李久勝,郭 犇,徐永超
(1.浙江工業(yè)大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)
液壓成形技術(shù)近十多年來在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,逐步成為薄壁零件制造的主流技術(shù)之一[1-2]。充液拉深是一種先進(jìn)的液壓成形技術(shù),但缺乏現(xiàn)成的生產(chǎn)設(shè)備,研制專用液壓設(shè)備及其控制系統(tǒng)成為實現(xiàn)該工藝的重要基礎(chǔ)。
充液拉深設(shè)備是為了實現(xiàn)板料的充液拉深成型工藝而研制的專用液壓設(shè)備,主要由模架、凸模、增壓器等液壓部件和相應(yīng)電氣控制系統(tǒng)組成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中,凸模需固定在標(biāo)準(zhǔn)雙動壓機(jī)的拉深滑塊上,模架中的壓邊滑塊由標(biāo)準(zhǔn)雙動壓機(jī)的壓邊滑塊取代,充液拉深的專用設(shè)備只包括增壓器1、2和液室(合稱充液設(shè)備)。充液設(shè)備應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)雙動壓機(jī)配合使用才能完整地實現(xiàn)充液拉深成型工藝。在加工過程中,充液拉深控制系統(tǒng)可對液室內(nèi)的壓力和標(biāo)準(zhǔn)壓機(jī)的壓邊力進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,并遙控標(biāo)準(zhǔn)壓力機(jī)拉深滑塊的壓制操作,從而實現(xiàn)充液拉深的成形工藝。
圖1 充液拉深設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)充液拉深課題組從上世紀(jì)90年代開始研制充液拉深裝備,并開發(fā)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
本研究第1部分介紹充液拉深控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,及課題組所采用的技術(shù)方案,第2部分介紹控制系統(tǒng)中的壓力控制和順序控制等關(guān)鍵技術(shù),第3部分介紹該控制系統(tǒng)中PLC控制程序的設(shè)計。
國內(nèi)對充液拉深工藝和設(shè)備的研究始于1980年代。1986年東北重型機(jī)械學(xué)院較早地開展了對向液壓拉深的實驗研究[3],在當(dāng)時的技術(shù)條件下只能采用手動控制的方法實現(xiàn)拉深加工。
1997年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了通用模架型式的充液拉深裝備[4],以廣泛應(yīng)用的單動液壓機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)、研制充液拉深裝備。控制信號由單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的壓力—行程曲線給出,系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)對液壓成型的重要工藝參數(shù)(液室壓力和壓邊力)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。2004年哈爾濱工業(yè)大學(xué)又在標(biāo)準(zhǔn)雙動液壓機(jī)的基礎(chǔ)上,通過擴(kuò)展其控制系統(tǒng)(PLC和觸摸屏等)實現(xiàn)對液壓成形裝備(包括液壓機(jī)和液室模架)的一體化控制,為具有雙動液壓機(jī)的企業(yè)開展充液拉深新工藝開辟了一條經(jīng)濟(jì)、有效的新途徑[5]。
2013年北京航空航天大學(xué)針對傳統(tǒng)被動加壓方式的缺點,提出采用閉環(huán)控制技術(shù)實時調(diào)節(jié)液室壓力和壓邊力的動態(tài)加載方式。該方式應(yīng)用基于上、下位機(jī)的檢測控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)凸模速度、壓邊力和液室壓力滿足設(shè)定的工藝參數(shù)[6]。
