YGMK 系列伺服門式液壓機(jī)設(shè)計(jì)

姜君杰，喬禮惠

（江蘇國力鍛壓機(jī)床有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 引言

液壓機(jī)是一種利用液體壓力能來傳遞能量，以實(shí)現(xiàn)各種壓力加工工藝的設(shè)備。其具有在行程的任何位置均可產(chǎn)生額定最大壓力，可在下限位長時(shí)間保持壓力，工作行程速度較慢、生產(chǎn)效率不易提高等特點(diǎn)。三梁四柱式萬能液壓機(jī)為最常見的典型結(jié)構(gòu)形式，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工藝性較好，配以三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒功率變量泵作為動(dòng)力源，結(jié)合先進(jìn)的插裝閥集成系統(tǒng)使液壓機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)整。此系統(tǒng)雖然可實(shí)現(xiàn)超過設(shè)定壓力減少輸出流量，但在整個(gè)生產(chǎn)過程中電機(jī)將一直處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，而根據(jù)液壓機(jī)的工作方式，在上停取放料以及保壓過程中是可以不需要油泵提供能源亦即電機(jī)是可以不工作的，特別是在非金屬成形行業(yè)，因保壓時(shí)間長，這種驅(qū)動(dòng)方式的能耗非常高。因三梁四柱結(jié)構(gòu)存在導(dǎo)向精度低特別是承受偏心載荷能力較差等原因，公司推出整體框架結(jié)構(gòu)的門式液壓機(jī)作為三梁四柱式液壓機(jī)的升級(jí)換代產(chǎn)品，機(jī)床外觀如圖1 所示。機(jī)身體及滑塊采用優(yōu)質(zhì)材料以及板料成形技術(shù)焊接，結(jié)合四角八面導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，精度保持性好、導(dǎo)向精度高、抗偏載能力強(qiáng)。配置伺服泵控系統(tǒng)的新機(jī)型從根本上克服電機(jī)一直旋轉(zhuǎn)耗能這一弊端，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)流量、壓力指令進(jìn)行調(diào)整，使得齒輪泵的輸出流量發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)在液壓機(jī)上的柔性調(diào)速調(diào)壓以及節(jié)能應(yīng)用，通過電控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器的無縫配合，使液壓機(jī)位置和壓力控制精度均有明顯提高。

圖1 伺服門式液壓機(jī)外觀

2 系統(tǒng)構(gòu)成

伺服門式液壓機(jī)控制系統(tǒng)（圖2）主要由六部分組成：匯川IS580 驅(qū)動(dòng)器及ESMG1 交流伺服電機(jī)、海特克內(nèi)嚙合齒輪泵、昆侖通態(tài)TPC7062 觸摸屏、歐姆龍CP1H XA40DR 可編程邏輯控制器、濟(jì)寧泰豐插裝閥液壓系統(tǒng)、杰佛倫位移及壓力傳感器。此款新機(jī)型的研發(fā)雖然還是以單機(jī)工作方式出現(xiàn)，但也在自動(dòng)化聯(lián)線控制上預(yù)留有I/O 端口及RS485 通訊接口，另外可進(jìn)行以太網(wǎng)口的擴(kuò)展，做到遠(yuǎn)程故障分析、診斷。該控制系統(tǒng)直接利用現(xiàn)有的公共通訊網(wǎng)絡(luò)連接到客戶正在使用的液壓機(jī)上，對(duì)機(jī)床信號(hào)進(jìn)行檢測，以判斷該機(jī)床故障所在，并根據(jù)不同情況進(jìn)行在線或離線修復(fù)。

