開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用

謝劍林

(福建海源復(fù)合材料科技股份有限公司，福建福州 350101)

0 前言

大型且高質(zhì)量的復(fù)合材料制品常由模壓成型方式制備，復(fù)合材料壓機(jī)是模壓成型工藝流程中的核心終端設(shè)備[1-2]。其結(jié)構(gòu)常為三梁四柱式的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，上模具安裝在活動梁下平面上，下模具則安裝在下梁工作臺面上，若壓機(jī)工作時上、下模具的合模平行度誤差較大，將造成模具的耐磨塊磨損過大，進(jìn)而影響模壓成型制品的尺寸精度。由于下梁工作臺面固定，且在安裝時常進(jìn)行水平度調(diào)整，因此，如何保持活動梁下表面的平行度將成為關(guān)鍵問題[3-5]。

安裝調(diào)平系統(tǒng)是解決此關(guān)鍵問題的最主要方式，應(yīng)用于壓機(jī)上的調(diào)平系統(tǒng)主要有主動和被動式2種形式。主動式調(diào)平系統(tǒng)具有壓制力大的優(yōu)點(diǎn)，但其調(diào)平行程大、控制難度大[6-7]。與之相反，被動式調(diào)平系統(tǒng)具有行程短、調(diào)平力矩大、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，有利于工程推廣[8-10]。但是，被動式調(diào)平系統(tǒng)常采用4個高精度的伺服比例閥進(jìn)行同步控制，使得整套系統(tǒng)硬件成本仍然較高，在中端壓機(jī)市場競爭力不足。鑒于此，本文作者設(shè)計一種開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)，采用三級壓力調(diào)節(jié)插裝式溢流閥取代伺服比例閥進(jìn)行調(diào)平控制，經(jīng)試機(jī)實測，設(shè)計系統(tǒng)可滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對活動梁下平面的平行度要求，即控制在0.1 mm/m以內(nèi)；同時，硬件替換后可極大地降低壓機(jī)調(diào)平系統(tǒng)的制造成本。

1 復(fù)合材料壓機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料壓機(jī)(以下簡稱壓機(jī))的結(jié)構(gòu)多為三梁四柱式，如圖1所示，上梁、下梁以及4根立柱作為整體支撐框架，上梁安裝有多個機(jī)鎖，可鎖住活動梁，機(jī)鎖位是活動梁的運(yùn)動開始位置?；顒恿和ㄟ^主油缸驅(qū)動實現(xiàn)上下運(yùn)動，上模具安裝在活動梁下平面，下模具安裝在下梁工作臺面上(圖1所示壓機(jī)未安裝上下模)。采用被動式四角調(diào)平系統(tǒng)，4個調(diào)平油缸置于活動梁的四角位置并安裝在下梁上，在上下模合模前對活動梁下平面及上模具進(jìn)行調(diào)平，合模位是活動梁的最大行程位置。

圖1 壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

以壓機(jī)活動梁的運(yùn)動作為主要對象，則壓制流程可劃分為：開機(jī)鎖→快下→慢下→加壓→保壓→泄壓→開?！焐P(guān)機(jī)鎖。在活動梁到達(dá)加壓工步前，4個調(diào)平缸在高于合模位的位置進(jìn)行待機(jī)，進(jìn)入加壓工步后，活動梁與4個調(diào)平缸接觸并整體下行，下行期間四缸對活動梁下平面進(jìn)行調(diào)平，到達(dá)合模位時主油缸壓力開始上升，進(jìn)入保壓工步，四缸仍緊貼活動梁。保壓一段時間后進(jìn)入泄壓工步，四缸狀態(tài)與保壓時一致，此后進(jìn)入開模工步，四缸與活動梁整體上行，上行過程中四缸進(jìn)行調(diào)平，最終進(jìn)入快升工步，活動梁與調(diào)平油缸分離后快速上行，經(jīng)歷慢升工步到達(dá)機(jī)鎖初始位，而四缸在分離后則重新回歸待機(jī)位，為下一個壓制循環(huán)的調(diào)平作準(zhǔn)備。

