伺服油壓機(jī)高效生產(chǎn)線電液系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

駱桂林，嵇寬斌，喬禮惠，劉艷雄，徐志成

（1.江蘇國力鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

油壓機(jī)是一種重要的成形加工機(jī)床，它以抗磨液壓油作為工作介質(zhì)傳遞能量來實(shí)現(xiàn)各種加工工藝，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、航空航天、造船、核電等金屬及非金屬制造領(lǐng)域，在整個(gè)機(jī)床行業(yè)中所占份額逐年提升。與機(jī)械壓力機(jī)相比，油壓機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①滑塊行程在一定范圍內(nèi)任意可調(diào)；②在任意行程位置均可產(chǎn)生額定的最大壓力；③滑塊下限位可方便地根據(jù)工藝要求進(jìn)行調(diào)整控制；④滑塊可在下限位長時(shí)間保壓。然而，油壓機(jī)同時(shí)也存在工作行程速度較慢，每分鐘工作循環(huán)次數(shù)不易提高等缺點(diǎn)。特別是在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，很多客戶在選擇機(jī)床設(shè)備時(shí)為提高生產(chǎn)效率情愿增加投資成本采購機(jī)械壓力機(jī)或多工位壓力機(jī)也不愿意采購油壓機(jī)。

針對上述油壓機(jī)生產(chǎn)線存在的問題，本公司近年來通過與武漢理工大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作，對電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，開發(fā)了高效穩(wěn)定的伺服油壓機(jī)生產(chǎn)線技術(shù)，并成功應(yīng)用于湖北某專業(yè)生產(chǎn)壓縮機(jī)罩殼的企業(yè)。該公司以前自動(dòng)化生產(chǎn)線是采用四臺(tái)四柱式油壓機(jī)配合橫桿式機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，效率為5～6spm。近年來面對市場的競爭，該客戶尋求提高生產(chǎn)效率，擬把生產(chǎn)效率提升到8spm以上。根據(jù)此信息，有兩種方案可選：方案一采用多工位機(jī)械壓力機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)效率可達(dá)到10～12spm，但機(jī)床、自動(dòng)化成本在500萬人民幣左右；方案二采用四臺(tái)伺服泵控整體框架油壓機(jī)組成高效生產(chǎn)線，液壓系統(tǒng)采用經(jīng)武漢理工大學(xué)分析、研究、優(yōu)化后的插裝閥系統(tǒng)，經(jīng)模擬仿真測算生產(chǎn)效率可達(dá)到10spm，這也是開關(guān)量插裝閥系統(tǒng)油壓機(jī)高效生產(chǎn)的極限挑戰(zhàn)。當(dāng)時(shí)預(yù)算機(jī)床、自動(dòng)化成本在300萬人民幣左右，客戶經(jīng)綜合考慮后選用了公司提出的方案二。

本論文重點(diǎn)介紹了伺服控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及關(guān)鍵液壓元件的設(shè)計(jì)，對于高效、節(jié)能油壓機(jī)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2 生產(chǎn)線組成

此條生產(chǎn)線由4臺(tái)伺服泵控框架式油壓機(jī)、橫桿式自動(dòng)化線、圓盤式自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)以及模具組成。第一臺(tái)是200t油壓機(jī)進(jìn)行初拉伸工藝，拉伸深度125mm，后面緊跟一臺(tái)160t油壓機(jī)作為臺(tái)階拉伸及擴(kuò)口工藝，第三臺(tái)為250t油壓機(jī)進(jìn)行旋切加工，最后一臺(tái)160t油壓機(jī)進(jìn)行側(cè)沖、整形工藝，通過圓盤式自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)與橫桿式自動(dòng)化線配合實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)罩殼的自動(dòng)化生產(chǎn)，整條生產(chǎn)線的布局如圖1所示，總噸位為 770t。

2.1 伺服控制系統(tǒng)

此條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化線選用的是橫桿式機(jī)械臂，因此四臺(tái)油壓機(jī)的運(yùn)行速度、沖壓效率要基本同步，這就要求各臺(tái)油壓機(jī)的工作速度可調(diào)。伺服泵控技術(shù)具有高響應(yīng)、無極調(diào)速等特點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量發(fā)生變化時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速可跟隨流量指令的大小而實(shí)時(shí)快速改變，從而使得油泵的輸出流量發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線同步控制，不會(huì)出現(xiàn)等待現(xiàn)象。為滿足上述要求，通常做法是通過加大電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)更大排量的泵作為動(dòng)力源，但這在提高效率的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致用電量的劇增。

于是，我們通過理論計(jì)算與伺服電機(jī)兩倍過載能力檢測，最終確定了伺服電機(jī)扭矩以及驅(qū)動(dòng)的齒輪泵排量。在機(jī)床調(diào)試過程中，通過ESVIEW軟件實(shí)時(shí)讀取并分析伺服驅(qū)動(dòng)器上傳的數(shù)據(jù)，采樣圖形如圖2所示。通過對電流、轉(zhuǎn)矩、壓力檢測曲線不斷比對分析，找到了最佳的速度環(huán)、壓力環(huán)參數(shù)設(shè)置。同時(shí)充分運(yùn)用兩倍過載率特點(diǎn)，確保伺服泵在運(yùn)行中不過載的同時(shí)又降低電機(jī)功率，做到了最優(yōu)的節(jié)能配置。

