CN106064192B - 一种充液成形液压机的液压伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充液成形液压机的液压伺服控制系统，包括增压缸和滑块，增压缸被活塞隔为无杆腔、有杆腔和高压腔，还包括人机界面、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器，第一压力传感器检测高压腔压力；第一位置传感器检测增压缸活塞位置；第二位置传感器检测滑块位置；第一伺服阀控制高压腔压力，第二伺服阀控制滑块位移，人机界面设有参数设定界面；PLC接收来自人机界面的设定参数信号，并接收来自第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器的反馈信号，运算后输出信号至第一伺服阀和第二伺服阀。本发明能够达到调控精度高，产品的成品率高，同时节省材料和工时，生产效率高。

Description

一种充液成形液压机的液压伺服控制系统

技术领域

本发明涉及一种充液成形液压机，特别涉及一种充液成形液压机的液压伺服控制系统。

背景技术

板式充液成形技术广泛应用于航空航天、汽车船舶、电气等诸多领域。板式充液成形机，先将模具中充满液体(特殊乳化液)，然后上模下行，带动压边缸先接触板料并将其压在模具上，接着拉伸缸带动上模和板料进入下模。由于下模中充满液体，而且有特殊设备(增压缸)向液室内提供压力，迫使板料紧贴在上模上，利于成形；而液体由于模具间隙会从板料和下模之间溢出形成流体润滑，减小摩擦，保护零件表面。在航空航天领域，使用条件的特殊性对工件材料、性能、精度要求更加苛刻，传统的板材加工技术很难满足这些要求，而板式充液成形可以改善轻质板材表面质量，改善变形均匀性、增加结构刚度，提高可成形性。因此，塑性加工的柔性化，成为当前板式充液成形的主要发展方向。板式充液成形机根据成形材料及成形阶段的不同，需要提供不同精确的液室压力，目前，充液成形液压机根据成型工艺经验，采用分段压力调控方法，使满足不同的成形材料及不同的成形阶段的内腔压力要求，因为分段压力调控方法，压力变化有阶跃型，调控精度不高，容易造成产品的成品率低，浪费材料和工时，生产效率低。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种充液成形液压机的液压伺服控制系统。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种充液成形液压机的液压伺服控制系统，包括增压缸和滑块，所述增压缸设有活塞，所述活塞将所述增压缸隔为无杆腔、有杆腔和高压腔，所述高压腔向该充液成形液压机的液室供液，所述滑块驱动模具位移；还包括人机界面、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器，所述第一压力传感器检测所述高压腔的压力；所述第一位置传感器检测所述增压缸的活塞位置；所述第二位置传感器检测所述滑块的位置；所述第一伺服阀控制所述增压缸的高压腔压力，所述第二伺服阀控制所述滑块的位移，所述人机界面设有参数设定界面；所述PLC接收来自所述人机界面的设定参数信号，并接收来自所述第一压力传感器、所述第一位置传感器和所述第二位置传感器的反馈信号，运算后输出信号至所述第一伺服阀和所述第二伺服阀。

