CN104441754B - 立式轴向成形压机的控制系统及方法、控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了立式轴向成形压机的控制系统及方法、控制装置及方法。该控制系统包括位移传感器、处理器、分别设置在处理器上的D/A模块与A/D模块。位移传感器安装在立式轴向成形压机的压头上测量压头的模拟量的实际位移，A/D模块模数转换模拟量的实际位移得到数字量的实际位移。处理器内部设置有给定频率速度系数，且接收理想的压制速度、压制位移、频率给定，并结合数字量的实际位移产生立式轴向成形压机的伺服阀开口所需的数字量的电压值。D/A模块数模转换数字量的电压值得到模拟量的电压值，伺服阀接收模拟量的电压值驱动压头。本发明还公开该控制系统的控制方法，应用于该控制系统的控制装置及该控制装置的控制方法。

Description

立式轴向成形压机的控制系统及方法、控制装置及方法

技术领域

本发明涉及CNC振动式轴向成形设备，主要为汽车轻量化、高品质零件制造提供新型制造技术，具有脉冲式小能量多次加载方式的控制结构，特别是涉及一种立式轴向成形压机的控制系统及该控制系统的控制方法，应用于该控制系统的控制装置及该控制装置的控制方法。

背景技术

冷态调频调幅轴向成形设备和工艺技术在汽车零部件加工生产中的使用，随着汽车工业技术的不断发展，汽车零部件设计不但存在回转特征表面，也存在大量的非回转体特征表面(如对称多边形、非对称多边形、曲线与直线复合形状)；为了满足轻量化的要求，大量使用空心零件代替实心零件，用于传动内外花键、内外齿轮，薄壁内外花键(齿轮)、盲孔内外花间(齿轮)等，突出了产品功能的实现，提高了装配效率，改善了整车性能，提高了整车安全性、可靠性、乘驾舒适性。这些零件在汽车自动变速器、发动机总成、转向系统、驱动系统、减震机构，车内安全构件中大量存在。采用传统制造工艺和装备加工效率低、制造成本高、甚至会造成高能源消耗和环境污染，甚至无法制造。

调频调幅轴向成形设备及其工艺技术是机械工程技术领域工艺方法和制造技术的创新，使原来由于加工工艺方法限制认为不合理的设计变得合理；使原来不可能实现或很难实现的结构制造变得可能和容易，突出零件功能的实现；使原来很难保证的零件技术指标得以轻松保证，并得到质的提高，因而零件的可靠性得以根本改善。

在航空航天、国防、核能工业等多个工业领域，为了实现特殊的功能，其零件设计在材料选择、结构设计、综合机械性能等方面有特殊要求，调频调幅轴向成形设备同样有着广泛的应用。本控制结构正是调频调幅轴向成形设备的关键技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种立式轴向成形压机的控制系统及该控制系统的控制方法，应用于该控制系统的控制装置及该控制装置的控制方法。该立式轴向成形压机的控制系统完全有别于传统压力机一次压制的控制系统，提供一种振动压制成型的控制结构，具有调频调幅轴向振动成形柔性控制结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种立式轴向成形压机的控制系统，其应用于该立式轴向成形压机中，该立式轴向成形压机包括用于压制零件的压头(9)、用于驱动压头(9)的伺服阀(5)，该控制系统用于控制伺服阀(5)；该控制系统包括电气控制子系统，该电气控制子系统包括位移传感器(10)、处理器(2)、分别设置在处理器(2)上的D/A模块(3)与A/D模块(4)；位移传感器(10)安装在压头(9)上用于测量压头(9)的模拟量的实际位移S11，A/D模块(4)用于模数转换实际位移S11得到数字量的实际位移S1，处理器(2)内部设置有给定频率速度系数K，处理器(2)接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，并根据实际位移S1、给定频率速度系数K、压制速度V、压制位移S、频率给定ω产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1，D/A模块(3)用于数模转换电压值V1得到模拟量的电压值V，伺服阀(5)接收电压值V驱动压头(9)；该处理器(2)首先，根据频率给定ω产生方波，将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S，对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1，将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；接着，根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；然后，将理论位移值△S1与该方波叠加输出控制信号；之后根据内部给定频率速度系数K、该控制信号、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1。

