CN112775198B - 一种蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统，属于蒙皮拉伸成形机技术领域，其中左托架由左近托架移动缸和左远托架移动缸组成；右托架由右近托架移动缸和右远托架移动缸组成；控制左近托架移动缸动作的第一伺服阀；控制左远托架移动缸动作的第二伺服阀；控制右近托架移动缸动作的第三伺服阀；控制右远托架移动缸动作的第四伺服阀；用于获取左近托架移动缸活塞位置信号的第一位置传感器；用于获取左远托架移动缸活塞位置信号的第二位置传感器；用于获取右近托架移动缸活塞位置信号的第三位置传感器；用于获取右远托架移动缸活塞位置信号的第四位置传感器；PLC；用于设定参数的人机对话模块，人机对话模块与PLC进行数据交互。

Description

一种蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统

技术领域

本发明属于蒙皮拉伸成形机技术领域，特别涉及一种蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统。

背景技术

蒙皮拉伸成形是指板料在夹钳拉力作用下贴合在向上顶进的模胎上形成无回弹的大曲面板件的方法。蒙皮拉伸机是用于实现蒙皮拉伸的设备，最主要的应用场合为制造飞机蒙皮。飞机蒙皮作为飞机的主要零部件，其制造装备具有技术密集度高、军民融合性强、产业带动面广等特点，具有极高的经济价值、军事价值和政治价值。蒙皮拉伸机主要由主床身、工作台顶升机构、托架滑动机构总成、钳头拉伸机构总成、龙门上压装置、移动踏台装置、外部盖板等组成。其中托架由U形梁、托架推动缸、俯仰装置所组成。U形梁采用优质钢板焊接而成，是钳口工作的主要承载部件；托架推动缸保证整个托架的运动和锁死托架的功能；俯仰装置由俯仰缸及驱动连接板、轴等组成，可实现俯仰功能，且载荷能力能够保证在蒙皮拉伸成形时U形梁在俯仰任意角度被锁住，从而保证蒙皮的成形质量。传统托架移动使用电机驱动，并在不运动时通过减速机使托架锁定在移动导轨上。但随着我国航空航天事业的发展，传统的托架控制方式存在吨位小、柔性低、定位精度低、同步性差、固定式不可参与蒙皮成形等缺点，已无法适应大部分现代机型的蒙皮拉伸工艺。

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蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统。

本发明采用如下技术方案：

一种蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统，至少包括：

左托架，所述左托架由左近托架移动缸和左远托架移动缸组成；

右托架，所述右托架由右近托架移动缸和右远托架移动缸组成；

控制左近托架移动缸动作的第一伺服阀；

控制左远托架移动缸动作的第二伺服阀；

控制右近托架移动缸动作的第三伺服阀；

控制右远托架移动缸动作的第四伺服阀；

用于获取左近托架移动缸活塞位置信号的第一位置传感器；

用于获取左远托架移动缸活塞位置信号的第二位置传感器；

用于获取右近托架移动缸活塞位置信号的第三位置传感器；

用于获取右远托架移动缸活塞位置信号的第四位置传感器；

用于接收第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器的输出信号，并通过对信号的分析，进而控制第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀工作状态的PLC；

用于设定参数的人机对话模块，所述人机对话模块与PLC进行数据交互。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过采用上述技术方案，本发明由人机对话模块、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器，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、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀的线圈，反馈信号为第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器；可根据工艺在人机界面设定参数，包括托架的位置目标参数和速度目标参数，在托架移动过程中，第一伺服阀和第二伺服阀在其线圈的驱动下，会控制进出托架移动缸的工作介质，使左近托架推动缸和左远托架推动缸移动，并通过接收第一位置传感器和第二位置传感器的位置差信号，调整托架移动缸的线圈电流大小，使左托架同步移动；同理右托架也可以实现同步移动；而且将左托架和右托架的位置参数关联在一起，当左右托架同时动作时，实现左右托架的同步，同步调控精度更高，使整个成形过程中蒙皮的成形更加均匀可控，蒙皮延伸率控制得更好，产品的成品率更高，同时提高生产效率。

附图说明

图1是本发明优选实施例的电路框图；

图2是本发明优选实施例中托架推动缸和蒙皮设备的示意图；

图3是本发明优选实施例中伺服阀的示意图；

图4是本发明优选实施例中伺服阀内部电路示意图；

图5是本发明优选实施例中PLC与人机界面网络连接示意图；

图6是本发明优选实施例中PLC输出模块与伺服阀连接示意图。

图中：1、左远托架移动缸LFC；2、左近托架移动缸LNC；3、右远托架移动缸RFC；4、右近托架移动缸RNC；5、伺服阀射流先导；6、伺服阀主阀芯；7、伺服阀阀芯位置传感器；8、PLC主站；9、人机界面HMI；10、工业交换机；11、左近托架从站；12、左远托架从站；13、右近托架从站；14、右远托架从站。

