；所述的液压机控制模块分为常规控制模块和PLC控制模块，在冲压过程中可选其一来控制压机的运行；其中常规控制模块只能实现压边力恒定条件下液压机滑块的匀速运动；而PLC控制模块可以受人机交互模块编辑实现对液压机变压边力条件下的变速运动；采用不同的模块对应于不同的运行状态，不仅简化了系统，也使得操作简便；所述的人机交互模块中，能根据不同工艺设定速度和压边力参数关于液压机上滑块位移的函数，并通过数据采集模块、数据处理模块和液压机控制模块中的PLC控制模块，实现冲压过程中液压机冲压速度和压边力关于上滑块下行位移的精确控制。

2.如权利要求1所述的一种单动液压机冲压速度和压边力的监测与控制系统，其特征在于：所述的液压机冲压速度和压边力关于上滑块位移的函数为常函数、一阶函数或高阶函数，以实现冲压过程中冲压速度和压边力在冲压过程中的多种变化；其中冲压速度的控制范围为3～20mm/s，控制误差≤±5％；压边力的控制范围为0～600KN，控制误差≤±2％。

3.如权利要求1所述的一种单动液压机冲压速度和压边力的监测与控制系统，其特征在于：所述的液压机控制模块中PLC控制模块控制液压机变速运动是通过安装在液压站与主缸上腔相连油口处的比例溢流阀实现的，而控制变压边力是通过安装在液压站与顶缸下腔相连油口处的比例压力阀实现的；阀门受电信号控制，阀口越大，则冲压速度越快、压边力越大。

4.如权利要求3所述的一种单动液压机冲压速度和压边力的监测与控制系统，其特征在于：所述的安装在液压站与顶缸下腔相连的油口处的比例压力阀分为低压比例压力阀和高压比例压力阀，在不同的压边力控制范围内会自动切换到不同的比例压力阀，以实现压边力的控制精度；当压边力属于0KN～210KN范围内选用低压比例压力阀，当在210KN＜压边力≤600KN的范围内选用高压比例压力阀，保证了控制精度。

5.一种如权利要求1所述的监测与控制系统的监测与控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)单动液压机启动，当无需进行变冲压速度和变压边力时，直接采用常规控制模块对液压机进行控制；当需要进行变冲压速度和变压边力运行时，转换为PLC控制模块进行控制；

(2)根据特定零件的冲压工艺设计冲压速度和压边力关于位移的函数通过人机交互模块输入，并通过编辑成为数据处理模块中用于闭环控制判定条件；

(3)冲压开始，液压机上滑块从位移为0的位置开始下行，通过位移传感器采集位移信息，并通过数据处理模块和PLC控制模块进行闭环控制，保证冲压速度和位移的关系基本满足预设函数，误差≤±5％；在液压机上滑块开始下行时，顶杆顶起，开始合模时，顶杆与压边圈接触，通过压力传感器、数据处理模块和PLC控制模块对压边力进行闭环调节，保证压边力在合模过程中和上滑块位移的关系基本按预设函数变化，误差≤±2％；

(4)在进行压边力调节时，当压边力0KN～210KN范围内时，所工作的比例压力阀为低压比例压力阀；当在210KN＜压边力≤600KN的范围内时，所工作的比例压力阀会自动切换到高压比例压力阀，以保证比例压力阀的调节精度；

(5)冲压完成后，液压机上滑块迅速回升至零位移处，压边圈顶杆下降回原位置。