充液成形設(shè)備雙閉環(huán)控制分析

王林，郭巖，魏麗娜，趙文雪，張紹君，賈振越，郎利輝，王耀

充液成形設(shè)備雙閉環(huán)控制分析

王林1，郭巖2，魏麗娜1，趙文雪1，張紹君3，賈振越3，郎利輝4，王耀5

（1.沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110850；2.空裝駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，沈陽 110850；3.天津市天鍛壓力機(jī)有限公司 天津 300142；4.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；5.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401）

研究先進(jìn)充液成形設(shè)備的精度控制技術(shù)，以滿足充液成形過程中對(duì)成形介質(zhì)壓力及側(cè)推油缸位置的高精度控制要求，并確保模具型腔的密封性和零件成形的穩(wěn)定性。基于PLC控制器下的PID閉環(huán)控制功能，將速度閉環(huán)和位置或壓力閉環(huán)進(jìn)行集成，開發(fā)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方法。使用雙閉環(huán)控制方法，可以調(diào)整側(cè)推油缸的位置控制精度及響應(yīng)速度，并將精度控制在0.1 mm以內(nèi)，也可調(diào)整增壓裝置的輸出端壓力控制精度，使精度達(dá)到0.3 MPa。在利用充液成形設(shè)備進(jìn)行液壓成形的過程中，雙閉環(huán)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備側(cè)向密封的精確位置控制以及型腔內(nèi)壓力的精確控制。

充液成形；PLC；雙閉環(huán)控制；PID

近年來，充液成形技術(shù)逐步進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用階段，國內(nèi)一些航空航天企業(yè)、汽車制造企業(yè)及高校已開始對(duì)充液成形技術(shù)進(jìn)行深入的理論及試驗(yàn)研究。充液成形技術(shù)屬于柔性成形工藝和綠色制造技術(shù)，是指采用液體作為傳力介質(zhì)代替剛性模具傳遞載荷，使坯料在液體壓力的作用下貼靠凹?；蛲鼓＃瑢?shí)現(xiàn)金屬板/管材零件成形的工藝方法。充液成形具有諸多傳統(tǒng)成形不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如成形極限高、尺寸精度好、零件表面質(zhì)量?jī)?yōu)、厚度分布均勻、回彈較小、工裝模具簡(jiǎn)單、柔性等，能成形的材料包括碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金和高溫合金等。適合成形形狀復(fù)雜、成形難度大、精度要求高的大型薄壁構(gòu)件。充液成形技術(shù)目前在國內(nèi)外得到了廣泛關(guān)注，已是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表。隨著液壓高壓密封技術(shù)、電氣控制技術(shù)的不斷發(fā)展，充液成形技術(shù)在國防建設(shè)、民用產(chǎn)品等不同領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛[1]。

復(fù)雜變截面管件的整體精確成形是充液成形技術(shù)最為典型的應(yīng)用。充液成形工藝取代傳統(tǒng)的半管“分體沖壓和組合焊接”工藝，采用“無需焊接、消除焊縫”的一體化成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜薄壁管件的輕量化成形制造。同時(shí)，隨著輕量化程度的不斷提高，管件的復(fù)雜程度及尺寸精度要求也越來越高[2-4]。以水箱支架為例，管件壁厚已縮減到1.2 mm左右。對(duì)復(fù)雜形狀的薄壁管件在充液成形過程中的控制精度提出了更高的要求，尤其是壓力控制和位置控制方面。在生產(chǎn)過程中，壓力和位置的波動(dòng)都將造成零件的破裂或失穩(wěn)。根據(jù)成形工藝需要，對(duì)設(shè)備的位置精度要求一般小于0.1 mm，壓力精度小于0.3 MPa。

基于以上需求，文中對(duì)設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行了控制算法升級(jí)，一般的PID控制算法在液壓系統(tǒng)中無論從響應(yīng)速度還是控制精度上都很難達(dá)到以上要求，文中引入了位置/速度和壓力/速度雙閉環(huán)控制的理念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)位置和壓力更快捷準(zhǔn)確的控制。

