夏衛(wèi)明，嵇寬斌

（江蘇國力鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

伺服液壓機(jī)的性能特點(diǎn)與應(yīng)用

夏衛(wèi)明，嵇寬斌

（江蘇國力鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

介紹了一種采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵實(shí)現(xiàn)伺服控制的伺服液壓機(jī)，主機(jī)噸位1250kN，其主要特征為：液壓機(jī)主缸上下腔分別由兩臺(tái)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供入主缸上下腔流量的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊位置、速度、壓力等參數(shù)的精確控制。該伺服液壓機(jī)具有高速、高效、高精、高柔性、低噪聲、智能化、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。其在精密零件成形、精密定程工藝、精密定壓工藝、提高單次拉伸成形深度、沖裁工藝、新材料成形等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

伺服液壓機(jī)；交流伺服電機(jī)；充液閥；內(nèi)嚙合齒輪泵；高精度

液壓機(jī)多采用柱塞泵驅(qū)動(dòng)，向液壓缸供油，實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)滑塊的精確定程定壓工藝，必須對(duì)輸入油缸中的油液流量進(jìn)行精確控制。一般可采用比例流量閥、比例泵、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵，通過位置、壓力、流量監(jiān)測(cè)形成閉環(huán)等方式實(shí)現(xiàn)，但這些方案各有利弊，取得的效果和所用成本也不相同。本文介紹一種采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)滑塊精確控制的伺服液壓機(jī)方案。

1 伺服液壓機(jī)的原理

圖1所示為伺服液壓機(jī)的基本原理框圖。由兩組交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)嚙合泵直接連接到主缸上下腔，在泵與油缸之間連接有安全模塊。泵出口、安全模塊以及主缸上下腔分別連接有壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)各點(diǎn)壓力，輸入控制系統(tǒng)對(duì)交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行伺服控制。安全模塊用于保護(hù)系統(tǒng)安全，防止系統(tǒng)超壓和支撐運(yùn)動(dòng)件自重。液壓系統(tǒng)超壓時(shí)，安全模塊的插裝閥閥芯開啟，向油箱中釋壓。泵的出口也設(shè)有安全裝置，超壓情況下也向油箱釋壓?；瑝K位置由高精度的MTS磁致伸縮尺檢測(cè)，其精度達(dá)0.005mm。

充液閥采用獨(dú)立的油泵電機(jī)組和恒壓控制閥塊組成的液壓回路單獨(dú)控制，其控制閥組采用了比例伺服恒壓控制技術(shù)，有利于提高充液閥反應(yīng)速度，由壓力傳感器進(jìn)行壓力檢測(cè)，輸入控制系統(tǒng)控制比例伺服閥進(jìn)行補(bǔ)壓。該閥組為充液壓閥的控制端提供了恒定的控制壓力。

圖1 伺服液壓機(jī)基本原理

2 主要技術(shù)參數(shù)（表1）

3 性能特點(diǎn)

（1）工作方式選擇。有調(diào)整、半自動(dòng)（單次循環(huán)）兩種工作規(guī)范，有定壓成形與定程成形兩種成形方式。

（2）機(jī)架高剛性設(shè)計(jì)。采用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，上梁/下橫梁剛度為1/10000mm/mm。

（3）高速、高效、高柔性。采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵，使系統(tǒng)流量可實(shí)現(xiàn)無級(jí)可調(diào)?？煜滤俣?50mm/s，工作速度5～40mm/s范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)整，回程速度450mm/s，可在參數(shù)范圍內(nèi)任意設(shè)置速度、位置、壓力等參數(shù)，滑塊運(yùn)動(dòng)曲線可任意設(shè)定，滑塊工作壓力可在公稱力范圍內(nèi)任意設(shè)定，便于多機(jī)連線，與機(jī)械手等配合。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

（4）高精度。系統(tǒng)壓力、滑塊位置采用高精度傳感器，通過電氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制，可在行程范圍內(nèi)根據(jù)工藝需要輸出不同工作壓力及流量，實(shí)現(xiàn)精密定壓工藝和精密定程工藝，定壓精度±0.02MPa，定程精度±0.01mm。

