快鍛液壓機運動慣性的分析與研究

一、快鍛液壓機的鑄造技術隨著機械工業、國防工業和航天工業的快速發展，對優質銨、耐磁性鋼的需求日益增長。因此，人們對自由裂紋的尺寸精度和生產效率有了越來越高的要求。因此，高速液體壓機的制造速度和壓下精度的要求也有所增加。二、比例插裝閥控制系統工作原理快鍛液壓機控制的關鍵是設計擬合鍛壓過程中的鍛造曲線,使鍛造曲線不因鍛造過程負載工況的不同而出現大的突變點,而且在上、下死點減速達到平穩過渡。理想的鍛造曲線一般為正弦曲線。目前,技術水平最高的是德國潘克公司制造的正弦泵傳動系統,但由于其價格高、維護成本高,國內廣泛應用的是三級插裝閥系統和以電液比例插裝閥為主的比例控制系統。正弦泵控制系統動態響應速度高、效率高、控制靈活、運動平穩,運動曲線見圖1。應用較廣的插裝閥控制系統,屬于繼電器控制模式,響應較慢;在不同動作過渡時,壓機系統會出現瞬時振動,而且液壓機的快速性受到開關閥啟閉響應時間的制約,從圖2可以看出,在壓機空程下降快接近工件時,液壓機有“剎車”現象,卸壓卸荷時間也很長,返程到上死點若不需要停滯則會產生較大超調,這些不僅影響壓機工作效率而且會導致壓機的振動由華中科技大學和蘭州蘭石重工新技術有限公司研發的以大通徑電液比例控制閥為主的比例控制系統的快鍛液壓機本文所研究的快鍛液壓機液壓系統采用電液比例控制系統,其響應快、控制精度高等特點非常適合于快鍛液壓機。并采用比例快鍛回路,可通過PLC控制系統控制快鍛方式下比例插裝閥開口度大小,得到理想的快鍛曲線,使鍛造速度和鍛造精度更容易實現。下面就此種控制方式進行PLC程序方案設計和仿真研究。三、比例控制快鍛回路快鍛液壓機常用的鍛造方式為常鍛、快鍛和鐓粗。常鍛一般為開環控制適用于需要有大變形量的手動控制。鐓粗是長時間保壓過程,一般是把鋼錠或柱形坯料沿軸向鍛成各種餅形或圓盤形。快鍛是以位置精度和鍛造速度為目標的閉環控制,往往與操作機聯動,自動化程度高。快鍛時,鍛件的變形量一般控制在5mm以內,壓機鍛造行程一般不超過30mm,快鍛次數高達80次/分以上。因此,快鍛液壓機的快鍛性能成為衡量一個國家鍛造機械制造業自動化水平和能力的重要標準之一。本文所研究的快鍛液壓機快鍛時采用比例控制快鍛回路,如圖4所示,此回路適用于主缸和回程缸的進排液全部使用大通徑電液比例插裝閥的系統。壓機壓下時,V2和V4工作。回程時,V3和XV1同時投入工作完成一個工作循環。1.比例閥的設計特點快鍛液壓機進行快鍛時的計算機控制方框圖如圖5所示,這是典型的閉環控制系統,根據位移誤差量的大小及其符號正負來實時控制四個比例閥的開口度和動作,對液壓系統、測試系統、計算機控制系統及控制軟件設計等要求較高。每個比例閥使用單獨的PID控制器,使快鍛液壓機既能滿足快鍛特性,又能使其控制性能達到最優。2.快鍛過程控制快鍛液壓機采用快鍛控制是閉環控制,屬于自動操作方式,因此程序的設計比較復雜。根據液壓機快鍛工作原理與計算機控制工序,快鍛液壓機快鍛程序設計為:在主操作臺上選擇壓機自動模式,壓機進入自動運行狀態。在啟動壓機前,通過鍛造參數設定界面設置壓機行程高度、鍛造頻率、上給定點和下給定點位置。壓機快鍛過程控制是閉環控制,給定位移曲線為理想的正弦曲線,正弦曲線按固定頻率以弧度遞增的方式給定,在壓機的下給定點設置給定曲線的停滯等待程序,因為在給定曲線達到下給定點后,由于閥的響應和主缸建壓等都需要時間,液壓機的實際位移量會滯后,所以必須判斷實際位移量是否也到達下給定點,如果實際位移量也到達下給定點,那么給定曲線再次按固定頻率完成弧度的遞增。在保證鍛造速度和鍛造尺寸精度的前提下實現快鍛液壓機平穩無沖擊運行,主要是根據位移誤差量的大小及正負來實時控制四個比例閥的開口度和動作來完成。快鍛控制方案設計主要分為兩部分:給定位移曲線和實際位移曲線部分,四個比例閥的PID控制部分。設計方案如圖6所示。利用西門子公司的STEP7-400軟件對設計方案進行梯形圖語言編程。四、真結果1圖1利用PLCSIMV5.4SP3軟件進行仿真實驗。給定輸入為正弦曲線,頻率1.5Hz,幅值0.01m。仿真結果見圖7。從圖中可知,壓機在運行前兩個周期出現振動和超調,然后逐漸趨于穩定,位移曲線越來越平滑,由于壓機本身運動慣量大,而且PID控制器存在一定的時間滯后,因此從圖中可以看出,位移輸出曲線存在滯后,時間約為0.2s,但是壓機的運動頻率能跟蹤上輸入頻率,穩定后位置精度在要求的±1mm范圍之內。仿真結果如下:五、快鍛過程控制方案設計本文著重對快鍛液壓機快鍛過程進行分析,設定理想的鍛造曲線,并進行PLC控制方案設計。設計方案時,包含給定位移曲線和實際位移曲線的比較等待設計,以及四個比