引言

　　快速鍛造壓機具有速度快、鍛件精度高及自動化程度高等特點。快鍛回路控制系統(tǒng)是提高鍛造液壓機整體水平的關(guān)鍵。比例插裝閥控快鍛回路主要應(yīng)用大通徑比例插裝閥為控制元件，實現(xiàn)鍛造液壓系統(tǒng)的高壓、大流量液壓系統(tǒng)的快速無沖擊控制。

　　本文主要介紹了一種基于高頻響比例插裝閥的快鍛壓機液壓系統(tǒng)設(shè)計，并從控制角度，結(jié)合工程實踐，設(shè)計快速鍛造油壓機的自動控制系統(tǒng)。45 MN自由鍛造液壓機，如圖1所示，采用大流量定量泵和伺服變量泵直接傳動技術(shù)，主系統(tǒng)集成控制Atos高頻響比例插裝閥，使系統(tǒng)按預(yù)設(shè)壓力曲線泄壓，實現(xiàn)液壓機在規(guī)定條件下進行快速鍛造，鍛造工作速度達160 mm／s以上，精整鍛造頻次40次／min以上，縮短了作業(yè)時間，節(jié)約能源，提高效率和鍛件品質(zhì)，降低了功率損耗。鍛造尺寸精度控制采用了兩套絕對值編碼器實時檢測活動橫梁的行程和進行閉環(huán)控制，針對快速鍛造時連續(xù)鍛打的工作特點，采用智能調(diào)節(jié)器自動補償活動橫梁的位移，使熱態(tài)精整鍛造時的精度得到控制。

圖1壓機本體

1 液壓系統(tǒng)工作原理

　　1.1 液壓系統(tǒng)工況分析與主要技術(shù)參數(shù)
　　45 MN自由鍛造液壓機系統(tǒng)壓力31．5 MPa，快鍛壓下量10 mm，回程30 mm，快鍛頻次達到83次／min。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2液壓系統(tǒng)簡圖

　　常鍛工作順序：壓機快下靠自重，主側(cè)缸快鍛閥打開，回程缸快鍛閥打開連通主油箱，滑塊快速下降；同時，由于負(fù)壓充液閥快速打開，向主側(cè)缸補液。當(dāng)上砧接觸到工件后，轉(zhuǎn)加壓，液壓泵排出的壓力油經(jīng)進油閥Y9進主管道、主缸進油閥Y7和側(cè)缸進油閥Y6進人主缸和側(cè)缸，主缸上腔壓力升高，充液閥自動關(guān)閉；當(dāng)壓下至鍛件設(shè)定尺寸時，液壓泵組卸荷，同時主側(cè)缸高壓油卸荷，管道卸荷，這里采用PLC控制比例插裝閥即快鍛閥打開時間，以保證卸荷的穩(wěn)定。系統(tǒng)卸荷完畢后，主泵投入系統(tǒng)重新建壓，壓力油經(jīng)回程缸進油閥進入回程缸，主側(cè)缸充液閥打開，快鍛閥打開，主側(cè)缸與上油箱相通，滑塊上升，上升到位，一次鍛造結(jié)束。

　　快速鍛造的工作順序是：油泵組排出壓力油進入主側(cè)缸，推動滑塊快速下降進行鍛造，同時將回程缸內(nèi)油壓人蓄能器內(nèi)，當(dāng)壓下至設(shè)定壓下量時，泵頭閥卸荷，快鍛閥卸荷，同時，隨著主側(cè)缸壓力的降低，蓄能器中油壓推動回程缸迅速上升，當(dāng)回程至設(shè)定值后，進入下一次鍛造。

　　1.2 高頻響比例插裝閥的選擇

　　為了滿足高壓、大流量的鍛造液壓系統(tǒng)，采用了Atos的LIQZO-L*型高頻響二通比例插裝閥，如圖3所示。此閥與內(nèi)置式電子放大器協(xié)同工作，放大器向比例閥提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動電流，以控制閥口大小實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，使之與供給放大器的輸入信號相對應(yīng)，其流量調(diào)節(jié)曲線如圖4所示。閥芯是由一個高性能比例方向閥驅(qū)動，并通過主閥位移傳感器和先導(dǎo)閥位移傳感器形成雙閉環(huán)控制，在系統(tǒng)卸荷時，比例插裝閥能在極短的時間內(nèi)平穩(wěn)快速開啟，使管道內(nèi)的液流平穩(wěn)過渡，而無液壓沖擊，提高鍛造頻次，從而實現(xiàn)主閥芯高精度控制并獲得高的動態(tài)性能。

圖3 LIQZO-L*型二通比例流量插裝閥

圖4流量調(diào)節(jié)曲線

2 電氣自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　快速鍛造壓機的電氣控制系統(tǒng)由上位機(IPC)和控制器(PLC)兩級控制構(gòu)成。系統(tǒng)的PLC采用S7-400系列產(chǎn)品，軟件為STEP7模塊化編程。網(wǎng)絡(luò)由1個主站、10個分布式從站和PROIBUS DP網(wǎng)線構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 PLC網(wǎng)絡(luò)圖

　　2.1 主站

　　主站以$7400系列產(chǎn)品為核心，包括電源模板、中央處理單元和基板。CPU為416-2DP，程序存儲容量大，運算速度高。

　　2.2 分布式從站

　　分布式從站按照就近原則同電氣元件及電磁閥、按鈕、接近開關(guān)、壓力繼電器、壓力傳感器、溫度傳感器、編碼器、比例閥控制閥連接，主站和從站經(jīng)過總線系統(tǒng)的通訊，通過可編程控制器的程序存取。

3 控制程序設(shè)計

　　快速自由鍛造液壓機的主要特點是速度快及鍛造精度高，為了滿足要求，必須采取相應(yīng)的控制策略。

　　3.1 編程要求

　　第一，為了使系統(tǒng)泄壓平穩(wěn)，減少振動，快鍛閥要求先慢后快的開啟速度平滑動作，這樣減小系統(tǒng)的沖擊和振動，所以要求程序是周期循環(huán)調(diào)用的；第二，精度要求，準(zhǔn)確地計算滑塊減速距離修正值，實現(xiàn)目標(biāo)下停點與實際下停位置的差值±l mm的控制精度。

　　3.2 程序設(shè)計

　　快鍛過程控制是閉環(huán)控制，包括位置控制器和伺服控制器，如圖6所示，調(diào)用的循環(huán)掃描周期為2 ms，完全滿足快速鍛造液壓機的快速性要求。控制誤差的產(chǎn)生主要是由液壓電磁閥的動作精度及鍛造時負(fù)載的不均勻變化引起，如何計算滑塊減速距離修正值是實現(xiàn)高精度的關(guān)鍵。在實際控制中，采用誤差反饋補償?shù)姆椒▉硇拚乱淮?n+1)程序修正值。具體表達式如下：

　　修正值(n+1)=修正值(n)-X(n)×修正因子其中，X(n)為實際鍛造最低位置與目標(biāo)下停點位置的差值。這樣通過不斷累加，使誤差逐步減小，最終達到精度要求。

圖6 STEP7控制程序

4 結(jié)論

　　該液壓控制系統(tǒng)已在45 MN快速鍛造液壓機中得以應(yīng)用。從2011年初試車聯(lián)調(diào)運行至今，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制精確，滿足工藝要求。該項控制技術(shù)充分發(fā)揮了液電合一功能，使系統(tǒng)更穩(wěn)定、更快速，可以應(yīng)用于不同規(guī)格快速鍛造液壓機中高頻響比例閥的控制研究。