研配液壓機(jī)精密行程控制研究

沈兆奎，胡曉祥，邢玉龍

(天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

研配液壓機(jī)精密行程控制研究

沈兆奎，胡曉祥，邢玉龍

(天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

針對(duì)研配液壓機(jī)行程分辨率低、位置調(diào)節(jié)能力不足的缺點(diǎn)，結(jié)合已有的“驅(qū)動(dòng)單元”專(zhuān)利技術(shù)，提出了一種通過(guò)“驅(qū)動(dòng)單元”和PLC控制器對(duì)研配液壓機(jī)行程精密控制的新方案，并對(duì)其進(jìn)行分析。應(yīng)用該方案進(jìn)行步進(jìn)式位移實(shí)驗(yàn)，利用光柵傳感器進(jìn)行位移信號(hào)檢測(cè)。通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最終驗(yàn)證了該方案是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)研配液壓機(jī)行程的精確控制。

研配液壓機(jī)；行程控制；精度；驅(qū)動(dòng)單元；PLC控制器

0 前言

研配液壓機(jī)主要應(yīng)用在汽車(chē)、飛機(jī)、拖拉機(jī)、家電等行業(yè)中，用于模具制作后期和模具維修中的研配工藝過(guò)程[1-3]。由于模具質(zhì)量的好壞直接決定著企業(yè)制造出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，因此企業(yè)對(duì)于提高模具質(zhì)量的技術(shù)十分重視[4]。由于模具在使用一段時(shí)間后，其精度隨著磨損而下降。因此為了保證模具的精度，必須通過(guò)研配液壓機(jī)對(duì)模具重新進(jìn)行研配，以提高其精度[5]。目前，在傳統(tǒng)研配液壓機(jī)中，行程控制系統(tǒng)絕大部分采用開(kāi)關(guān)閥(節(jié)流閥、換向閥、溢流閥)控制液壓油流量。由于采用的是開(kāi)關(guān)量控制,同時(shí)主液壓缸油液流量大,導(dǎo)致不能精確控制研配液壓機(jī)上活動(dòng)橫梁的行程。由于活動(dòng)橫梁的行程精度直接影響著模具研配后的精度。因此，對(duì)于研配液壓機(jī)精密行程控制的研究，就具有十分重要的意義了。

1 精密行程控制方案

精密行程控制方案如圖1所示。本文結(jié)合液壓缸精密行程驅(qū)動(dòng)單元專(zhuān)利技術(shù)[6]，研制出了液壓缸精密行程驅(qū)動(dòng)單元樣機(jī)，驅(qū)動(dòng)單元樣機(jī)如圖2所示。當(dāng)主液壓缸快進(jìn)下行到接近目標(biāo)位置時(shí)，關(guān)閉主液壓缸油路，主液壓缸停止移動(dòng)。由光柵傳感器對(duì)當(dāng)前主液壓缸活塞位置檢測(cè)，并將檢測(cè)所獲取到的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)中設(shè)定的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到位移差值，利用“模糊指數(shù)”算得主液壓缸所需油液量的“當(dāng)量數(shù)值”。PLC控制器根據(jù)“當(dāng)量數(shù)值”發(fā)出脈沖信號(hào)，控制樣機(jī)上的步進(jìn)電機(jī)做定距離轉(zhuǎn)動(dòng)。再由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺母絲杠，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元樣機(jī)(圖2)上的副油缸工作容積的定量調(diào)節(jié)，并通過(guò)副油缸向主液壓缸壓入(抽出)油液，驅(qū)動(dòng)主液壓缸移動(dòng)。在主液壓缸完成移動(dòng)時(shí)，光柵傳感器再次檢測(cè)主液壓缸活塞停止位置并作進(jìn)一步的閉環(huán)調(diào)整,最終完成對(duì)主液壓缸行程的精密控制。

