CN1903476A - 大型模锻液压机的补偿同步平衡控制系统 - Google Patents

Abstract

大型模锻水压机的同步补偿平衡控制系统，回油管路上增加基准压力调节控制元件，根据工况对二级基准压力设定值进行切换：系统不补偿时基准用较高值，位置偏移需要系统补偿时，基准压力转换为较低值，实现溢流加补偿同步控制。滑块上位移检测头与固定在动梁上的连接板之间采用两个可横向滑动的钢球。滑块内弹簧使滑块通过钢球始终压靠在支架测量面，消除了活动横梁横向振动、倾斜带来的误差。用基于现场总线通讯及传感器技术的长行程、绝对位移及倾角检测系统。系统平衡能力强，卸压冲击小，用电液比例流量阀，综合性能好，系统布置紧凑，内泄漏小。

Description

大型模锻液压机的补偿同步平衡控制系统

[技术领域]本发明属于液压控制系统的同步平衡控制系统，特别是大型模锻液压机的同步平衡控制系统。

[背景技术]大型模锻水压机是国防和基础产业的关键设备。其同步平衡控制系统是用于控制液压机活动横梁在运行及液压机加载过程中的倾斜度，是影响金属形成过程和产品加工精度的重要部分。同步平衡控制系统实质是一类控制量为恒值的液压位置保持系统，满足将被控对象保持在某一设定的位置的控制要求，当被控对象受到外部干扰时尽可能迅速地作出反应，将被控对象校正回来并保持在原设定位置。目前，液压位置保持系统有封闭型、节流型和补偿型三种工作方式，其中，节流型方式是以损失部分工作压力为代价来平衡外部干扰载荷；封闭型方式由于仅依靠液压缸内液体的弹性变形产生的作用力被动平衡外部干扰载荷，平衡力的大小是随着被控对象偏离设定位置距离的增加而增加，这是一种有差调节系统，其稳定精度与液压缸内油液的特性及外加载荷的大小有关，它无法在有外加载荷存在的情况下将被控对象校回到原设定位置，无法满足高精度控制要求。而补偿型方式是根据检测器检测到的干扰载荷作用下被控对象相对于设定位置的位移量，通过阀控或泵控补偿控制系统向需要增压的工作缸液压腔补油，迅速产生适当的平衡力，阻止被控对象进一步偏离设定位置，并最终将被控对象校回并保持在原设定位置，可以得到很高的控制精度。

目前补偿型系统一般采用单纯进油补偿形式，工作时对液压缸由于被控对象的偏移而受压缩的一腔补油，另一腔封闭的形式，系统对干扰外载的平衡力的大小和响应快慢主要由补油系统的压力和流量决定，当需要平衡更大的干扰外载而保持相同的控制精度时，补油系统供油的压力和流量也必须同时增大。这样整个系统耐压等级、泵站功率都要求有很高，工作时消耗的能量也会很大。当系统由于干扰外载变化或补偿过度反向时，系统容易失稳，严重影响控制精度和可靠性。

[发明内容]为了提高系统的控制精度和响应速度，同时满足系统稳定性的要求，本发明提出溢流补偿型同步平衡控制系统。主要包括以下内容：

1、液压子系统

本发明提出了“溢流平衡”技术原理，即在补偿型液压位置保持系统的基础上，在回油管路上增加基准压力调节控制元件进行基准压力设定，系统在工作时根据所处工况通过控制对二级基准压力设定值进行切换。系统在不补偿时基准采用较高值，当位置偏移需要系统补偿动作时，基准压力转换为较低值。这样，一方面压缩腔由于体积压缩补偿高压液体而压力增加，另一方面，非受压缩腔原先较高的基准压力由于体积增加及基准压力设定值降低产生溢流而压力迅速降低，从而系统可更快获得比单纯补偿型更大的压差；并且由于基准压力增加，可以更可靠地保证实现溢流时非压缩腔不产生负压，使系统更加安全。在进油和回油路上都增加了比例流量控制元件，对补偿腔和溢流腔的流量进行比例控制，以提高系统的平稳性和可靠性；同时在泵出口压力设定上也采取了可调的二级工作压力设定元件，通过设定多级工作压力以适应不同的工作状态对平衡压力的要求。

