伺服油壓機高效生產線電液系統研究與設計

駱桂林，嵇寬斌，喬禮惠，劉艷雄，徐志成

（1.江蘇國力鍛壓機床有限公司，江蘇 揚州 225009；2.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

1 引言

油壓機是一種重要的成形加工機床，它以抗磨液壓油作為工作介質傳遞能量來實現各種加工工藝，廣泛應用于汽車、家電、航空航天、造船、核電等金屬及非金屬制造領域，在整個機床行業中所占份額逐年提升。與機械壓力機相比，油壓機具有如下優點：①滑塊行程在一定范圍內任意可調；②在任意行程位置均可產生額定的最大壓力；③滑塊下限位可方便地根據工藝要求進行調整控制；④滑塊可在下限位長時間保壓。然而，油壓機同時也存在工作行程速度較慢，每分鐘工作循環次數不易提高等缺點。特別是在自動化生產線上，很多客戶在選擇機床設備時為提高生產效率情愿增加投資成本采購機械壓力機或多工位壓力機也不愿意采購油壓機。

針對上述油壓機生產線存在的問題，本公司近年來通過與武漢理工大學產學研合作，對電液伺服系統進行了深入研究，開發了高效穩定的伺服油壓機生產線技術，并成功應用于湖北某專業生產壓縮機罩殼的企業。該公司以前自動化生產線是采用四臺四柱式油壓機配合橫桿式機械臂實現自動化生產，效率為5～6spm。近年來面對市場的競爭，該客戶尋求提高生產效率，擬把生產效率提升到8spm以上。根據此信息，有兩種方案可選：方案一采用多工位機械壓力機進行生產，生產效率可達到10～12spm，但機床、自動化成本在500萬人民幣左右；方案二采用四臺伺服泵控整體框架油壓機組成高效生產線，液壓系統采用經武漢理工大學分析、研究、優化后的插裝閥系統，經模擬仿真測算生產效率可達到10spm，這也是開關量插裝閥系統油壓機高效生產的極限挑戰。當時預算機床、自動化成本在300萬人民幣左右，客戶經綜合考慮后選用了公司提出的方案二。

本論文重點介紹了伺服控制系統、液壓系統、電控系統以及關鍵液壓元件的設計，對于高效、節能油壓機生產線的設計具有實際指導意義。

2 生產線組成

此條生產線由4臺伺服泵控框架式油壓機、橫桿式自動化線、圓盤式自動上料機構以及模具組成。第一臺是200t油壓機進行初拉伸工藝，拉伸深度125mm，后面緊跟一臺160t油壓機作為臺階拉伸及擴口工藝，第三臺為250t油壓機進行旋切加工，最后一臺160t油壓機進行側沖、整形工藝，通過圓盤式自動上料機構與橫桿式自動化線配合實現壓縮機罩殼的自動化生產，整條生產線的布局如圖1所示，總噸位為 770t。

2.1 伺服控制系統

此條生產線的生產效率高，自動化線選用的是橫桿式機械臂，因此四臺油壓機的運行速度、沖壓效率要基本同步，這就要求各臺油壓機的工作速度可調。伺服泵控技術具有高響應、無極調速等特點，當系統需要的流量發生變化時，伺服電機的轉速可跟隨流量指令的大小而實時快速改變，從而使得油泵的輸出流量發生變化，進而實現整條生產線同步控制，不會出現等待現象。為滿足上述要求，通常做法是通過加大電機功率驅動更大排量的泵作為動力源，但這在提高效率的同時會導致用電量的劇增。

于是，我們通過理論計算與伺服電機兩倍過載能力檢測，最終確定了伺服電機扭矩以及驅動的齒輪泵排量。在機床調試過程中，通過ESVIEW軟件實時讀取并分析伺服驅動器上傳的數據，采樣圖形如圖2所示。通過對電流、轉矩、壓力檢測曲線不斷比對分析，找到了最佳的速度環、壓力環參數設置。同時充分運用兩倍過載率特點，確保伺服泵在運行中不過載的同時又降低電機功率，做到了最優的節能配置。

2.2 液壓系統

本文中高效機床是在普通機床的基礎上進行性能提升。液壓系統也是采用開關量插裝閥系統，通過控制電磁閥的開關動作實現油壓機滑塊的上下動作。本項目首先根據沖壓頻次針對250t的油壓機設計了滑塊行程和滑塊速度運行曲線，如圖3所示。

原有液壓系統快下與工進轉換電磁閥采用的是三位四通電磁閥，通過仿真模擬后發現存在轉換中間位停頓沖擊現象，因此換用3個二位四通電磁閥。在上腔卸壓時增加了單獨卸壓閥塊，先通過卸壓閥進行卸壓，待上腔壓力低于一定數值后打開充液閥，減小了卸壓沖擊。對新設計的液壓系統采用專業的液壓系統仿真軟件進行了仿真分析。仿真得到的滑塊位移-速度變化曲線，主缸無桿腔-有桿腔壓力及負載力變化曲線，電機轉速及雙泵輸出流量與壓力曲線分別如圖4、圖5、圖6所示。

從仿真結果看出滑塊快速下降階段總時間為0.55s，滑塊速度呈逐漸上升趨勢，在0.2s左右到達穩定，滑塊速度最快可達近700mm/s。在0.4s左右，滑塊進入減速階段，此時速度約為600mm/s。滑塊下降階段，電機轉速維持在2000r/min，雙泵的輸出流量為350l/min，輸出壓力較小為2～3bar。主缸無桿腔壓力較小，而有桿腔背壓較大為15bar。總體可以看出快下階段滑塊速度比預設計要快，整個過程較平穩。