2013年安徽科技報道:世界噸位最大“15 000 t雙動充液拉深液壓機(jī)”在合鍛機(jī)床股份有限公司研制成功,標(biāo)志著我國大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件一次性成形技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平[7]。
國外的相關(guān)研究開始較早、水平較高。瑞典AP&T 公司從l960年開始,致力于開發(fā)充液拉深技術(shù)。在成形工藝、模具技術(shù)和加工設(shè)備方面,逐漸形成了其獨特的技術(shù)風(fēng)格、技術(shù)水平居世界領(lǐng)先[8]。AP&T 公司開發(fā)的充液拉深裝置,獨立于主機(jī),可方便地安裝在任何一臺AP&T生產(chǎn)的液壓機(jī)工作臺之上。AP&T公司開發(fā)的較先進(jìn)的充液拉深裝置是NC 數(shù)控型,具有獨立的動力發(fā)生系統(tǒng)和濾油系統(tǒng)。
在吸取國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上,本研究研制的充液拉深控制系統(tǒng)在技術(shù)方案上經(jīng)歷了3個主要發(fā)展階段:
(1)第一代控制方案:單片機(jī)+PLC。上世紀(jì)90年代前期,小型PLC 往往不具備模擬量處理功能,所以控制系統(tǒng)中使用51 單片機(jī)采集和控制液壓系統(tǒng)的壓力,PLC(當(dāng)時采用韓國的三星小型PLC)只控制電磁閥的動作。由于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)周期較長且維護(hù)不便,只在研制第一代充液拉深設(shè)備時采用了這種控制方案,以后就改進(jìn)為所有控制量都使用PLC來控制的方案。
(2)第二代控制方案:小型PLC+觸摸屏。由于充液拉深系統(tǒng)中被控變量不多,具有模擬量接口的小型PLC就可以滿足控制要求。上世紀(jì)90年代后期,性價比較高的觸摸屏成為工業(yè)控制系統(tǒng)中人機(jī)界面中的主要形式。研究者采用觸摸屏作為人機(jī)界面,使充液拉深控制系統(tǒng)的監(jiān)控更加直觀,參數(shù)輸入更加方便。第二代充液拉深控制系統(tǒng)的配置方案是:西門子S7-200 PLC+TP170A觸摸屏。
(3)第三代控制方案:高性能PLC+大屏幕觸摸屏。為了提高控制系統(tǒng)的開發(fā)效率,并提高其控制靈活性,進(jìn)入新世紀(jì)后,控制系統(tǒng)中的PLC 升級為支持結(jié)構(gòu)化編程和現(xiàn)場總線的高性能PLC,觸摸屏也升級為10″的大屏。同時該方案針對軟件結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了全面的升級,開發(fā)出了支持用戶編程的柔性控制系統(tǒng):用戶可根據(jù)需要靈活地定義設(shè)備的各種手動動作和自動控制流程,最大限度地發(fā)揮設(shè)備的功能,使該設(shè)備更好地滿足研發(fā)新工藝的需求。第三代充液拉深控制系統(tǒng)的配置方案是:西門子S7-300 PLC+MP277觸摸屏。電控系統(tǒng)的組成如圖2所示。
圖2 充液拉深控制系統(tǒng)的組成
具有動畫功能的監(jiān)控界面如圖3所示。
圖3 充液拉深控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面
從控制類型上看,充液拉深控制系統(tǒng)中既有順序控制又有反饋控制,其中順序控制用來控制設(shè)備中的運動部件按照預(yù)定的加工順序或邏輯完成加工動作,而反饋控制是用來控制壓邊的壓力和液室的反脹力與設(shè)定值一致。這兩個控制形式并不是完全獨立的,而是在順序控制的某些環(huán)節(jié)上與反饋控制相結(jié)合,二者的控制程序都是在PLC 上實現(xiàn)的。課題組在研發(fā)充液拉深控制系統(tǒng)時,對于這兩個核心技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究。
