預彎機升級改造技術路線與策略

陳鴻，王東明

（1.天水鍛壓機床（集團）有限公司，甘肅 天水 741020；2.甘肅省制管裝備自動化及信息化重點實驗室，甘肅 天水 741020）

0 引言

預彎機是20 年前技術引進、消化吸收的國產化設備，盡管預彎機在制管廠服役了20 多年，但是在使用過程中出現過許多問題。多數預彎機用戶針對使用工藝、部件結構、壓料梁連接方式、液壓系統、控制系等都做過不同程度的研究和改進，有些已經付諸實施，效果比較理想。有一些研究成果，以專利、學術論文的形式發(fā)表，學術觀點有較高的參考價值?？傊A彎機在業(yè)內同行的共同努力下，經受住了時間的檢驗，同時，為我國培養(yǎng)了預彎機制造、使用和維修等方面具有豐富經驗的專業(yè)人才隊伍。

作為我國第一代預彎機生產企業(yè)和主管預彎機控制系統設計的技術人員，有責任和義務對預彎機進行全面、系統的反思。在數字經濟時代應用自動化、信息化、智能化手段，提出預彎機升級改造的技術路線、策略和具體方案。

1 機械類問題分析及升級改造策略

1.1 活塞桿與提升環(huán)斷裂問題

預彎機在生產線實際生產中經常發(fā)生提升環(huán)斷裂和提升缸缸桿斷裂問題，嚴重影響了整條生產線的生產效率[1]。改進預彎機的活塞與下模梁連接方式，活塞頭與活塞桿做成分體式，提升環(huán)的連接為整體式結構，增加油缸偏載的間隙余量，避免螺釘斷裂，消除應力，增加可靠性和可維修性[2]。

1.1.1 原因分析

預彎機回程缸活塞桿靠螺栓連接在下模梁上，提升環(huán)與活塞桿端部的間隙為2.5mm。工作時下模梁與油缸工作時發(fā)生位移的方向和距離不一致，最大位移量超出了提升環(huán)間隙的設計值，導致提升環(huán)連接螺栓干涉產生剪切力，頻繁斷裂[3]。

1.1.2 升級改造策略

間隙變大可以解決活塞桿提升環(huán)損壞，但是不能從根本上解決螺釘松動問題。最關鍵的解決辦法就是提高Y1、Y2 軸全行程（上行、預彎、保壓、卸壓、返程）同步控制精度，從根本上解決此類問題的發(fā)生。具體方案詳見本文3.2.3 節(jié)論述。

1.2 壓料梁偏斜、壓不緊板料問題

1.2.1 原因分析

壓料梁上行是依靠蓄能器壓力被動跟隨下模梁上行，在預彎時油泵提供壓力完成壓料。壓料梁下行時，被下模梁壓下，液壓油反沖液到蓄能器?？焖傧滦袝r主油缸下腔壓力并不是完全為零，下模梁下行時，會受到兩個主油缸的偏載反作用力，致使下模梁速度不穩(wěn)定，加劇了個回程油缸不同步，進而導致回程缸活塞桿受力嚴重失衡，活塞桿因受力過大被拉斷。夾緊梁在夾緊和保壓過程中，由于控制閥內泄導致夾緊缸內壓力下降，使夾緊梁不能可靠夾緊鋼板，從而引起彎邊過程中鋼板翹起和橫移[4]。

在實際使用過程中，由于蓄能器需要根據壓力檢測進行隨時補液，控制環(huán)節(jié)較多，壓力機繼電器的可靠性和蓄能器性能影響壓料梁壓力波動。蓄能器壓力過高，壓料梁返程時需要增大壓力，機械沖擊噪聲增大的同時對主油缸、壓料梁、返程缸之間連接機構引起沖擊。對有間隙的機械結構長期、反復沖擊，會引起連接螺釘松動、脫落、失效斷裂、甚至是油缸頭開裂、斷裂等現象的發(fā)生。如果蓄能器壓力過低，壓料梁上升緩慢，不容易壓緊鋼板，就會影響預彎質量。