圖2 控制系統(tǒng)配置圖

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)器

IS580 系列伺服驅(qū)動(dòng)器是匯川公司專門為驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)而開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的高性能矢量控制。其最初是為注塑機(jī)行業(yè)服務(wù)的，有針對(duì)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中注塑速度、壓力保持精度等控制，特別是與專用的注塑機(jī)控制器配合工作時(shí)的平穩(wěn)控制，使伺服油泵控制更加完美。而液壓機(jī)與注塑機(jī)的工作原理有相通之處，利用注塑機(jī)上伺服控制的成熟經(jīng)驗(yàn)結(jié)合液壓機(jī)特殊的工藝要求而產(chǎn)生出油壓控制模式，使IS580 驅(qū)動(dòng)器在液壓機(jī)上的應(yīng)用也越來越成熟，主要體現(xiàn)在高壓力低轉(zhuǎn)速時(shí)壓力更穩(wěn)定、壓力和速度響應(yīng)更快，能滿足液壓機(jī)快速運(yùn)行響應(yīng)要求。IS580 系列伺服驅(qū)動(dòng)器自帶編碼器PG 卡，通過與ESMG1 系列交流伺服電機(jī)上的23 位編碼器連接，在接線時(shí)將電機(jī)U、V、W 與驅(qū)動(dòng)器上的U、V、W三相相序一一對(duì)應(yīng)，便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)免調(diào)諧，方便于安裝調(diào)試。驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能強(qiáng)大，具有上電短路檢測、缺相保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、過載保護(hù)等，特別是當(dāng)泵口壓力傳感器檢測到超過設(shè)定的保護(hù)壓力值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將自身進(jìn)行調(diào)節(jié)，以最短的時(shí)間將轉(zhuǎn)速降到幾十轉(zhuǎn)，避免持續(xù)高壓輸出造成管路或接頭的泄漏。同時(shí)驅(qū)動(dòng)器支持Modbus-RTU 協(xié)議、CANOpen 協(xié)議以及CANLINK 協(xié)議，雖然現(xiàn)在的控制方式還是以模擬量0-10V 為主，接線方式如圖3 所示，但相信隨著數(shù)字化控制的發(fā)展，將來對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制必將以通訊為主，可以把驅(qū)動(dòng)器設(shè)置在伺服電機(jī)的周邊，減少動(dòng)力線纜的長度，抑制意想不到的干擾，同時(shí)邏輯控制器與驅(qū)動(dòng)器之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊連接，可通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的設(shè)置以及驅(qū)動(dòng)器實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集顯示，包括驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信息的上傳等。

圖3 驅(qū)動(dòng)器接線示意圖

2.2 昆侖通態(tài)觸摸屏

觸摸屏作為一種最新的輸入顯示設(shè)備，是目前最簡單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式，在工業(yè)、服務(wù)業(yè)、農(nóng)業(yè)等各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。觸摸屏是一種可接收觸頭等輸入訊號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程序驅(qū)動(dòng)各種連接裝置，已廣泛用于取代機(jī)械式的按鈕面板、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器等。我們選用的TPC7062 系列觸摸屏其分辨率達(dá)到800×480，65535 色數(shù)字真彩，AMR9 內(nèi)核，128M 存儲(chǔ)空間，抗干擾性能達(dá)工業(yè)Ⅲ級(jí)，支持U 盤備份恢復(fù)。編程軟件采用的是MCGS 嵌入版組態(tài)軟件，它是昆侖通態(tài)公司專門開發(fā)的組態(tài)軟件，主要完成數(shù)據(jù)的采集與檢測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，采用組態(tài)軟件編制程序的觸摸屏與PLC 之間通過RS485 進(jìn)行通訊連接，可以方便、快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、壓力、時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置與控制。采用MCGS 組態(tài)軟件編程的設(shè)置畫面如圖4 所示，在畫面中將機(jī)床各運(yùn)行階段所需的流量、壓力都單獨(dú)開放出來進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)滑塊慢速下行快速回程、底缸慢速頂出快速退回等特殊工藝需要。

