CN104669576B - 一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法，包括伺服油缸的启动、加速、高速运行、低压低速运行、高压锁模、快速开模等步骤。本发明通过增加的一个恒定液压源并利用多功能伺服阀提供再生油路，控制器通过控制伺服阀各个油口对压力和流量进行调整，同时伺服油缸运行速度和压力却是通过预先给定的轨迹得以实现，而这种方法无需对油泵的压力和流量开环动作作出最终调整，油泵需给出满足蓄能器要求的压缩能即可，因而利用此方法降低了系统对油泵的要求，使之易于实现。本发明作为一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法可广泛应用于机械领域。

Description

一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法
技术领域
本发明涉及机械领域，尤其是一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法。
背景技术
已知的注塑合模系统包括全液压直压机和机铰式合模机构，传统机铰式合模机构俗称机械液压式采用液压动力向合模油缸提供液压能，驱动油缸，油缸往复运动推动模板将模具锁紧的快速合模和高压锁模动作。
以现有的注塑机合模系统实例，均为由动模板，前模板，后模板组成。直压机器的合模油缸直接安装在后模板上，推动动模板上的模具半模与前模板上模具半模贴合或分开，通常在合模过程中两半模即将合在一起时，控制器发出指令减速油泵油液减升，便于降流，减少对模具冲击，维护模具使用寿命，还有一种原理是动模板预先给定理想速度曲线存于PLC控制器中，进行加速，最大加速直至减速至加速度降为零，利用泵的闭环，使合模油缸流量和压力预先控制。
目前最为先进的方法是将预先设定好的动模指定理想速度，加速度，减速度设定好(设计时已确定)，再用另一个控制器捕捉油缸上的曲线进行分析和对比，测量并存储相对理想的动模板的运动变量值，并不断修订油缸运行过程中油量和压力控制，从而实现模拟量控制。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种无需对油泵的压力和流量开环动作作出最终调整的五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法。
本发明所采用的技术方案是：一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法，包括以下步骤：
A、利用油泵为动力源，蓄能器作为伺服油缸的辅助动力源，控制器控制伺服阀启动伺服油缸；
B、控制器控制伺服阀使伺服油缸的活塞杆开始加速；
C、控制器控制伺服阀使伺服油缸的活塞杆高速运行；
D、打开回流通道的节流阀，控制器控制伺服阀使伺服油缸处于低压低速运行；
E、控制器控制伺服阀调节进油、回油压力，使伺服油缸高压锁模，合模机构处于最大合模状态；
F、控制器控制伺服阀使伺服油缸卸压，启动快速开模。
进一步，所述控制器通过对设置于伺服油缸的位移传感器和设置于伺服油缸的有杆腔、无杆腔的压力传感器采集的数据进行计算得到伺服阀以及节流阀的控制参数。
进一步，所述步骤A中，所述控制器控制伺服阀使蓄能器的油液通过伺服阀并进入伺服油缸的无杆腔，启动伺服油缸。
进一步，所述步骤B中，所述控制器控制伺服阀增大进入伺服油缸无杆腔的油液流量，使伺服油缸的活塞杆开始加速。
进一步，所述步骤C中，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道打开，使伺服油缸的活塞杆高速运行。
进一步，所述步骤D中，打开回流通道的节流阀，所述控制器控制伺服阀减少进入伺服油缸无杆腔的油液流量，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道关闭，使伺服油缸处于低压低速运行。
进一步，所述步骤E中，所述控制器控制伺服阀中油液流向伺服油缸的无杆腔，并控制有杆腔的油液通过伺服阀中油液回流，使伺服油缸高压锁模，使合模机构处于最大合模状态。
进一步，所述步骤E中伺服油缸高压锁模时，控制器控制伺服阀使油液由油泵流向伺服油缸的无杆腔进行补压调整。
进一步，所述步骤F中，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道打开，所述控制器控制蓄能器和油泵处于卸荷状态，启动快速开模。
本发明的有益效果是：本发明通过增加的一个恒定液压源并利用多功能伺服阀提供再生油路，控制器通过控制伺服阀各个油口对压力和流量进行调整，同时伺服油缸运行速度和压力却是通过预先给定的轨迹得以实现，而这种方法无需对油泵的压力和流量开环动作作出最终调整，油泵需给出满足蓄能器要求的压缩能即可，因而利用此方法降低了系统对油泵的要求，使之易于实现。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程图；