本发明还可以采用如下技术方案：

还包括第二压力传感器和第三压力传感器，所述第二压力传感器和所述第三压力传感器分别检测所述增压缸的无杆腔和有杆腔的压力，并将检测信号反馈输入至所述PLC。

所述设定参数，包括所述滑块的位置设定参数和所述高压腔的压力设定参数，且该两个设定参数相互关联。

所述设定参数为理想工艺曲线离散得到的多个值。

所述人机界面还设有所述增压缸和所述滑块的工作状态显示界面。

还包括工业以太网，所述PLC包括主站和从站，所述主站、所述从站以及所述人机界面通过所述工业以太网连接。

所述第一位置传感器选用SSI绝对位移传感器。

所述第二位置传感器选用磁致伸缩位移传感器。

所述PLC包括比例积分微分控制功能模块。

所述第一伺服阀和所述第二伺服阀均内置位置传感器，二者的位置传感器信号反馈至所述PLC。

本发明具有的优点和积极效果是：由人机界面、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器，构成闭环系统，输入信号为人机界面的设定参数，输出信号至第一伺服阀和第二伺服阀的线圈，反馈信号为第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器的检测信号；可根据工艺在人机界面设定参数，包括液室压力目标参数值与滑块位置目标参数，在压制过程中，第一伺服阀在其线圈的驱动下，会控制进出增压缸低压腔的工作介质，从而使得增压缸高压腔的压力跟随设定参数值即目标压力值，同理，第二伺服阀会控制滑块移动跟随设定目标位置值，使充液压力更加快速、稳定、可靠，整个工艺变得更加具有稳定性和适应性，产品的成品率高；而且将滑块的位置参数和液室设定压力参数关联在一起，当上模和板料接触并下行时，可根据不同拉伸段的工艺曲线来设定不同的液室压力，更有利于整个成形过程，使得调控精度更高，产品的成品率更高，同时节省材料和工时，生产效率高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是伺服阀的结构示意图；

图3是PLC与人机界面网络连接示意图；

图4是PLC输出模块与伺服阀连接示意图；

图5是伺服阀放大电路板工作原理示意图。

图2中：1、伺服阀先导阀；2、伺服阀主阀；3、伺服阀位置传感器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1～图5，一种充液成形液压机的液压伺服控制系统，包括增压缸和滑块，所述增压缸设有活塞，所述活塞将所述增压缸隔为无杆腔、有杆腔和高压腔，所述高压腔向该充液成形液压机的液室供液，所述滑块驱动模具位移；还包括人机界面、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器，所述第一压力传感器检测所述高压腔的压力；所述第一位置传感器检测所述增压缸的活塞位置；所述第二位置传感器检测所述滑块的位置；所述第一伺服阀控制所述增压缸的高压腔压力，所述第二伺服阀控制所述滑块的位移，所述人机界面设有参数设定界面；所述 PLC接收来自所述人机界面的设定参数信号，并接收来自所述第一压力传感器、所述第一位置传感器和所述第二位置传感器的反馈信号，运算后输出信号至所述第一伺服阀和所述第二伺服阀。所述第一位置传感器可选用SSI绝对位移传感器。所述第二位置传感器可选用磁致伸缩位移传感器。

由人机界面、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器，构成闭环系统，输入信号为人机界面的设定参数，输出信号控制第一伺服阀和第二伺服阀的线圈，反馈信号为第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器的检测信号；可根据工艺在人机界面设定参数，包括设定液室压力目标参数值与滑块位置目标参数值，在压制过程中，第一伺服阀在其线圈的驱动下，会控制进出增压缸高低压腔的工作介质，从而使得增压缸高压腔的压力跟随设定参数值即目标压力值，同理，第二伺服阀会控制滑块移动跟随设定目标位置值，使充液压力更加快速、稳定、可靠，整个工艺变得更加具有稳定性和适应性，

进一步地，还可包括第二压力传感器和第三压力传感器，所述第二压力传感器和所述第三压力传感器可分别检测所述增压缸的无杆腔和有杆腔的压力，并将检测信号反馈输入至所述PLC。

增压缸可内置或外置第一位置传感器，其可以监测增压缸的位置，并可在人机界面或PLC内设定增压缸的行程极限值，通过编程，在增压缸活塞位置到达设定的行程极限值，停止移动，并报警，防止出现增压缸撞缸底的状况；所述增压缸被活塞隔成无杆腔、有杆腔和高压腔，在无杆腔、有杆腔和高压腔分别设置压力传感器，可以监测油缸两腔油压和充液高压，其中无杆腔、有杆腔两个油腔，都是25MPa的低压腔，上部是高压腔内为乳化液，压力可达100MPa以上，并在出现超压现象可及时停止动作，增加了安全性能。

进一步地，所述设定参数，可包括所述滑块的位置设定参数和所述高压腔的压力设定参数，且该两个设定参数可相互关联。根据板式充液成形的特点，将滑块的位置和液室设定压力关联在一起，当上模和板料接触并下行时，可根据不同拉伸段设定不同的液室压力，更有利于整个成形过程。

进一步地，所述设定参数可为理想工艺曲线离散得到的多个值。

进一步地，所述人机界面还可设有所述增压缸和所述滑块的工作状态显示界面。

进一步地，还可包括工业以太网，所述PLC包括主站和从站，所述主站、所述从站以及所述人机界面通过所述工业以太网连接。

进一步地，所述PLC可包括比例积分微分控制功能模块。

进一步地，所述第一伺服阀和所述第二伺服阀均可内置位置传感器，二者的位置传感器信号可反馈至所述PLC。伺服阀本身也可以通过伺服阀位置传感器3来反馈信号，我们可以从通过伺服阀本体的反馈值来判断伺服阀的工作状态，如果反馈值不随输出值变化可能出现卡阀或断线等异常状况。