1 閉環(huán)控制技術(shù)

1.1 PID控制技術(shù)

目前，PID控制是運(yùn)動(dòng)控制中最成熟的控制方法，同時(shí)也是工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的方法。

PID控制模型圖如圖1所示，該技術(shù)是根據(jù)工業(yè)應(yīng)用中特定的工藝要求和工藝背景衍生而來的。在工業(yè)過程中，連續(xù)控制系統(tǒng)的理想PID控制規(guī)律如式（1）所示。

式中：p為比例增益，p與比例度成倒數(shù)關(guān)系；i為積分時(shí)間；d為微分時(shí)間；()為PID控制器的輸出信號(hào)；()為給定值()與測(cè)量值之差[5-6]。

如圖1所示，整個(gè)控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單分解為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器測(cè)量機(jī)構(gòu)、目標(biāo)值、輸出值、比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)。通過PLC控制器進(jìn)行運(yùn)算，整個(gè)運(yùn)行過程如下：執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于輸出動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)目標(biāo)機(jī)構(gòu)運(yùn)行；傳感器用于檢測(cè)目標(biāo)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)將檢測(cè)數(shù)值反饋給PLC運(yùn)算控制器；比較運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際值與理想目標(biāo)值后進(jìn)而得出差值，然后判斷對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采取增益控制還是減益控制。PLC通過PID運(yùn)算得出驅(qū)動(dòng)指令并提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際值逐漸趨近于目標(biāo)值，并達(dá)到穩(wěn)定效果。比例環(huán)節(jié)的主要作用是減小穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)造成系統(tǒng)震蕩。積分環(huán)節(jié)的主要作用是消除靜態(tài)誤差，但會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增大超調(diào)量。微分環(huán)節(jié)的主要作用是阻止偏差變化[7-8]。

圖1 PID控制模型圖

1.2 常規(guī)閉環(huán)控制在充液成形設(shè)備上的應(yīng)用

壓機(jī)控制系統(tǒng)、超高壓成形系統(tǒng)和模具控制系統(tǒng)是充液成形設(shè)備最核心最關(guān)鍵的部分，設(shè)備工作時(shí)滑塊提供豎向壓力，使上下模具處于閉合狀態(tài)，同時(shí)增壓裝置向模具內(nèi)的工件內(nèi)部進(jìn)行充液，實(shí)現(xiàn)內(nèi)壓力脹形，以得到成形制件。管式充液工藝要求在滑塊加壓的同時(shí)對(duì)管件兩端進(jìn)行密封封堵，并增加管件內(nèi)腔高壓水壓力，同時(shí)要求用于封口管件的側(cè)推缸隨著水壓的增長(zhǎng)向前推進(jìn)，這樣在實(shí)現(xiàn)封水的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)管件的推料功能[9-10]。因此，在整個(gè)管式充液成形的過程中需要對(duì)壓機(jī)的壓力、管件內(nèi)腔水壓以及封堵的側(cè)推缸前進(jìn)位置這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)控制。這3個(gè)參數(shù)的實(shí)際值需要按工藝要求進(jìn)行控制，以此達(dá)到設(shè)置的目標(biāo)值。

壓力控制圖如圖2所示。按照工藝要求提出壓力的目標(biāo)值，通過PLC控制器進(jìn)行運(yùn)算，通過調(diào)整比例、積分、微分環(huán)節(jié)的數(shù)值，將運(yùn)算后的指令輸出給伺服閥，伺服閥通過控制壓機(jī)的壓力得到實(shí)際的壓力值，再經(jīng)由傳感器將壓力的測(cè)量值反饋給PLC運(yùn)算機(jī)構(gòu)，與目標(biāo)值進(jìn)行比較后再調(diào)整控制伺服閥的指令值，保證實(shí)際的壓力值能夠達(dá)到并維持在目標(biāo)值附近，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡[11-12]。

