伺服傳動(dòng)技術(shù)在自由鍛造液壓機(jī)上的應(yīng)用

文/陳柏金·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

伺服傳動(dòng)技術(shù)在自由鍛造液壓機(jī)上的應(yīng)用

文/陳柏金·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

伺服傳動(dòng)技術(shù)由于具有一系列的優(yōu)點(diǎn).在曲柄連桿壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、普通液壓機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用.并取得了顯著的效果.采用伺服傳動(dòng)技術(shù)成為壓力機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。

自由鍛造液壓機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)有兩種基本形式：油泵直接傳動(dòng)和泵—蓄勢(shì)器傳動(dòng)。油泵直接傳動(dòng)的特點(diǎn)是泵輸出的液體直接供給液壓機(jī).液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的工作速度取決于油泵的供液里.與成形過(guò)程中鍛件的變形抗力無(wú)關(guān)。泵—蓄勢(shì)器傳動(dòng)中泵輸出的高壓液體儲(chǔ)存于蓄勢(shì)器罐中.液壓機(jī)工作時(shí)由泵及蓄勢(shì)器共同供液.工作液體的壓力基本保持在蓄勢(shì)器壓力波動(dòng)范圍內(nèi).液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的工作速度取決于工件的變形阻力.而與泵的供液里無(wú)關(guān)。

油泵直接傳動(dòng)的液壓機(jī)普遍采用PLC控制.與操作機(jī)聯(lián)動(dòng).能控制鍛件尺寸精度.生產(chǎn)率高.容易實(shí)現(xiàn)程序鍛造及生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。近年來(lái).隨著液壓技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展.高壓、大流里、高性能的泵、閥等元件得到了廣泛應(yīng)用.油泵直接傳動(dòng)的液壓機(jī)發(fā)展迅速.有逐步取代泵—蓄勢(shì)器傳動(dòng)液壓機(jī)的趨勢(shì)。

圖1 泵—蓄勢(shì)器液壓機(jī)典型組成圖

泵—蓄勢(shì)器傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)的組成相對(duì)簡(jiǎn)單.使用乳化液.維護(hù)方便.使用成本較油泵直接傳動(dòng)液壓機(jī)低。由于其控制裝置簡(jiǎn)單.普遍沒(méi)有尺寸檢測(cè)裝置.不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鍛造.也不能與操作機(jī)聯(lián)動(dòng).完全由手動(dòng)操作.勞動(dòng)強(qiáng)度大.生產(chǎn)的鍛件尺寸精度誤差較大。

采用伺服傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)泵—蓄勢(shì)器傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)位置控制

泵—蓄勢(shì)器傳動(dòng)的鍛造液壓機(jī)的經(jīng)典構(gòu)成如圖1所示.液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的動(dòng)作由一組安裝在分配器中的閥組進(jìn)行控制.閥組的啟閉由傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度決定.通過(guò)控制傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)動(dòng)速度.實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)的動(dòng)作控制。

一般中、小型鍛造液壓機(jī)采用的是機(jī)液位置隨動(dòng)系統(tǒng)控制傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng).圖2是旋轉(zhuǎn)滑閥式液壓隨動(dòng)系統(tǒng)示意圖.圖3是其工作原理圖。

圖2 旋轉(zhuǎn)滑閥式液壓隨動(dòng)系統(tǒng)示意圖

液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的分配器由一套旋轉(zhuǎn)滑閥式液壓隨動(dòng)系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)分配器傳動(dòng)軸.操縱旋轉(zhuǎn)滑閥的手柄.即可通過(guò)接力油缸使分配器傳動(dòng)軸準(zhǔn)確地隨動(dòng).分配器傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角大小及轉(zhuǎn)動(dòng)速度均與旋轉(zhuǎn)滑閥操作手柄的轉(zhuǎn)角大小及轉(zhuǎn)動(dòng)速度成正比。目前已有部分新制造及舊的液壓機(jī)將接力油缸改為電液伺服隨動(dòng)系統(tǒng).通過(guò)高性能比例閥、傳感器控制接力油缸驅(qū)動(dòng)分配器傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng).實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)控制。