本发明的工作原理：

由于板式充液成形的液室压力相对于油压要高很多，最高达到100MPa以上，所以需要增压缸将压力放大到目标值。本系统使用PLC可编程控制器进行闭环控制，PLC接收人机界面设定的压力目标等设定参数，经过运算输出控制伺服阀的开口大小。

请参考图2，典型的伺服阀由伺服阀先导阀1、伺服阀位置传感器3和伺服阀主阀2组成。当线圈上施加电压时，将有电流流过线圈，电流流过线圈会产生磁场，该磁场会在阀的内部形成一股使磁路导通的磁场力。磁场力大小由磁场强度决定，而磁场强度与线圈电流成正比。通过改变线圈的电流，可以改变阀芯位移大小，从而实现了伺服阀先导阀1出口流量的控制，伺服阀先导阀1再控制伺服阀主阀2来实现伺服阀出口流量的控制。

伺服阀在接收电气模拟输入信号及输出信号反馈量后，连续成比例地控制输出调制过的压力P和流量Q，完成执行元件的位移、速度、加速度和力的控制；它既是电液转换元件也是功率放大元件，放大器可以将输入的电气信号经过放大转换成大功率的机械力输出。因为一般比例阀存在静态滞环和零位遮盖，使其具有较大的非线性，所以不适用于闭环控制，只是应用于开环控制的场合。和比例阀相比较，伺服阀具有体积小，结构紧凑，控制精度高，直线性好，功率放大系数高，动态性能好以及响应速度快等优点。

伺服阀正常工作过程中会有反馈，伺服阀本身也可以通过伺服阀位置传感器3来反馈信号，我们可以从通过伺服阀本体的反馈值来判断伺服阀的工作状态，例如如果伺服阀输出90％，可能会反馈回来85％，如果反馈值不随输出值变化可能出现卡阀或断线等异常状况。

当上模开始下行，液室压力开始跟随设定压力逐步增加，初始阶段由于液室液体没有灌满，还有压边间隙的原因，压力跟随的不是很好。如果液室体积较大，在压活制件的过程中，可能会出现增压缸的位置先顶出后退回的现象，因为前期板料进入下模的较少，模具间隙较大，液体会有大部分溢流出来；随着上模下行，进入下模的板料变多，模具间隙也会变小，这时液室的密封效果会很好，液室压力会骤增，而第一伺服阀为了平衡压力，会切换伺服阀的方向，使增压缸退回，这样就出现了液体向增压缸回流的现象，同时也保证了液室压力与设定值一致。

本发明可采用德国SIEMENS公司PLC可编程控制器，通过工业以太网将主站、多功能彩色人机界面及从站ET200S连接到一起，如图3所示。

根据现场的实际情况需要在远离主站的机身上设置从站，所以本系统选用ET200S， SIMATIC ET200S是分布式I/O系统，具有较低的布线成本，也满足对时间要求极为严格的系统控制，如高速闭环控制等；而且配有PROFIBUS DP或PROFINET接口，具有较高的可用性。

人机界面采用中文界面组态，良好的人机界面，具有操作简便，观察方便的特点。人机界面上可以显示各监视点压力、位移等，并组态压制工艺动画。系统控制灵活，动作准确可靠，可在屏幕上方便的对滑块的行程、压力等参数进行预置。

所述第二位置传感器可选用SSI型直线位移传感器，同步串行信号输出，能将磁环的实时位置，转换成串行数据格式，在收到控制器提供的时钟信号后，以串行通讯方式将数据传至控制器。SSI型直线位移传感器输出的数据格式与绝对输出编码器完全相同，具有测量高精度，高频响实时输出，抗干扰力强，兼容性好等优点。

第一压力传感器输出信号至从站ET200S，其中增压缸输出端的乳化液高压检测有210MPa，而油路压力选用40MPa量程。压力传感器选用4-20mA的电流输出信号，这种信号在工业上使用比较广泛，因为电流信号不易受外界信号的干扰，而且容易判断是否出现断线等异常状况。