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

圖2 驅(qū)動(dòng)單元樣機(jī)Fig.2 Drive unit prototype aeroplane

2 液壓缸精密行程驅(qū)動(dòng)單元

2.1 驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)與工作原理

液壓缸精密驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在圖3中，驅(qū)動(dòng)單元上的油口2與主液壓缸油口相連接，當(dāng)主液壓缸內(nèi)的壓力穩(wěn)定后，PLC控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖指令[7]。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)6的轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速器5達(dá)到降低速度增加轉(zhuǎn)矩的目的，而與減速器5相連接的單級(jí)齒輪減速器4是由齒輪軸和絲杠螺母齒輪組成，進(jìn)一步降低速度增加轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，通過(guò)絲杠螺母齒輪的外齒輪部分與齒輪軸嚙合，把齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成絲杠3的直線運(yùn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)柱塞桿向左或向右平穩(wěn)移動(dòng)，完成向主液壓缸壓入油液或從主液壓缸抽出油液[8-9]。

1.柱塞式液壓缸 2.液壓油口3.梯形齒螺紋絲杠 4.單級(jí)齒輪減速器 5.減速器 6.步進(jìn)電機(jī)圖3 液壓缸精密驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure schematic of drive unit

2.2 驅(qū)動(dòng)單元控制的技術(shù)關(guān)鍵

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)壓入或吸出液壓油流量的精確控制，需要通過(guò)安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的光柵傳感器獲取控制點(diǎn)(目標(biāo)位置)、啟動(dòng)點(diǎn)(活塞位置)及原點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)；將啟動(dòng)點(diǎn)與控制點(diǎn)之間位置數(shù)據(jù)的差別換算為液壓油在主液壓缸內(nèi)體積的差別量；而驅(qū)動(dòng)單元利用“模糊指數(shù)”算得“當(dāng)量數(shù)值”并據(jù)此向主液壓缸壓入或從主液壓缸吸出主液壓缸內(nèi)體積的差別量[10]。

3 液壓缸精密行程驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)單元控制部分

3.1 驅(qū)動(dòng)單元控制部分硬件的選型

驅(qū)動(dòng)單元控制部分選擇的PLC型號(hào)為西門(mén)子S7-200系列CPU 224XP，驅(qū) 動(dòng) 器 為 SH-20806N-DA。電機(jī)型號(hào)為86BYG250BN二相混合步進(jìn)電機(jī)，步距角為0.9°/1.8°，編程軟件采用的是西門(mén)子 STEP 7-Micro /WIN，電源為HS-25-24V2A電機(jī)電源，SK2壓力傳感器。

3.2 步進(jìn)電機(jī)速度控制

根據(jù)步進(jìn)式位移實(shí)驗(yàn)要求，主液壓缸單次移動(dòng)的控制行程為0.05 mm。主液壓缸內(nèi)徑D=90 mm，柱塞桿直徑d=45 mm，輔助油缸柱塞直徑d1=20 mm，螺距p=4 mm，則主液壓缸移動(dòng)位移S=0.05 mm，所需要的油液體積V為

輔助油缸柱塞移動(dòng)位移s=200mm，抽取油液的體積v為

絲杠旋轉(zhuǎn)一周移動(dòng)一個(gè)螺距p=4mm，所以絲杠旋轉(zhuǎn)一周抽取的油液體積v1為

驅(qū)動(dòng)單元輔助油缸抽取油液體積V所需轉(zhuǎn)的圈數(shù)n為

由齒輪減速器的傳動(dòng)比為41:9得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)n1為

故步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖數(shù)N為

N=n1×5000=4330

為了提高控制精度，結(jié)合自適應(yīng)模糊的基本理論，實(shí)驗(yàn)?zāi)：评聿糠挚刂七壿嫗椋菏紫韧ㄟ^(guò)PLC控制器給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送2165個(gè)脈沖，則理論上主液壓缸下行的距離為0.025mm，利用光柵位移傳感器檢測(cè)到主液壓缸所走的實(shí)際的位移量為 ,則為了實(shí)現(xiàn)最終走0.05mm的位移，PLC控制器第二次給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送的脈沖數(shù)N2為

