高精度多段速熱成形伺服油壓機關(guān)鍵點設(shè)計

[摘? ? 要]文章介紹了高精度多段速熱成形伺服液壓機的特點，以及分析了熱成形壓機液壓系統(tǒng)原理圖。具體闡述了汽車輕量化的趨勢及本公司研發(fā)第二代熱成形伺服壓機存在的問題，引出第三代熱成形伺服壓機設(shè)計需要解決的要點，接著介紹多段速、高精度伺服液壓機的油路伺服系統(tǒng)的設(shè)計要點，最后介紹第三代伺服壓機的運行效果達到前期設(shè)計預(yù)期。此伺服壓機的研制，奠定了公司在輕量化設(shè)備方面的核心競爭力，打破了國外設(shè)備的壟斷。

[關(guān)鍵詞]熱成型;高精度、多段速控制;液壓機;液壓伺服系統(tǒng);DELTA軸控制系統(tǒng);凸輪同步

[中圖分類號]TG315.46 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–03

Design of Key Points of High Precision Multi Stage Fast

Hot Forming Servo Hydraulic Press

Zhou Song-tao

[Abstract]The article introduces the characteristics of the high-precision multi-speed hot forming servo hydraulic press， and analyzes the schematic diagram of the hydraulic system of the hot forming press. It specifically elaborated on the trend of automobile lightweight and the problems of the company's second-generation thermoforming servo press， and led to the main points that need to be solved in the design of the third-generation thermoforming servo press. Then it introduced the oil of the multi-speed， high-precision servo hydraulic press. The design points of the road servo system， and finally introduce the operation effect of the third-generation servo press to meet the pre-design expectations. The development of this servo press established the company's core competitiveness in lightweight equipment and broke the monopoly of foreign equipment.

[Keywords]thermoforming; high precision， multi-stage speed control; hydraulic press; hydraulic servo system; delta axis control system; cam synchronization

汽車輕量化是國家節(jié)能減排的硬性要求，目前無論商用車還是乘用車都在考慮輕量化的方案。例如，特斯拉采用6500 t壓鑄機整體壓鑄車身底盤件，70多個零件變成一個高壓壓鑄整體，既減少了車身重量同時又減少制造工序，降低制造成本。我國的輕量化技術(shù)與國外存在著一定差距，但是隨著國內(nèi)自主品牌汽車行業(yè)的快速發(fā)展，每一個自主品牌也在奮起直追，不斷對標競爭對手，尋求降低汽車重量的方法，以達到節(jié)能減排的目的。

高強度鋼、鋁合金、鎂合金與碳纖維是汽車輕量化發(fā)展的主要方向。其中高強度熱成形零件，相對成本較低，是目前輕量化路線中商業(yè)化比較普遍的技術(shù)。但是國內(nèi)熱成形技術(shù)起步較晚，因此裝備這塊基本上被德國舒勒和瑞典APT所壟斷。國內(nèi)天鍛和合鍛也在研發(fā)熱成形壓機，但是速度始終與國外存在較大差距，單個沖次的循壞時間在6～7 s，而競爭對手單個沖次的循環(huán)時間在4～5 s。

圖1是上海正謙汽車零部件有限公司研發(fā)的第二代熱成形壓機的運行曲線，該壓機委托國內(nèi)壓機廠家生產(chǎn)，與國內(nèi)天鍛和合鍛基本上在同一水平。

第二代熱成形壓機存在的主要問題如下。

（1）建壓時間0.8 s，國外設(shè)備現(xiàn)狀是壓機到底建壓時間在0.4 s左右，需要尋求解決方法。

（2）除壓結(jié)束到滑塊開始運行的等待0.86 s，國外設(shè)備現(xiàn)狀是此處沒有任何等待。

（3）單個循環(huán)時間6.1 s，去掉壓力保持的8 s。

基于以上問題，提出了研發(fā)第三代多段速、 高精度伺服油壓機，解決生產(chǎn)過程中的瓶頸。

1 多段速、高精度伺服油壓機和凸輪實現(xiàn)

1.1 熱成形伺服油壓機參數(shù)

根據(jù)調(diào)研國外設(shè)備和研究熱成形板料成形的工藝參數(shù)，形成了熱成形壓機的技術(shù)參數(shù)表，如表1所示。

通過表1看出，熱成形壓機的難點是滑塊的速度根據(jù)噸位和位置的不同，不斷調(diào)整以達到快速成形的目的。

研究國外設(shè)備實際成形過程中的運行曲線，通過曲線判斷，滑塊下降速度800 mm/s-359 mm/s-117 mm/s分段調(diào)整，提升過程400-800 mm/s兩段速度設(shè)定。

