研配液壓機精密行程控制研究

沈兆奎，胡曉祥，邢玉龍

(天津理工大學 機械工程學院 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384)

研配液壓機精密行程控制研究

沈兆奎，胡曉祥，邢玉龍

(天津理工大學 機械工程學院 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384)

針對研配液壓機行程分辨率低、位置調節能力不足的缺點，結合已有的“驅動單元”專利技術，提出了一種通過“驅動單元”和PLC控制器對研配液壓機行程精密控制的新方案，并對其進行分析。應用該方案進行步進式位移實驗，利用光柵傳感器進行位移信號檢測。通過具體的實驗數據分析，最終驗證了該方案是能夠實現對研配液壓機行程的精確控制。

研配液壓機；行程控制；精度；驅動單元；PLC控制器

0 前言

研配液壓機主要應用在汽車、飛機、拖拉機、家電等行業中，用于模具制作后期和模具維修中的研配工藝過程[1-3]。由于模具質量的好壞直接決定著企業制造出來的產品質量及企業在市場中的競爭力，因此企業對于提高模具質量的技術十分重視[4]。由于模具在使用一段時間后，其精度隨著磨損而下降。因此為了保證模具的精度，必須通過研配液壓機對模具重新進行研配，以提高其精度[5]。目前，在傳統研配液壓機中，行程控制系統絕大部分采用開關閥(節流閥、換向閥、溢流閥)控制液壓油流量。由于采用的是開關量控制,同時主液壓缸油液流量大,導致不能精確控制研配液壓機上活動橫梁的行程。由于活動橫梁的行程精度直接影響著模具研配后的精度。因此，對于研配液壓機精密行程控制的研究，就具有十分重要的意義了。

1 精密行程控制方案

精密行程控制方案如圖1所示。本文結合液壓缸精密行程驅動單元專利技術[6]，研制出了液壓缸精密行程驅動單元樣機，驅動單元樣機如圖2所示。當主液壓缸快進下行到接近目標位置時，關閉主液壓缸油路，主液壓缸停止移動。由光柵傳感器對當前主液壓缸活塞位置檢測，并將檢測所獲取到的數據與計算機中設定的目標位置數據進行比較，得到位移差值，利用“模糊指數”算得主液壓缸所需油液量的“當量數值”。PLC控制器根據“當量數值”發出脈沖信號，控制樣機上的步進電機做定距離轉動。再由步進電機驅動螺母絲杠，實現對驅動單元樣機(圖2)上的副油缸工作容積的定量調節，并通過副油缸向主液壓缸壓入(抽出)油液，驅動主液壓缸移動。在主液壓缸完成移動時，光柵傳感器再次檢測主液壓缸活塞停止位置并作進一步的閉環調整,最終完成對主液壓缸行程的精密控制。

圖1 精密行程控制方案Fig.1 Scheme of precision stroke control

圖2 驅動單元樣機Fig.2 Drive unit prototype aeroplane

2 液壓缸精密行程驅動單元

2.1 驅動單元結構與工作原理

液壓缸精密驅動單元結構，如圖3所示。在圖3中，驅動單元上的油口2與主液壓缸油口相連接，當主液壓缸內的壓力穩定后，PLC控制器根據預先設定的程序向步進電機發出脈沖指令[7]。由步進電機驅動器控制步進電機6的轉動，步進電機通過減速器5達到降低速度增加轉矩的目的，而與減速器5相連接的單級齒輪減速器4是由齒輪軸和絲杠螺母齒輪組成，進一步降低速度增加轉矩。同時，通過絲杠螺母齒輪的外齒輪部分與齒輪軸嚙合，把齒輪的旋轉運動轉化成絲杠3的直線運動，絲杠帶動柱塞桿向左或向右平穩移動，完成向主液壓缸壓入油液或從主液壓缸抽出油液[8-9]。

1.柱塞式液壓缸 2.液壓油口3.梯形齒螺紋絲杠 4.單級齒輪減速器 5.減速器 6.步進電機圖3 液壓缸精密驅動單元結構示意圖Fig.3 Structure schematic of drive unit

2.2 驅動單元控制的技術關鍵

為了實現驅動單元對壓入或吸出液壓油流量的精確控制，需要通過安裝在執行機構上的光柵傳感器獲取控制點(目標位置)、啟動點(活塞位置)及原點的位置數據；將啟動點與控制點之間位置數據的差別換算為液壓油在主液壓缸內體積的差別量；而驅動單元利用“模糊指數”算得“當量數值”并據此向主液壓缸壓入或從主液壓缸吸出主液壓缸內體積的差別量[10]。

3 液壓缸精密行程驅動單元驅動單元控制部分

3.1 驅動單元控制部分硬件的選型

驅動單元控制部分選擇的PLC型號為西門子S7-200系列CPU 224XP，驅 動 器 為 SH-20806N-DA。電機型號為86BYG250BN二相混合步進電機，步距角為0.9°/1.8°，編程軟件采用的是西門子 STEP 7-Micro /WIN，電源為HS-25-24V2A電機電源，SK2壓力傳感器。

