內高壓成形機軸向進給系統(tǒng)設計與仿真

胡曉銳，麥云飛

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

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內高壓成形機軸向進給系統(tǒng)設計與仿真

胡曉銳，麥云飛

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

在管材內高壓成形設備中，管材的軸向進給力和內成形壓力的匹配關系是影響產品成形質量的關鍵的因素之一。針對力控伺服系統(tǒng)易受參數(shù)變化產生不確定性的問題，采用電液位置伺服系統(tǒng)來控制軸向進給量；根據(jù)成形機的實際應用要求設計軸向進給系統(tǒng)，利用Matlab對進給系統(tǒng)進行仿真。結果表明,系統(tǒng)穩(wěn)定性良好且有一定的抗干擾能力；時域響應快，調整時間ts≈0.22 s，沒有超調量，能夠滿足工程應用。

內高壓成形；軸向進給；位置伺服；Matlab仿真

結構輕量化、減少原材料消耗是制造行業(yè)的大趨勢。內高壓成形技術正是在這種背景下出現(xiàn)的一種先進制造技術，其是以管材為毛坯，在內高壓和軸向進給補料匹配的情況下聯(lián)合作用，使管材達到預期的形狀和性能要求[1]。內高壓成形件具有質量輕，強度與剛度好，零件和模具數(shù)量少和成本低等優(yōu)點，在先進制造領域尤其是汽車行業(yè)應用越來越廣泛[2]。

在管狀件、異型件、空心軸類零件的制造中內高壓成形技術應用廣泛，在管材成形過程中產品會出現(xiàn)屈服、起皺、破裂等各種缺陷，而脹形壓力的調節(jié)和軸向進給力的匹配關系是影響產品質量的關鍵因素[3-4]。

1 軸向進給系統(tǒng)的工作原理

在軸向進給系統(tǒng)中，如對軸向力直接控制，設計力控伺服系統(tǒng)，設計成本高且力控系統(tǒng)容易受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，具有不確定性[5]。在實際工程應用中，軸向進給力通常反映到控制系統(tǒng)上就是軸向進給量，軸向進給力和脹形壓力的匹配關系也就是軸向進給位移和脹形壓力的匹配關系。

由于電液位置伺服系統(tǒng)具有高響應、高精度、高可靠性等優(yōu)點[6]，且成本低于力控系統(tǒng)，因此采用電液位置伺服系統(tǒng)來控制內高壓成形機的軸向進給量。以寧波某液壓廠的管材內高壓成形設備為研究載體，圖1為電液位置伺服軸向進給系統(tǒng)原理。

圖1 單側進給系統(tǒng)控制原理圖

在整個單側軸向進給系統(tǒng)中，變量泵是整個系統(tǒng)的動力原件，提供控制壓力；液壓油經過過濾器后由四通伺服滑閥控制執(zhí)行元件閥控非對稱液壓缸；液壓缸處的位移傳感器實時檢測活塞桿的位移，檢測信號經過變送器變成電壓信號，送入比較器和給定信號進行比較，結果由控制伺服閥進行閉環(huán)伺服控制；變量泵并聯(lián)溢流閥防止系統(tǒng)壓力過大損壞液壓元器件，起保護作用。

2 軸向進給系統(tǒng)的設計與建模

2.1 控制系統(tǒng)的設計要求

根據(jù)側缸位置伺服進給系統(tǒng)的控制要求，側液壓缸最大的推力1 000 kN，液壓控制系統(tǒng)最大工作壓力25 MPa，液壓缸最大位移為200 mm，液壓缸外伸最大速度10 mm/s，內縮速度50 mm/s，液壓缸到達指定位置保持不動，要能承受外干擾力。

2.2 閥控非對稱液壓缸的建模

由于動力元件是閥控非對稱液壓缸，它在換向的時候容易產生液壓力突跳、系統(tǒng)振動，因此在無桿腔和有桿腔要分別進行建模和仿真。閥芯位移xv>0即活塞桿外伸時，查閱相關文獻[7～9]可知，簡化后的閥控非對稱缸的輸出位移Y(s)關于給定輸入閥芯位移Xv的傳遞函數(shù)為

(1)

液壓缸活塞桿輸出位移Y(s)關于外干擾力FL的傳遞函數(shù)為

(2)

將設計參數(shù)代入閥控缸的傳遞函數(shù)

(3)

(4)

同理閥芯位移xv即活塞桿內縮時其推導過程類似，代入相應的設計參數(shù)，其傳遞函數(shù)有

(5)

(6)

2.3 伺服控制閥及位移傳感器的建模

查閱相關文獻[10～12]，在大多數(shù)電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的動態(tài)響應往往高于動力元件的動態(tài)響應，伺服閥可看成比例環(huán)節(jié)。

