研配液压机精密行程控制研究

沈兆奎，胡晓祥，邢玉龙

(天津理工大学 机械工程学院 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384)

研配液压机精密行程控制研究

沈兆奎，胡晓祥，邢玉龙

(天津理工大学 机械工程学院 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384)

针对研配液压机行程分辨率低、位置调节能力不足的缺点，结合已有的“驱动单元”专利技术，提出了一种通过“驱动单元”和PLC控制器对研配液压机行程精密控制的新方案，并对其进行分析。应用该方案进行步进式位移实验，利用光栅传感器进行位移信号检测。通过具体的实验数据分析，最终验证了该方案是能够实现对研配液压机行程的精确控制。

研配液压机；行程控制；精度；驱动单元；PLC控制器

0 前言

研配液压机主要应用在汽车、飞机、拖拉机、家电等行业中，用于模具制作后期和模具维修中的研配工艺过程[1-3]。由于模具质量的好坏直接决定着企业制造出来的产品质量及企业在市场中的竞争力，因此企业对于提高模具质量的技术十分重视[4]。由于模具在使用一段时间后，其精度随着磨损而下降。因此为了保证模具的精度，必须通过研配液压机对模具重新进行研配，以提高其精度[5]。目前，在传统研配液压机中，行程控制系统绝大部分采用开关阀(节流阀、换向阀、溢流阀)控制液压油流量。由于采用的是开关量控制,同时主液压缸油液流量大,导致不能精确控制研配液压机上活动横梁的行程。由于活动横梁的行程精度直接影响着模具研配后的精度。因此，对于研配液压机精密行程控制的研究，就具有十分重要的意义了。

1 精密行程控制方案

精密行程控制方案如图1所示。本文结合液压缸精密行程驱动单元专利技术[6]，研制出了液压缸精密行程驱动单元样机，驱动单元样机如图2所示。当主液压缸快进下行到接近目标位置时，关闭主液压缸油路，主液压缸停止移动。由光栅传感器对当前主液压缸活塞位置检测，并将检测所获取到的数据与计算机中设定的目标位置数据进行比较，得到位移差值，利用“模糊指数”算得主液压缸所需油液量的“当量数值”。PLC控制器根据“当量数值”发出脉冲信号，控制样机上的步进电机做定距离转动。再由步进电机驱动螺母丝杠，实现对驱动单元样机(图2)上的副油缸工作容积的定量调节，并通过副油缸向主液压缸压入(抽出)油液，驱动主液压缸移动。在主液压缸完成移动时，光栅传感器再次检测主液压缸活塞停止位置并作进一步的闭环调整,最终完成对主液压缸行程的精密控制。

图1 精密行程控制方案Fig.1 Scheme of precision stroke control

图2 驱动单元样机Fig.2 Drive unit prototype aeroplane

2 液压缸精密行程驱动单元

2.1 驱动单元结构与工作原理

液压缸精密驱动单元结构，如图3所示。在图3中，驱动单元上的油口2与主液压缸油口相连接，当主液压缸内的压力稳定后，PLC控制器根据预先设定的程序向步进电机发出脉冲指令[7]。由步进电机驱动器控制步进电机6的转动，步进电机通过减速器5达到降低速度增加转矩的目的，而与减速器5相连接的单级齿轮减速器4是由齿轮轴和丝杠螺母齿轮组成，进一步降低速度增加转矩。同时，通过丝杠螺母齿轮的外齿轮部分与齿轮轴啮合，把齿轮的旋转运动转化成丝杠3的直线运动，丝杠带动柱塞杆向左或向右平稳移动，完成向主液压缸压入油液或从主液压缸抽出油液[8-9]。

1.柱塞式液压缸 2.液压油口3.梯形齿螺纹丝杠 4.单级齿轮减速器 5.减速器 6.步进电机图3 液压缸精密驱动单元结构示意图Fig.3 Structure schematic of drive unit

2.2 驱动单元控制的技术关键

为了实现驱动单元对压入或吸出液压油流量的精确控制，需要通过安装在执行机构上的光栅传感器获取控制点(目标位置)、启动点(活塞位置)及原点的位置数据；将启动点与控制点之间位置数据的差别换算为液压油在主液压缸内体积的差别量；而驱动单元利用“模糊指数”算得“当量数值”并据此向主液压缸压入或从主液压缸吸出主液压缸内体积的差别量[10]。

3 液压缸精密行程驱动单元驱动单元控制部分

3.1 驱动单元控制部分硬件的选型

驱动单元控制部分选择的PLC型号为西门子S7-200系列CPU 224XP，驱 动 器 为 SH-20806N-DA。电机型号为86BYG250BN二相混合步进电机，步距角为0.9°/1.8°，编程软件采用的是西门子 STEP 7-Micro /WIN，电源为HS-25-24V2A电机电源，SK2压力传感器。

3.2 步进电机速度控制

根据步进式位移实验要求，主液压缸单次移动的控制行程为0.05 mm。主液压缸内径D=90 mm，柱塞杆直径d=45 mm，辅助油缸柱塞直径d1=20 mm，螺距p=4 mm，则主液压缸移动位移S=0.05 mm，所需要的油液体积V为