图2为本发明方法实施例示意图；
图3为本发明中五点机铰合模机构运行过程中的参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图1，一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法，包括以下步骤：
A、利用油泵为动力源，蓄能器作为伺服油缸的辅助动力源，控制器控制伺服阀启动伺服油缸；
B、控制器控制伺服阀使伺服油缸的活塞杆开始加速；
C、控制器控制伺服阀使伺服油缸的活塞杆高速运行；
D、打开回流通道的节流阀，控制器控制伺服阀使伺服油缸处于低压低速运行；
E、控制器控制伺服阀调节进油、回油压力，使伺服油缸高压锁模，合模机构处于最大合模状态；
F、控制器控制伺服阀使伺服油缸卸压，启动快速开模。
进一步作为优选的实施方式，所述控制器通过对设置于伺服油缸的位移传感器和设置于伺服油缸的有杆腔、无杆腔的压力传感器采集的数据进行计算得到伺服阀以及节流阀的控制参数。
五点机铰合模机构中，五点连杆放大比曲线可通过如下数学模型确定：
通过设置在合模油缸内的位移传感器2，可以实时监控图3中Sg的绝对值和相对值(即可测出给定时间内的增量)即Sg与ΔSg已知，上诉两个量与控制器内精确地时间反馈可以得到精确实时的Sg对时间t的函数反馈即y＝Sg(t),Sg(t)也可实现进行人为设定而后通过位移传感器2与控制器内的时间反馈进行闭环控制。
则对Sg(t)求导数得yˊ和微分得d(y)即：
V油缸(油缸速度)＝yˊ
a油缸(油缸加速度)＝d(y)
根据几何计算可以得出图3中Sm与Sg的关系：
其中L1、L4、L5、γ0、φ1、φ0、θ、LAB1、LAA、LBB为五点连杆结构决定的已知量，如图3所示。
因为Sg(t)为已知函数，所以Sm(t)为已知非线性函数。
则有：
对Sm(t)求导数y1ˊ和微分d(y1)：
V模板(动模板速度)＝y1ˊ
a模板(油缸加速度)＝d(y1)
因对上诉函数求导和微分为复杂函数，可以通过输入控制器由控制器内部计算机进行实时计算比对位移传感器2和时间反馈数据则可精确得出动模板对应的速度、加速度、绝对位移量(因速度已知时间已知)与相对位移量(因速度已知时间已知初始位置可以预先设置)，从而合模机构可以根据不同模具、不同制品的需要进行实时精确地按照预先设定的参数进行运动。
五点连杆放大比曲线确定后，加之本合模机构的锁模力是通过拉杆的拉伸变形量来决定的。因为模板的位移量可以实时控制，系统刚度K可以通过如下公式计算。
式中：η为计算系数，Z为拉杆数量，m为连杆肘数，KL1为连杆L1的刚度，KL2为连杆L2的刚度。
当系统刚度计算出来以后，根据胡克定律Pm＝K×(Sm-Sm未)，其中Pm为锁模力，Sm未是动模板合模行程中拉杆未变形的合模行程，此行程是根据不同模具所需不同锁模力确定的。
当上述参数经过计算或者给定之后，整个合模过程就可以实时精确监控和控制整个合模过程中锁模力的大小，只有当锁模力大小的精确控制才能即能保证制品质量又能最大限度的保证模具寿命。
液压系统模型如下：
其中M为负载质量(包含五连杆、活塞杆重量)，Pb为无杆腔压力值，Pa为有杆腔压力值，Ab为无杆腔面积，Aa为有杆腔面积，Fr为系统摩擦阻力。
由于软管变形和液体量的变化，伺服油缸1增压导致液体流量变化，压力增量ΔP与流量增量ΔV油根据系统体积模量β得到：
则伺服油缸1的A、B腔液压流量分别为：
则在系统加速合模阶段：回油处流量La设定值为有杆腔油液速度Vsp乘以伺服有杆腔面积Aa，即：
La＝Vsp·Aa
则回油侧节流阀命令为：
再设定蓄能器12出油口路为C，油泵14出口处油路为d，P1进油口油路为e路，则由液压系统伯努利方程知：
Qd＝Qb-Vc·Ac
其中ρ为液压油密度，Zc、C1为伯努利参数，Ac为蓄能器出口油路。
由于泵采用速度开环控制，故其表达式可知：
而当系统开始进入低压低速过程时，伺服阀7中B1打开，控制器8调节节流阀10、23的阀命令：
Q23＝Q10+Qa
由上述A腔液压流量公式以及上述控制器8调节节流阀10、23的阀命令公式可得：
又：Qc+Qd＝Qb+Qe
即油泵的速度开环控制表达式为：
参照图2，图中伺服油缸1，由此而形成有杆腔区A、无杆腔区B，有杆腔油环形面积FA和无杆腔面积FB，一组位移量输出传感器2和油缸进油口3和进油口4以及安装在这些支点检测压力的压力传感器5和6，一个多功能多路伺服阀7。其常遮盖量和阀芯位移参数完全接受控制器8的指令位移传感器2，压力传感器5、6信号系统信息采集由控制器8完成，同时油缸进油4还有一个附加辅助进油口9，辅助进油口9安装有回油节流装10。