壓力控制是影響整個充液拉深裝備控制性能的關(guān)鍵因素。丁明明等[9]研制的新型計算機(jī)控制多點上置式變壓邊力控制裝置具有控制效果好、成本低、通用性較強(qiáng)等特點,同時在拉深過程中,能夠保證隨凸模行程和位置變化的變壓邊力控制。Endelt等[10]提出了一種新的反饋控制系統(tǒng):調(diào)節(jié)分布式的壓邊力以控制拉深過程中板料的流動量,建立動態(tài)系統(tǒng)的模型,并通過系統(tǒng)實驗辨識控制參數(shù)。Modi 等[11]研制了一個方形杯狀工件的薄板拉深成形實驗裝置,借助PLC和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了壓邊力軌跡的設(shè)定和控制。
充液拉深加工由于采用高壓液體代替凹模進(jìn)行拉深成形,在加工時對工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性要求較高,相應(yīng)地對壓力控制系統(tǒng)的壓力控制精度也提出了較高的要求。充液拉深控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖3 所示,壓邊和液室壓力控制都采用電磁比例溢流閥作為控制元件,且有壓力傳感器檢測實際壓力。為了降低裝備成本,易于推廣使用,本研究采用普通的不帶位移控制和其他外部檢測功能的先導(dǎo)式電磁比例溢流閥。這種閥內(nèi)部帶有機(jī)械式的壓力檢測和反饋機(jī)構(gòu),能夠根據(jù)放大板的輸入電壓成比例地調(diào)節(jié)出口壓力,獨立使用時可滿足一般的電液調(diào)壓系統(tǒng)的要求。但是由于其壓力控制特性曲線存在非線性和滯回特征,且輸出壓力受流量變化的影響,難以滿足充液拉深加工中較高的壓力控制精度的要求,該系統(tǒng)采取了壓力的閉環(huán)控制方案。
工程上習(xí)慣采用PID控制算法進(jìn)行系統(tǒng)校正,PLC一般都提供PID 運算指令,用戶可容易地利用PLC 實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于電磁比例溢流閥單獨使用時,也具備較好的快速性和穩(wěn)定性,只是存在靜差:即該閥在給定壓力的鄰域內(nèi)缺乏消除流量擾動、提高穩(wěn)態(tài)精度的能力。因此筆者將PID調(diào)節(jié)器改為只有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器,采用該調(diào)節(jié)器后,由于只有1個積分常數(shù)為待定參數(shù),整定起來較容易。選擇合理的積分常數(shù)后,閉環(huán)響應(yīng)無靜差,且穩(wěn)定性比采用PID調(diào)節(jié)器時要好,但響應(yīng)的快速性問題仍未解決。在此基礎(chǔ)上,筆者采取了分段積分的控制算法,在滿足穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定性的同時,響應(yīng)的快速性也得到一定的提高[12]。
為了滿足研發(fā)新工藝對系統(tǒng)靈活性的要求,充液拉深控制系統(tǒng)被設(shè)計為柔性控制系統(tǒng),與數(shù)控編程類似,支持“用戶編程”功能。
(1)在手動加工方式下,可通過手動設(shè)定界面,由用戶根據(jù)需要靈活地定義各手動控制按鈕的功能,從而最大程度地發(fā)揮設(shè)備的功能以滿足工藝試驗的需要。
(2)在自動加工方式下,可通過在自動加工界面中的設(shè)定參數(shù),由用戶根據(jù)需要靈活地設(shè)定自動加工的流程,從而最大程度地發(fā)揮設(shè)備的功能以滿足用戶的生產(chǎn)需求。
這是一個支持“用戶編程”功能,由PLC程序和觸摸屏組態(tài)共同組成的液壓設(shè)備的通用控制程序,具有很好的可移植性,適用于不同配置的充液拉深控制系統(tǒng),可大大提高了控制軟件的開發(fā)效率和可靠性。
下面以自動加工流程為例說明“用戶編程”技術(shù)的特點。自動加工流程一般要求增壓器、壓邊滑塊和拉深滑塊分階段運動到設(shè)定位置,并且在拉深加工過程中自動改變壓邊壓力和液室壓力設(shè)定值。一組“自動加工流程”設(shè)定畫面如圖4 所示。其設(shè)定步驟大致如下:
(1)首先在“自動加工流程”畫面中,設(shè)定各步序的輸出命令和步序間的轉(zhuǎn)換條件。在當(dāng)前步序下,控制系統(tǒng)會根據(jù)“步序輸出動作”畫面的設(shè)定自動實現(xiàn)相應(yīng)的動作輸出;同時控制系統(tǒng)會自動判斷下一步序的轉(zhuǎn)換條件是否滿足,當(dāng)條件滿足后,流程自動進(jìn)入下一個步序。如此可自動實現(xiàn)一個用戶編程的加工流程。