2.2 液壓系統(tǒng)

本文中高效機(jī)床是在普通機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能提升。液壓系統(tǒng)也是采用開關(guān)量插裝閥系統(tǒng)，通過控制電磁閥的開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)油壓機(jī)滑塊的上下動(dòng)作。本項(xiàng)目首先根據(jù)沖壓頻次針對250t的油壓機(jī)設(shè)計(jì)了滑塊行程和滑塊速度運(yùn)行曲線，如圖3所示。

原有液壓系統(tǒng)快下與工進(jìn)轉(zhuǎn)換電磁閥采用的是三位四通電磁閥，通過仿真模擬后發(fā)現(xiàn)存在轉(zhuǎn)換中間位停頓沖擊現(xiàn)象，因此換用3個(gè)二位四通電磁閥。在上腔卸壓時(shí)增加了單獨(dú)卸壓閥塊，先通過卸壓閥進(jìn)行卸壓，待上腔壓力低于一定數(shù)值后打開充液閥，減小了卸壓沖擊。對新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用專業(yè)的液壓系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行了仿真分析。仿真得到的滑塊位移-速度變化曲線，主缸無桿腔-有桿腔壓力及負(fù)載力變化曲線，電機(jī)轉(zhuǎn)速及雙泵輸出流量與壓力曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

從仿真結(jié)果看出滑塊快速下降階段總時(shí)間為0.55s，滑塊速度呈逐漸上升趨勢，在0.2s左右到達(dá)穩(wěn)定，滑塊速度最快可達(dá)近700mm/s。在0.4s左右，滑塊進(jìn)入減速階段，此時(shí)速度約為600mm/s?；瑝K下降階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在2000r/min，雙泵的輸出流量為350l/min，輸出壓力較小為2～3bar。主缸無桿腔壓力較小，而有桿腔背壓較大為15bar?？傮w可以看出快下階段滑塊速度比預(yù)設(shè)計(jì)要快，整個(gè)過程較平穩(wěn)。

由快下階段轉(zhuǎn)入工進(jìn)階段時(shí)，滑塊速度在0mm/s附近波動(dòng)，導(dǎo)致滑塊上下抖動(dòng)。但由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)3000r/min，無桿腔壓力上升較快，因此其卡頓現(xiàn)象要比原有系統(tǒng)要小。外輸入負(fù)載力呈上升趨勢，達(dá)到設(shè)定的最大700kN，此時(shí)無桿腔壓力為70bar左右。此階段雙泵輸出流量約為510l/min，壓力也隨著時(shí)間逐漸增大，工進(jìn)階段總行程是95mm，平均速度為87mm/s，總時(shí)長在1.2s，比預(yù)期要快近0.5s。

進(jìn)入泄壓階段，卸荷閥打開，無桿腔壓力急劇下降，由70bar降到5bar，雙泵出口的壓力也急劇下降，仿真結(jié)果顯示在0.3s內(nèi)泄壓可以完成。

滑塊返程階段速度波動(dòng)較大，造成滑塊返程階段速度波動(dòng)較大的主要原因是，由于滑塊上升階段整個(gè)系統(tǒng)阻尼較小，且無桿腔出油無背壓，同時(shí)由于齒輪泵在輸出油壓時(shí)，本身就存在壓力及流量脈動(dòng)，多種因素耦合下，造成滑塊返程階段壓力波動(dòng)加大。通過系統(tǒng)調(diào)試改變改變溢流插裝閥先導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力，使不同壓力溢流插裝閥的共振頻率錯(cuò)開，從而降低系統(tǒng)壓力波動(dòng)，可以較好的解決此速度波動(dòng)較大問題。返程總行程為400mm，用時(shí)約為1s，平均速度為400mm/s。

從上述分析可以看出，整個(gè)液壓系統(tǒng)響應(yīng)快，沖擊小，能夠較好的滿足沖壓頻次和系統(tǒng)性能要求。

3 電氣控制系統(tǒng)

整條生產(chǎn)線要滿足8spm的生產(chǎn)效率，也就意味著一個(gè)件需控制在7.5s內(nèi)，其中自動(dòng)化線占用2s，那么機(jī)床動(dòng)作時(shí)間必須小于5.5s。然而機(jī)床動(dòng)作包含快下、工進(jìn)、泄壓、回程、底缸頂出等動(dòng)作，所以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際加工工藝制定了底缸頂出動(dòng)作時(shí)間與機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)間重合的方案。也就是滑塊回程到上減速區(qū)后提供信號(hào)給自動(dòng)化線，當(dāng)自動(dòng)化線開始運(yùn)行時(shí)底缸同時(shí)執(zhí)行頂出動(dòng)作。在此過程中需控制好四臺(tái)油壓機(jī)滑塊回程到頂?shù)耐健?/p>