（5）節(jié)能環(huán)保、低噪聲。采用德國西門子交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵，比柱塞泵噪聲降低30dB以上，最高速度下工作噪聲≤75dB（國家標(biāo)準(zhǔn)為90dB，《GB 26484-2011液壓機(jī)噪聲限值》），極大改善生產(chǎn)環(huán)境；油箱小型化設(shè)計(jì)，整機(jī)用油量約300L。

（6）主缸上下腔分別由兩臺(tái)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵單獨(dú)控制，可實(shí)現(xiàn)主缸上腔進(jìn)油，同時(shí)下腔向油箱抽油，極大減小了主缸下腔回油阻力，提高滑塊快下速度。

（7）充液閥比例伺服恒壓控制技術(shù)，提高了充液閥工作可靠性和反應(yīng)速度。

（8）安全冗余設(shè)計(jì)。主缸上下腔配安全模塊，在無壓力情況下可以實(shí)現(xiàn)滑塊在任意位置停留，整個(gè)系統(tǒng)安全冗余設(shè)計(jì)，安全級(jí)別遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)控制方式液壓機(jī)，設(shè)有多種安全保護(hù)裝置。

（9）專用控制系統(tǒng)。普通PLC很難滿足伺服液壓機(jī)的壓力、流量、速度等參數(shù)閉環(huán)程序控制大規(guī)模運(yùn)算需要，伺服液壓機(jī)的控制系統(tǒng)采用高級(jí)微處理器。

（10）可預(yù)存模具參數(shù)，供換模時(shí)快速調(diào)用模具參數(shù)庫，節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

（11）具有友好的人機(jī)交互性?？赏ㄟ^數(shù)字面板顯示輸入壓力、快進(jìn)和回程速度、壓制速度及保壓/停機(jī)時(shí)間參數(shù)，極大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

（12）提高模具使用壽命。伺服液壓機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)身振動(dòng)小，機(jī)架采用高剛度設(shè)計(jì)，模具使用壽命可提高3倍以上。

（13）維護(hù)性好。伺服液壓機(jī)外部管路連接較常規(guī)液壓機(jī)少得多，結(jié)構(gòu)簡單，配置較多的壓力傳感器和壓力表接口，方便判斷故障點(diǎn)。

4 樣機(jī)試制與驗(yàn)證

經(jīng)過2年的努力，我公司成功研制出一臺(tái)125t伺服液壓機(jī)樣機(jī)，如圖2所示。圖3所示為該伺服液壓機(jī)泵站。

圖2 125t伺服液壓機(jī)樣機(jī)

圖3 125t伺服液壓機(jī)泵站

針對(duì)研發(fā)的伺服液壓機(jī)樣機(jī)進(jìn)行性能檢測(cè)。主要進(jìn)行了滑塊空載和帶負(fù)載的定位精度試驗(yàn)、滑塊帶負(fù)載的重復(fù)定位精度試驗(yàn)、滑塊定壓精度試驗(yàn)、滑塊微動(dòng)試驗(yàn)和滑塊柔性運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。

（1）滑塊空載和帶負(fù)載的定位精度試驗(yàn)

在滑塊行程范圍均勻選取五個(gè)點(diǎn)，通過高精度的位移傳感器（精度為0.005mm）在顯示屏上顯示的滑塊位置信息和程序設(shè)定值進(jìn)行比較，誤差以設(shè)定位置與實(shí)際位置的最大差值計(jì)，進(jìn)行多次試驗(yàn)取平均值，滑塊空載定位精度為±0.01mm。

增加牛筋墊（如圖4所示），在10t～125t范圍內(nèi)均勻選擇五個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行帶負(fù)載的定位精度試驗(yàn)，誤差以設(shè)定位置與實(shí)際位置的最大差值計(jì)，多次試驗(yàn)取平均值，在所述噸位范圍內(nèi)定位精度為±0.01mm。

圖4 試驗(yàn)墊

（2）滑塊帶負(fù)載的重復(fù)定位精度試驗(yàn)

將滑塊運(yùn)動(dòng)到編程設(shè)定的某一位置，在牛筋墊允許壓縮行程范圍內(nèi)取五處，用百分表測(cè)量，誤差以設(shè)定位置與實(shí)際位置的最大差值計(jì)。多次試驗(yàn)取平均值，滑塊帶負(fù)載的重復(fù)定位精度為±0.01mm。

（3）滑塊定壓精度試驗(yàn)