1.2.2 改造升級策略

壓料梁和下模梁分開控制。壓料梁單獨控制，將壓料梁油缸由原來柱塞缸改用活塞缸，壓料梁下行由原來被下模梁壓下，改為液壓控制下行。

1.2.3 壓料梁和下模梁分開控制的優(yōu)點

（1）避免了因壓料梁控制閥、蓄能器等故障，壓料梁油缸壓力異常時，與下模梁主缸壓下力相互作用，引起下模梁連接螺絲松動或斷裂現象的發(fā)生。

（2）主油缸帶動下模梁下行時只是克服回油阻力，不會在高速下行過程當中，因為壓料梁的阻擋而產生壓力突變，導致下模梁主油缸液壓系統沖擊。根除了下模梁與壓料梁之間的機械撞擊噪聲。

（3）預彎過程分時、分步控制。預彎上行時壓料梁先上行，鋼板隨動上行，延時后下模梁上行。預彎結束后下模梁先卸壓下行，延時后壓料梁卸壓下行，鋼板隨動下行。這樣，能有效解決機械、液壓、鋼板沖擊疊加現象，改善機床振動和工作噪聲。

（4）下模梁主油缸在預彎不同直徑和壁厚的鋼板時，下模梁停留在鋼板能夠通過的位置。按照下模梁最大行程為160mm，預彎速度10mm/s，返程速度30mm/s 計算，下模梁一次循環(huán)極限時間為24s。以壓制管徑711mm×16mm，材料X70 規(guī)格為例，此時下模梁行程54mm，下模梁一次循時間為10s。因此下模梁和壓料梁分開控制，可減少下模梁行程，提高預彎效率。

1.3 下模梁全程單一速度策略

1.3.1 快慢速切換問題

以單機24000kN 預彎機為例，壓料梁原設計行程140mm，下模梁行程300mm，下模梁預彎行程160mm，下模梁快速105mm/s，慢速預彎15mm/s。按照快速105mm/s 計算，壓料時間需要1.3s，實際測量為3s，平均速度只有40mm/s，原因如下。

（1）由于壓料梁行程太短，實際運行中壓料梁根本達不到設計的最高速，因為加速過程還沒有達到最大速度，壓料梁已經接近了目標值，系統立即減速，切換為慢速預彎工況。

（2）液壓系統快速105mm/s 時，充液閥通徑選擇為DN200，控制系統快、慢速切換及M1、M2 機之間相互等待，引起液壓系統頻繁切換。大通徑充液閥瞬間打開或關閉會引起液壓系統沖擊，需要充液閥控制回路的阻尼與延時配合，使充液閥打開和關閉的過渡過程平緩。所以在預彎機中由于快速行程太短，采用快、慢速切換方案，實際應用效果不理想。

1.3.2 下模梁全程單一速度優(yōu)點

①消除由于快慢速切換引起的系統沖擊；②可以取消充液閥，液壓系統和控制系統變得更加簡單、可靠。

1.4 前后托料輥道與壓料梁不同步問題

在預彎薄壁大直徑鋼管時，由于前后托料與壓料梁不同步，使預彎尺寸誤差偏大，形成破浪、壓痕等。

1.4.1 原因分析

①由于不同規(guī)格鋼板重量不同，傳統節(jié)流調速性能不穩(wěn)定，節(jié)流閥阻尼系數隨溫度變化范圍變小，系統穩(wěn)定性降低。節(jié)流閥沒有壓力及溫度補償裝置，不能自動補償負載及油粘度變化時所造成的速度不穩(wěn)定[5]；②原數控系統Y 軸數據不開放，控制系統無法完成前、后托料的隨動控制，因此得不到理想的托料效果。

1.4.2 升級改造策略

參見3.2.3 節(jié)論述。

2 液壓類問題分析及升級改造策略

2.1 液壓系統普通電機+定量泵控制模式

原設計無論是1250t 或2400t 預彎機，選用了一種恒速、恒壓油泵電機組控制模式，設計計算按照最大噸位和最高工作速度配置，既要保證預彎力也要保證預彎速度，電機功率和油泵排量比較富裕，在實際使用中表現為功率、流量匹配度不高，發(fā)熱嚴重。以2400t 預彎機為例，將主油泵原來排量250ml/r 的定量泵，電機200kW，變?yōu)?80ml 變量泵，電機功率160kW，改造后油溫下降5～10℃，完成一張鋼板預彎時間270s，滿足生產線節(jié)拍[6]。