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1-6，

一种蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统，包括左托架和右托架，其中左托架由左近托架移动缸，左远托架移动缸组成，右托架由右近托架移动缸，右远托架移动缸组成。托架移动缸被活塞隔为无杆腔、有杆腔，还包括人机对话模块、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器。位置传感器监测托架移动缸活塞位置；伺服阀控制托架移动缸位移，人机对话模块设有参数设定界面；PLC接收来自人机对话模块的设定参数信号，并接收来自第位置传感器的反馈信号，运算后输出信号至伺服阀。

在上述优选实施例的基础上：

将左近托架移动缸，左远托架移动缸建立虚拟运动轴，从而实现左托架的远近油缸同步控制，具体为：

将左近托架移动缸，左远托架移动缸的位移平均值作为该虚拟轴的位移参数，并将两者的位移差值和间距作为该虚拟轴的角度参数，该虚拟轴进行左右运动时保持角度不变，从而保证两缸的同步。

将右近托架移动缸，右远托架移动缸建立虚拟运动轴，从而实现右托架的远近油缸同步控制，具体为：

将右近托架移动缸，右远托架移动缸的位移平均值作为该虚拟轴的位移参数，并将两者的位移差值和间距作为该虚拟轴的角度参数，该虚拟轴进行左右运动时保持角度不变，从而保证两缸的同步。

将左托架和右托架建立虚拟运动轴，从而实现左右托架的同步控制，具体为：

将左托架虚拟轴，右托架虚拟轴的位移平均值作为该虚拟轴的位移参数，并将两者的位移差值作为该虚拟轴的角度参数，该虚拟轴进行运动时保持角度不变，从而保证左托架虚拟轴和右托架虚拟轴的同步。

所述设定参数包括左托架的位置设定参数和右托架的位置设定参数，且该两个设定参数通过左托架虚拟轴和右托架虚拟轴再次虚拟的轴来关联

所述设定参数为理想工艺曲线离散得到的多个值。

所述人机对话模块还设有所述左托架和右托架的工作状态显示界面。

还包括工业以太网，所述PLC包括1个主站和4个从站，4个从站分别设置与所述托架推动缸附近，所述主站、所述从站、所述人机对话模块通过所述工业以太网连接。

所述第一位移传感器，第二位移传感器，第三位移传感器，第四位移传感器选用SSI绝对位移传感器。

所述的蒙皮拉伸机托架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。

所述PLC包括比例积分微分控制功能模块。

所述第一伺服阀，第二伺服阀，第三伺服阀，第四伺服阀均内置监测阀芯位置的位移传感器，将位置传感器信号反馈至所述PLC。可以从通过伺服阀阀芯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则可能出现卡阀或断线等异常状况。

本发明具有的优点和积极效果是：由人机对话模块、PLC、第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀、第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器，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、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀的线圈，反馈信号为第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器；可根据工艺在人机界面设定参数，包括托架的位置目标参数和速度目标参数，在托架移动过程中，第一伺服阀和第二伺服阀在其线圈的驱动下，会控制进出托架移动缸的工作介质，使左近托架推动缸和左远托架推动缸移动，并通过接收第一位置传感器和第二位置传感器的位置差信号，调整托架移动缸的线圈电流大小，使左托架同步移动；同理右托架也可以实现同步移动；而且将左托架和右托架的位置参数关联在一起，当左右托架同时动作时，实现左右托架的同步，同步调控精度更高，使整个成形过程中蒙皮的成形更加均匀可控，蒙皮延伸率控制得更好，产品的成品率更高，同时提高生产效率。

工作原理：

由于单个托架推动缸在运动时，受油缸摩擦力、导轨摩擦力、偏载情况及泵源流量分配等因素的影响，多个托架推动缸同时运动时，必然会出现不同步的情况，不同步则会导致蒙皮制件成形不均匀以及成形精度差。为达到同步的目的，需要计算两个油缸的位移差，并将位移增加的托架移动缸的速度命令。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，经过运算托架移动缸之间的位移偏差，并输出控制伺服阀的开口大小。

请参考图3，典型的伺服阀由伺服阀先导阀5、伺服阀位置传感器7和伺服阀主阀6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5再控制伺服阀主阀6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。

