鍛造操作機(jī)鉗桿跟隨控制研究

馮東曉 張營(yíng)杰 楊紅娟 蘇振華

1、中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 2、金屬擠壓與鍛造裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

鍛造操作機(jī)鉗桿跟隨控制研究

馮東曉1,2張營(yíng)杰1,2楊紅娟1,2蘇振華1,2

1、中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 2、金屬擠壓與鍛造裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

鍛造操作機(jī)是鍛造油壓機(jī)的主要配套設(shè)備。在鍛造過(guò)程中，鍛造操作機(jī)鉗桿跟隨控制合理與否，將直接影響到鍛件的最終質(zhì)量及鍛造效率。本文討論了鍛造操作機(jī)鉗桿跟隨控制方式，針對(duì)不同規(guī)格鍛造操作機(jī)及不同的鍛壓工藝提出了相應(yīng)的解決方案，并提出了相應(yīng)的控制框圖。

鍛造操作機(jī)；鉗桿跟隨控制；控制框圖

鍛造操作機(jī)是鍛造油壓機(jī)的主要配套設(shè)備，主要用于配合壓機(jī)完成各種鍛造工藝。在鍛造過(guò)程中，為了提高鍛件質(zhì)量及鍛造效率，對(duì)鍛造操作機(jī)鉗桿控制系統(tǒng)有以下要求：（1）在壓機(jī)加壓過(guò)程中，鉗桿跟隨下降；（2）在壓機(jī)回程過(guò)程中，鉗桿跟隨上升。本文介紹了三種鍛造操作機(jī)鉗桿跟隨控制方式，提出了各個(gè)控制方式的控制框架圖。在此基礎(chǔ)上，提出了各個(gè)控制方式適合的鍛造操作機(jī)規(guī)格及鍛造工藝。

1 鍛造操作機(jī)鉗桿跟隨控制介紹

鍛造操作機(jī)在鍛造過(guò)程中的鉗桿跟隨控制主要有三種方式：主動(dòng)跟隨、被動(dòng)跟隨及主動(dòng)跟隨與被動(dòng)跟隨組合控制方式。

1.1 主動(dòng)跟隨控制

主動(dòng)跟隨控制原理如圖1所示。在鍛造過(guò)程中，主動(dòng)跟隨的控制過(guò)程如下：（1）壓機(jī)加壓時(shí)，鍛造操作機(jī)通過(guò)打開比例方向閥1及隔離閥2主動(dòng)下降。鉗桿下降速度由比例方向閥開口度控制，該過(guò)程要求操作機(jī)跟隨下降速度為壓機(jī)加壓速度的一半。（2）壓機(jī)回程時(shí)，操作機(jī)通過(guò)打開比例方向閥1及隔離閥2跟隨壓機(jī)主動(dòng)上升，該過(guò)程要求操作機(jī)上升速度小于等于壓機(jī)回程速度，上升高度高于上次加壓時(shí)加壓高度的一半。

1.2 被動(dòng)跟隨控制

被動(dòng)跟隨控制原理如圖2所示。在鍛造過(guò)程中，被動(dòng)跟隨的控制過(guò)程如下：（1）壓機(jī)加壓時(shí)，操作機(jī)跟隨壓機(jī)被動(dòng)下降。鉗桿平升降油缸油液排入蓄能器3；（2）壓機(jī)回程時(shí)，鉗桿通過(guò)蓄能器跟隨上升。

圖1 主動(dòng)跟隨控制原理圖

圖2 被動(dòng)跟隨控制原理圖

圖3 主動(dòng)被動(dòng)跟隨組合控制原理圖

1.3 主動(dòng)被動(dòng)跟隨組合控制

主動(dòng)被動(dòng)跟隨結(jié)合控制原理如圖3所示。在鍛造過(guò)程中，主動(dòng)被動(dòng)跟隨組合控制過(guò)程如下：（1）對(duì)于小壓下量的精整工藝：蓄能器隔離閥4打開，壓機(jī)加壓時(shí)，鉗桿平升降缸排油到蓄能器3。壓機(jī)回程時(shí)，通過(guò)蓄能器實(shí)現(xiàn)鉗桿跟隨上升；（2）對(duì)于大壓下量的其他鍛造工藝：壓機(jī)加壓時(shí)，安全平衡閥5電磁鐵得電，鉗桿平升降缸通過(guò)平衡閥排油。壓機(jī)回程時(shí)，操作機(jī)通過(guò)打開比例方向閥1及隔離閥2跟隨壓機(jī)主動(dòng)上升，該過(guò)程要求操作機(jī)鉗桿上升速度小于等于壓機(jī)回程速度，上升高度高于上次加壓時(shí)加壓高度的一半。

1.4 三種跟隨控制方式比較

三種跟隨控制方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）被動(dòng)跟隨控制過(guò)程簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但在壓機(jī)加壓過(guò)程中操作機(jī)鉗桿要被動(dòng)受力；（2）主動(dòng)跟隨控制操作機(jī)鉗桿不被動(dòng)受力，其缺點(diǎn)在于控制過(guò)程復(fù)雜，操作機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度要與壓機(jī)速度匹配。且主動(dòng)跟隨控制在壓機(jī)加壓過(guò)程中，操作機(jī)鉗桿平升降缸要主動(dòng)泄壓排油，在壓機(jī)回程過(guò)程中，操作機(jī)跟隨上升啟動(dòng)反應(yīng)慢；（3）主動(dòng)被動(dòng)結(jié)合的控制方式綜合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，保證了整個(gè)鍛造過(guò)程高效且操作機(jī)鉗桿受力合理。