作为上述方案的进一步改进，该控制系统还包括显示子系统，该显示子系统包括与处理器(2)交换参数的人机界面系统HMI(1)，该人机界面系统HMI(1)输出压头(9)理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，并实时显示压头(9)的位置曲线、速度对时间的曲线。优选地，处理器(2)通过工业以太网与人机界面系统HMI(1)交换参数。

作为上述方案的进一步改进，该方波为0-30HZ方波，电压值V为±10V。

本发明还提供一种控制方法，其应用于立式轴向成形压机中，该立式轴向成形压机包括用于压制零件的压头(9)、用于驱动压头(9)的伺服阀(5)，该控制方法用于控制伺服阀(5)；该控制方法包括以下步骤：

步骤一，设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω；

步骤二，测量压头(9)的模拟量的实际位移S11；

模数转换实际位移S11得到数字量的实际位移S1；

根据频率给定ω产生方波；

将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；

对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；

将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；

根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；

将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；

根据该给定频率速度系数K、该控制信号、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1；

数模转换电压值V1得到模拟量的电压值V以使伺服阀(5)接收电压值V来驱动压头(9)；

步骤三，重复步骤二对压头(9)进行实时调整。

本发明还提供一种控制装置，其应用于上述任意立式轴向成形压机的控制系统的处理器(2)中，该控制装置设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，该控制装置包括：

函数发生器(22)，用于根据频率给定ω产生方波；

第一比较器(24)，用于将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；

运算器(26)，用于对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；

第二比较器(25)，用于将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；

处理单元(21)，用于根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期，给定频率速度系数K设置在该处理单元(21)中；

叠加器(27)，用于将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；

智能PID控制器(23)，用于根据该控制信号、给定频率速度系数K、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1。

本发明还提供一种控制方法，其应用于立式轴向成形压机中，该立式轴向成形压机包括用于压制零件的压头(9)、用于驱动压头(9)的伺服阀(5)，该控制方法用于控制伺服阀(5)；该控制方法包括以下步骤：

设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω；

根据频率给定ω产生方波；

将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；

对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；

将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；

根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；

将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；

根据该控制信号、该给定频率速度系数K、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1。

本发明采用位置和速度闭环控制结构，位置增益智能化，自动识别位置环放大系数，系统高度集成，成形平稳可靠，频率和振幅控制精度高，实现了在振动过程中振动频率在0-30赫兹连续可调，成形速度在0-30mm/s连续可调，振幅在0-5mm连续可调。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的立式轴向成形压机的控制系统的结构示意图。

图2是本发明的控制系统的控制原理示意图。

图3是本发明的压力控制效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的立式轴向成形压机的控制系统应用于该立式轴向成形压机中。该立式轴向成形压机包括动力系统、驱动系统、模具系统。该动力系统包括电动机6、油泵7。电动机6优选为交流异步电动机。该驱动系统包括伺服阀5。伺服阀5优选为高频响伺服阀。该模具系统包括液压油缸8、压头9。交流异步电动机拖动油泵7输出一定压力的液压油，高频响伺服阀控制液压油缸8的进出油路，液压油缸8驱动压制零件的压头9移动。因此，伺服阀5是间接驱动压头9移动的。

该控制系统包括电气控制子系统和显示子系统。该电气控制子系统包括位移传感器10、处理器2、分别设置在处理器2上的D/A模块3与A/D模块4。该显示子系统包括人机界面系统HMI 1。

处理器2可为高性能多任务特点的工业计算机IPC，工业计算机IPC可采用德国BECKHOFF EtherCAT系列CX1030-0012，在硬件上包括一个电源模块、一个CPU模块、多个数字量输入输出模块、一个模拟量输入模块、一个模拟量输出模块，CPU模块包含两个以太网接口，足够应付本发明的整体设计量。

D/A模块3可为高速高精度的模拟量输入模块，A/D模块4可为高速输出模块。工业计算机IPC优选采用工业以太网与人机界面系统HMI 1交换参数，工业计算机IPC通过高速高精度的模拟量输出模块即D/A模块3与高频响伺服阀的一端相连，而交流异步电动机拖动液压油泵7输出一定压力的液压油，高频响伺服阀控制振动成形液压机的液压油缸8的进出油路，高频响伺服阀和模具系统连接，在压头9上设置高精度的位移传感器10，位移传感器10与工业计算机IPC的A/D模块4相连，将压头9的位置信号转换成4-20mA反馈给工业计算机IPC。