采用牛筋墊進(jìn)行壓力行程試驗(yàn)，在公稱力范圍內(nèi)均勻取五個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，誤差以程序設(shè)定值和主缸上腔壓力傳感器檢測(cè)值最大差值計(jì)。經(jīng)多次測(cè)量，取平均值，壓力控制精度高達(dá)±0.02MPa。

（4）滑塊微動(dòng)試驗(yàn)

將牛筋墊壓縮到程序設(shè)定的某一點(diǎn)，停頓3～5s，讓滑塊微動(dòng)進(jìn)給0.03mm，采用百分表檢測(cè)，該液壓機(jī)較好實(shí)現(xiàn)該功能。

（5）滑塊柔性運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

該伺服液壓機(jī)程序編制界面友好，用戶可以在參數(shù)范圍內(nèi)任意設(shè)置滑塊的位置、速度、壓力、停頓時(shí)間等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)曲線。

5 應(yīng)用

（1）精密零件成形?；瑝K運(yùn)動(dòng)曲線可以根據(jù)成形工藝需要進(jìn)行設(shè)置，在任意位置可輸出所需壓制力，保證精密沖壓成形的質(zhì)量要求。

（2）拉延成形工藝中有效防止拉破?；瑝K運(yùn)動(dòng)速度可根據(jù)成形工藝需要無級(jí)調(diào)整，設(shè)計(jì)變化的滑塊運(yùn)動(dòng)速度，可有效避免材料破裂，提高表面成形質(zhì)量。

（3）新材料的成形工藝?？捎糜谧冃捂V合金等難加工材料的成形。

（4）提高單次拉伸成形深度，減少拉伸次數(shù)。拉伸速度可實(shí)現(xiàn)無級(jí)控制，有利于控制成形件成形速度過快造成的破裂問題，因而單次拉伸深度更高，成形件減薄量提高。

（5）沖裁工藝中的應(yīng)用?？煽刂茐毫敵觯诓牧辖咏鼣嗔褧r(shí)控制減小輸出壓力，因而無需緩沖裝置即可完成沖裁、切邊等工藝。

（6）可代替伺服壓力機(jī)。伺服液壓機(jī)速度高、精度高，在小行程范圍可達(dá)到伺服壓力機(jī)工作頻次。更重要的是伺服液壓機(jī)可在滑塊全行程輸出公稱力或小于公稱力的任意壓力，滑塊可在全行程任意位置設(shè)定任意保壓時(shí)間，滑塊可在全行程范圍任意位置精確定位，這是伺服壓力機(jī)或機(jī)械壓力機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的。

（7）可應(yīng)用于現(xiàn)有液壓機(jī)所有場(chǎng)合。伺服液壓機(jī)具有的高精度、高柔性特性，比現(xiàn)有液壓機(jī)的使用范圍更廣。

6 結(jié)束語

通過交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪泵實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓機(jī)速度、位置、壓力等參數(shù)的精確控制。試驗(yàn)證明伺服液壓機(jī)在高速、高效、高精、高柔性、滑塊速度無級(jí)調(diào)整、低噪聲、節(jié)能環(huán)保等方面具有傳統(tǒng)液壓機(jī)無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

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The characteristics and application of servo hydraulic press

XIA Weiming，JI Kuanbin
(Jiangsu Guoli Forging Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225009,Jiangsu China)

One kind of servo hydraulic press that adopts AC servo motor drive internal gear pump to realize servo control has been introduced in the text,the rated force of which is 1250KN.The main characteristic is that the piston side and the rod side of the main cylinder are controlled respectively by two internal gear pump driven by AC servo motors which realizes precise control of flow supply into the cylinder.Thus in this way,the parameters like position,speed and pressure have been controlled precisely.This servo hydraulic press has properties of high speed,high efficiency,high precision,high flexibility,ram speed stepless adjustment,energy conservation&environmental protection,low noise,and intelligent,etc.It has a wide application in precision parts forming process,precision parts fixed distance process,fixed pressure deforming process,improving the single forming depth,blanking process,and new material forming process,etc.

Servo hydraulic press;AC servo motor;Charging valve;Internal gear pump;High accuracy

TG315.4

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.004

1672-0121（2016）02-0025-03

2015－05－26

夏衛(wèi)明（1981-），男，碩士，工程師，從事液壓機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)。E-mail：xiaweiming2000@aliyun.com