圖4 觸摸屏設(shè)置畫面

2.3 歐姆龍CP1H PLC

CP1H 系列PLC 是用于實(shí)現(xiàn)高速處理、高功能的程序包型產(chǎn)品，配備與歐姆龍CS/CJ 系列共通的體系結(jié)構(gòu)。為更好地實(shí)現(xiàn)門式伺服液壓機(jī)的柔性控制，在滑塊及底缸上分別安裝有位移傳感器和壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)位置和壓力的檢測，這就要求PLC 具有至少四路模擬輸入通道，再加上對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器流量、壓力的兩路模擬量輸出通道，經(jīng)對(duì)比最終選用歐姆龍CP1H-XA40DR PLC 作為邏輯主控制器，同時(shí)其具有兩個(gè)外連接口可通過安裝選板實(shí)現(xiàn)RS-232 或RS-485 通信，我們通常將其中的一個(gè)外連接口與觸摸屏之間實(shí)現(xiàn)RS-485 通訊，另一個(gè)外連接口則預(yù)留給自動(dòng)化或上位機(jī)進(jìn)行通訊。在程序編制上，特別是牽涉到位移、壓力、伺服控制上我們通過設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化的功能塊（如圖5 所示）進(jìn)行直接調(diào)用，使得程序的編制、管理更加簡單，提高程序的設(shè)計(jì)效率，減少差錯(cuò)率。

圖5 位移傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換功能塊

3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)選用密封性能好、動(dòng)作靈敏可靠的插裝閥集成結(jié)構(gòu)，具有通油能力大、抗污染能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。機(jī)床主油缸和底缸的運(yùn)行受控于液壓系統(tǒng)，液壓原理如圖6 所示。當(dāng)需要油泵供油驅(qū)動(dòng)油缸工作時(shí)，伺服電機(jī)將依據(jù)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的指令進(jìn)行工作，驅(qū)動(dòng)器的流量、壓力指令則由控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，電磁閥YV2 得電工作，插裝閥C8 閥芯關(guān)閉，油泵出口油液壓力受調(diào)壓閥F5 調(diào)節(jié)，因使用的是伺服泵控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可對(duì)伺服泵的出油壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以調(diào)壓閥F5 此時(shí)通常作為系統(tǒng)安全溢流閥使用，壓力標(biāo)定為25MPa?；瑝K快下時(shí)，電磁閥YV2、YV4、YV5 同時(shí)得電工作，插裝閥C8 關(guān)閉、C6 和C7打開，實(shí)現(xiàn)油缸下腔與油箱聯(lián)通無壓力，依靠滑塊和油缸活塞桿的重量實(shí)現(xiàn)快速下行，主缸上腔僅依靠油泵的出油進(jìn)行補(bǔ)油是不夠的，更多的是通過充液閥CF1 從充液箱中進(jìn)行補(bǔ)油。當(dāng)滑塊運(yùn)行到設(shè)定的變速點(diǎn)位置時(shí)，電磁閥YV4 失電同時(shí)電磁閥YV3 得電工作，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥F4 在油缸下腔形成背壓，滑塊下行速度變慢，主缸上腔的負(fù)壓消失充液閥關(guān)閉，僅依靠油泵出油經(jīng)過插裝閥C7 和單向閥D5 進(jìn)入主缸上腔推動(dòng)滑塊往下慢速運(yùn)行，快下轉(zhuǎn)慢下時(shí)的液壓沖擊可通過調(diào)壓閥F4 進(jìn)行調(diào)整?；瑝K運(yùn)行到設(shè)定的下限位位置或主缸上腔壓力達(dá)到設(shè)置的壓力值時(shí)將進(jìn)入保壓狀態(tài)，保壓過程中所有電磁閥都失電，依靠上腔單向閥D5 和油缸密封圈將壓力保持在主缸上腔。保壓時(shí)間到后主缸上腔進(jìn)入卸壓狀態(tài)，電磁閥YV2、YV9 得電工作，油液推開充液閥閥芯實(shí)現(xiàn)油缸上腔壓力卸荷，此時(shí)雖然電磁閥YV2 得電工作，但系統(tǒng)壓力卻是由伺服泵來進(jìn)行控制，正常卸壓狀態(tài)伺服泵壓力設(shè)置為5MPa，流量設(shè)置成1000r/min。卸壓延時(shí)時(shí)間到后，滑塊進(jìn)入回程動(dòng)作，電磁閥YV2、YV9 繼續(xù)得電工作，電磁閥YV6 同時(shí)得電工作，油液經(jīng)插裝閥C5 進(jìn)入油缸下腔，油缸上腔油液經(jīng)充液閥CF1 直接回油箱，調(diào)壓閥F3 作為主缸回程壓力安全溢流保護(hù)。泵口壓力傳感器KP1 采用的電壓型（0～10V），其檢測信號(hào)傳送到驅(qū)動(dòng)器，油缸上腔壓力傳感器采用的是電流型（4～20mA），其檢測信號(hào)傳送到控制系統(tǒng)中。

