55MN雙動(dòng)正向鋁擠壓機(jī)中固定穿孔針擠壓控制

張冬梅

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

0 引言

雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)作為一種重型機(jī)械設(shè)備，一般用來擠壓無縫管。單動(dòng)擠壓機(jī)擠壓時(shí)是擠壓桿前進(jìn)，通過擠壓桿把鋁棒壓向模具，從而成形。雙動(dòng)擠壓機(jī)則是在針隨擠壓桿前進(jìn)到達(dá)工進(jìn)位置時(shí)，桿內(nèi)的穿孔針不繼續(xù)前進(jìn)而是在鋁棒中間打成空洞，穿孔針到達(dá)模具位置，模具和針會(huì)合成一個(gè)管型模具，再通過擠壓桿擠壓把鋁棒從模具和穿孔針的縫里擠出，從而制成無縫型材。用單動(dòng)擠壓機(jī)擠出的圓管是有縫的。而雙動(dòng)擠壓成形時(shí)的纖維組織沒有被破壞，管的強(qiáng)度明顯提高。

合格的無縫管材要求管壁厚度精度高，內(nèi)壁表面質(zhì)量好，因此生產(chǎn)無縫管材對設(shè)備定針系統(tǒng)要求極高[1]，即對設(shè)備固定穿孔針的控制精度要求極高，所以擠壓機(jī)的定針控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快、精度高及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

本文主要介紹一種基于液壓定針方式的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，把穿孔針尖固定在擠壓模具前端，并從控制角度，結(jié)合工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)液壓定針的自動(dòng)控制系統(tǒng)。55MN雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)穿孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用先進(jìn)的中心機(jī)械定針系統(tǒng)，允許穿孔針和擠壓桿之間無應(yīng)力地相對移動(dòng)。穿孔針定位采用液壓方式。此結(jié)構(gòu)適用于管材擠壓的隨針工藝和定針工藝，可方便調(diào)整穿孔針的精度。

圖1 穿孔系統(tǒng)

1 雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)工藝流程

自動(dòng)啟動(dòng)開始后，供錠器將加熱好的鋁錠送到擠壓桿與擠壓筒中間，擠壓桿前進(jìn)，供錠器返回，開始鐓粗時(shí)穿孔針從空心擠壓墊中穿過到達(dá)定針帶，擠壓筒始終在鎖緊位置，擠壓桿將空心錠鐓粗定位，同時(shí)穿孔缸前后腔同時(shí)加壓，開始液壓定針，擠壓循環(huán)開始。如圖2所示為壓機(jī)工作流程簡圖。

2 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)和可編程序控制器(PLC)兩級(jí)控制構(gòu)成。PLC對鋁擠壓機(jī)及其輔助設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行邏輯控制，IPC實(shí)現(xiàn)鋁擠壓機(jī)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、人機(jī)對話操作和故障檢測顯示。通過計(jì)算機(jī)和PLC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對擠壓機(jī)工作過程的在線智能管理和控制。

系統(tǒng)PLC采用德國西門子SIMATIC S7-400系列產(chǎn)品，軟件為STEP7模塊化編程。網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主站、六個(gè)分布式從站和PROFIBUS DP網(wǎng)線構(gòu)成，如圖3所示。

圖2 壓機(jī)工作流程簡圖

圖3 PLC網(wǎng)絡(luò)圖

2.1 主站

主站以S7-400系列產(chǎn)品為核心，包括電源模板、中央處理單元和基板。CPU為S7-412-2DP，程序存儲(chǔ)容量大，運(yùn)算速度高，適用于大量編程和高速指令處理的大系統(tǒng)。

2.2 分布式從站

分布式從站按照就近原則同電氣元件及電磁閥、按鈕、接近開關(guān)、壓力繼電器、壓力傳感器、溫度傳感器、編碼器、比例閥控制閥連接，過程信號(hào)就近即被轉(zhuǎn)換或處理，降低了布線纜線的成本，減少了查線維護(hù)的工作量。主站和從站經(jīng)過總線系統(tǒng)的通訊，通過可編程控制器的程序存取。滿足擠壓機(jī)的位置、壓力、速度以及各主、輔助機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠控制和安全聯(lián)鎖。

3 控制程序設(shè)計(jì)

雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)中液壓定針控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是響應(yīng)速度快和定針精度高，為了滿足要求，必須采取相應(yīng)的控制策略。

