數(shù)控技術(shù)在復(fù)合材料熱模壓成套設(shè)備中的應(yīng)用

曹志明，林海龍

（1.合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230601；2.寧波博信機械制造有限公司，浙江 寧波 315800）

1 導(dǎo)言

復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展日新月異，新材料、新工藝、新方法和新理論層出不窮，為現(xiàn)代航空航天、高速列車、高檔汽車等結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造帶來了巨大而深刻的變革，同時也對復(fù)合材料成形裝備行業(yè)提出了更高要求。目前國內(nèi)復(fù)合材料成形裝備普遍存在生產(chǎn)效率低、能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量低等問題，這也是國產(chǎn)同類裝備亟待突破的關(guān)鍵難題。

復(fù)合材料熱模壓成套設(shè)備主要應(yīng)用于高速列車的行李架、車窗圍板等熱壓成形工藝，并可直接推廣應(yīng)用于汽車、飛機等其他載運工具的復(fù)合材料熱加工生產(chǎn)中。本公司通過開發(fā)復(fù)合材料大尺寸熱模壓成形液壓機、蜿旋式模具加熱裝置、變頻節(jié)能和暢吸式廢氣脫害裝置，采用DFM（Design for Manufacture，設(shè)計制造一體化）技術(shù)，構(gòu)成復(fù)合材料生產(chǎn)線，整體技術(shù)水平居國內(nèi)先進(jìn)行列。

2 復(fù)合材料熱模壓成套設(shè)備

2.1 產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，復(fù)合材料熱模壓成套設(shè)備主要由熱壓主機、電氣控制系統(tǒng)、模具數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、廢氣過濾處理裝置、模具加熱系統(tǒng)和節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)等部件和系統(tǒng)組成。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、汽車等行業(yè)對各類復(fù)合材料的熱壓成形。

圖1 復(fù)合材料熱模壓成套設(shè)備

2.2 產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)

復(fù)合材料熱模壓成套設(shè)備主要應(yīng)用的數(shù)控技術(shù)包含：雙閉環(huán)數(shù)控液壓控制系統(tǒng)，在線溫度精密控制技術(shù)，模具數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，廢氣收集處理系統(tǒng)。

2.2.1 雙閉環(huán)數(shù)控液壓控制系統(tǒng)

雙閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)主要包括壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)和位置控制閉環(huán)系統(tǒng)。由于復(fù)合材料零件具有外形曲面復(fù)雜，尺寸精度要求高的特點，要求上下模具成形壓制時保持兩者之間精密穩(wěn)定的行程，確保模具形腔尺寸精度。同時壓力控制精度要隨熱成形工藝的變化實時變化，需要保壓時，壓力波動不影響模具壓制過程。為實現(xiàn)上述要求，采用了如下技術(shù)保障措施。

（1）液壓伺服系統(tǒng)。如圖2 所示，該液壓位置伺服系統(tǒng)由放大器、電液伺服閥、液壓缸、負(fù)載以及位置傳感器等組成。輸入信號經(jīng)放大后送入電液伺服閥，小功率電信號經(jīng)由伺服閥轉(zhuǎn)化為閥芯位移信號，然后轉(zhuǎn)換成流量和壓力等液壓信號，這些信號最后驅(qū)動液壓缸帶動負(fù)載完成指定動作。

圖2 數(shù)控液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電液伺服閥實現(xiàn)了電液信號的轉(zhuǎn)換和液壓功率放大兩個功能，故電液伺服閥在伺服系統(tǒng)中起橋梁作用，是系統(tǒng)的心臟。本文中位置伺服系統(tǒng)采用兩級電液伺服閥。

（2）雙閉環(huán)控制器設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)各項性能要求,設(shè)計了雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。內(nèi)環(huán)由電液伺服閥、伺服閥位移傳感器、模擬控制器構(gòu)成;外環(huán)由閥控液壓缸、液壓缸位移傳感器、數(shù)字控制器和內(nèi)環(huán)構(gòu)成。內(nèi)環(huán)用來調(diào)節(jié)電液伺服閥,由伺服閥控制進(jìn)入執(zhí)行機構(gòu)的液體流量,從而改變執(zhí)行機構(gòu)的輸出速度。外環(huán)用來調(diào)節(jié)電液伺服作動器,使得液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件液壓缸按照給定的輸入信號運動。

（3）滑塊微速蠕動控制裝置。在復(fù)合材料熱壓成形工藝中，滑塊速度需要慢速下行或者蠕動下行，以滿足復(fù)合材料在高溫壓制過程中可在模腔內(nèi)流動的要求，完成復(fù)合材料的熱壓固化成形。在成形后期開模時，由于凸模將復(fù)合材料緊緊壓入凹模腔內(nèi)，凸模上升時需要較大的開模力，同時上升速度必須非常慢，以避免成形工件的形狀發(fā)生撕裂或殘缺。根據(jù)上述要求，設(shè)計滑塊微速蠕動控制裝置來解決上述問題。

2.2.2 在線溫度精密控制技術(shù)

為解決多模具柔性化生產(chǎn)需要，復(fù)雜型腔模具加熱均衡問題是影響復(fù)合材料熱模具壓制成品率的關(guān)鍵問題。為此，設(shè)備中配備了溫度檢測傳感器，與PLC 構(gòu)成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用油加熱方式實現(xiàn)模具溫度的恒溫調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了模具在線溫度精密控制，溫度控制在±3℃，滿足了用戶工藝需求。具體方法如下：