1.2 熱成形伺服油壓機伺服控制器選擇

當前常規(guī)的伺服油壓機的速度一般無法精準地滿足上述要求。國內(nèi)對伺服理解是把油泵電機換成伺服電機然后通過調(diào)整伺服電機的頻率達到調(diào)整系統(tǒng)流量和壓力的目的。經(jīng)過對比提出了把油壓機的滑塊看成一個油缸，這樣把對滑塊的控制看成一個液壓伺服軸的控制，可以非常精準地調(diào)整速度。原理如圖2所示。

采用常規(guī)的PLC，其掃描周期一般在20 ms左右無法滿足對壓機速度的精準控制。在對標德國力士樂和美國穆格等液壓伺服控制器的基礎(chǔ)上，最終選擇DeltaRMC150控制器。把滑塊的下降和上升分別作為兩個液壓軸。滑塊的光柵尺直接接入Delta控制器，RMC150控制器控制Parker比例伺服閥，從而控制滑塊的速度。

1.3 熱成形伺服油壓機凸輪功能

RMC150的“虛擬凸輪”的功能能讓壓機和壓機機械手產(chǎn)生同步的運動，見圖3。

（1）借助于“虛擬凸輪”的功能壓機的滑塊和壓機多工位機械手的運動是同步的。這在壓機和多工位機械手間產(chǎn)生了優(yōu)化的序列，從而帶來更快的啟動過程和更高的生產(chǎn)效率。

（2）系統(tǒng)能自動計算所有連接軸的運動曲線。

（3）壓機和多工位機械手的運動跟隨著一個0°～360°的虛軸。

（4）此功能可以使用于典型的多工位運動模式以及單臂機械手運動模式。

（5）虛軸的配置基于輸入的數(shù)據(jù)。

（6）所有連接軸的位置與速度都是同步的以達到優(yōu)化的序列。

（7）所有的軸包括壓機都是同一個速度控制。

（8）機械手位置，圓角，加速度，進出的運動都編程于RMCtools軟件中。

（9）壓機滑塊的運動是預(yù)先確定好的，但壓力、速度和位置仍可編程控制。

（10）滑塊序列包括閉合，各種速度的設(shè)置，保壓時的壓力，壓力的切換和回程。整個循環(huán)過程都呈現(xiàn)于主控面板。

（11）如果帶有其他的液壓功能，如液壓頂出或液壓墊，是可以自由編程，并且操作序列可以為每副模具特別設(shè)計。

（12）所有的參數(shù)都在產(chǎn)線的電腦終端中設(shè)置并儲存。

2 多段速、高精度伺服油壓機液壓系統(tǒng)關(guān)鍵點設(shè)計

2.1 熱成形伺服油壓機高速多缸功能

熱成形壓機的常規(guī)噸位為1 200 t，目前國內(nèi)壓機廠家一般采用3個主缸或者2個主缸的壓機。在相同的噸位和相同系統(tǒng)壓力的情況下，選用的液壓主缸數(shù)量越少，單個主缸的直徑就會越大，工進階段需要補充的油量越大，電機的功率就會越大，因此選用數(shù)量較少的主缸，需要達到較快的工進速度，計算功率能達到1 000 kW以上。常規(guī)廠房配電很難承受這么高功率的負載，另外從節(jié)能的角度上也不符合國家節(jié)能減排的要求。目前國外熱成形壓機的功率大約為630 kW，工進速度明顯優(yōu)于國內(nèi)廠家壓機的速度，其采取的方案策略是采用更多的油缸，不同的速度，采用不同數(shù)量的油缸，如圖4所示。

（1）壓機滑塊高速多缸功能使得滑塊運行時進行主缸切換成為可能。可以實現(xiàn)1個缸、3個缸與5個缸的切換。

（2）在不需要用大噸位力時，通過斷開一個或多個滑塊主缸，壓機運行速度將會增加并且節(jié)拍時間更短。

熱成形壓機工進過程的循環(huán)一般如下。

循環(huán)一，單缸，中心。所有油泵給此缸供油，工進速度可以達到350 mm/s，提供的最大噸位為100 t。

循環(huán)二，三缸，對角線。所有油泵為此3個油缸供油，工進速度可以達到200 mm/s，提供的最大噸位720 t。

循環(huán)三，所有5個缸。所有油泵為此5個油缸供油，工進速度可以達到35 mm/s，提供的最大噸位為120 t。

（3）此功能可以在操作終端中編程和存儲。

通過以上油缸的切換，才能滿足熱成形壓機成形過程中低壓、高速度的特性，否則按照常規(guī)壓機滿足這么高的速度，功率太高，太浪費。

2.2 高速油缸式充液閥的設(shè)計

常規(guī)充液閥采用活塞式充液閥，無法適應(yīng)滑塊的高速運行，第二代熱成形壓機采用的活塞式充液閥經(jīng)常出現(xiàn)活塞桿斷裂的情況。活塞式充液閥的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在對標舒勒伺服油壓機的基礎(chǔ)上，提出了一種油缸式充液閥，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.2.1 油缸式充液閥特點