2 控制框圖

操作機(jī)跟隨控制，主要通過(guò)采集壓機(jī)位移傳感器的信息、壓機(jī)供液泵開啟數(shù)量及鍛造工藝信息，將相應(yīng)的信息反饋給操作機(jī)。根據(jù)信息反饋選擇相應(yīng)的控制方式、操作機(jī)的速度及相應(yīng)行程高度。由于被動(dòng)跟隨控制方式簡(jiǎn)單，不需要程序做任何判斷，本文不再介紹被動(dòng)跟隨控制。

2.1 主動(dòng)跟隨控制

主動(dòng)跟隨控制框圖如圖4所示。為防止未夾持鍛件或夾持鍛件未放在砧子上時(shí)，操作機(jī)誤動(dòng)作，在壓機(jī)加壓時(shí)操作機(jī)主動(dòng)跟隨需要滿足三個(gè)條件：（1）主缸壓力≥1.5MPa；（2）壓機(jī)上下砧距離≥100mm；（3）壓機(jī)不在鐓粗工況。壓機(jī)主缸壓力通過(guò)主缸壓力傳感器檢測(cè)，壓機(jī)上下砧開口距離通過(guò)主機(jī)位移傳感器檢測(cè)，壓機(jī)是否在鐓粗工況通過(guò)工作臺(tái)面上的旋鈕檢測(cè)。在跟隨過(guò)程中，要求操作機(jī)下降速度為主機(jī)加壓速度的一半，主機(jī)加壓速度由上壓主泵數(shù)量來(lái)確定。上壓主泵數(shù)量通過(guò)電機(jī)是否帶電及泵頭閥是否帶電來(lái)檢測(cè)，需共同滿足兩個(gè)條件才表明主泵上壓。

如圖4所示，主動(dòng)跟隨的觸發(fā)條件可分為壓機(jī)手動(dòng)加壓和自動(dòng)加壓兩種情況，在壓機(jī)手動(dòng)加壓時(shí)，操作機(jī)僅主動(dòng)跟隨下降，回程過(guò)程手動(dòng)控制。在壓機(jī)自動(dòng)加壓時(shí)，操作機(jī)主動(dòng)跟隨下降。在壓機(jī)回程時(shí)，操作機(jī)主動(dòng)跟隨回程，回程高度要大于上次加壓高度的一半。上次加壓高度通過(guò)程序調(diào)用上次設(shè)定數(shù)值。

圖4 主動(dòng)跟隨控制框圖

2.2 主動(dòng)被動(dòng)跟隨組合控制

主動(dòng)被動(dòng)跟隨控制組合控制方式，首先要根據(jù)壓機(jī)的鍛造工藝設(shè)置選擇被動(dòng)跟隨控制及主動(dòng)跟隨控制。對(duì)于主動(dòng)跟隨控制，其控制方式與2.1所述控制方式相同。對(duì)于被動(dòng)跟隨控制，僅需打開蓄能器隔離閥即可。

3 應(yīng)用情況

中國(guó)重型機(jī)械研究院成套供貨了50余臺(tái)10～3000kN的大型鍛造操作機(jī)。其中200kN以下操作機(jī)平升降系統(tǒng)采用蓄能器被動(dòng)跟隨控制方式，該種控制方式在鍛造過(guò)程中反應(yīng)靈敏，鍛造頻次高，配合壓機(jī)實(shí)現(xiàn)快速鍛造。200～1000kN鍛造操作機(jī)平升降系統(tǒng)采用主動(dòng)跟隨與被動(dòng)跟隨相結(jié)合的方式，該種控制方式既能滿足小壓下量時(shí)快速鍛造的要求，同時(shí)在大壓下量時(shí)可以通過(guò)主動(dòng)跟隨來(lái)保證鉗桿機(jī)構(gòu)不被動(dòng)受力。1000kN以上鍛造操作機(jī)通常配合80MN以上大型鍛造壓機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍛造。大型鍛造壓機(jī)在快速性與平穩(wěn)性兩項(xiàng)中更傾向于鍛造過(guò)程的平穩(wěn)性，要求鍛造操作機(jī)隨動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，對(duì)快速性沒有要求，采用主動(dòng)跟隨控制。

從多年現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，以上平升降隨動(dòng)系統(tǒng)使用效果良好，故障率低，滿足用戶不同鍛造工藝的要求。

4 結(jié)論與展望

本文討論了鍛造過(guò)程中，操作機(jī)鉗桿的跟隨控制方式。根據(jù)鍛造操作機(jī)的規(guī)格以及不同的鍛造工藝，提出了相應(yīng)的跟隨控制解決方案：（1）對(duì)于大型鍛造操作機(jī)，采用主動(dòng)跟隨的控制方式；（2）對(duì)于小型鍛造操作機(jī)，采用蓄能器被動(dòng)跟隨控制；（3）對(duì)于中型操作機(jī)在鍛件精整工藝時(shí)采用蓄能器被動(dòng)跟隨控制，在其他大壓下量鍛造工藝時(shí)主動(dòng)跟隨控制。在本文跟隨控制的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步加入操作機(jī)的旋轉(zhuǎn)、行走動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操作機(jī)與壓機(jī)的聯(lián)動(dòng)。

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課題號(hào)：2010ZX04013021。

課題名稱：國(guó)家重大專項(xiàng)“3000KN/7500KNm大型鍛造操作機(jī)。