由快下階段轉入工進階段時，滑塊速度在0mm/s附近波動，導致滑塊上下抖動。但由于電機的轉速高達3000r/min，無桿腔壓力上升較快，因此其卡頓現象要比原有系統要小。外輸入負載力呈上升趨勢，達到設定的最大700kN，此時無桿腔壓力為70bar左右。此階段雙泵輸出流量約為510l/min，壓力也隨著時間逐漸增大，工進階段總行程是95mm，平均速度為87mm/s，總時長在1.2s，比預期要快近0.5s。

進入泄壓階段，卸荷閥打開，無桿腔壓力急劇下降，由70bar降到5bar，雙泵出口的壓力也急劇下降，仿真結果顯示在0.3s內泄壓可以完成。

滑塊返程階段速度波動較大，造成滑塊返程階段速度波動較大的主要原因是，由于滑塊上升階段整個系統阻尼較小，且無桿腔出油無背壓，同時由于齒輪泵在輸出油壓時，本身就存在壓力及流量脈動，多種因素耦合下，造成滑塊返程階段壓力波動加大。通過系統調試改變改變溢流插裝閥先導閥彈簧預緊力，使不同壓力溢流插裝閥的共振頻率錯開，從而降低系統壓力波動，可以較好的解決此速度波動較大問題。返程總行程為400mm，用時約為1s，平均速度為400mm/s。

從上述分析可以看出，整個液壓系統響應快，沖擊小，能夠較好的滿足沖壓頻次和系統性能要求。

3 電氣控制系統

整條生產線要滿足8spm的生產效率，也就意味著一個件需控制在7.5s內，其中自動化線占用2s，那么機床動作時間必須小于5.5s。然而機床動作包含快下、工進、泄壓、回程、底缸頂出等動作，所以根據現場實際加工工藝制定了底缸頂出動作時間與機械臂動作時間重合的方案。也就是滑塊回程到上減速區后提供信號給自動化線，當自動化線開始運行時底缸同時執行頂出動作。在此過程中需控制好四臺油壓機滑塊回程到頂的同步。

本項目剛開始調試時是以四臺油壓機滑塊都停止于上限位時，才發信號給自動化線。而實際情況是旋切工序的時間要比其它三序的時間長一點，每次都是其最后回程到上限位，而此工序位機床無底缸動作。針對這種情況，本項目便在第三序旋切工步增加了回程起動點位置。這樣待其它工序機床滑塊回程到上限位后，旋切工序只需要回程到達回程起動點后，便發信號給自動化線，這樣調整電氣控制后整條生產線每生產一件罩殼可節約0.2s左右時間。

4 主油缸

從圖1所示的生產線布局圖可以看出，該生產線是按前后進出料擺放。橫桿式機械臂位于機床的右側，機床左側開有側窗口用于模具的更換，上橫梁頂部油箱按L形進行布置。為提升自動化線的運行效率，機床之間的位置非常緊湊，這就要求在機械設計時需考慮后期的維護，特別是油缸密封圈老化后的更換。

整條生產線機床滑塊行程是710mm，開口高度只有1000mm。按此尺寸油缸一旦裝進上橫梁后，活塞桿便無法完全落到工作臺上，活塞頭也就無法從缸筒中露出來，因此也就無法更換活塞頭上的密封圈。針對此情況，本項目在設計時采用整體缸筒設計方案。在新方案中，油缸缸體采用厚壁無縫鋼管經埋弧焊機堆焊進行制作，而油缸缸底則采用單獨螺塞結構并增加防松裝置，這樣在后期維護時，只需將缸底的螺塞部分取下，就能將活塞桿從機床頂部抽出更換活塞頭密封圈，油缸結構如圖7所示。

5 生產線性能檢測

通過設計研發、生產制造、安裝調試等工作后，本項目專門進行了單機各步序動作時間的檢測，并與當初設計時間進行對比。如表1所示為生產線中最大噸位250t油壓機的檢測數據。經對比可以發現其中卸壓因采用普通充液閥打開控制方式，原先設計時間為0.3s，實際運行中為減小充液閥打開的沖擊，卸壓時間已加長到1.5s，同時根據實際模具回程力的要求將油缸活塞桿直徑進行了加大提高滑塊回程速度，在此階段節約了0.3s，實際運行時還存在轉換延時及響應等問題，所以總體效率未能達到理論設計要求。目前機床配自動化線已在客戶現場正常運行，通過日生產數量除以機床運行時間計算，整條生產線目前的生產效率為8.2spm，完全滿足當初的設計方案和技術協議要求。

表1 250t油壓機的檢測數據

6 結論

（1）在公司成熟的伺服泵控技術基礎上，通過應用ESVIEW軟件對伺服參數進行采集與分析，優化相關參數，充分利用伺服電機兩倍過載能力，做到了既滿足機床高效運行所需的流量要求，同時又有效控制了電機功率。

（2）通過液壓系統性能優化設計，將開關量型的插裝閥系統性能發揮到極致，在保證高效運行的同時做到速度轉換的平穩無液壓沖擊。

（3）通過結合實際加工工藝情況對整條生產線的電氣控制進行了優化設計，實現了8.2件/min的生產效率要求。

（4）為了便于機床后期維護特別是油缸活塞頭密封圈的更換，重新設計了主油缸，有效減少了后期維護工作量。

（5）目前整條生產線已在客戶處正常使用，本公司也將對使用中的問題進一步進行總結和更改，相信在不久的將來，類似的自動化線將得到越來越多的運用。