（1）通量大，下降過程中不會存在吸空的可能性、上升過程中除壓快速，避免等待。

（2）比例閥控制油缸式充液閥主動關(guān)閉，因此系統(tǒng)壓力建立的同時關(guān)閉油缸式充液閥，系統(tǒng)建壓明顯快于活塞式充液閥（活塞式充液閥是被動關(guān)閉）。

（3）比例閥控制油缸式充液閥主動打開，除壓速度快，快速提升，比活塞式充液閥除壓時間減少0.5 s左右。

2.2.2 油缸式充液閥的缺點

為實現(xiàn)油缸式充液閥的快速打開和關(guān)閉，油缸式充液閥采用單獨的比例閥控制，增加設(shè)備投入的成本。油缸式充液閥的控制回路如圖7所示。

YV47給活塞式充液閥蓄能器沖壓，與系統(tǒng)壓力保持一致。YV46是泄壓閥，當維修或者斷電的情況下，蓄能器壓力卸掉保證安全。比例閥YV65控制比例的打開和關(guān)閉。打開和關(guān)閉的時間基本上在20 ms左右，因此系統(tǒng)的響應(yīng)很快。

2.3 提高建壓速度

提高建壓速度，①增加油泵的流量和電機的功率，采用2組泵，每組4臺泵，總功率85 kW×8=680 kW;②提前啟動所有油泵，保證建壓時所有泵達到最快狀態(tài)，畢竟電機和油泵存在響應(yīng)時間問題， 采用此方法明顯提高建壓速度，如圖8所示。

2.4 減少除壓時間、提高滑塊回程的速度及氮氣彈簧功能

如上所述，壓機采用5個油缸，除壓過程：如果沒有氮氣彈簧，所有油缸通過油缸式充液閥直接除壓，快速回程，回程速度快速到達800 mm/s;如果有氮氣彈簧，中間主缸采用除壓比例閥閉環(huán)控制除壓過程滑塊提升的速度，其余4個油缸通過油缸式充液閥快速除壓，氮氣彈簧這段過程速度最快可以達到400 mm/s。

2.5 第三代多段速、伺服油壓機運行曲線

如圖9所示，采用上一節(jié)介紹的四點關(guān)鍵技術(shù)，第三代伺服壓機單個循環(huán)的時間達到4.271 s，與德國舒勒的伺服油壓機運行時間不相上下，比前期研制的伺服壓機單個循環(huán)時間縮短3 s左右。完全達到預(yù)期設(shè)計目標。

采用RMC150液壓伺服控制器的油路系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)對液壓機的高速度及高精度的控制，在運動速度方面壓機滑塊快下速度可達1 000 mm/s，工作速度可在35～400 mm/s進行分段調(diào)整，回程速度也可達到900 mm/s。同時根據(jù)熱成形壓機工藝要求可實現(xiàn)油壓機滑塊的定位、調(diào)速/調(diào)壓控制，根據(jù)不同的工藝要求可以設(shè)定切換，在位置控制時重復(fù)定位精度最高可達±0.01 mm，單個循環(huán)時間誤差控制在±1%以內(nèi)，常規(guī)油壓機無法達到這樣的精度要求。另外系統(tǒng)具有配方功能，可以存儲不同的配方參數(shù)，方便調(diào)用，實現(xiàn)精確控制。

3 結(jié)語

多段速、高精度伺服油壓機及凸輪系統(tǒng)應(yīng)用，提高了熱成形零件的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。Delta控制器在控制方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，響應(yīng)快、超調(diào)小、設(shè)定相對簡單，方便調(diào)試;5缸油壓系統(tǒng)選用，保證系統(tǒng)能實現(xiàn)低壓、高速運行，對節(jié)省壓制時間至關(guān)重要;虛擬凸輪功能，減小壓機和機械手之間的等待間隙，降低熱成形零件的傳遞時間，提高板料入模溫度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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