圖2 壓力控制圖

水壓壓力控制系統(tǒng)圖如圖3所示?？芍@是一個(gè)簡(jiǎn)單的超高壓源水壓力控制閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)成形工藝提出當(dāng)前階段水壓的目標(biāo)值，之后通過PID環(huán)節(jié)整定輸出參數(shù)后給伺服閥，此時(shí)伺服閥控制增壓器的前進(jìn)和后退以調(diào)整水壓力的大小，同時(shí)將實(shí)際的水壓值反饋給PLC控制器，與目標(biāo)值進(jìn)行比較后，修正伺服閥的控制參數(shù)，以減小實(shí)際水壓值與目標(biāo)水壓值的差值。

圖3 水壓壓力控制系統(tǒng)圖

側(cè)推缸位置控制系統(tǒng)圖如圖4所示。按照工藝動(dòng)作需求，提出當(dāng)前階段側(cè)推缸的目標(biāo)位置，然后經(jīng)過PID環(huán)節(jié)整定后再輸出參數(shù)給伺服閥，驅(qū)動(dòng)側(cè)推缸的前進(jìn)或者后退，將實(shí)際位置反饋給PLC，并與目標(biāo)位置做對(duì)比運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果提供給伺服閥，以改變側(cè)推缸位置，使其達(dá)到目標(biāo)值。因側(cè)推缸同時(shí)起到密封和補(bǔ)料的作用，側(cè)推缸的位置控制需避免出現(xiàn)超調(diào)后回調(diào)的情況，以免出現(xiàn)密封泄漏情況[13]。

圖4 側(cè)推缸位置控制系統(tǒng)圖

1.3 優(yōu)化后雙閉環(huán)控制技術(shù)的應(yīng)用

以上控制方式為傳統(tǒng)的單軸PID控制，此方式只控制當(dāng)前參數(shù)，以達(dá)到理想的目標(biāo)值。然而在充液成形工藝中，主機(jī)壓力、水壓、側(cè)推缸的位置是零件成形的關(guān)鍵參數(shù)，三者是統(tǒng)一協(xié)調(diào)進(jìn)行的。只有在工藝動(dòng)作上達(dá)到三者同步在協(xié)調(diào)控制的效果，才是最理想的工藝成形方式，才能在最大程度上保證成形工件的質(zhì)量，使工件不會(huì)發(fā)生破裂和失穩(wěn)，進(jìn)而提高成形零件的貼膜度。由于每一個(gè)零件的成形要求都是有區(qū)別的，所以實(shí)際生產(chǎn)中要求設(shè)備的控制系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)較多的產(chǎn)品規(guī)格，避免每更換一個(gè)零件就要調(diào)整控制參數(shù)的情況[14]。因此在經(jīng)典PID控制算法的基礎(chǔ)上引進(jìn)雙閉環(huán)控制理念是非常重要的。雙閉環(huán)控制理念就是在原有單軸目標(biāo)控制的基礎(chǔ)上加入必要的速度控制算法，這樣控制的效果能夠使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行速度下達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示。在原有PID控制算法的基礎(chǔ)上增加一個(gè)速度控制算法，在控制目標(biāo)側(cè)推缸位置的同時(shí)還可以控制側(cè)推缸到達(dá)目標(biāo)位置前的速度。按照設(shè)定好的目標(biāo)位置，通過PID環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)整定，然后輸出給伺服閥，以控制側(cè)推缸向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)目標(biāo)位置之前，可以根據(jù)位移尺反饋回來的實(shí)際位置做速度運(yùn)算處理，得到當(dāng)前側(cè)推缸運(yùn)動(dòng)的速度值，然后再與工藝要求的速度值進(jìn)行比較判斷，利用PID控制器調(diào)整伺服閥輸出值，可以使實(shí)際速度值與目標(biāo)速度值保持一致，控制側(cè)推缸按照當(dāng)前要求的目標(biāo)速度行進(jìn)，并在最后達(dá)到目標(biāo)位置前保持此運(yùn)行狀態(tài)。同樣，對(duì)于其他的目標(biāo)動(dòng)作也可應(yīng)用此方法，如壓機(jī)的壓力控制會(huì)增加加壓的速度目標(biāo)，對(duì)于水壓的壓力控制會(huì)增加水壓增壓速度目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)壓力/速度的雙閉環(huán)控制[15]。