本項(xiàng)目剛開始調(diào)試時(shí)是以四臺(tái)油壓機(jī)滑塊都停止于上限位時(shí)，才發(fā)信號(hào)給自動(dòng)化線。而實(shí)際情況是旋切工序的時(shí)間要比其它三序的時(shí)間長一點(diǎn)，每次都是其最后回程到上限位，而此工序位機(jī)床無底缸動(dòng)作。針對這種情況，本項(xiàng)目便在第三序旋切工步增加了回程起動(dòng)點(diǎn)位置。這樣待其它工序機(jī)床滑塊回程到上限位后，旋切工序只需要回程到達(dá)回程起動(dòng)點(diǎn)后，便發(fā)信號(hào)給自動(dòng)化線，這樣調(diào)整電氣控制后整條生產(chǎn)線每生產(chǎn)一件罩殼可節(jié)約0.2s左右時(shí)間。

4 主油缸

從圖1所示的生產(chǎn)線布局圖可以看出，該生產(chǎn)線是按前后進(jìn)出料擺放。橫桿式機(jī)械臂位于機(jī)床的右側(cè)，機(jī)床左側(cè)開有側(cè)窗口用于模具的更換，上橫梁頂部油箱按L形進(jìn)行布置。為提升自動(dòng)化線的運(yùn)行效率，機(jī)床之間的位置非常緊湊，這就要求在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)需考慮后期的維護(hù)，特別是油缸密封圈老化后的更換。

整條生產(chǎn)線機(jī)床滑塊行程是710mm，開口高度只有1000mm。按此尺寸油缸一旦裝進(jìn)上橫梁后，活塞桿便無法完全落到工作臺(tái)上，活塞頭也就無法從缸筒中露出來，因此也就無法更換活塞頭上的密封圈。針對此情況，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)采用整體缸筒設(shè)計(jì)方案。在新方案中，油缸缸體采用厚壁無縫鋼管經(jīng)埋弧焊機(jī)堆焊進(jìn)行制作，而油缸缸底則采用單獨(dú)螺塞結(jié)構(gòu)并增加防松裝置，這樣在后期維護(hù)時(shí)，只需將缸底的螺塞部分取下，就能將活塞桿從機(jī)床頂部抽出更換活塞頭密封圈，油缸結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5 生產(chǎn)線性能檢測

通過設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、安裝調(diào)試等工作后，本項(xiàng)目專門進(jìn)行了單機(jī)各步序動(dòng)作時(shí)間的檢測，并與當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行對比。如表1所示為生產(chǎn)線中最大噸位250t油壓機(jī)的檢測數(shù)據(jù)。經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)其中卸壓因采用普通充液閥打開控制方式，原先設(shè)計(jì)時(shí)間為0.3s，實(shí)際運(yùn)行中為減小充液閥打開的沖擊，卸壓時(shí)間已加長到1.5s，同時(shí)根據(jù)實(shí)際模具回程力的要求將油缸活塞桿直徑進(jìn)行了加大提高滑塊回程速度，在此階段節(jié)約了0.3s，實(shí)際運(yùn)行時(shí)還存在轉(zhuǎn)換延時(shí)及響應(yīng)等問題，所以總體效率未能達(dá)到理論設(shè)計(jì)要求。目前機(jī)床配自動(dòng)化線已在客戶現(xiàn)場正常運(yùn)行，通過日生產(chǎn)數(shù)量除以機(jī)床運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，整條生產(chǎn)線目前的生產(chǎn)效率為8.2spm，完全滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)協(xié)議要求。

表1 250t油壓機(jī)的檢測數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

（1）在公司成熟的伺服泵控技術(shù)基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用ESVIEW軟件對伺服參數(shù)進(jìn)行采集與分析，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，充分利用伺服電機(jī)兩倍過載能力，做到了既滿足機(jī)床高效運(yùn)行所需的流量要求，同時(shí)又有效控制了電機(jī)功率。

（2）通過液壓系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，將開關(guān)量型的插裝閥系統(tǒng)性能發(fā)揮到極致，在保證高效運(yùn)行的同時(shí)做到速度轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)無液壓沖擊。

（3）通過結(jié)合實(shí)際加工工藝情況對整條生產(chǎn)線的電氣控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了8.2件/min的生產(chǎn)效率要求。

（4）為了便于機(jī)床后期維護(hù)特別是油缸活塞頭密封圈的更換，重新設(shè)計(jì)了主油缸，有效減少了后期維護(hù)工作量。

（5）目前整條生產(chǎn)線已在客戶處正常使用，本公司也將對使用中的問題進(jìn)一步進(jìn)行總結(jié)和更改，相信在不久的將來，類似的自動(dòng)化線將得到越來越多的運(yùn)用。