查閱相關文獻[13～14]可知：液壓控制閥的閥芯處于中間位置時的泄露量最大，工作性能最差，因此控制系統(tǒng)的工作點選在零位工作點。選用的伺服閥工作在25 MPa時，空載流量為100 L/min，額定電流300 mA，故伺服閥流量增益

伺服放大器中的伺服閥驅動電路是高輸出阻抗的電壓—電流轉換器，頻帶比液壓固有頻率高得多，可將其簡化為比例環(huán)節(jié)[15]。在系統(tǒng)應用范圍內，位移傳感器可以簡化為比例環(huán)節(jié)。位移傳感器和伺服放大器的整體增益Ki=188.6 A/m。

3 控制系統(tǒng)的仿真和分析

3.1 控制系統(tǒng)在頻域的仿真和分析

利用Simulink模塊對電液位置伺服控制系統(tǒng)進行建模仿真，根據(jù)xv的正負來確定活塞桿外伸還是內縮。軸向進給系統(tǒng)開環(huán)伯德圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

由系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖可以看出，電液位置伺服控制系統(tǒng)的幅值裕度為13.4 dB，相位裕度為81.8°，開環(huán)幅值穿越頻率23.7 rad/s，具有較寬的頻帶和較快的動態(tài)響應速度，符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

3.2 控制系統(tǒng)在時域的仿真和分析

閥控非對稱液壓缸的不對稱性決定了控制系統(tǒng)換向過程會出現(xiàn)液壓力的波動，因此在沒有外力的干擾情況下，在時域中對控制系統(tǒng)閥控缸的外伸和內縮兩種狀態(tài)單獨進行仿真分析。

圖3 單位階躍響應

由單位階躍響應圖中可以看出，在系統(tǒng)響應過程中，液壓缸外伸和內縮的曲線不重合，表明控制系統(tǒng)的不對稱性；控制系統(tǒng)的動態(tài)響應過程不平穩(wěn)，上升過程會產生一些抖動；控制系統(tǒng)的調整時ts≈0.42 s，且沒有超調，系統(tǒng)的沒有穩(wěn)態(tài)誤差。

實際應用中，進給系統(tǒng)達到給定位移過程是不斷來回進行調整的，活塞桿有外伸也有內縮。

圖4 單位階躍響應圖

由圖4單位階躍響應曲線圖可以看出，控制系統(tǒng)的曲線比圖3光滑，意味著動態(tài)響應更加平穩(wěn)；系統(tǒng)調整時間ts≈0.22 s，響應更快且系統(tǒng)沒有出現(xiàn)超調；階躍響應沒有穩(wěn)態(tài)誤差，表明系統(tǒng)具有較好的動、靜態(tài)特性。

在工程應用中，各種外干擾是無處不在的，比如一些沖擊力的干擾?，F(xiàn)假設系統(tǒng)的干擾為量FL=1.5 kN常量，外干擾下系統(tǒng)的單位階躍響應曲線如圖5所示。

圖5 干擾下的單位階躍響應

由圖5可知，在干擾力持續(xù)作用的情況下，系統(tǒng)響應過程依舊平穩(wěn)，干擾力的影響直到2 s后才開始顯現(xiàn)，到4 s后干擾量約為2%；實際應用中，干擾量更多的是一種短作用的沖擊量，可見系統(tǒng)有一定的抗干擾能力。

4 結束語

根據(jù)控制系統(tǒng)在頻域和時域的仿真結果可以看出，所設計的電液位置伺服控制系統(tǒng)能夠克服液壓缸不對稱的影響。系統(tǒng)響應過程平穩(wěn)，響應速度快，沒有超調，沒有穩(wěn)態(tài)誤差，具有較好的靜、動態(tài)性能，并且具有較強的抗干擾能力；進給系統(tǒng)符合所需的設計要求，能夠滿足實際生產的需求。

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[3] 石朋飛,張海丹.內高壓成形研究與應用[J].模具制造,2016(2):10-11.

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[5] 姜培剛,蓋玉仙.機電一體化設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[6] 吳振順.液壓控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社,2008.

[7] 劉麗貞.內高壓成形機兩側缸位置同步控制實驗研究[D].秦皇島:燕山大學,2015.

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Design and Simulation of an Axial Feeding System in Tube Hydro-forming

HU Xiaorui, MAI Yunfei

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

In tube hydro-forming equipment, the matching relation of axial feeding force and inner pressure is one of the most key factors that affect the product forming quality, and the force control servo system is vulnerable to the uncertainty by parameters varied. A elector-hydraulic position servo system is designed based on the practical application to control the axial feed. Matlab simulation of the control system shows that the system has good stability and anti-disturbance ability, with an adjusting timets≈0.22sand no overshoot in time domain, which can meet the demands in engineering applications.

high pressure forming; axial feed; position servo; Matlab simulation

2016- 08- 14

胡曉銳(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：機械自動化及其控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.031

TP202

A

1007-7820(2017)06-112-03