圖5 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

優(yōu)化后的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作更平滑穩(wěn)定、控制精度更高、響應(yīng)速度更快[16]。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)組成

控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示，其中1為工業(yè)顯示屏，是本系統(tǒng)的管理層，可以顯示液壓機(jī)的工作狀態(tài)，也可以完成設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話；2是可編程邏輯控制器，即PLC；7是檢測(cè)元件，通常為壓力傳感器、位移傳感器等。根據(jù)7的反饋信號(hào)，2作為控制器可以通過應(yīng)用程序使電磁鐵3和伺服閥4做出相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)而可以控制油缸6的動(dòng)作，同時(shí)用直線位移傳感器5監(jiān)測(cè)油缸活塞位置[17-18]。

圖6 控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要元件為電磁鐵3，電磁鐵的吸合使電磁閥換向，油路在電磁閥內(nèi)改變方向。伺服閥4采用三位四通形式，控制器2給力矩馬達(dá)的線圈輸入一個(gè)電信號(hào)[19-20]，再通過機(jī)械結(jié)構(gòu)作用于閥芯上，閥芯經(jīng)由反饋彈簧將位置信號(hào)返回，閥芯不斷改變位置最終實(shí)現(xiàn)力矩馬達(dá)和電磁轉(zhuǎn)矩相平衡，以調(diào)節(jié)閥芯開啟大小，從而控制油液的通過量[21-22]。

檢測(cè)元件7的壓力變送器可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，以便于PLC模擬量模塊的采集。直線位移傳感器8作為位置檢測(cè)元件內(nèi)置于油缸中，通過活塞處安裝的磁環(huán)檢測(cè)活塞位置，從而測(cè)量油缸的運(yùn)行位移[23]。

本系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的S7–1500系列PLC作為控制器2，其結(jié)構(gòu)組成除了CPU處理單元以外，還包括輸入模塊和輸出模塊，而輸入模塊和輸出模塊又可以分為數(shù)字量模塊和模擬量模塊[24]。

PLC各模塊功能如下：（1）CPU單元，給各個(gè)模塊分配地址，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的通訊，還可以與觸摸屏通訊，同時(shí)處理PLC的各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算；（2）輸入模塊，將收集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為CPU可以處理的數(shù)字信號(hào)，比如從壓力繼電器、行程開關(guān)等檢測(cè)元件中收集到的是電壓信號(hào)，由數(shù)字量輸入模塊將這些收集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為布爾型信號(hào)給CPU，從壓力傳感器、位移尺等檢測(cè)元件中收集到的是4～20 mA的電流信號(hào)，由模擬量輸入模塊將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為整型或浮點(diǎn)型信號(hào)給CPU；（3）輸出模塊，將CPU的各種指令轉(zhuǎn)化為電壓/電流信號(hào)傳遞給執(zhí)行元件，比如CPU的指令經(jīng)由數(shù)字量輸出模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后傳遞給電磁換向閥的電磁鐵，控制線圈吸合可以使換向閥換向，CPU的指令經(jīng)由模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳遞給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)控制油泵的排量。

壓力檢測(cè)圖如圖7所示，壓力變送器可以將壓力值轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號(hào)，通過模擬量輸入模塊將這個(gè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為CPU可處理的數(shù)字量信號(hào)。

圖7 壓力檢測(cè)圖

位置檢測(cè)圖如圖8所示。SSI輸入模塊將絕對(duì)值型位移傳感器的測(cè)量數(shù)值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)提供給CPU進(jìn)行處理。