当然了，本发明立式轴向成形压机的控制系统也可以设计简单点的功能，即功能不需要太复杂，如该显示子系统可以不设置，直接在工业计算机IPC上操作，输入需要的参数。

请结合图2，位移传感器10安装在压头9上用于测量压头9的模拟量的实际位移S11，A/D模块4用于模数转换实际位移S11得到数字量的实际位移S1。处理器2内部设置有给定频率速度系数K，处理器2接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，并根据实际位移S1、给定频率速度系数K、压制速度V、压制位移S、频率给定ω产生伺服阀5开口所需的数字量的电压值V1。D/A模块3用于数模转换电压值V1得到模拟量的电压值V，伺服阀5接收电压值V驱动压头9。人机界面系统HMI 1输出压头9理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，并实时显示压头9的位置曲线、速度对时间的曲线。

本实施例的工作原理如下。步骤一，设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω。步骤二，测量压头9的模拟量的实际位移S11；模数转换实际位移S11得到数字量的实际位移S1；根据频率给定ω产生方波；将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；根据该给定频率速度系数K、该控制信号、实际位移S1产生伺服阀5开口所需的数字量的电压值V1；数模转换电压值V1得到模拟量的电压值V以使伺服阀5接收电压值V来驱动压头9。步骤三，重复步骤二对压头9进行实时调整。在实际应用中，根据该给定频率及速度值，在IPC专家库中给出一个系数K，智能PID系统综合K值、0-30HZ的方波，及理论上压头位移值和实际位移S1后产生一个信号经IPC系统的模拟量输出模块，产生一个正负10V信号给伺服阀5。

针对处理器2，首先，根据频率给定ω产生方波，将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S，对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1，将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；接着，根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；然后，将理论位移值△S1与该方波叠加输出控制信号；之后根据内部给定频率速度系数K、该控制信号、实际位移S1产生伺服阀5开口所需的数字量的电压值V1。该方波为0-30HZ方波，电压值V为±10V。

具体地应用实现时，处理器2内置控制装置软件，该控制装置包括处理单元21、函数发生器22、智能PID控制器23、第一比较器24、第二比较器25、运算器26、叠加器27。函数发生器22用于根据频率给定ω产生方波；第一比较器24用于将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；运算器26用于对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；第二比较器25用于将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；处理单元21用于根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期，给定频率速度系数K设置在该处理单元(21)中；叠加器27用于将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；智能PID控制器23用于根据该控制信号、给定频率速度系数K、实际位移S1产生伺服阀5开口所需的数字量的电压值V1。

该控制装置的控制方法包括步骤：设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω；根据频率给定ω产生方波；将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；根据该控制信号、该给定频率速度系数K、实际位移S1产生伺服阀5开口所需的数字量的电压值V1。

综上所述，首先压制的零件通过人机界面系统HMI 1给出所需的压制速度V、压制位移S(包括压制振幅和方向，是个矢量)、频率给定ω，安装在机身上的位置检测元件即位移传感器10反馈回来压头9的位置速度实际值即模拟量的实际位移S11，A/D模块4模数转换实际位移S11得到数字量的实际位移S1。运算dS/dt的速度实际值V1相比较，产生的值△S和△V，送给处理单元21运算,产生这次控制系统当前的运算理论位移值△S1,在与函数发生器22产生的0-30HZ的方波叠加，送给智能PID控制器23，产生伺服阀5开口所需的电压值(±10V),由伺服阀5控制液压油缸8的上下运动。实现对压头9的速度、振动频率、振动幅值的最优控制，实现了在振动过程中振动频率在0-30HZ连续可调，成形速度在0-30mm/s连续可调，振幅在0-5mm连续可调。同时通过对位移传感器10数值的采样处理后，通过工业以太网发给人机界面系统HMI 1，实时显示压头9的位置、速度对时间的曲线。