(2)在“步序轉(zhuǎn)換條件”畫面中,可選擇發(fā)令按鈕、目標(biāo)位置、目標(biāo)壓力和定時時間等轉(zhuǎn)換條件。例如:設(shè)定拉深滑塊目標(biāo)位置有效(并設(shè)定目標(biāo)值),當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到拉深滑塊位移到達(dá)該目標(biāo)值后,該轉(zhuǎn)換條件成立,則自動加工流程進(jìn)入下一步,在下一步的輸出命令中可選擇讓拉深滑塊停止運動或執(zhí)行其他操作。
(3)在“步序名稱選擇”畫面中,可在選擇該步序的名稱后,進(jìn)入“步序輸出動作”畫面設(shè)定該步序要執(zhí)行的動作。可設(shè)定的動作包括:增壓器電磁閥的動作、拉深和壓邊滑塊的動作、壓邊和增壓器壓力設(shè)定以及定時值的設(shè)定等。例如:要控制增壓器的壓力,需要將增壓器壓力設(shè)定狀態(tài)選為有效并設(shè)置壓力值。則該步序輸出有效時,控制系統(tǒng)將調(diào)用增壓器壓力閉環(huán)控制程序,自動控制增壓器回路的比例調(diào)節(jié)閥使實際壓力與給定值一致。
控制程序主要指PLC中的程序,現(xiàn)在的控制系統(tǒng)采用西門子S7 300 系列PLC CPU315-2DP,其中最核心的兩個子程序為:FC71 自動控制程序和FC77 壓力定時采樣。
當(dāng)操作模式選擇為“自動方式”時,自動控制子程序?qū)⒈徽{(diào)用,系統(tǒng)首先執(zhí)行FB25函數(shù)塊,查詢控制條件,在用戶輸入的自動控制流程中判斷當(dāng)前步序以及是否進(jìn)行步序轉(zhuǎn)移;接下來執(zhí)行FB26函數(shù)塊,形成控制輸出,根據(jù)當(dāng)前步序號,在用戶輸入的自動控制流程中獲取當(dāng)前步序應(yīng)該輸出的狀態(tài)并作用于相應(yīng)執(zhí)行部件。此外,自動控制子程序還會調(diào)用SFC21和FC72函數(shù)塊,存儲并顯示加工過程中的工藝曲線。
(1)FB25 是用結(jié)構(gòu)化編程方法生成的一個函數(shù)功能塊,其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其內(nèi)部功能是根據(jù)當(dāng)前步序號,查詢其控制條件,根據(jù)實際狀態(tài)判斷該條件是否滿足,如滿足則修改目標(biāo)步序號,轉(zhuǎn)移到下一步。用戶輸入的自動控制流程存放在順控代碼數(shù)據(jù)塊中,該數(shù)據(jù)塊中存儲地址(字節(jié))分配如下。以第1組動作關(guān)系為例,每組數(shù)據(jù)占100 字節(jié),其中前50 字節(jié)為控制條件,共可存儲30組數(shù)據(jù)。說明如下:
圖5 FB25函數(shù)功能塊的結(jié)構(gòu)
(2)FB26 是用結(jié)構(gòu)化編程方法生成的一個函數(shù)功能塊,其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。其功能是根據(jù)當(dāng)前步序號,在用戶輸入的自動控制流程中獲取當(dāng)前步序的輸出狀態(tài),然后作用于相應(yīng)執(zhí)行部件。用戶輸入的自動控制流程存放在順控代碼數(shù)據(jù)塊中,該數(shù)據(jù)塊中存儲地址(字節(jié))分配如下。以第1 組動作關(guān)系為例,每組數(shù)據(jù)占100 字節(jié),其中后50 字節(jié)為狀態(tài)輸出,共可存儲30組數(shù)據(jù)。說明如下:
圖6 FB26函數(shù)功能塊的結(jié)構(gòu)
壓力定時采樣控制程序FC77 的作用是以50 ms為采樣控制周期,定時調(diào)用壓力閉環(huán)控制程序FC76,以實現(xiàn)對給定壓力的誤差跟隨。
FC76為壓力閉環(huán)控制函數(shù)功能塊,其功能是計算實際壓力值與壓力給定值之間的偏差,然后根據(jù)一定的反饋控制算法,給出比例溢流閥合理的控制量,以減小壓力偏差。FC76 內(nèi)部采用了分段積分式閉環(huán)控制算法:當(dāng)控制誤差Pe較小時,系統(tǒng)采用對誤差Pe的積分控制算法;當(dāng)誤差較大時,為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,采用定增量式積分控制[12]。該算法是根據(jù)比例溢流閥的特點,在傳統(tǒng)PID 算法基礎(chǔ)上改進(jìn)后的反饋控制方法,可消除由于流量擾動帶來的穩(wěn)態(tài)誤差,并具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能。