2.1.1 原因分析

原預彎機控制系統屬于閥控系統，在普通電機+定量泵控制模式下，油泵輸出的流量是一定值，如果負載速度發(fā)生變化，一部分流量從主溢流閥溢流，產生溢流損耗。由于用比例方向閥控制系統速度，產生節(jié)流效應和節(jié)流損耗。系統的流量、壓力不跟隨負載的變化而變化，系統負載流量和壓力與動力源所提供的難以實時匹配，因此會存在較大的溢流和節(jié)流損失，導致系統發(fā)熱量大、能源利用率低[7]。

2.1.2 升級改造策略

（1）策略一：采用伺服電機+定量泵控制模式。由伺服驅動器根據下模梁位置和工況，通過控制伺服電機轉速和轉矩，控制油泵轉速與壓力，達到控制系統流量和壓力的目的，實現液壓系統流量、壓力隨負載變化而變化的控制策略。

當然，伺服電機+定量泵+比例方向閥控制模式，能更精確控制下模梁的加、減速斜率和速度，使整個預彎過程更加流暢，系統沖擊減小、工作穩(wěn)定可靠。

（2）策略二：液壓系統采用負載敏感（Load Sensing）液壓泵。該泵可以同時感知液壓系統流量、壓力的變化，并根據流量、壓力的變化自動調節(jié)柱塞泵輸出的流量與壓力，達到根據負載變化調整速度與壓力的目的。負載敏感液壓泵的LS 口感知預彎主缸無桿腔的負載壓力，根據負載壓力自動調節(jié)輸出流量工進預彎，位移傳感器檢測鋼板接近上模梁時，控制單元通過比例換向閥調整預彎主缸至工進速度，負載壓力升高，負載敏感液壓泵的輸出流量減小，保壓成形，負載敏感液壓泵輸出預設流量補充內泄壓降[7]。

3 電氣類問題分析及升級改造策略

3.1 原系統控制策略

3.1.1 預彎機控制系統

該系統控制預彎機下模梁同步運行及最終預彎，通過DNC60（或DAC51）數控系統進行控制。1 臺DNC60（或DAC51）數控系統能同時控制2 組Y1、Y2電液比例閉環(huán)軸，控制1 組電液比例壓力閥。系統選用西門子S7315-2DP 作為預彎邊機組的主站、對整機實現統一協調控制。選擇ET200M 作為 DNC60數控系統與主站交換I/O 控制信號的接口模塊[8]。由于數控系統數據不開放，數控系統與PLC 之間只沒有數據通信，只有I/O 開關量的信號交換，系統集成性不高。

3.1.2 原M1、M2 機同步控制策略

M1、M2 機的Y1、Y2 軸通過兩臺數控系統分別控制，單臺數控系統控制Y1、Y2 軸的速度同步及預彎最終位置[9]。由于是折彎機專用數控系統應用在預彎機控制中，其適應性與性能匹配度不高，兩臺數控系統之間通過下模梁下止點，上止點，夾緊點之間的I/O 信號鏈接。M1、M2 機之間沒有同步控制，在預彎過程中速度快的主機先到夾緊點停止，等待速度慢的主機，然后同時預彎（M1、M2 機不是同步預彎），預彎結束后在上止點同時下行（M1、M2 機不是同步下行）。在大通徑、大流量、短行程液壓系統運行中頻繁啟、停，使液壓系統同步可控制性變差。

3.1.3 數控系統

按照折彎機思路，在預彎機使用過程中Y1、Y2軸沒有反映出預彎模具的實際位置值，而是采用試驗的辦法獲取Y1、Y2 軸的相對位置值，不能直觀反映預彎機下模的實際位置值，造成預彎機操作與維修不方便。