如逆时针方向上超出给定的死区控制值，补偿液压系统开始工作，一个溢流补偿型同步系统由四个先导式逻辑锥阀控制补偿油液的流向及通断，并可将同步缸锁死形成封闭系统；电磁换向阀和另一个先导式逻辑锥阀控制泵是否卸荷；有一个单向阀防止油液回流。系统主控阀门采用高灵敏度的插装阀，系统压力通过三个压力阀控制，对系统压力进行分级控制，实现不补偿时系统卸荷，无载时低压补偿，加载时高压补偿三级压力控制；二个比例流量阀对补偿流量根据有载与无载两种不同工作状况以及倾斜角的大小进行比例调节；用三个基准压力用阀控制，系统封闭时，背压值控制为高值，系统补偿时，背压值控制为低值。轴向柱塞泵正常情况下通过内控锥阀卸载空转，仅在需要补偿的瞬间负载运行。当活动横梁处于水平状态时，同步缸各腔具有相同的基准压力(高)，活动横梁上下运动过程中交叉连接腔容积保持不变，管道两管道封闭；当活动横梁受到锻造偏心力矩的作用而发生倾斜，如顺时针方向旋转时，同步缸各腔及相应连接管道由于容积的变化带来压力的变化，对角同步缸上下两腔压力的变化便形成了反方向的同步平衡力矩，当液压机继续加载，活动横梁倾斜度在某一管道及其相应的联结腔处于补液状态，另一个管道及其相应的连接腔接基准压力(低)控制阀溢流，同步缸各工作腔液体体积的变化产生了压力的变化，对角同步缸压力变化形成平衡力矩。当活动横梁在同步平衡力矩作用下被校正并且倾斜角小于给定的死区零位控制值时，补液系统停止工作，系统封闭。所有阀门元件全部集成在一块体积不大的阀体内。

2、电气检测控制系统

根据检测要求，用基于现场总线网络通讯技术及先进的传感器技术的长行程、高精度的绝对位移及倾角检测系统。系统采用四个磁致伸缩超声波直线位移检测器置于需要进行位置控制平面的四个角部，对所控平台进行全行程高精度位移检测。4角位移的平均值可用于平台位置控制，相对的一组位移差值可转换为两点间连线侧斜值，通过对平台上两组也就是平台上交叉的两根连线的水平控制也就实现了对整个平台的水平控制。四个传感器由一根电缆连接成PROFIBUS总线网络，直接得到数字化的检测信号，保证数据的可靠性。

[附图说明]

图1为本发明同步补偿系统的液压系统原理简图；

图2为本发明水压机工作过程较偏装置原理图；

图3为本发明应用实例工作原理简图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

[实施方式]溢流补偿型同步系统的液压系统原理如图1所示。图中由先四个导式逻辑锥阀1、2、3、4控制补偿油液的流向及通断，并可将同步缸锁死形成封闭系统；电磁换向阀5和先导式逻辑锥阀7控制泵是否卸荷；8为单向阀，防止油液回流。当活动横梁处于水平状态时，同步缸各腔具有相同的基准压力(高)，活动横梁上下运动过程中交叉连接腔容积保持不变，管道16、17封闭；当活动横梁受到锻造偏心力矩的作用而发生倾斜，如顺时针方向旋转时，同步缸各腔及相应连接管道由于容积的变化带来压力的变化，对角同步缸上下两腔压力的变化便形成了反方向的同步平衡力矩，当液压机继续加载，活动横梁倾斜度在某一方向，如逆时针上超出给定的死区控制值，补偿液压系统开始工作，管道16及其相应的联结腔处于补液状态，管道17及其相应的连接腔接基准压力(低)控制阀溢流，同步缸各工作腔液体体积的变化产生了压力的变化，对角同步缸压力变化形成平衡力矩。当活动横梁在同步平衡力矩作用下被校正并且倾斜角小于给定的死区零位控制值时，补液系统停止工作，系统封闭。

系统主控阀门采用高灵敏度的插装阀，系统压力通过阀10、11、12控制，对系统压力进行分级控制，实现不补偿时系统卸荷，无载时低压补偿，加载时高压补偿三级压力控制；阀6、9为比例流量阀，对补偿流量根据有载与无载两种不同工作状况以及倾斜角的大小进行比例调节；基准压力用阀13、14、15控制，系统封闭时，背压值控制为高值，系统补偿时，背压值控制为低值。轴向柱塞泵正常情况下通过内控锥阀7卸载空转，仅在需要补偿的瞬间负载运行。所有阀门元件全部集成在一块体积不大的阀体内。