擠壓時(shí)流動(dòng)的金屬與模具之間存在著接觸摩擦力，其中擠壓筒上的摩擦力對金屬流動(dòng)的影響尤其大。當(dāng)擠壓筒內(nèi)壁上的摩擦力很小時(shí)，變形區(qū)范圍小且集中在?？赘浇?，金屬流動(dòng)比較均勻。而當(dāng)摩擦力很大時(shí)，變形區(qū)壓縮錐和死區(qū)的高度增大，金屬流動(dòng)則很不均勻，產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，這是造成金屬制品扭擰、彎曲等缺陷的主要原因。鋁合金型材高溫?cái)D壓時(shí)，由于工件與模具具有十分強(qiáng)烈的粘結(jié)作用，會(huì)產(chǎn)生很大的接觸摩擦力，此應(yīng)力近似相當(dāng)于金屬的剪切屈服強(qiáng)度，使工件的表面層和中心層之間剪切變形量產(chǎn)生很大的差異，從而加劇了金屬流動(dòng)的不均勻性，所以鋁合金擠壓要調(diào)整金屬的流速，以便得到較為均勻的流速[2-3]。

液壓定針時(shí)，穿孔針從空心擠壓墊中穿墊，到達(dá)定針帶，擠壓桿開始擠壓，穿孔缸前后腔同時(shí)加壓，保持定針狀態(tài)。穿孔針相對于擠壓桿按相同的速度反方向移動(dòng)，而絕對位置則在擠壓模具前端固定保持不變[4]。

3.1 編程要求

由工藝要求和控制特性知：

（1）液壓定針時(shí)，穿孔針相對于擠壓桿按相同的速度反方向移動(dòng)，而絕對位置保持不變。在實(shí)際的擠壓過程中，由于擠壓筒溫度、鑄錠溫度及材質(zhì)和變形率的不同，導(dǎo)致擠壓時(shí)流動(dòng)金屬與針之間的摩擦力是會(huì)變化的，這種變化會(huì)影響穿孔針相對于擠壓桿的返回速度，從而使針在模具中的絕對位置發(fā)生變化，這樣就需要對液壓定針進(jìn)行位置控制，以保證±1mm的控制精度。當(dāng)針尖實(shí)際位置距離給定位置2mm以內(nèi)，則啟動(dòng)定針位置控制器。

（2）壓力控制。穿孔針到達(dá)定針帶，穿孔缸前后腔開始同時(shí)加壓，以保持定針的狀態(tài)。當(dāng)壓力傳感器檢測到穿孔缸前后腔壓力差大于設(shè)定值時(shí)，開始按0.2mm/s的速度降低擠壓速度，從而降低金屬的流速造成的摩擦力對液壓定針力的影響，有效控制定針位置。

3.2 程序設(shè)計(jì)

采用拉線式絕對值光電編碼器，分別對擠壓桿和穿孔針的位置進(jìn)行檢測，檢測到的SSI位置信號(hào)通過西門子的SM338模塊采集到CPU。

計(jì)算穿孔針針尖在模具中的實(shí)際位置：

針尖在模具中的實(shí)際位置=擠壓桿位置-穿孔針位置

針尖在模具中的定針給定位置通過上位機(jī)設(shè)定，是正數(shù)。當(dāng)針尖實(shí)際位置距離給定位置2mm以內(nèi)，則啟動(dòng)定針位置控制器FC36。定針位置控制器中調(diào)用PI控制器，如圖4所示，再減去穿孔缸前腔的實(shí)際壓力值，得到定針比例換向閥的最終給定值。

圖4 STEP7控制程序

4 結(jié)論

該液壓定針控制系統(tǒng)已在55MN雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)中得以應(yīng)用。在上位機(jī)上設(shè)置定針給定位置，現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明，定針給定位置與定針實(shí)際位置誤差在0.1mm。該液壓定針控制系統(tǒng)響應(yīng)快，定針控制精度高，系統(tǒng)具有很高的可靠性，完全滿足工藝要求。從2013年初試車聯(lián)調(diào)運(yùn)行至今，生產(chǎn)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精確，滿足工藝要求。該項(xiàng)控制技術(shù)充分發(fā)揮了液電合一功能，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，更快速，可以應(yīng)用于不同規(guī)格雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)中液壓定針系統(tǒng)的控制研究。

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