圖9是PLC控制伺服閥的示意圖，伺服閥可以分為電流型和電壓型，CPU的指令經(jīng)過模擬量輸出模塊后將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)并傳遞給伺服閥，同時(shí)帶有反饋功能的伺服閥還會(huì)將閥芯位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過模擬量輸入模塊再傳遞給CPU。PLC可通過反饋數(shù)值及命令數(shù)值的區(qū)別，分析伺服閥的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 控制軟件

文中采用西門子TIA編程軟件進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和位置的雙閉環(huán)控制。

西門子PID連續(xù)控制塊示意圖如圖10所示。可知，西門子具備專用的PID連續(xù)控制功能塊，可以直接進(jìn)行調(diào)用。功能塊中SP_INT引腳接入側(cè)推缸目標(biāo)位置，PV_IN引腳接入側(cè)推缸的實(shí)際檢測(cè)位置，輸出引腳LMN為經(jīng)過PID整定后的參數(shù)，用于給伺服閥輸出，GAIN引腳參數(shù)為比例環(huán)節(jié)，可以使PID輸出值按比例算法進(jìn)行調(diào)整，TI引腳參數(shù)為積分環(huán)節(jié)，可以使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，TD引腳參數(shù)為微分環(huán)節(jié)，可以對(duì)微分控制進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到減小超調(diào)量的目的。該功能塊通過對(duì)PID參數(shù)的調(diào)整，使實(shí)際位置可以快速穩(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)位置。

圖8 位置檢測(cè)圖

圖9 伺服閥控制圖

圖10 西門子PID連續(xù)控制塊示意圖

雙閉環(huán)連續(xù)控制塊示意圖如圖11所示?？芍?，這是一個(gè)加上速度目標(biāo)值的雙閉環(huán)運(yùn)算塊，在原有PID功能塊的基礎(chǔ)上加入了一個(gè)速度控制閉環(huán)算法，形成了一個(gè)新的功能塊。首先在引腳PV上輸入實(shí)際位置變量，然后在SV引腳上輸入目標(biāo)位置的參數(shù)變量，在Vact引腳上輸入實(shí)際速度的參數(shù)變量，最后在Vset引腳上輸入目標(biāo)速度的參數(shù)變量，輸出引腳LMN為輸出給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)伺服閥的參數(shù)變量。其中通過GAIN引腳調(diào)整速度閉環(huán)控制的比例參數(shù)，通過TI引腳調(diào)整速度閉環(huán)控制的積分參數(shù)。在雙閉環(huán)算法內(nèi)嵌套PID功能塊，可以在使用時(shí)分別調(diào)整速度和位置閉環(huán)的PID參數(shù)進(jìn)行整定輸出，最后能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按目標(biāo)速度運(yùn)行并達(dá)到目標(biāo)位置[25]。

圖11 雙閉環(huán)連續(xù)控制塊示意圖

3 測(cè)試情況

以管式充液成形設(shè)備中的側(cè)推缸控制為例，采用高精度位移傳感器作為位置和速度的檢測(cè)元件，分辨率為0.001 5%（滿量程的），重復(fù)精度<±0.001%（滿量程的），更新時(shí)間為2 ms，遲滯位移＜10 μm。采用低摩擦油缸作為油缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，油缸公稱力為2 000 kN，行程為150 mm，采用電液伺服系統(tǒng)作為油源，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵，以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)流量的柔性調(diào)節(jié)，選擇比例伺服閥作為精確控制元件，響應(yīng)時(shí)間<12 ms，雙閉環(huán)連續(xù)控制應(yīng)用情況如圖12所示。

圖12 雙閉環(huán)連續(xù)控制應(yīng)用情況

運(yùn)用基于PLC的雙閉環(huán)控制技術(shù)，在以上高精度檢測(cè)和執(zhí)行元件的硬件集成系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例伺服閥的快速精確控制，從而精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和位置。