3.2 新系統升級改造策略

3.2.1 在TIA 博途平臺下全集成PLC+HMI

TIA 博途（Totally Integrated Automation Portal）為全集成自動化的實現提供了通用的工程平臺。使用一個共享數據庫，以一致的數據管理、通用的工業(yè)通訊、集成的工業(yè)信息安全和功能安全為基礎，貫穿項目規(guī)劃、工程研發(fā)、生產運行到服務升級的各個工程階段[10]。S7-1500T 控制器、HMI 人機界面、伺服驅動、液壓控制功能庫等已經無縫集成到TIA博途平臺上，使組態(tài)、編程和使用新功能更加方便、快捷。將預彎機控制數據、工藝數據、工單管理數據、信息化系統數據無縫集成，實時交互變?yōu)榱丝赡堋?/p>

3.2.2 HMI 控制策略

在HMI 人機界面上根據鋼管厚度、直徑、材質等參數，系統自動選擇上、下模具號、自動計算下模位置值并自動調整下模位置，自動計算機架開口位置，并自動調整機架開口，實現自動換規(guī)格。

HMI 人機界面上設置和顯示主機速度、送料輥道線速度，送料參考點與下模前后過渡段之間的距離等參數。顯示故障代碼、錯誤提示。實時顯示比例閥開口位置，油缸主壓力、速度，實施顯示Y1、Y2 軸同步控制曲線。儲存和調用鋼管工單，通過以太網接受和傳輸工單參數。

3.2.3 PLC 控制策略

預彎機自動控制最佳模式應該是：壓力控制+位置控制，具體技術方案如下。

（1）同步軸控制。先配置一個Y0 軸作為虛擬軸（非物理實軸）為引導軸，M1 機的Y1、Y2 軸和M2機的Y1、Y2 軸跟隨Y0 軸運動。在預彎上行與下行時進入速度閉環(huán)同步控制模式，預彎與保壓階段，伺服電機進入轉矩控制，主機進入壓力閉環(huán)控制模式。

將前、后托料配置為兩個數控軸，增加檢測傳感器。以壓料梁實際運行速度為引導軸，前、后托料為跟隨軸，進行速度閉環(huán)同步控制，實現壓料梁與前、后托料同步。

（2）S7-1500T 控制器能單獨為每一個比例方向閥測試性能補償曲線，在設備長期使用后，每個比例閥性能會發(fā)生變化，系統會按照實際油缸運行軌跡，通過內部控制算法，計算出比例方向閥補償曲線。補償曲線參與前饋控制過程，保障了液壓系統長期使用的控制精度。

（3）虛擬調試與液壓系統仿真，使用PLCSIM Advanced 作為仿真平臺，將編寫的PLC 程序下載到PLCSIM Advanced 仿真平臺中，液壓軸的仿真可以通過激活軸仿真功能[11]，進行動態(tài)仿真，檢驗軟、硬件組態(tài)與配置、PLC 用戶自定義變量、HMI 變量等正確性。在系統設計過程中進行系統仿真，模擬系統實際同步運行曲線，為優(yōu)化控制系統參數提供數據指導，使控制系統更加精準。

（4）預留車間信息化系統接口，開放制管廠信息化系統所需要的各類數據。HMI 和PLC 是MES（制造執(zhí)行系統）的基礎設備，是制造技術與互聯網技術融合的關鍵節(jié)點，在HMI 和PLC 的智能化、可編程性上深入挖掘數據[12]，對制管企業(yè)信息管理系統升級，提升企業(yè)信息化管理水平具有現實意義。實現PLC 系統和人機界面的遠程下載、上傳、監(jiān)控等遠程服務，實現設備狀態(tài)的遠程監(jiān)控、故障診斷及預警，保障設備穩(wěn)定運行，最大限度縮短故障處理時間。

4 結束語

通過走訪國內制管企業(yè)，現場實地考察，收集、整理，借鑒預彎機在制造、使用、維修方面的經驗和教訓，結合同行近年來的研究成果，將問題歸類、整理、列出問題清單，分析問題，提出了上述預彎機升級改造技術路線、策略和實施方案。相信在同行的共同努力下，我國預彎機綜合技術水平將會有更大提升。