如图2所示，设计的智能型数据采集系统可避免因数据错误带来的误操作。为了避免水压机工作过程中动梁可能出现的较大幅度的横向振动，安装在滑块19上的位移检测头与固定在动梁上的连接板18之间采用了两个可横向滑动的钢球。滑块内弹簧的作用是使滑块通过上面的钢球始终压靠在支架的测量面上，从而保证通过安装在导轨20位移传感器所测得的位移始终是支架测量面的位移，消除活动横梁横向振动、倾斜带来的误差。针对运行中偏心载荷的不确定性与随机性特点，设计自适应的控制方案，以满足加压过程高精度及运行过程平稳性的要求。

如图3所示，模锻水压机活动横梁同步平衡系统是一个典型的液压位置保持系统，它要求在活动横梁上下运行时始终保持设定的水平角度不变。同步平衡系统四个平衡缸按每一对角线上的两个为一组分为两组，每组中的一个缸的上腔与另一缸的下腔用输油管道连通，即每组缸中两个缸四个腔交叉连接，使每一组平衡缸控制着活动横梁基准面上的一条对角线的水平度。活动横梁处于水平倾角为0时平衡缸各腔具有相同的基准压力，活动横梁上下垂直运动时各交叉连接腔的总容积保持不变，忽略油液在管道中的沿程损失时，两连接腔及管道中仅有油液的流动而不产生压差。如果活动横梁在锻造过程中由于偏心力矩的作用发生倾斜，检测系统将检测到活动横梁某一对角线上的倾斜角φ送入该步缸的控制单元，由补偿控制系统根据电气控制单元发出的控制信号，通过输油管道21、22、23、24控制向各腔的压力，以产生合适的反向力矩(平衡力矩)阻止活动横梁的进一步倾斜，并将活动横梁校正回水平位置。

本发明在实际工程应用中达到的技术指标是：实现了具有大惯量多自由度的活动横梁在全行程1830mm范围内的高精度，对角差仅为0.1mm；系统静精度为0.04‰rad；系统动精度为0.6‰rad；检测系统精度为0.02mm；同步补偿响应时间不大于0.3秒；同步系统平衡能力：纵向为120MNm，横向为60MNm。

溢流平衡较之补偿平衡在响应速度上具有绝对优势，并且增加了系统平衡能力，减小了卸压冲击，有利于系统静精度的提高和框架受力状况的改善，扩展了系统的功能。采用电液比例流量阀作为提供比例补偿流量的关键器件，综合性能较优，保证了系统的合理性。基于比例流量控制思想，进行了液压系统的液压原理设计。优化设计了系统的阀块结构，系统布置紧凑合理，改善了现场工作条件。同时，简化了液压操纵系统结构，内泄漏很小。

解决了系统控制精度、响应速度、系统稳定性之间的矛盾要求，在获得高精度的同时提高了系统的稳定性与安全性；显著改善模压件质量，提高成品率和设备利用率，降低维护费用；兼顾了类似系统的技术共性，对国内各种立式、卧式水压机具有广泛应用价值，可直接推广应用。

本发明提高了产品精度和产品成品率，提高了生产率。

Claims (2)

1.模锻水压机的补偿同步平衡控制系统，包括泵、比例阀、压力控制阀、插装阀及同步缸，其特征在于：系统主控阀门采用高灵敏度的插装阀，系统压力通过阀(7)、(10)、(11)、(12)进行分级控制，实现不补偿时系统通过内推锥阀(7)卸载空转，无载时低压补偿，加载时高压补偿三级压力控制；用比例流量阀(6)、(9)对补偿流量根据有载与无载两种不同工作状况以及倾斜角的大小进行比例调节；基准压力用阀(13)、(14)、(15)控制，系统封闭时，背压值控制为高值，系统补偿时，背压值控制为低值；所有阀门元件全部集成在一块体积不大的阀体内；用基于现场总线网络通讯技术及传感器技术的长行程、绝对位移及倾角检测系统，采用磁致伸缩超声波直线位移检测器进行全行程检测，四个传感器由一根电缆连接成总线网络，直接得到数字化的检测信号。

2.根据权利要求1所述的模锻水压机的补偿同步平衡控制系统，其特征在于：安装在滑块(19)上的位移检测头与固定在动梁上的连接板(18)之间采用了两个可横向滑动的钢球，滑块内的钢球通过弹簧压靠在支架的测量面上，消除动梁横向振动，使位移传感器所测得的位移始终是支架测量面的位移。

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