辅助油缸柱塞移动位移s=200mm，抽取油液的体积v为

丝杠旋转一周移动一个螺距p=4mm，所以丝杠旋转一周抽取的油液体积v1为

驱动单元辅助油缸抽取油液体积V所需转的圈数n为

由齿轮减速器的传动比为41:9得步进电机转的圈数n1为

故步进电机所需要的脉冲数N为

N=n1×5000=4330

为了提高控制精度，结合自适应模糊的基本理论，实验模糊推理部分控制逻辑为：首先通过PLC控制器给步进电机发送2165个脉冲，则理论上主液压缸下行的距离为0.025mm，利用光栅位移传感器检测到主液压缸所走的实际的位移量为 ,则为了实现最终走0.05mm的位移，PLC控制器第二次给步进电机发送的脉冲数N2为

4 实验验证与分析

图4为本次实验工作台。图5为实验所用到的液压试验台，用于模拟液压缸在研配液压机中的工作状态。如图6所示，为步进式位移实验液压原理图。该试验过程如下：给电磁换向阀4通电让其处于左位工作，同时电磁换向阀3也处于左位工作，液压泵输出的油液进入主液压缸上腔，主液压缸活塞快速下行(模拟研配液压机活动横梁的快进动作)。达到某点后，电磁换向阀3断电，利用液控单向阀2的反向封闭功能使主液压缸下腔油液不能排出、压力升高。此时，电磁换向阀4依然处于左位工作，油泵继续向主液压缸上腔供油，供油压力(模拟研配液压机工作时压机活动横梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的压力)可通过溢流阀5调定。同时启动驱动单元步进电机驱动辅助油缸向主液压缸供油，使主液压缸活塞步进下行(模拟研配液压机活动横梁的慢速接近动作)。控制器通过光栅位移传感器检测并获取主液压缸活塞下行位移数据，实验中设定的主液压缸活塞每次下行位移量为0.05mm。

图4 实验工作台Fig.4 Experimental bench

图5 液压试验台Fig.5 Hydraulic experimental platform

试验测得位移曲线见图7。在图7中，实验曲线上每个水平线段部分为主液压缸活塞停止状态的记录，两个水平线段部分间的曲线为主液压缸活塞下行移动的数据记录。其中，步进式位移实验的控制过程为：每按一次启动按钮，控制器控制主液压缸活塞移动0.05 mm,但按动启动按钮的动作是由人工完成的，其动作间隔时间并未刻意设定，因此主液压缸活塞停止状态的水平线段部分间隔时间差异较大。

图7为17次连续下行记录，通过对所获取的数据分析发现，大部分位移误差都在5 μm以内，但有三处误差达到了10 μm。因此，实验表明采用液压缸精密行程驱动单元控制的主液压缸作步进移动，其每步行程可达到0.05 mm，行程精度约为10 μm。

1.主液压缸 2.液控单向阀 3.两位四通电磁换向阀 4.三位四通电磁换向阀 5.溢流阀图6 液压实验原理图Fig.6 Principle diagram of the hydraulic pressure test

图7 实验数据图Fig.7 Data chart of the experiment

本实验采用液压泵的供油压力模拟研配液压 机工作时压机活动横梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的压力，由于液压泵的供油存在压力波动导致控制精度有所降低。压机工作中压机活动横梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的压力为一稳定数值，因此采用本控制方案有可能获得更高的行程控制精度。

5 结论

本文行程精度控制方案能够实现对研配液压机行程的精确控制。相比于采用比例阀及伺服阀控制的研配液压机来说，其控制精度高、成本较低、控制简单、通用性强且对环境要求不高。

[1] 苏东海,张宏,马桂珠. 模具研配液压机同步系统的研制[J]. 沈阳工业大学学报,2002(04):271-273.

[2] 汤迎红,刘忠伟,青先麒. 巨型模锻液压机同步系统性能影响因素的分析[J]. 锻压技术,2014(04):77-83+103.

[3] 刘栋. 2000KN模具研配液压机电控系统的开发和设计[D].重庆大学,2014.

[4] 汤志源. 1000KN模具研配试压机的设计与分析[D].山东大学,2010.

[5] 裴连翥. 模具研配液压机的设计[J]. 机械设计与制造,2009(01):216-218.

[6] 沈兆奎,刘艳玲,陈广来. 一种液压缸精密行程驱动控制装置[P]. 天津：CN201344166,2009-11-11.

[7] 刘泽民,付丽,敖茜,等. PLC程序控制研配液压机的结构设计[J]. 机床与液压,2014(22):89-91.

[8] 郭恒. 液压缸精密行程智能驱动单元的研究与开发[D].天津理工大学,2011.

[9] 杨涛. 液压缸精密行程智能驱动单元控制系统设计与实现[D].天津理工大学,2012.

[10]沈兆奎,刘艳玲,陈广来. 液压缸精密行程智能驱动方法及其外部驱动单元[P]. 天津：CN101451560,2009-06-10.

Study of precision stroke control for die spotting hydraulic press

SHEN Zhao-kui, HU Xiao-xiang, XING Yu-long

(Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System,Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Die spotting hydraulic press has a low stroke resolution and inadequate position adjustment capability, a new solution was proposed, according to the existing “Drive Unit” patented technology, to precisely control stroke for die spotting hydraulic press. This solution was applying to conduct step type displacement experiment. Grating sensor was utilizing to conduct displacement signal detection. It showed that this solution can accomplish to precisely control stroke for die spotting hydraulic press by analyzing detail data.

die spotting hydraulic press; stroke control; precision; drive unit；PLC controller

2015-09-08；

2015-09-26

沈兆奎(1959-)，男，天津理工大学教授，主要研究方向为液压传动与控制。

TP273

A

1001-196X(2016)02-0042-04