2 開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計

為滿足4個調(diào)平油缸的下行和上行同步運(yùn)動，并考慮硬件成本問題，設(shè)計了開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)，其液壓回路設(shè)計如圖2所示。油源壓力p=25 MPa，T口接油箱；比例閥10控制四缸的下腔進(jìn)出油，插裝式減壓閥9將減壓后的6 MPa油路提供給四缸的上腔，兩者共同實現(xiàn)調(diào)平油缸的穩(wěn)步升降。減壓閥12提供控制油路壓力為15 MPa，蓄能器1為調(diào)平缸上腔穩(wěn)壓，同時為調(diào)平缸下行時的上腔快速補(bǔ)油；三級壓力調(diào)節(jié)插裝式溢流閥6(以下簡稱調(diào)壓溢流閥)通過開關(guān)控制實現(xiàn)對四缸的同步控制。位移傳感器3提供各調(diào)平缸的實時位移反饋，作為控制系統(tǒng)的輸入信號；壓力傳感器5實時監(jiān)測調(diào)平缸下腔壓力。

具體控制過程如下:

(1)開模后至加壓工步之前

調(diào)平缸已處于待機(jī)最高位。此時液控單向閥8.1-8.4的控制信號DT9.2/9.5/9.8/9.11得電，液控單向閥反向截止，調(diào)壓溢流閥6的控制信號DT9.3/9.4、DT9.6/9.7、DT9.9/9.10、DT9.12/9.13處于失電狀態(tài)，則溢流壓力為高壓32 MPa，使得四缸下腔壓力保持在高壓狀態(tài)，以確保四缸位移處于最高位。

圖2 被動式四角調(diào)平系統(tǒng)液壓原理

(2)加壓工步時

活動梁下行至接近調(diào)平缸待機(jī)最高位時，壓機(jī)進(jìn)入加壓工步，液控單向閥8.1-8.4的控制信號DT9.2/9.5/9.8/9.11仍得電，繼續(xù)保持反向截止作用。調(diào)壓溢流閥6的控制信號DT9.3/DT9.6/DT9.9/DT9.12得電，則溢流壓力為中壓7 MPa，四缸下腔壓力維持在7 MPa。此后，活動梁四角與調(diào)平缸活塞桿接觸，并共同下行，下行速度由活動梁位置閉環(huán)控制，四缸下腔油液由調(diào)壓溢流閥6溢流。四缸在下行過程中進(jìn)行位置同步控制，常用同步策略方式有主從式[11-13]、等同式和交叉耦合式[14-16]。該設(shè)計系統(tǒng)使用主從最低缸同步控制策略，即四缸跟蹤最低的調(diào)平缸進(jìn)行位置同步控制。

主從最低缸同步控制過程為：比較四缸的位移信號，計算各缸與最低缸之間的同步偏差正值e1～e4，設(shè)定合理誤差判斷范圍為emax和emin，若i號缸(i=1，2，3，4)的同步偏差ei大于等于設(shè)定值emax時，說明活動梁平面在i號缸處向上傾斜過大，控制i號缸調(diào)壓溢流閥6對應(yīng)的控制信號DT9.4/DT9.7/DT9.10/DT9.13得電，使得i號缸的下腔溢流壓力從中壓7 MPa降低到低壓4 MPa，則活動梁平面將在i號缸與它對角缸共同作用的調(diào)平力矩下回到水平。隨著ei的減小，為防止i號缸過度調(diào)平，若同步偏差ei減小到設(shè)定值emin時，控制i號缸調(diào)壓溢流閥6對應(yīng)的控制信號DT9.4/DT9.7/DT9.10/DT9.13失電，i號缸的下腔溢流壓力又從4 MPa升至7 MPa，此后同步偏差ei又將會增大。如此反復(fù)，通過對調(diào)壓溢流閥6進(jìn)行高頻開關(guān)控制，實現(xiàn)四缸的同步調(diào)平控制。

(3)保壓和泄壓工步時

當(dāng)活動梁與調(diào)平缸下行至合模位后，主缸壓力開始上升，進(jìn)入限時保壓工步，保壓后進(jìn)入泄壓工步。在這2個工步下，液控單向閥8.1-8.4繼續(xù)保持反向截止作用，四缸調(diào)壓溢流閥的控制信號DT9.4/DT9.7/DT9.10/DT9.13都得電，四缸下腔保持在低壓4 MPa，使得調(diào)平缸能緊貼活動梁，保壓和泄壓時的同步精度主要由模具精度決定。

(4)開模工步時

泄壓后進(jìn)入開模工步，液控單向閥8.1-8.4的控制信號DT9.2/9.5/9.8/9.11失電，液控單向閥反向?qū)?，比例閥10給定BDT9.1正值模擬量，對應(yīng)圖示比例閥右位，使得調(diào)平缸下腔進(jìn)油，BDT9.1正值模擬量電壓值將決定調(diào)平缸的開模速度，而調(diào)平缸上腔油液經(jīng)由溢流閥2溢流回油箱。活動梁到達(dá)開模結(jié)束位時，開模結(jié)束，此后活動梁與四缸分離，并從開模末速度經(jīng)加速達(dá)到最大快升速度，而調(diào)平缸則回到“開模后至加壓工步之前”的狀態(tài)。