伺服阀的阀芯有位移反馈，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。

当托架开始移动时，

托架移动缸根据设定的位置和速度参数开始移动，单个托架推动缸在运动时，受油缸摩擦力、导轨摩擦力、偏载情况及泵源流量分配等因素的影响，多个托架推动缸同时运动时，必然会出现不同步的情况。当出现位置偏差时，首先计算托架移动缸与对应虚拟轴的偏差值。如果该托架移动缸的当前位置大于虚拟轴的位置，则减小该托架移动缸伺服阀的开口，使其速度慢下来并与虚拟轴的位置趋于一致。同理，如果托架移动缸的位置小于对应虚拟轴的位置，则增大该托架移动缸的伺服阀开口，使其速度增大来并与虚拟轴的位置趋于一致。

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、人机界面HMI及从站ET200SP连接到一起，如图5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ET200SP，SIMATIC ET200SP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，并组态蒙皮工艺动画。系统控制灵活，动作准确可靠，可在屏幕上方便的对托架的行程、压力等参数进行预置。

所述第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器可选用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。

请参考图4和图6，ET200SP输出信号至伺服阀，输出类型为4-20mA，与伺服阀输入端信号一致。伺服阀带集成电控器，将比例放大板集成在内部，端子A和B接DC24V电源，端子D和E接4-20mA信号,端子F和C接反馈信号。如果开环控制托架推动缸顶出，PLC输出一个正的固定值，即12-20mA的输出到端子D和E，伺服阀将打开固定的正向开口，托架推动缸正向顶出；如果开环控制托架推动缸退回，PLC输出一个小电流的固定值，即4-12mA的输出到端子D和E，伺服阀将打开固定的反向开口，托架推动缸反向退回。

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CONT_C功能块，其中P和I参数可以在人机界面上设置，方便调试。调节目标是托架的目标位置和速度，实际反馈是托架的目标位置和速度。根据工艺提前设定左右托架的位置和速度的关系，在成形过程中，伺服阀会控制托架移动缸位置跟随设定虚拟轴位置的变化，实现同步运动，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，即凡本发明专利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 (3)

1.一种蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统，其特征在于，包括：

左托架，所述左托架由左近托架移动缸和左远托架移动缸组成；

右托架，所述右托架由右近托架移动缸和右远托架移动缸组成；

控制左近托架移动缸动作的第一伺服阀；

控制左远托架移动缸动作的第二伺服阀；

控制右近托架移动缸动作的第三伺服阀；

控制右远托架移动缸动作的第四伺服阀；

用于获取左近托架移动缸活塞位置信号的第一位置传感器；

用于获取左远托架移动缸活塞位置信号的第二位置传感器；

用于获取右近托架移动缸活塞位置信号的第三位置传感器；

用于获取右远托架移动缸活塞位置信号的第四位置传感器；

用于接收第一位置传感器、第二位置传感器、第三位置传感器、第四位置传感器的输出信号，并通过对信号的分析，进而控制第一伺服阀、第二伺服阀、第三伺服阀、第四伺服阀工作状态的PLC；

用于设定参数的人机对话模块，所述人机对话模块与PLC进行数据交互；

工业以太网，所述PLC包括1个主站和4个从站，4个从站分别设置与所述托架移动缸附近，所述主站、从站、人机对话模块通过工业以太网进行数据交互；所述第一伺服阀，第二伺服阀，第三伺服阀，第四伺服阀均内置监测阀芯位置的位移传感器，将阀芯位置传感器信号反馈至所述PLC；

将左近托架移动缸，左远托架移动缸建立虚拟运动轴，从而实现左托架的远近油缸同步控制，具体为：

将左近托架移动缸，左远托架移动缸的位移平均值作为该虚拟轴的位移参数，并将两者的位移差值和间距作为该虚拟轴的角度参数，该虚拟轴进行左右运动时保持角度不变，从而保证两缸的同步；

将右近托架移动缸，右远托架移动缸建立虚拟运动轴，从而实现右托架的远近油缸同步控制，具体为：

将右近托架移动缸，右远托架移动缸的位移平均值作为该虚拟轴的位移参数，并将两者的位移差值和间距作为该虚拟轴的角度参数，该虚拟轴进行左右运动时保持角度不变，从而保证两缸的同步；

将左托架和右托架建立虚拟运动轴，从而实现左右托架的同步控制，具体为：

将左托架虚拟轴，右托架虚拟轴的位移平均值作为该虚拟轴的位移参数，并将两者的位移差值作为该虚拟轴的角度参数，该虚拟轴进行运动时保持角度不变，从而保证左托架虚拟轴和右托架虚拟轴的同步；

所述设定参数包括左托架的位置设定参数和右托架的位置设定参数，且该两个设定参数通过左托架虚拟轴和右托架虚拟轴再次虚拟的轴来关联。

2.根据权利要求1所述的蒙皮拉伸机托架的液压伺服控制系统，其特征在于，所述第一位移传感器，第二位移传感器，第三位移传感器，第四位移传感器为SSI绝对位移传感器。

3.根据权利要求1所述的蒙皮拉伸机托架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。

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