圖6 液壓原理圖

4 安全防護(hù)

整臺(tái)機(jī)床的安全防護(hù)措施通過硬件和軟件相結(jié)合的方式雙重保護(hù)人員和設(shè)備的安全，硬件方面主要由設(shè)置在機(jī)身上的固定式安全栓和機(jī)床正面的光電保護(hù)裝置，并與主機(jī)控制系統(tǒng)形成必要的聯(lián)鎖保護(hù)。固定式安全栓通常安裝在機(jī)身立柱后側(cè)面上，在其底部安裝有機(jī)械行程開關(guān)，當(dāng)進(jìn)行模具檢修時(shí)，將安全栓從支座上取下采用對(duì)角布置的方式放置在工作臺(tái)上，而當(dāng)安全栓取下后機(jī)械行程開關(guān)將發(fā)出信號(hào)給控制系統(tǒng)，滑塊將無法實(shí)現(xiàn)下行動(dòng)作，若滑塊因卡閥等意外向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，安全栓即起到支撐作用，也起到保護(hù)模具檢修人員的作用。機(jī)床正面安裝有對(duì)射式光電保護(hù)裝置，其常閉信號(hào)引入到控制回路中，在滑塊下行過程中，一旦光電保護(hù)裝置因外因發(fā)生動(dòng)作，其常閉信號(hào)將斷開阻止滑塊下行動(dòng)作，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求在滑塊回程時(shí)光電保護(hù)裝置雖也進(jìn)行檢測但不斷開控制電路，也就是通常所說的回程不保護(hù)功能。

5 結(jié)論

三梁四柱式萬能液壓機(jī)因存在導(dǎo)向精度低以及承受偏心載荷能力較差等原因已慢慢退出市場，而門式液壓機(jī)由于采用整體框架結(jié)構(gòu)，機(jī)身體及滑塊采用優(yōu)質(zhì)材料以及板料成形技術(shù)焊接，結(jié)合四角八面導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，具有精度保持性好、導(dǎo)向精度高、抗偏載能力強(qiáng)等優(yōu)勢，已越來越受到客戶的青睞。特別是伺服門式液壓機(jī)采用伺服泵控技術(shù)，充分利用伺服的高速響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)即時(shí)供油的方式，另外可通過觸摸屏畫面設(shè)置各個(gè)工藝過程需要的流量值和壓力值，結(jié)合實(shí)時(shí)檢測的壓力和流量反饋信號(hào)，適時(shí)調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓泵輸出的流量和壓力最大化地滿足系統(tǒng)的需要，達(dá)到節(jié)能、降噪的目的。新機(jī)型已全部通過500h 連續(xù)無故障運(yùn)行測試。另外該伺服門式液壓機(jī)與同規(guī)格的普通液壓機(jī)在滿負(fù)荷相同工況下（取放料上停延時(shí)5s，保壓延時(shí)1s，卸壓延時(shí)0.5s）節(jié)能率為27%，噪聲73.6dB（A），達(dá)到最初的節(jié)能、降噪設(shè)計(jì)要求。此種機(jī)型自從推向市場以來，受到用戶的一致好評(píng)，也推動(dòng)了液壓機(jī)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變。