3 試機(jī)實測

設(shè)計的開關(guān)型被動式調(diào)平系統(tǒng)安裝于某公司HET4000D復(fù)合材料自動液壓機(jī)上，該型號壓機(jī)活動梁臺面尺寸為3 640 mm×2 600 mm，實際調(diào)平尺寸為4 280 mm×2 240 mm，如圖3所示。此外，壓制行程為70 mm，加壓速度可調(diào)范圍為1～60 mm/s，壓制力為40 MN，壓制工藝為LFT-D工藝。試驗時使用假模進(jìn)行壓制，四缸的同步判斷標(biāo)準(zhǔn)是以最低缸為目標(biāo)位移，在待機(jī)最高位各缸的絕對位移如表1所示，由于1號和3號缸同為最低缸，故兩者相對最低缸同步偏差為0，2號和4號缸相對于最低缸的同步偏差分別為0.265 mm和0.080 mm。

圖3 下梁工作臺面簡圖

表1 調(diào)平缸待機(jī)位絕對位移與同步偏差 單位：mm

在試驗機(jī)上實測的四缸同步偏差曲線如圖4和圖5所示。

圖4 全行程四缸同步位移偏差

圖5 加壓工步下四缸同步位移偏差

A階段：開模后至加壓工步之前。4個調(diào)平缸頂升至待機(jī)最高位，2號缸相對最低缸的同步偏差最大，在0.265～0.275 mm之間，1號缸和4號缸同步位移誤差接近0。

B階段：加壓工步。活動梁加壓下行速度設(shè)定為20 mm/s，此階段的同步位移偏差如圖5所示，加壓調(diào)平時間為2.4 s，整個調(diào)平階段的最大同步誤差控制在0.75 mm以下，合模前的調(diào)平穩(wěn)態(tài)誤差控制在0.25 mm附近，也即平行度為0.25/3.640=0.068 7 mm/m，滿足平行度≤0.1 mm/m的精度要求。表明設(shè)計的開關(guān)式被動式調(diào)平系統(tǒng)滿足預(yù)期效果。

C-D階段：保壓工步。保壓初期，主缸壓力仍然處于增大狀態(tài)，使得模具發(fā)生變形，四缸偏差有所增大。C階段的保壓時間設(shè)定為15 s，同步偏差從0.15 mm緩慢增大至0.21 mm。D階段為保壓倒計時5 s，隨后進(jìn)行同步開模。

E階段：泄壓工步。泄壓時主缸壓力從4×104kN逐步降低，模具逐漸恢復(fù)變形，此狀態(tài)下四缸同步偏差從0.2 mm減小到0.1 mm以下。

F階段：開模工步。在實際的模具中，初始開模階段的上下模還處于合模狀態(tài)，因而需以較小的開模速度確保較高的開模同步精度，圖4中開模同步精度控制在0.1 mm以下;開模后期上下模已分離，即上模已完全脫離制品表面，調(diào)平缸對活動梁將不存在同步控制要求，以較大開模速度上升，此時監(jiān)測的同步誤差在0.6 mm左右;開模末期，由于活動梁切換至快上工步，調(diào)平缸的負(fù)載突變?yōu)?，將造成四缸瞬間失衡，四缸同步誤差極大，最終到達(dá)待機(jī)最高位，同步誤差又回到0.265～0.275 mm之間，調(diào)平缸完成一個工作循環(huán)。

4 結(jié)論

采用三級壓力調(diào)節(jié)插裝式溢流閥取代多個伺服比例閥設(shè)計開關(guān)型被動式四角調(diào)平系統(tǒng)，并結(jié)合主從最低缸同步控制策略，可有效實現(xiàn)較高精度的同步控制，同時極大地降低了系統(tǒng)的硬件成本。將此系統(tǒng)應(yīng)用于HET4000D型號復(fù)合材料全自動液壓機(jī)上，測試過程運(yùn)行可靠，活動梁在20 mm/s的加壓速度下，四缸的同步誤差為0.25 mm，滿足同步控制精度要求，極大提高了中端復(fù)合材料壓機(jī)的產(chǎn)品競爭力。