请参考图4和图5，ET200S输出信号至第一或第二伺服阀，输出类型为+/-10V，与伺服阀输入端信号一致。第一或第二伺服阀带集成电控器，将比例放大板集成在内部，端子AB接DC24V电源，端子DE接0…+/-10V信号,端子FC接反馈信号。如果开环控制增压缸顶出，PLC输出一个正的固定值，即0…10V的输出到端子DE，伺服阀将打开固定的正向开口，增压缸正向顶出；如果开环控制增压缸退回，PLC输出一个负的固定值，即 -10V…0V的输出到端子DE，伺服阀将打开固定的反向开口，增压缸反向退回。

闭环控制系统的特点是系统被控元件的输出会被反馈回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。在工程中最常用的控制方式是PID控制，具有结构简单、稳定性好、调制方便等优点。比例控制(P)，可以加快调节，减小误差，不过当比例过大时会使系统变得不稳定；积分控制(I),反应系统的累计偏差，可以消除系统稳态误差；微分控制(D)，能预见偏差的变化趋势，在偏差还没有形成之前将其消除。所以在实际应用中可根据工况的不同选择PI控制或PD控制。

比例积分控制(PI)，在工程中比例积分相对应用的比较广泛，积分可以在比例的基础上消除稳态误差，适用于被控对象不允许有余差的工程。

比例微分控制(PD)，微分的超前作用可以减小动态偏差，提高系统的稳定性，适用于控制通道的时间常数或容量滞后较大的工程。

比例积分微分控制(PID)，PID控制是在比例基础上引入积分，消除稳态误差，再加入微分，提高系统的稳定性，所有说它是一种比较理想的控制方式。

本实施例可采用比例积分控制(PI)，在PLC程序中调用FB41功能块，其中P和I 参数可以在人机界面上设置，方便调试。调节目标是增压缸设定的高压值，实际反馈是增压缸传感器检测到的压力值。根据工艺提前设定好目标压力与滑块位置的关系，在压制过程中，伺服阀会控制增压缸压力跟随设定目标压力变化，以满足工艺需求。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种充液成形液压机的液压伺服控制系统，包括增压缸和滑块，所述增压缸设有活塞，所述活塞将所述增压缸隔为无杆腔、有杆腔和高压腔，所述高压腔向该充液成形液压机的液室供液，所述滑块驱动模具位移；其特征在于，还包括人机界面、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第一压力传感器、第一位置传感器和第二位置传感器，所述第一压力传感器检测所述高压腔的压力；所述第一位置传感器检测所述增压缸的活塞位置；所述第二位置传感器检测所述滑块的位置；所述第一伺服阀控制所述增压缸的高压腔压力，所述第二伺服阀控制所述滑块的位移，所述人机界面设有参数设定界面；所述PLC接收来自所述人机界面的设定参数信号，并接收来自所述第一压力传感器、所述第一位置传感器和所述第二位置传感器的反馈信号，运算后输出信号至所述第一伺服阀和所述第二伺服阀；所述第一伺服阀和所述第二伺服阀均内置位置传感器，二者的位置传感器信号反馈至所述PLC。

2.根据权利要求1所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，还包括第二压力传感器和第三压力传感器，所述第二压力传感器和所述第三压力传感器分别检测所述增压缸的无杆腔和有杆腔的压力，并将检测信号反馈输入至所述PLC。

3.根据权利要求1所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，所述设定参数，包括所述滑块的位置设定参数和所述高压腔的压力设定参数，且该两个设定参数相互关联。

4.根据权利要求3所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，所述设定参数为理想工艺曲线离散得到的多个值。

5.根据权利要求1所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，所述人机界面还设有所述增压缸和所述滑块的工作状态显示界面。

6.根据权利要求1所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，还包括工业以太网，所述PLC包括主站和从站，所述主站、所述从站以及所述人机界面通过所述工业以太网连接。

7.根据权利要求1所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，所述第一位置传感器选用SSI绝对位移传感器。

8.根据权利要求1所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，所述第二位置传感器选用磁致伸缩位移传感器。

9.根据权利要求1所述的充液成形液压机的液压伺服控制系统，其特征在于，所述PLC包括比例积分微分控制功能模块。