在部分大中型鍛造液壓機(jī)中采用電氣傳動(dòng)位置隨動(dòng)系統(tǒng).其工作原理如圖4所示。操縱操作手柄.發(fā)送自整角機(jī)跟隨旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度.產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)鑒相等處理后與接收自整角機(jī)處理后的信號(hào)進(jìn)行比較.輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)分配器傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng).從而控制液壓機(jī)的動(dòng)作。

上述液壓機(jī)的操作方式難以實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)自動(dòng)化及鍛造尺寸精度控制。為了提高液壓機(jī)的生產(chǎn)水平.生產(chǎn)廠家有的將泵—蓄勢(shì)器傳動(dòng)的液壓機(jī)改為油泵直接傳動(dòng).有的保留原有的泵—蓄勢(shì)器站和分配閥.只是采用液壓伺服系統(tǒng)來(lái)控制主分配器的傳動(dòng)軸.實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)自動(dòng)鍛造和尺寸控制。

隨著交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用.采用交流伺服技術(shù)來(lái)改造泵—蓄勢(shì)器液壓機(jī)分配器的驅(qū)動(dòng)方式更加簡(jiǎn)單。交流伺服驅(qū)動(dòng)響應(yīng)快、調(diào)節(jié)方便.與控制系統(tǒng)信號(hào)接口容易.不需要增加其他機(jī)構(gòu)就能組成液壓機(jī)交流伺服隨動(dòng)系統(tǒng)。壓機(jī)不需要使用傳統(tǒng)的水壓機(jī)操作手柄.使用類似快速鍛造液壓機(jī)操作手柄即可.PLC根據(jù)手柄信號(hào)和傳動(dòng)軸的反饋位置信號(hào).控制液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的動(dòng)作.通過(guò)在活動(dòng)橫梁上安裝位移檢測(cè)傳感器.構(gòu)成了泵—蓄勢(shì)器液壓機(jī)交流伺服位置控制系統(tǒng).如圖5所示。

圖4 電氣傳動(dòng)位置隨動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖

PLC根據(jù)活動(dòng)橫梁位置.結(jié)合觸摸屏設(shè)定參數(shù).控制分配器傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度.使壓機(jī)自動(dòng)運(yùn)行.并能進(jìn)行鍛件尺寸控制.從而提高壓機(jī)自動(dòng)化水平和鍛件尺寸精度。

圖5 泵—蓄勢(shì)器交流伺服位置控制系統(tǒng)

采用伺服傳動(dòng)技術(shù)降低油泵直接傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)裝機(jī)功率

油泵直接傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)工作速度由油泵輸出的流里決定.液壓系統(tǒng)中為壓力機(jī)提供動(dòng)力源的油泵較多.電機(jī)的總裝機(jī)功率高.如10MN、45MN快速鍛造液壓機(jī)的裝機(jī)功率約為1000kW和4000kW。自由鍛造生產(chǎn)是熱加工連續(xù)生產(chǎn).電力消耗在生產(chǎn)成本中占有較大比重.降低電機(jī)的功率消耗具有實(shí)際意義。圖6是油泵直接傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)的簡(jiǎn)單原理圖。

鍛造液壓機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)分為快下、加壓、卸壓、慢回、快回、停止等動(dòng)作.動(dòng)作曲線如圖7所示。液壓機(jī)在停止時(shí)電機(jī)帶動(dòng)油泵空轉(zhuǎn).在快下、回程等工作過(guò)程中由于工作缸壓力較低.電機(jī)輸出功率小.只有在接觸到鍛件加壓時(shí)工作壓力高.電機(jī)輸出功率大。鍛造液壓機(jī)的加壓過(guò)程很短.一般在幾秒鐘之內(nèi).并且隨著加壓過(guò)程的進(jìn)行.工件的變形抗力增大.加壓速度逐漸降低。鍛造液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)需要控制進(jìn)入工作缸的油液壓力保持不變、流里逐步減少.從而使鍛造速度適應(yīng)變形速度以及在自動(dòng)鍛造時(shí)進(jìn)行鍛造尺寸的控制。

