YGMK 系列伺服门式液压机设计

姜君杰，乔礼惠

（江苏国力锻压机床有限公司,江苏 扬州 225009）

1 引言

液压机是一种利用液体压力能来传递能量，以实现各种压力加工工艺的设备。其具有在行程的任何位置均可产生额定最大压力，可在下限位长时间保持压力，工作行程速度较慢、生产效率不易提高等特点。三梁四柱式万能液压机为最常见的典型结构形式，整机结构简单，工艺性较好，配以三相异步电动机驱动恒功率变量泵作为动力源，结合先进的插装阀集成系统使液压机运行平稳、易于实现压力调整。此系统虽然可实现超过设定压力减少输出流量，但在整个生产过程中电机将一直处于正常运转状态，而根据液压机的工作方式，在上停取放料以及保压过程中是可以不需要油泵提供能源亦即电机是可以不工作的，特别是在非金属成形行业，因保压时间长，这种驱动方式的能耗非常高。因三梁四柱结构存在导向精度低特别是承受偏心载荷能力较差等原因，公司推出整体框架结构的门式液压机作为三梁四柱式液压机的升级换代产品，机床外观如图1 所示。机身体及滑块采用优质材料以及板料成形技术焊接，结合四角八面导轨结构，精度保持性好、导向精度高、抗偏载能力强。配置伺服泵控系统的新机型从根本上克服电机一直旋转耗能这一弊端，当系统需要的流量发生变化时，电机转速根据流量、压力指令进行调整，使得齿轮泵的输出流量发生变化，实现在液压机上的柔性调速调压以及节能应用，通过电控系统与伺服驱动器的无缝配合，使液压机位置和压力控制精度均有明显提高。

图1 伺服门式液压机外观

2 系统构成

伺服门式液压机控制系统（图2）主要由六部分组成：汇川IS580 驱动器及ESMG1 交流伺服电机、海特克内啮合齿轮泵、昆仑通态TPC7062 触摸屏、欧姆龙CP1H XA40DR 可编程逻辑控制器、济宁泰丰插装阀液压系统、杰佛伦位移及压力传感器。此款新机型的研发虽然还是以单机工作方式出现，但也在自动化联线控制上预留有I/O 端口及RS485 通讯接口，另外可进行以太网口的扩展，做到远程故障分析、诊断。该控制系统直接利用现有的公共通讯网络连接到客户正在使用的液压机上，对机床信号进行检测，以判断该机床故障所在，并根据不同情况进行在线或离线修复。

图2 控制系统配置图

2.1 伺服驱动器

IS580 系列伺服驱动器是汇川公司专门为驱动永磁同步电机而开发，可实现对永磁同步电机的高性能矢量控制。其最初是为注塑机行业服务的，有针对注塑机驱动过程中注塑速度、压力保持精度等控制，特别是与专用的注塑机控制器配合工作时的平稳控制，使伺服油泵控制更加完美。而液压机与注塑机的工作原理有相通之处，利用注塑机上伺服控制的成熟经验结合液压机特殊的工艺要求而产生出油压控制模式，使IS580 驱动器在液压机上的应用也越来越成熟，主要体现在高压力低转速时压力更稳定、压力和速度响应更快，能满足液压机快速运行响应要求。IS580 系列伺服驱动器自带编码器PG 卡，通过与ESMG1 系列交流伺服电机上的23 位编码器连接，在接线时将电机U、V、W 与驱动器上的U、V、W三相相序一一对应，便可实现电机免调谐，方便于安装调试。驱动器保护功能强大，具有上电短路检测、缺相保护、过流保护、过热保护、过载保护等，特别是当泵口压力传感器检测到超过设定的保护压力值时，驱动器将自身进行调节，以最短的时间将转速降到几十转，避免持续高压输出造成管路或接头的泄漏。同时驱动器支持Modbus-RTU 协议、CANOpen 协议以及CANLINK 协议，虽然现在的控制方式还是以模拟量0-10V 为主，接线方式如图3 所示，但相信随着数字化控制的发展，将来对驱动器的控制必将以通讯为主，可以把驱动器设置在伺服电机的周边，减少动力线缆的长度，抑制意想不到的干扰，同时逻辑控制器与驱动器之间通过网络通讯连接，可通过上位机实现对驱动器参数的设置以及驱动器实际运行数据的采集显示，包括驱动器报警信息的上传等。

图3 驱动器接线示意图

2.2 昆仑通态触摸屏

触摸屏作为一种最新的输入显示设备，是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式，在工业、服务业、农业等各行业得到广泛应用。触摸屏是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程序驱动各种连接装置，已广泛用于取代机械式的按钮面板、计时计数器等。我们选用的TPC7062 系列触摸屏其分辨率达到800×480，65535 色数字真彩，AMR9 内核，128M 存储空间，抗干扰性能达工业Ⅲ级，支持U 盘备份恢复。编程软件采用的是MCGS 嵌入版组态软件，它是昆仑通态公司专门开发的组态软件，主要完成数据的采集与检测、前端数据的处理与控制，采用组态软件编制程序的触摸屏与PLC 之间通过RS485 进行通讯连接，可以方便、快速地实现对位置、压力、时间等参数的设置与控制。采用MCGS 组态软件编程的设置画面如图4 所示，在画面中将机床各运行阶段所需的流量、压力都单独开放出来进行设置，可实现滑块慢速下行快速回程、底缸慢速顶出快速退回等特殊工艺需要。