2個(gè)水平油缸初始位移為5.3 mm，分別以8 mm/s的速度運(yùn)行到65 mm和80 mm處，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不對(duì)稱零件的密封封堵作用。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)速度控制的勻速段為8 mm/s，位置定位于64.98 mm和79.99 mm處，定位精度分別為0.02 mm和0.01 mm，滿足工藝工況對(duì)位置精度的要求。

4 結(jié)語

隨著充液成形技術(shù)的廣泛應(yīng)用，充液成形設(shè)備的控制技術(shù)也更加成熟，為滿足用戶更廣泛的需求，充液成形技術(shù)及設(shè)備從最初的研發(fā)試制到現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化應(yīng)用，一直在不斷地進(jìn)行優(yōu)化和完善。充液成形技術(shù)開發(fā)的制件既滿足了航空航天零件多品種小批量開發(fā)的需求，又能夠適用于汽車輕量化零件的大批量生產(chǎn)。根據(jù)用戶生產(chǎn)工況和行業(yè)發(fā)展的需要，充液成形設(shè)備也在不斷完善，甚至向自動(dòng)化生產(chǎn)線形式發(fā)展。充液成形設(shè)備不僅功能越來越復(fù)雜，精度控制要求越來越高，還逐漸由生產(chǎn)厚壁零件的簡(jiǎn)單成形控制方式，發(fā)展到生產(chǎn)薄壁零件的精密成形控制方式，由生產(chǎn)效率低的遞進(jìn)型成形工藝，發(fā)展到生產(chǎn)效率高的協(xié)調(diào)同步型成形工藝。響應(yīng)更快、精度更高、工藝路線更優(yōu)成為了充液成形設(shè)備控制系統(tǒng)的新發(fā)展方向。

為了適應(yīng)更高運(yùn)動(dòng)控制的要求，控制算法和方案也在不斷地被改進(jìn)。采用雙閉環(huán)控制方案能夠在目前充液成形設(shè)備的控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)多軸的同步線性運(yùn)動(dòng)控制，可以在保證零件成形動(dòng)作與成形壓力同步控制的基礎(chǔ)上，減少在充液成形過程中由于補(bǔ)料不足導(dǎo)致管件破裂及失穩(wěn)情況的發(fā)生，同時(shí)提高零件脹形的貼膜度，使成形零件的質(zhì)量更優(yōu)。

[1] 朗利輝. 板材充液成形先進(jìn)技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2014: 5-102.

LANG Li-hui. Innovative Sheet Hydroforming and Warm/Hot Hydroforming[M]. Beijing: National Defend Industy Press, 2014: 5-102.

[2] 王慶輝, 范清風(fēng). 管材內(nèi)高壓成形工藝研究[J]. 熱加工工藝, 2016, 45(7): 188-193.

WANG Qing-hui, FAN Qing-feng. Research on Internal High Pressure Forming Process of Tube[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(7): 188-193.

[3] 劉麗貞, 周鵬遠(yuǎn). 輕量化構(gòu)件制造中內(nèi)高壓成形控制技術(shù)研究[J]. 滄州師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2020, 36(2): 60-68.

LIU Li-zhen, ZHOU Peng-yuan. Research on Internal High Pressure Forming Control Technology in Lightweight Component Manufacturing[J]. Journal of Cangzhou Normal University, 2020, 36(2): 60-68.

[4] 郎利輝. 汽車扭力梁充液成形技術(shù)研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2014, 39(4): 25-30.

LANG Li-hui. Research on Liquid Filled Forming Technology of Automobile Torsion Beam[J]. Forging Technology, 2014, 39(4): 25-30.

[5] 胡壽松. 自動(dòng)控制原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007: 24-310.

HU Shou-song. Automatic Control Principle[M]. Beijing: Science Press, 2007: 24-310.

[6] 杜偉建. 壓機(jī)速度開環(huán)控制中簡(jiǎn)易自適應(yīng)的使用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2021, 38S1: 272-275.

DU Wei-jian. Adaptive Application in Press Speed Open-Loop Control[J]. Journal of Machine Design, 2021, 38S1: 272-275.

