拉伸压力机液压系统的改造设计和压力机控制系统设计

压力机是压缩成型和压注成型的主要设备，适用于可塑性材料的压制工艺，如冲压、弯曲、翻边、薄板拉伸等。某不锈钢制品公司采用拉伸压力机生产不锈钢厨房水槽，早期产品形式和规格单一，压力机采用液压开关阀实现速度切换，负载小、运动速度相对较低，系统能够满足工艺要求。

随着企业规模不断扩大，产品形式和规格越来越复杂，原有系统在控制产品质量、运行平稳性、噪声、生产效率等方面暴露出了诸多问题，对液压及控制系统也提出了更高要求。因此为应对大幅变化的工作负载、大范围内运动速度的频繁调整、更换模具的调试等复杂工况的要求，设计开发了一套基于比例液压控制的压力机系统。

1、拉伸压力机液压系统的改造设计

为了满足新产品的工艺要求，对不锈钢水槽拉伸压力机原液压系统进行了升级改造，设计了基于德国博世力士乐公司生产的4 WRPEH型高频响比例阀控制的压力机液压系统，如图1所示。

1.1液压系统工作原理设计

图1中，液压泵站1为压力机液压系统提供具有一定流量的压力油。压力表2、10分别显示液压泵出口和三通减压阀出口的工作压力。元件3是三位四通M型电磁换向阀，该阀不得电时液压泵实现卸荷，当左位工作时，给蓄能器6提供压力油，同时主液压缸12可以按照工作流程要求完成往复运动。单向阀4避免蓄能器油液及系统高压油倒流。

压力继电器5在系统建压后，确保系统压力达到工作压力时压力机方可开始工作。蓄能器6能够提供短时快速段的速度需求，确保压力机在工作过程中压力和流量的稳定。元件7是高频响比例换向阀，通过xm型运动控制器，利用比例阀的控制特性，满足压力机主液压缸伸出、退回的速度和加减速度控制要求。元件8是单电控二位四通换向阀，当主液压缸退回时，需要单电控二位四通换向阀得电，当主液压缸保压停留时，需要单电控二位四通换向阀失电。三通减压阀9产生压力机主液压缸浮动压边时所需稳定的支撑力。

元件11是液控单向阀，在主液压缸12停留保压时，通过液控单向阀11实现对主液压缸无杆腔压力的可靠锁紧。主液压缸12驱动滑块上的模具完成水槽的压制成型动作，位移传感器13检测主液压缸的往复运动位置。下缸14带动安装于下缸上的模具随同主液压缸一起动作，完成主液压缸浮动压边过程中的压力支撑作用。

1.2压力机液压系统工作过程分析

压力机工作过程中，各阀电磁铁得失电情况如表1所示。

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(1)液压泵卸荷。液压泵站1启动后，泵出口的压力油经过三位四通M型电磁换向阀3直接流回油箱，实现液压泵的卸荷。

(2)主液压缸快速空程下行。三位四通电磁换向阀3的电磁铁Y1得电，液压系统建压，当压力达到压力机要求的工作压力且压力机主液压缸12在初始位置(位置1)时，运动控制器输出电压V给高频响比例换向阀7，此时主液压缸12驱动滑块上的模具快速运动到下缸成型模具所在的位置2，快速段的实现依靠蓄能器6短时大流量的供油，主液压缸12运动位置的检测由安装在主液压缸的位移传感器13来实现。

(3)主液压缸慢速加压成型。当主液压缸12快速运动到位置2后，运动控制器输出电压V，给高频响比例换向阀7，此时主液压缸12驱动滑块上的模具慢速加压成型，直至运动到位置3。

(4)浮动压边过程。主液压缸12向下慢速加压过程中，下缸14的活塞杆被迫随之向后运动，下缸14无杆腔油液经三通减压阀9的T口流回油箱，此时下缸14无杆腔的支撑压力始终保持不变。根据不同产品的工作需求，可调节三通减压阀9来改变浮动压边压力。此时下缸14有杆腔出现的局部真空可以通过液压泵站1的油箱进行补油。

(5)主液压缸前终端停留保压。当主液压缸运动到位置3时，立刻停在当前位置，且停留时间为3 s。此时液控单向阀11确保主液压缸12可靠地停留在当前位置，液压泵站1通过三位四通换向阀3实现卸荷。为避免造成油缸位置漂移，确保主液压缸12精确定位在位置3，需要运动控制器输出电压V给高频响比例阀7，通过蓄能器6来实现主液压缸12供油，用以修正比例阀零位的影响。

(6)主液压缸快速回程。当在位置3停留时间结束后，三位四通电磁换向阀3的电磁铁Y1、单电控二位四通换向阀Y3得电，同时运动控制器输出电压V，给高频响比例换向阀7，此时主液压缸12快速退回至初始位置1，快速段的实现依靠蓄能器6短时大流量的供油。在主液压缸12快速退回的同时，下缸14立刻伸出到其初始位置。