图4 触摸屏设置画面

2.3 欧姆龙CP1H PLC

CP1H 系列PLC 是用于实现高速处理、高功能的程序包型产品，配备与欧姆龙CS/CJ 系列共通的体系结构。为更好地实现门式伺服液压机的柔性控制，在滑块及底缸上分别安装有位移传感器和压力传感器进行实时位置和压力的检测，这就要求PLC 具有至少四路模拟输入通道，再加上对伺服驱动器流量、压力的两路模拟量输出通道，经对比最终选用欧姆龙CP1H-XA40DR PLC 作为逻辑主控制器，同时其具有两个外连接口可通过安装选板实现RS-232 或RS-485 通信，我们通常将其中的一个外连接口与触摸屏之间实现RS-485 通讯，另一个外连接口则预留给自动化或上位机进行通讯。在程序编制上，特别是牵涉到位移、压力、伺服控制上我们通过设置标准化的功能块（如图5 所示）进行直接调用，使得程序的编制、管理更加简单，提高程序的设计效率，减少差错率。

图5 位移传感器模数转换功能块

3 液压系统

液压系统选用密封性能好、动作灵敏可靠的插装阀集成结构，具有通油能力大、抗污染能力强、结构紧凑等特点。机床主油缸和底缸的运行受控于液压系统，液压原理如图6 所示。当需要油泵供油驱动油缸工作时，伺服电机将依据驱动器发出的指令进行工作，驱动器的流量、压力指令则由控制系统进行设置，电磁阀YV2 得电工作，插装阀C8 阀芯关闭，油泵出口油液压力受调压阀F5 调节，因使用的是伺服泵控系统，控制系统可对伺服泵的出油压力进行调节，所以调压阀F5 此时通常作为系统安全溢流阀使用，压力标定为25MPa。滑块快下时，电磁阀YV2、YV4、YV5 同时得电工作，插装阀C8 关闭、C6 和C7打开，实现油缸下腔与油箱联通无压力，依靠滑块和油缸活塞杆的重量实现快速下行，主缸上腔仅依靠油泵的出油进行补油是不够的，更多的是通过充液阀CF1 从充液箱中进行补油。当滑块运行到设定的变速点位置时，电磁阀YV4 失电同时电磁阀YV3 得电工作，通过调节调压阀F4 在油缸下腔形成背压，滑块下行速度变慢，主缸上腔的负压消失充液阀关闭，仅依靠油泵出油经过插装阀C7 和单向阀D5 进入主缸上腔推动滑块往下慢速运行，快下转慢下时的液压冲击可通过调压阀F4 进行调整。滑块运行到设定的下限位位置或主缸上腔压力达到设置的压力值时将进入保压状态，保压过程中所有电磁阀都失电，依靠上腔单向阀D5 和油缸密封圈将压力保持在主缸上腔。保压时间到后主缸上腔进入卸压状态，电磁阀YV2、YV9 得电工作，油液推开充液阀阀芯实现油缸上腔压力卸荷，此时虽然电磁阀YV2 得电工作，但系统压力却是由伺服泵来进行控制，正常卸压状态伺服泵压力设置为5MPa，流量设置成1000r/min。卸压延时时间到后，滑块进入回程动作，电磁阀YV2、YV9 继续得电工作，电磁阀YV6 同时得电工作，油液经插装阀C5 进入油缸下腔，油缸上腔油液经充液阀CF1 直接回油箱，调压阀F3 作为主缸回程压力安全溢流保护。泵口压力传感器KP1 采用的电压型（0～10V），其检测信号传送到驱动器，油缸上腔压力传感器采用的是电流型（4～20mA），其检测信号传送到控制系统中。

图6 液压原理图

4 安全防护

整台机床的安全防护措施通过硬件和软件相结合的方式双重保护人员和设备的安全，硬件方面主要由设置在机身上的固定式安全栓和机床正面的光电保护装置，并与主机控制系统形成必要的联锁保护。固定式安全栓通常安装在机身立柱后侧面上，在其底部安装有机械行程开关，当进行模具检修时，将安全栓从支座上取下采用对角布置的方式放置在工作台上，而当安全栓取下后机械行程开关将发出信号给控制系统，滑块将无法实现下行动作，若滑块因卡阀等意外向下运动时，安全栓即起到支撑作用，也起到保护模具检修人员的作用。机床正面安装有对射式光电保护装置，其常闭信号引入到控制回路中，在滑块下行过程中，一旦光电保护装置因外因发生动作，其常闭信号将断开阻止滑块下行动作，根据标准要求在滑块回程时光电保护装置虽也进行检测但不断开控制电路，也就是通常所说的回程不保护功能。

5 结论

三梁四柱式万能液压机因存在导向精度低以及承受偏心载荷能力较差等原因已慢慢退出市场，而门式液压机由于采用整体框架结构，机身体及滑块采用优质材料以及板料成形技术焊接，结合四角八面导轨结构，具有精度保持性好、导向精度高、抗偏载能力强等优势，已越来越受到客户的青睐。特别是伺服门式液压机采用伺服泵控技术，充分利用伺服的高速响应性能，实现即时供油的方式，另外可通过触摸屏画面设置各个工艺过程需要的流量值和压力值，结合实时检测的压力和流量反馈信号，适时调整伺服电机转速，让泵输出的流量和压力最大化地满足系统的需要，达到节能、降噪的目的。新机型已全部通过500h 连续无故障运行测试。另外该伺服门式液压机与同规格的普通液压机在满负荷相同工况下（取放料上停延时5s，保压延时1s，卸压延时0.5s）节能率为27%，噪声73.6dB（A），达到最初的节能、降噪设计要求。此种机型自从推向市场以来，受到用户的一致好评，也推动了液压机整个产业的转变。