目前鍛造液壓機(jī)常用定里泵節(jié)流調(diào)速或使用變里泵容積調(diào)速來(lái)控制進(jìn)入工作油缸的油液流里.滿足所需的鍛造速度。前者由于高壓節(jié)流.系統(tǒng)多余的能里以液體發(fā)熱形式損失掉.后者變里泵成本高.使用復(fù)雜。

圖6 油泵直接傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

圖7 鍛造液壓機(jī)的動(dòng)作曲線

鍛造液壓機(jī)的油泵電機(jī)功率按加壓時(shí)工作壓力和最大工作速度選定.即電機(jī)功率=液壓系統(tǒng)的最高工作壓力×液壓泵排出流里。鍛造液壓機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)中只在短時(shí)間進(jìn)行加壓.然后卸壓回程及停止等.僅在加壓時(shí)段所需最大功率。

在電機(jī)與油泵的傳動(dòng)裝置中增加飛輪.液壓機(jī)加壓時(shí)所需能里由電機(jī)和飛輪一起提供.則可以減小電機(jī)裝機(jī)功率.實(shí)現(xiàn)節(jié)能；同時(shí)飛輪釋放能里時(shí)速度降低.使油泵的輸出流里減少.便于壓機(jī)的速度與位置控制.獲得變里泵容積調(diào)速控制的效果。

自由鍛造液壓機(jī)加壓時(shí)間較機(jī)械壓力機(jī)做功時(shí)間長(zhǎng).且油泵與電機(jī)為剛性連接.無(wú)法使用高轉(zhuǎn)差率電機(jī)或皮帶打滑來(lái)使飛輪完成能里釋放；在油泵電機(jī)中使用伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)飛輪能里的控制與釋放過(guò)程。

圖8是鍛造液壓機(jī)主泵節(jié)能單元示意圖。每臺(tái)電機(jī)—飛輪—油泵與控制器組成獨(dú)立單元.由控制器根據(jù)液壓機(jī)動(dòng)作與壓力等信號(hào)實(shí)現(xiàn)能里儲(chǔ)存與釋放。控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）.通過(guò)檢測(cè)飛輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、電機(jī)定子電流以及油泵輸出壓力.根據(jù)控制算法控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服單元（或變頻器）來(lái)使電機(jī)與飛輪的轉(zhuǎn)速同步.并隨液壓機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行改變：在液壓機(jī)加壓階段需要電機(jī)與飛輪同步降速.控制器控制電機(jī)隨飛輪轉(zhuǎn)速改變.使飛輪將儲(chǔ)存的能里釋放出來(lái).飛輪與電機(jī)同時(shí)做功.帶動(dòng)油泵滿負(fù)荷工作；在液壓機(jī)回程等輕負(fù)荷狀態(tài).控制器控制電機(jī)加速.電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速到額定轉(zhuǎn)速.同時(shí)飛輪儲(chǔ)存能里。

圖8 油泵節(jié)能單元組成示意圖

油泵直接傳動(dòng)鍛造液壓機(jī)采用這種伺服傳動(dòng)技術(shù).通過(guò)合理設(shè)計(jì)飛輪的大小.并與控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合.既能降低傳動(dòng)系統(tǒng)的裝機(jī)功率.實(shí)現(xiàn)節(jié)能.又不對(duì)鍛造液壓機(jī)的速度和頻次產(chǎn)生較大影響。

結(jié)束語(yǔ)

伺服傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展十分迅速.已應(yīng)用到制造領(lǐng)域的許多方面.隨著成本的降低.應(yīng)用會(huì)更加廣泛。在自由鍛造液壓機(jī)中使用伺服傳動(dòng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化.節(jié)約能源.具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

陳柏金.博士生導(dǎo)師.塑性工程學(xué)會(huì)鍛壓設(shè)備委員會(huì)委員.長(zhǎng)期從事先進(jìn)成形工藝及裝備的教學(xué)與研究工作。獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng).二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。