(7)主液压缸初始位置停止。当主液压缸12退回至初始位置1时，保持停留在当前位置5 S，此时三位四通电磁换向阀失电，液压泵站1处于卸荷状态。为确保主液压缸精确定位在位置1，需要运动控制器输出电压V，给高频响比例阀，通过蓄能器6来实现主液压缸12供油，用以修正比例阀零位的影响。

(8)下缸动作。该压力机下缸的动作不受换向阀控制，是一个随动装置。当液压泵站1启动后，下缸14伸出，无杆腔的压力等于三通减压阀9的设定压力。只有处于浮动压边状态下，下缸14处于随动状态，一旦主液压缸12缩回，下缸14将伸出到前终端停止。

2、压力机控制系统设计

2.1工作流程

2.1.1手动工作模式

旋钮转换开关处于手动状态，点动按钮开关实现主液压缸伸出或者退回动作，松开按钮开关主液压缸停止，该模式主要用于更换模具后的设备调试。

2.1.2自动循环工作模式

(1)图2为主液压缸在自动模式下的运动曲线，根据产品型号选择所需的比例阀输出电压(V1，V2，V3)和相应的斜坡时间(t1，t2，t3)，以满足快进、工进和返回的速度及运动平稳性等控制要求。最大快速空程下行和快速回程速度为3m/min，慢速加压速度为40~250 mm/min。主液压缸在自动模式下的运动定位误差不大于±0.1mm，速度误差不大于±5mm/s。

(2)旋钮转换开关处于自动模式状态，压力机实现主液压缸快速空程下行→慢速加压成型→停留保压→快速回程→初始位置停止的自动工作循环(如图3所示)。

压力机的自动成型过程:按下自动循环按钮且主液压缸处于初始状态→蓄能器充压，系统建压，当系统压力达到所需工作压力后触发压力继电器→主液压缸快速空程下行((电压V1，斜坡时间t1)→主液压缸快速伸出到位置2→慢速加压成型(电压V2，斜坡时间t2)→慢速加压运动到位置3，同时下缸跟随主液压缸后退→精确定位在位置3，停留保压(电压V4，斜坡时间t4，位置偏差±0.1mm)→停留3s结束→快速回程(电压V3，斜坡时间t3)，同时下缸伸出→快速退回至位置1→精确定位在位置1停留，即自动循环延时(电压V5，斜坡时间t5，位置偏差±0.1 mm)→停留5s结束→新的自动循环开始。

(3)自动循环中断。当旋钮转换开关拨至手动模式主液压缸立刻停止。中断后必须将主液压缸复位，方可重新启动自动循环。

2.2控制程序设计

改造后的压力机控制系统所采用的博世力士乐公司生产的XM 21运动控制器，是一个综合网络服务器，功能强大，自身带IP地址，可以在系统调试中调整增益量及记录数据，带有总线及IP通信接口，可通过网络浏览器配置和诊断，IndraWorks工业软件可用作PLC功能;它具有高功率密度、结构紧凑、环境条件宽泛(工作温度-25~60℃)等优点，附带液压轴同步运动，可扩展如电子凸轮及机器人控制等十多种工程软件包;控制器中插入S20I/O模块，易于灵活的I/O扩展、快速的I/O处理(典型循环时间为10 µs);与Sercos网络同步数据交换减少了响应时间和工作周期，提高了测量精度、控制质量。

压力机控制程序利用控制器自带的液压轴同步运动控制功能块可以方便地实现比例液压伺服系统控制，更改控制参数以满足不同形式和规格的产品需求，输出给4 WRPEH型高频响比例阀，对主液压缸的位置、速度及加减速度进行精确控制。

压力机控制程序主要由主程序和子程序两部分组成。主程序采用C语言文本结构化编程模式，其功能包括：

(1)添加液压轴同步运动控制功能块，确定液压轴位置控制模式，定义主液压缸位置、高频响比例阀的开度和斜坡时间;

(2)实现手动控制模式下的控制程序;

(3)当自动控制转为手动控制模式时，可以控制子程序的中间变量;

(4)在手动、自动模式下设定高频响比例阀工作参数，即比例阀的开度和斜坡时间;

(5)确保主液压缸在位置1和位置3停留时的位置精度符合工艺要求。子程序采用了顺序控制清除式步进链的编程方法，根据压力机自动循环工作流程框图3采用梯形图完成自动控制动作程序，实现主液压缸在自动模式下的顺序动作，即主液压缸快进、工进、快退和信留。

3、结束语

压力机的液压控制系统通过采用博世力士乐公司生产的4 WRPEH型高频响比例阀和带有液压轴同步功能的XM 21运动制器，实现了柔性加减速，保证了压力机成型过程的位置和速度精度，提升了系统的响应速度和运行平稳性。运行结果表明，该设备模具更换方便快捷，缩短了调试时间，提高了适应产品变化的灵活性，自动化程度高，大大改善了产品质量和稳定性，生产效率明显提升，给企业带来了显著的经济效益。伺服压力机http://www.servo-pressing.com/