充液拉深控制系統(tǒng)已在多個航天企業(yè)中獲得了實際的應(yīng)用,與同類設(shè)備相比,其控制性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平。經(jīng)過設(shè)備測試,其主要性能如下:
(1)通過觸摸屏上的自動加工設(shè)定界面,用戶可建立多達(dá)50個自定義的加工流程,每個流程可由最多30個步序組成,完全能夠滿足各種工況下充液拉深工藝流程的要求。
(2)控制系統(tǒng)每50 ms調(diào)用一次“壓力閉環(huán)控制”功能塊,檢測被控系統(tǒng)的壓力,并通過反饋控制算法來調(diào)節(jié)電磁比例溢流閥的設(shè)定值,以減小穩(wěn)態(tài)誤差、改善動態(tài)性能。系統(tǒng)調(diào)試好之后,壓邊壓力和增壓器低壓腔壓力的控制精度均可達(dá)0.1 MPa;階躍給定時,響應(yīng)時間小于1 s。
(3)為了提高滑塊的位置控制精度,在編寫控制流程時,需要在接近目標(biāo)位置時,將滑塊的速度降低;并估計出發(fā)出停止命令后滑塊的慣性位移,在目標(biāo)位置設(shè)定時予以補(bǔ)償。控制系統(tǒng)每50 ms調(diào)用一次自動控制程序,檢測滑塊位移并與目標(biāo)位置比較,以決定滑塊的速度和啟停狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試好之后,壓邊滑塊和拉深滑塊的位置控制精度均可達(dá)0.1 mm。
充液拉深控制系統(tǒng)經(jīng)過近20年的開發(fā)和研制,已經(jīng)具備了較成熟的技術(shù)方案和較先進(jìn)的實現(xiàn)手段,取得的主要成果如下:
(1)本研究在充液拉深控制系統(tǒng)設(shè)計中首創(chuàng)了“用戶編程”功能,建立了液壓設(shè)備的通用控制程序(柔性控制系統(tǒng)),既可大大提高控制軟件的開發(fā)效率和可靠性,又能夠靈活地利用設(shè)備的所有資源,為研發(fā)新工藝提供了有利的技術(shù)保障。
(2)本研究在人機(jī)界面(即觸摸屏)設(shè)計上,充分發(fā)揮10″大屏的優(yōu)點,實現(xiàn)了液壓回路的可視化監(jiān)控。如圖3 所示,用戶在監(jiān)控界面上可以直觀地看到液壓回路中各元件的狀態(tài),既有利于用戶編寫自定義的控制流程,又便于發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)故障,有效地提高了工藝試驗的效率。
(3)本研究采取有效的控制方法,使壓力和位置控制精度均滿足要求。
(4)在控制系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)方面,已向標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。如果用戶在新購置標(biāo)準(zhǔn)雙動壓機(jī)時考慮增加充液功能,可將充液拉深控制系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)壓機(jī)控制系統(tǒng)的一部分,由壓力機(jī)廠家統(tǒng)一設(shè)計和安裝,以便于整機(jī)的調(diào)試和維護(hù)。
目前,充液拉深控制系統(tǒng)中還存在幾個問題有待進(jìn)一步研究和解決:
(1)壓力控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性還有待提高,以后可考慮采用響應(yīng)頻帶更寬的伺服閥來設(shè)計調(diào)壓回路。
(2)增壓器活塞由于存在較大的摩擦,使得通過低壓腔來控制高壓腔壓力時,控制精度很難保證,需要研究更有效的控制算法。
(3)系統(tǒng)中增加傳感器,用來檢測油膜厚度和板料變形量等重要參數(shù),以提供更完備的工藝參數(shù)。
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