3.2 步進電機速度控制

根據步進式位移實驗要求，主液壓缸單次移動的控制行程為0.05 mm。主液壓缸內徑D=90 mm，柱塞桿直徑d=45 mm，輔助油缸柱塞直徑d1=20 mm，螺距p=4 mm，則主液壓缸移動位移S=0.05 mm，所需要的油液體積V為

輔助油缸柱塞移動位移s=200mm，抽取油液的體積v為

絲杠旋轉一周移動一個螺距p=4mm，所以絲杠旋轉一周抽取的油液體積v1為

驅動單元輔助油缸抽取油液體積V所需轉的圈數n為

由齒輪減速器的傳動比為41:9得步進電機轉的圈數n1為

故步進電機所需要的脈沖數N為

N=n1×5000=4330

為了提高控制精度，結合自適應模糊的基本理論，實驗模糊推理部分控制邏輯為：首先通過PLC控制器給步進電機發送2165個脈沖，則理論上主液壓缸下行的距離為0.025mm，利用光柵位移傳感器檢測到主液壓缸所走的實際的位移量為 ,則為了實現最終走0.05mm的位移，PLC控制器第二次給步進電機發送的脈沖數N2為

4 實驗驗證與分析

圖4為本次實驗工作臺。圖5為實驗所用到的液壓試驗臺，用于模擬液壓缸在研配液壓機中的工作狀態。如圖6所示，為步進式位移實驗液壓原理圖。該試驗過程如下：給電磁換向閥4通電讓其處于左位工作，同時電磁換向閥3也處于左位工作，液壓泵輸出的油液進入主液壓缸上腔，主液壓缸活塞快速下行(模擬研配液壓機活動橫梁的快進動作)。達到某點后，電磁換向閥3斷電，利用液控單向閥2的反向封閉功能使主液壓缸下腔油液不能排出、壓力升高。此時，電磁換向閥4依然處于左位工作，油泵繼續向主液壓缸上腔供油，供油壓力(模擬研配液壓機工作時壓機活動橫梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的壓力)可通過溢流閥5調定。同時啟動驅動單元步進電機驅動輔助油缸向主液壓缸供油，使主液壓缸活塞步進下行(模擬研配液壓機活動橫梁的慢速接近動作)。控制器通過光柵位移傳感器檢測并獲取主液壓缸活塞下行位移數據，實驗中設定的主液壓缸活塞每次下行位移量為0.05mm。

圖4 實驗工作臺Fig.4 Experimental bench

圖5 液壓試驗臺Fig.5 Hydraulic experimental platform

試驗測得位移曲線見圖7。在圖7中，實驗曲線上每個水平線段部分為主液壓缸活塞停止狀態的記錄，兩個水平線段部分間的曲線為主液壓缸活塞下行移動的數據記錄。其中，步進式位移實驗的控制過程為：每按一次啟動按鈕，控制器控制主液壓缸活塞移動0.05 mm,但按動啟動按鈕的動作是由人工完成的，其動作間隔時間并未刻意設定，因此主液壓缸活塞停止狀態的水平線段部分間隔時間差異較大。

圖7為17次連續下行記錄，通過對所獲取的數據分析發現，大部分位移誤差都在5 μm以內，但有三處誤差達到了10 μm。因此，實驗表明采用液壓缸精密行程驅動單元控制的主液壓缸作步進移動，其每步行程可達到0.05 mm，行程精度約為10 μm。

1.主液壓缸 2.液控單向閥 3.兩位四通電磁換向閥 4.三位四通電磁換向閥 5.溢流閥圖6 液壓實驗原理圖Fig.6 Principle diagram of the hydraulic pressure test

圖7 實驗數據圖Fig.7 Data chart of the experiment

本實驗采用液壓泵的供油壓力模擬研配液壓 機工作時壓機活動橫梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的壓力，由于液壓泵的供油存在壓力波動導致控制精度有所降低。壓機工作中壓機活動橫梁及模具上腔重量作用在油缸中形成的壓力為一穩定數值，因此采用本控制方案有可能獲得更高的行程控制精度。

5 結論

本文行程精度控制方案能夠實現對研配液壓機行程的精確控制。相比于采用比例閥及伺服閥控制的研配液壓機來說，其控制精度高、成本較低、控制簡單、通用性強且對環境要求不高。

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[10]沈兆奎,劉艷玲,陳廣來. 液壓缸精密行程智能驅動方法及其外部驅動單元[P]. 天津：CN101451560,2009-06-10.

Study of precision stroke control for die spotting hydraulic press

SHEN Zhao-kui, HU Xiao-xiang, XING Yu-long

(Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System,Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Die spotting hydraulic press has a low stroke resolution and inadequate position adjustment capability, a new solution was proposed, according to the existing “Drive Unit” patented technology, to precisely control stroke for die spotting hydraulic press. This solution was applying to conduct step type displacement experiment. Grating sensor was utilizing to conduct displacement signal detection. It showed that this solution can accomplish to precisely control stroke for die spotting hydraulic press by analyzing detail data.

die spotting hydraulic press; stroke control; precision; drive unit；PLC controller

2015-09-08；

2015-09-26

沈兆奎(1959-)，男，天津理工大學教授，主要研究方向為液壓傳動與控制。

TP273

A

1001-196X(2016)02-0042-04