[7] 曾喆昭, 陳澤宇. 論P(yáng)ID與自耦PID控制理論方法[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2020, 37(12): 2654-2662.

ZENG Zhe-zhao, CHEN Ze-yu. On Control Theory of PID and Auto-Coupling PID[J]. Control Theory & Applications, 2020, 37(12): 2654-2662.

[8] 曾喆昭, 劉文玨. 自耦PID控制器[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2021, 47(2): 404-422.

ZENG Zhe-zhao, LIU Wen-jue. Self-Coupling PID Controllers[J]. Acta Automatica Sinica, 2021, 47(2): 404-422.

[9] 蘇海龍, 駱宗安，馮瑩瑩. 內(nèi)高壓成形尋優(yōu)控制[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2021, 28(11): 65-70.

SU Hai-long, LUO Zong-an, FENG Ying-ying. Optimal Control of Internal High Pressure Forming[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28(11): 65-70.

[10] KLEINER M, HOMBERG W, BROSIUS A. Processes and Control of Sheet Metal Hydroforming[J]. Advanced Technology of Plasticity, 1999, 2: 1243-1252.

[11] 蔣曉光. 充液成型壓機(jī)的一種可變合模力控制研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2018, 35S1: 404-406.

JIANG Xiao-guang. Research on the Variable Clamping Force of the Internal High-Pressure Hydroforming Machine[J]. Journal of Machine Design, 2018, 35S1: 404-406

[12] 李艷杰, 崔天宇, 王海, 等. 比例閥控液壓缸位置PID閉環(huán)控制的PLC軟件實(shí)現(xiàn)[J]. 沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 32(4): 37-46.

LI Yan-jie, CUI Tian-yu, WANG Hai, et al. PLC Software Implementation of PID Closed-Loop Control of Proportional Valve Controlled Hydraulic Cylinder Position[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2013, 32(4): 37-46.

[13] 陳帥, 汪成文, 張震陽, 等. 改進(jìn)模糊PID方法及其在電液伺服控制中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程, 2021, 38(5): 559-565.

CHEN Shuai, WANG Cheng-wen, ZHANG Zhen-yang. Improved Fuzzy PID Method and Its Application in Electro-Hydraulic Servo Control[J]. Journal of Mechanical & Electrical Engineering, 2021, 38(5): 559-565.

[14] 陳志高, 胡仕成，黎新齊. 基于模糊 PID 的變幅液壓控制系統(tǒng)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2021, 45(6): 156-162.

CHEN Zhi-gao, HU Shi-cheng, LI Xin-qi. Variable Amplitude Hydraulic Control System Based on Fuzzy PID[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2021, 45(6): 156-162.

[15] 安高成, 陳娟, 付永領(lǐng), 等. 雙獨(dú)立閉環(huán)復(fù)合液壓伺服控制體系的分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 37(9): 1076-1080.

AN Gao-cheng, CHEN Juan, FU Yong-ling, et al. Analysis of Double Independent Closed-Loop Compound Hydraulic Servo Control System[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2011, 37(9): 1076-1080.

[16] 石茂青, 張紹君. 汽車輕量化管式充液成形設(shè)備精度控制技術(shù)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2017, 34(S1): 143-146.

SHI Mao-qing, ZHANG Shao-jun. Automotive Lightweighting Tubular Liquid Forming Equipment Accuracy Control Technology Research[J]. Journal of Machine Design, 2017, 34(S1): 143-146.

[17] LI Jun, FU Yong-ling, WANG Zhan-lin, et al. Research on Fast Response and High Accuracy Control of Airborne Electro Hydrostatic Actuation System[C]// Proceedings of the 2004 International Conference on Intelligent Mechatronics and Automation. Chengdu, 2004: 428-432.

[18] HELDUSER S. Electric-Hydrostatic Drive-an Innovative Energy Saving Power and Motion Control System[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 1999, 213: 427-437.

[19] 李洪人. 液壓控制系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1981: 130-199.