压头9的控制效果如图3所示。在该种可见压头的运动是由两种运动的叠加：一种是直线运动，一种是等副振荡运动。

与现有技术相比，本发明采用位置和速度闭环控制结构，位置增益智能化，自动识别位置环放大系数，系统高度集成，成形平稳可靠，频率和振幅控制精度高，实现了在振动过程中振动频率在0-30赫兹连续可调，成形速度在0-30mm/s连续可调，振幅在0-5mm连续可调。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种立式轴向成形压机的控制系统，其应用于该立式轴向成形压机中，该立式轴向成形压机包括用于压制零件的压头(9)、用于驱动压头(9)的伺服阀(5)，该控制系统用于控制伺服阀(5)；其特征在于：该控制系统包括电气控制子系统，该电气控制子系统包括位移传感器(10)、处理器(2)、分别设置在处理器(2)上的D/A模块(3)与A/D模块(4)；位移传感器(10)安装在压头(9)上用于测量压头(9)的模拟量的实际位移S11，A/D模块(4)用于模数转换实际位移S11得到数字量的实际位移S1，处理器(2)内部设置有给定频率速度系数K，处理器(2)接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，并根据实际位移S1、给定频率速度系数K、压制速度V、压制位移S、频率给定ω产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1，D/A模块(3)用于数模转换电压值V1得到模拟量的电压值V，伺服阀(5)接收电压值V驱动压头(9)；

其中，该处理器(2)首先，根据频率给定ω产生方波，将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S，对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1，将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；接着，根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；然后，将理论位移值△S1与该方波叠加输出控制信号；之后根据内部给定频率速度系数K、该控制信号、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1。

2.如权利要求1所述的立式轴向成形压机的控制系统，其特征在于：该控制系统还包括显示子系统，该显示子系统包括与处理器(2)交换参数的人机界面系统HMI(1)，该人机界面系统HMI(1)输出压头(9)理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，并实时显示压头(9)的位置曲线、速度对时间的曲线。

3.如权利要求2所述的立式轴向成形压机的控制系统，其特征在于：处理器(2)通过工业以太网与人机界面系统HMI(1)交换参数。

4.如权利要求1所述的立式轴向成形压机的控制系统，其特征在于：该方波为0-30HZ方波，电压值V为±10V。

5.一种控制方法，其应用于立式轴向成形压机中，该立式轴向成形压机包括用于压制零件的压头(9)、用于驱动压头(9)的伺服阀(5)，该控制方法用于控制伺服阀(5)；其特征在于：该控制方法包括以下步骤：

步骤一，设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω；

步骤二，测量压头(9)的模拟量的实际位移S11；

模数转换实际位移S11得到数字量的实际位移S1；

根据频率给定ω产生方波；

将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；

对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；

将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；

根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；

将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；

根据该给定频率速度系数K、该控制信号、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1；

数模转换电压值V1得到模拟量的电压值V以使伺服阀(5)接收电压值V来驱动压头(9)；

步骤三，重复步骤二对压头(9)进行实时调整。

6.一种控制装置，其应用于如权利要求1至4中任意一项所述的立式轴向成形压机的控制系统的处理器(2)中，其特征在于：该控制装置设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω，该控制装置包括：

函数发生器(22)，用于根据频率给定ω产生方波；

第一比较器(24)，用于将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；

运算器(26)，用于对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；

第二比较器(25)，用于将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；

处理单元(21)，用于根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期，给定频率速度系数K设置在该处理单元(21)中；

叠加器(27)，用于将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；

智能PID控制器(23)，用于根据该控制信号、给定频率速度系数K、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1。

7.一种控制方法，其应用于立式轴向成形压机中，该立式轴向成形压机包括用于压制零件的压头(9)、用于驱动压头(9)的伺服阀(5)，该控制方法用于控制伺服阀(5)；其特征在于：该控制方法包括以下步骤：

设置给定频率速度系数K，并接收理想的压制速度V、压制位移S、频率给定ω；

根据频率给定ω产生方波；

将压制位移S与实际位移S1比较产生位置差△S；

对实际位移S1进行dS/dt运算获得实际速度值V1；

将压制速度V与实际速度值V1比较产生速度差△V；

根据位置差△S、速度差△V运算出当前的理论位移值△S1，△S1＝△S-△V×T，T为一个采样周期；

将理论位移值△S1与方波叠加输出控制信号；

根据该控制信号、该给定频率速度系数K、实际位移S1产生伺服阀(5)开口所需的数字量的电压值V1。