图2中的系统还包括一组油泵电机系统，可以是开环柱塞泵或者闭环柱塞泵，电机可以是普通电机也可以是伺服电机驱动，系统上方油管安装有单向阀11并给蓄能器12供油，蓄能器12上安装有压力继电器13，继电器13和油泵14控制逻辑信号最终传输到控制器8上，泵下面安装油箱15，油泵14将液压油经过输油管道16及单向阀11和相关逻辑阀17将液压能压缩后进入蓄能器12中，运动回油则经过伺服阀7经T口沿回油管18回到油箱15中，伺服油缸1随着伺服阀7对油液方向控制，使液压能推动油缸活塞来回移动，活塞杆推动五点式机铰合模机构19实现模具20开模和合模功能。伺服油缸中7由活塞杆中21和活塞22将油缸分为无杆腔B和有杆腔A，活塞杆21与负载五点式机铰合模机构19相连。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中，所述控制器控制伺服阀使蓄能器的油液通过伺服阀并进入伺服油缸的无杆腔，启动伺服油缸。
参照图2，五点式机铰合模机构19在合模请求指令条件成熟时，控制器8发出指令，伺服阀7将蓄能器12液压油经伺服油缸1中进油口3流入，并充满无杆腔B，推动活塞22前移，有杆腔A中油液经油口4经伺服阀上T口及回油管18流进油箱15，活塞杆21带动五点式机铰合模机构19上安装的模具半模20移动，实现在负载静止状态下平滑启动，推动负载力的大小取决于进入无杆腔B的进油压力PB最佳值。
五点式机铰合模机构19和上半模20静载负荷变量参数，特别是19停止位置因机铰停位不同而静荷载不相同，负载为变量，无杆腔面积是调定值，设平时已经调定，故PB随机铰变化而变化，运动过程中动载荷机器(未标出)静摩擦力不予考虑，此时油缸内进油压力PB非常重要，速度VB此时不很关键。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤B中，所述控制器控制伺服阀增大进入伺服油缸无杆腔的油液流量，使伺服油缸的活塞杆开始加速。
参照图2，伺服阀7随着五点式机铰合模机构19要求使油口A的压力增高，进入伺服油缸1中油口3油压也相应增高，活塞22受PB增压继续前移，随着阀A口流量增加，无杆腔B的流速VB迅速提升，另一个油口B口受7多路阀开口大小影响，节流口全部打开，经T口回油流速VT加快，伺服油缸1进入加速阶段。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道打开，使伺服油缸的活塞杆高速运行。
参照图2，伺服油缸1中油口3继续增液，多路阀7在控制器8及位移传感器2位移数据引导打开有杆腔A腔油口4与进油口3通道，伺服油缸无杆腔B腔处油量倍增，活塞22加速，此时无杆腔PB增压，有杆腔PA减压，活塞杆21运行速度及加速性能提升至最快状态。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤D中，打开回流通道的节流阀，所述控制器控制伺服阀减少进入伺服油缸无杆腔的油液流量，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道关闭，使伺服油缸处于低压低速运行。
参照图2，控制器8继续指引合模机构19向前移动，同时推动上半模20向前模板上半模(图2中未标识)紧贴，当位移传感器2给出减速位置信号给控制器8时，多路阀7进油口A与连通油缸上进油口3流量减少，有杆腔A腔油不再流入无杆腔B，油口4经多路阀T口经回油管18回到油箱15中，此时安装在回油管18上节流阀23节流增大，回油压力增加，活塞杆位移速度减小，合模机构19低压护模阶段过程启动，即进入伺服油缸低压低速过程。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤E中，所述控制器控制伺服阀中油液流向伺服油缸的无杆腔，并控制有杆腔的油液通过伺服阀中油液回流，使伺服油缸高压锁模，使合模机构处于最大合模状态。
参照图2，活塞杆21继续前移，机铰合模机构19带动上半模完全紧贴模板上的半模，根据模具锁紧要求以及程序上预先给定的锁模最大锁模力，控制器8发出信号使伺服阀A孔向伺服油缸无杆腔B口供油，压力传感器5控制最大压力状态，使面积FB与进油压力PB之积增至到设定值，机铰19上的拉杆和机铰产生弹性变形，特别是拉杆被拉长，半模被锁紧，伺服阀作用还是向其A口进油，其B口回油，此时整个系统处于最大合模状态，即高压锁模状态。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤E中伺服油缸高压锁模时，控制器控制伺服阀使油液由油泵流向伺服油缸的无杆腔进行补压调整。
当合模机构模具牢固锁紧过程中，PFB压力不足以调整至理想状态，而蓄能器12压力又过快衰减时，泵14起压，在直接将压力输送至伺服阀7，并进入无杆腔。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤F中，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道打开，所述控制器控制蓄能器和油泵处于卸荷状态，启动快速开模。