（1）加熱單元溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。由加熱器、PLC主控系統(tǒng)、溫度傳感器、移相觸發(fā)環(huán)節(jié)、整流器等構(gòu)成。其實現(xiàn)過程為：電熱器加熱，溫度由熱電偶檢測變?yōu)殡妷盒盘枺偷絇LC 的溫度控制模塊轉(zhuǎn)化為PLC 可識別的數(shù)字量,每個通道均細(xì)分為負(fù)偏差計算、控制算法和控制器輸出等單元。將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來的溫度值進(jìn)行比較，通過PLC 的PID 控制加熱時間,從而實現(xiàn)加熱單元溫度閉環(huán)控制。PID 控制時和自動調(diào)諧時電加熱的動作情況如圖3 所示。自動調(diào)諧能夠自動設(shè)置動作方向、比例增益、積分時間、微分時間等重要參數(shù)。使用自動調(diào)諧功能就能獲得最佳的PID 控制。

圖3 加熱器系統(tǒng)動作狀態(tài)

（2）PLC 溫度控制模塊系統(tǒng)。如圖4 所示為PLC溫度控制模塊系統(tǒng)框圖。每個模擬輸入都有其各自的模擬值調(diào)節(jié)（過濾、線性化、縮放比例），每個模擬輸出都可與一個控制器輸出或一個模擬值調(diào)節(jié)互連。

圖4 PLC 溫度控制模塊系統(tǒng)的方框圖

2.2.3 模具數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

為解決多模具柔性化生產(chǎn)的需要，可以采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)模具參數(shù)數(shù)據(jù)化，方便模具參數(shù)調(diào)整，縮減模具更換時間。此系統(tǒng)是由主機提供動力單元，在與不同模具結(jié)合時實現(xiàn)多種工藝動作要求。通過模具數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)模具參數(shù)的預(yù)存儲，方便用戶在模具更換中模具參數(shù)的設(shè)定，縮短模具更換時間，提高生產(chǎn)效率。如圖5 所示。

圖5 模具數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)

2.2.4 廢氣收集處理系統(tǒng)

當(dāng)復(fù)合材料熱壓成形設(shè)備熱壓多層復(fù)合材料時，其中的粘接劑將會釋放出某種氣體，它有刺激性氣味，不僅對操作人員有害，而且會在表面產(chǎn)生氣泡，影響加工質(zhì)量，應(yīng)及時排除。所以高速動車組列車復(fù)合材料熱壓成形設(shè)備在熱壓工藝中，需要增添廢氣排放工藝,熱壓成形工藝需要根據(jù)復(fù)合材料的材料及面積大小確定具體工藝。當(dāng)面積較大時，相應(yīng)熱壓中產(chǎn)生的廢氣也就較大，需要壓制中反復(fù)遞增滑塊行程。帶有排氣功能的SMC 專用液壓機電氣控制系統(tǒng)（發(fā)明專利號：ZL 201210311263.5），主要解決SMC 復(fù)合材料在熱壓成形過程中產(chǎn)生大量氣泡的問題。這些氣泡在一次加壓成形過程中不能有效排出，造成產(chǎn)品表面有鼓包或脹破現(xiàn)象。通過研發(fā)帶有排氣功能的SMC 專用液壓機電氣控制系統(tǒng)，可徹底排出SMC 復(fù)合材料熱壓過程中產(chǎn)生的氣泡，避免產(chǎn)品表面有鼓包或脹破現(xiàn)象。新增暢吸式廢氣脫害裝置，自動吸附廢氣。該系統(tǒng)大大提高了產(chǎn)品合格率，降低了產(chǎn)品成本，節(jié)約了原材料，同時也避免傳統(tǒng)復(fù)合材料零件生產(chǎn)中廢氣對工人的健康傷害，實現(xiàn)了綠色生產(chǎn)。

2.3 主要成果

該設(shè)備先后獲得國家授權(quán)專利3項，其中發(fā)明專利1 項（帶有排氣功能的SMC 專用液壓機電氣控制系統(tǒng)），實用新型專利2 項（一種框架液壓機滑塊上極限緊鎖裝置；四柱液壓機伸縮式立柱保護罩）。

2.4 經(jīng)濟效益分析

復(fù)合材料熱壓成套設(shè)備技術(shù)水平先進(jìn)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，和國際同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)，價格適中，性價比高，節(jié)能環(huán)保。復(fù)合材料熱模壓成套設(shè)備的研制成功，顯著提升了我國復(fù)合材料裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力和市場綜合競爭力，推動了我國復(fù)合材料熱壓成形技術(shù)的發(fā)展，具有廣闊的市場前景，經(jīng)濟和社會效益顯著。該產(chǎn)品也是企業(yè)重要利潤增長點產(chǎn)品之一。尤其在產(chǎn)品升級數(shù)字化控制技術(shù)后更加獲得客戶認(rèn)可，2020 年該產(chǎn)品累計獲得銷售收入4500 萬元，累計稅金270 萬元，實現(xiàn)利潤320萬元。

3 展望

該產(chǎn)品應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)能耗，改善了生產(chǎn)環(huán)境，可廣泛應(yīng)用于航空航天及高速列車等工業(yè)領(lǐng)域。未來，該設(shè)備將在遠(yuǎn)程監(jiān)控、實時記錄，無人化生產(chǎn)線等方面有很大發(fā)展，可以實現(xiàn)產(chǎn)品遠(yuǎn)程控制、診斷檢修以及全自動無人化生產(chǎn)的目標(biāo)。