LI Hong-ren. Hydraulic Control System[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1981: 130-199.

[20] 張繼明, 張淳, 胡金雙. 內(nèi)高壓脹形設(shè)備的伺服控制[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2021, 38(1): 313-316.

ZHANG Ji-ming, ZHANG Chun, HU Jin-shuang. Servo Control of Internal High Pressure Bulging Equipment[J]. Journal of Machine Design, 2021, 38(1): 313-316.

[21] 李云峰. 伺服控制系統(tǒng)在充液成形液壓機(jī)的應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2019, 36(1): 384-387.

LI Yun-feng. Application of Servo Control System in Hydraulic Press for Filling Forming[J]. Journal of Machine Design, 2019, 36(1): 384-387.

[22] 丁碩, 武志杰, 張揚(yáng), 等. 一種大型薄壁板材零件充液成形系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2020, 37S1: 147-149.

DING Shuo, WU Zhi-jie, ZHANG Yang, et al. Development of a Hydroforming System for Large Thin-Walled Sheet Parts[J]. Journal of Machine Design, 2020, 37S1: 147-149.

[23] 張揚(yáng), 王娜. 板材充液成形設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2017, 34(1): 106-109.

ZHANG Yang, WANG Na. Key Technologies of Sheet Metal Liquid Filled Forming Equipment[J]. Journal of Machine Design, 2017, 34(1): 106-109.

[24] 史宜巧, 侍壽永. PLC應(yīng)用技術(shù)(西門子)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2016: 34-190.

SHI Yi-qiao, SHI Shou-yong. PLC Application Technology (Siemens)[M]. Beijing: Higher Education Press, 2016: 34-190.

[25] 高娟娟, 劉麗貞, 王立新, 等. 基于S7-300PLC的內(nèi)高壓成形機(jī)位置同步控制試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2015, 43(23): 86-91.

GAO Juan-juan, LIU Li-zhen, WANG Li-xin, et al. Experimental Research on Positionsynchronization Control of Internal High Pressure Forming Machine Based on S7-300 PLC[J]. Machine Tools and Hydraulics, 2015, 43(23): 86-91.

Double Closed Loop Control Analysis of Hydroforming Equipment

WANG Lin1, GUO Yan2, WEI Li-na1, ZHAO Wen-xue1,ZHANG Shao-jun3, JIA Zhen-yue3, LANG Li-hui4, WANG Yao5

(1. Shenyang Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Shenyang 110850, China; 2. First Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Shenyang, Shenyang 110850, China; 3. Tianjin Tianduan Press Co., Ltd., Tianjin 300142, China; 4. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China; 5. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

The work aims to study the precision control technology of advanced hydroforming equipment, to meet the accurate control requirement of forming medium pressure and lateral feed cylinder position during hydroforming process, so as to ensure the sealing of die cavity and the stability of formed parts. Based on the PID closed loop control under PLC controller, the speed closed loop and position or pressure closed loop were integrated, and the double closed loop control method was developed. With the use of the double closed loop control method, the position control accuracy and respond speed of the lateral feed cylinder could be adjusted. The accuracy could be controlled within 0.1 mm. The pressure control accuracy at the output end of hydroforming device could also be adjusted to make the accuracy reach 0.3 MPa. In the hydroforming process with hydraulic press, the double closed loop technology can realize the accurate control of the lateral feed seal position and the internal pressure.

hydroforming; PLC; double closed-loop control; PID

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.004

TG394

A

1674-6457(2022)09-0024-08

2021–12–28

國家自然科學(xué)基金（52005153）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項(xiàng)目（206Z1803G）；天津市“項(xiàng)目+團(tuán)隊(duì)”重點(diǎn)培養(yǎng)專項(xiàng)（XC202052）；河北省自然科學(xué)基金（E2019202224）

王林（1986—），女，助理工程師，主要研究方向?yàn)槊善もk金成形工藝及充液成形工藝與設(shè)備。

張紹君（1984—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殄憠涸O(shè)備電氣設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