参照图2，机铰合模机构19上的拉杆和机铰处于弹性变形阶段，机铰伸直拉杆形变完成最大锁模力实现，控制器8发出指令，多路伺服阀7接通A、B油口使有杆腔A和无杆腔B共通，伺服油缸1活塞22处于卸压状态(即悬浮状态)，此时给蓄能器12供油系统14处于卸荷状态。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、利用油泵为动力源，蓄能器作为伺服油缸的辅助动力源，控制器控制伺服阀启动伺服油缸；
B、控制器控制伺服阀增大进入伺服油缸无杆腔的油液流量，使伺服油缸的活塞杆开始加速；
C、控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道打开，使伺服油缸的活塞杆高速运行；
D、打开回流通道的节流阀，控制器控制伺服阀使伺服油缸处于低压低速运行；
E、控制器控制伺服阀调节进油、回油压力，所述控制器控制伺服阀中油液流向伺服油缸的无杆腔，并控制有杆腔的油液通过伺服阀中油液回流，使伺服油缸高压锁模，控制器控制伺服阀使油液由油泵流向伺服油缸的无杆腔进行补压调整，合模机构处于最大合模状态；
F、控制器控制伺服阀使伺服油缸卸压，启动快速开模；
上述各步骤中，所述伺服阀以及节流阀的控制参数由控制器通过对设置于伺服油缸的位移传感器和设置于伺服油缸的有杆腔、无杆腔的压力传感器采集的数据进行计算得到；所述伺服油缸的A、B腔液压流量分别为：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <msub> <mo>&amp;part;</mo> <mi>x</mi> </msub> <msub> <mo>&amp;part;</mo> <mi>t</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mo>&amp;part;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>a</mi> </msub> </msub> <msub> <mo>&amp;part;</mo> <mi>t</mi> </msub> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mi>A</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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其中，
Qa为A腔液压流量，
Qb为B腔液压流量，
Aa为有杆腔面积，
Ab为无杆腔面积，
VHoseA为A腔速度，
VoilA为A腔油液速度，
βHoseA为A腔系统体积模量，
βoilA为A腔油液体积模量，
VHoseB为B腔速度，
VoilB为B腔油液速度，
βHoseB为B腔系统体积模量，
βoilB为B腔油液体积模量，
所述伺服阀的控制参数根据上述伺服油缸的A、B腔液压流量确定；
所述节流阀的阀命令公式为：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mn>23</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>V</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <msqrt> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mi>o</mi> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> </mfrac> </msqrt> </mrow>
Q23＝Q10+Qa
其中，
Q23为回油侧节流阀的液压流量，
q(V)为回油侧节流阀速度，
P(a)为有杆腔压力值，
P(nom)为节流阀压力设定值，
Q10为进油侧节流阀的液压流量。
2.根据权利要求1所述的一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法，其特征在于：所述步骤A中，所述控制器控制伺服阀使蓄能器的油液通过伺服阀并进入伺服油缸的无杆腔，启动伺服油缸。
3.根据权利要求1所述的一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法，其特征在于：所述步骤D中，打开回流通道的节流阀，所述控制器控制伺服阀减少进入伺服油缸无杆腔的油液流量，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道关闭，使伺服油缸处于低压低速运行。
4.根据权利要求1所述的一种五点机铰合模机构的伺服油缸控制方法，其特征在于：所述步骤F中，所述控制器控制伺服阀中连通无杆腔和有杆腔的通道打开，所述控制器控制蓄能器和油泵处于卸荷状态，启动快速开模。
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