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖4為本次實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)。圖5為實(shí)驗(yàn)所用到的液壓試驗(yàn)臺(tái)，用于模擬液壓缸在研配液壓機(jī)中的工作狀態(tài)。如圖6所示，為步進(jìn)式位移實(shí)驗(yàn)液壓原理圖。該試驗(yàn)過(guò)程如下：給電磁換向閥4通電讓其處于左位工作，同時(shí)電磁換向閥3也處于左位工作，液壓泵輸出的油液進(jìn)入主液壓缸上腔，主液壓缸活塞快速下行(模擬研配液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的快進(jìn)動(dòng)作)。達(dá)到某點(diǎn)后，電磁換向閥3斷電，利用液控單向閥2的反向封閉功能使主液壓缸下腔油液不能排出、壓力升高。此時(shí)，電磁換向閥4依然處于左位工作，油泵繼續(xù)向主液壓缸上腔供油，供油壓力(模擬研配液壓機(jī)工作時(shí)壓機(jī)活動(dòng)橫梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的壓力)可通過(guò)溢流閥5調(diào)定。同時(shí)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助油缸向主液壓缸供油，使主液壓缸活塞步進(jìn)下行(模擬研配液壓機(jī)活動(dòng)橫梁的慢速接近動(dòng)作)?？刂破魍ㄟ^(guò)光柵位移傳感器檢測(cè)并獲取主液壓缸活塞下行位移數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的主液壓缸活塞每次下行位移量為0.05mm。

圖4 實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)Fig.4 Experimental bench

圖5 液壓試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Hydraulic experimental platform

試驗(yàn)測(cè)得位移曲線見(jiàn)圖7。在圖7中，實(shí)驗(yàn)曲線上每個(gè)水平線段部分為主液壓缸活塞停止?fàn)顟B(tài)的記錄，兩個(gè)水平線段部分間的曲線為主液壓缸活塞下行移動(dòng)的數(shù)據(jù)記錄。其中，步進(jìn)式位移實(shí)驗(yàn)的控制過(guò)程為：每按一次啟動(dòng)按鈕，控制器控制主液壓缸活塞移動(dòng)0.05 mm,但按動(dòng)啟動(dòng)按鈕的動(dòng)作是由人工完成的，其動(dòng)作間隔時(shí)間并未刻意設(shè)定，因此主液壓缸活塞停止?fàn)顟B(tài)的水平線段部分間隔時(shí)間差異較大。

圖7為17次連續(xù)下行記錄，通過(guò)對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大部分位移誤差都在5 μm以內(nèi)，但有三處誤差達(dá)到了10 μm。因此，實(shí)驗(yàn)表明采用液壓缸精密行程驅(qū)動(dòng)單元控制的主液壓缸作步進(jìn)移動(dòng)，其每步行程可達(dá)到0.05 mm，行程精度約為10 μm。

1.主液壓缸 2.液控單向閥 3.兩位四通電磁換向閥 4.三位四通電磁換向閥 5.溢流閥圖6 液壓實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.6 Principle diagram of the hydraulic pressure test

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.7 Data chart of the experiment

本實(shí)驗(yàn)采用液壓泵的供油壓力模擬研配液壓 機(jī)工作時(shí)壓機(jī)活動(dòng)橫梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的壓力，由于液壓泵的供油存在壓力波動(dòng)導(dǎo)致控制精度有所降低。壓機(jī)工作中壓機(jī)活動(dòng)橫梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的壓力為一穩(wěn)定數(shù)值，因此采用本控制方案有可能獲得更高的行程控制精度。

5 結(jié)論

本文行程精度控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)研配液壓機(jī)行程的精確控制。相比于采用比例閥及伺服閥控制的研配液壓機(jī)來(lái)說(shuō)，其控制精度高、成本較低、控制簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)且對(duì)環(huán)境要求不高。

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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，天津理工大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)橐簤簜鲃?dòng)與控制。

TP273

A

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