快鍛液壓機(jī)運(yùn)動(dòng)慣性的分析與研究

一、快鍛液壓機(jī)的鑄造技術(shù)隨著機(jī)械工業(yè)、國(guó)防工業(yè)和航天工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)銨、耐磁性鋼的需求日益增長(zhǎng)。因此，人們對(duì)自由裂紋的尺寸精度和生產(chǎn)效率有了越來(lái)越高的要求。因此，高速液體壓機(jī)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(tǒng)工作原理快鍛液壓機(jī)控制的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)擬合鍛壓過(guò)程中的鍛造曲線,使鍛造曲線不因鍛造過(guò)程負(fù)載工況的不同而出現(xiàn)大的突變點(diǎn),而且在上、下死點(diǎn)減速達(dá)到平穩(wěn)過(guò)渡。理想的鍛造曲線一般為正弦曲線。目前,技術(shù)水平最高的是德國(guó)潘克公司制造的正弦泵傳動(dòng)系統(tǒng),但由于其價(jià)格高、維護(hù)成本高,國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的是三級(jí)插裝閥系統(tǒng)和以電液比例插裝閥為主的比例控制系統(tǒng)。正弦泵控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高、效率高、控制靈活、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),運(yùn)動(dòng)曲線見(jiàn)圖1。應(yīng)用較廣的插裝閥控制系統(tǒng),屬于繼電器控制模式,響應(yīng)較慢;在不同動(dòng)作過(guò)渡時(shí),壓機(jī)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)振動(dòng),而且液壓機(jī)的快速性受到開(kāi)關(guān)閥啟閉響應(yīng)時(shí)間的制約,從圖2可以看出,在壓機(jī)空程下降快接近工件時(shí),液壓機(jī)有“剎車(chē)”現(xiàn)象,卸壓卸荷時(shí)間也很長(zhǎng),返程到上死點(diǎn)若不需要停滯則會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào),這些不僅影響壓機(jī)工作效率而且會(huì)導(dǎo)致壓機(jī)的振動(dòng)由華中科技大學(xué)和蘭州蘭石重工新技術(shù)有限公司研發(fā)的以大通徑電液比例控制閥為主的比例控制系統(tǒng)的快鍛液壓機(jī)本文所研究的快鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)采用電液比例控制系統(tǒng),其響應(yīng)快、控制精度高等特點(diǎn)非常適合于快鍛液壓機(jī)。并采用比例快鍛回路,可通過(guò)PLC控制系統(tǒng)控制快鍛方式下比例插裝閥開(kāi)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(shí)現(xiàn)。下面就此種控制方式進(jìn)行PLC程序方案設(shè)計(jì)和仿真研究。三、比例控制快鍛回路快鍛液壓機(jī)常用的鍛造方式為常鍛、快鍛和鐓粗。常鍛一般為開(kāi)環(huán)控制適用于需要有大變形量的手動(dòng)控制。鐓粗是長(zhǎng)時(shí)間保壓過(guò)程,一般是把鋼錠或柱形坯料沿軸向鍛成各種餅形或圓盤(pán)形?？戾懯且晕恢镁群湾懺焖俣葹槟繕?biāo)的閉環(huán)控制,往往與操作機(jī)聯(lián)動(dòng),自動(dòng)化程度高?？戾憰r(shí),鍛件的變形量一般控制在5mm以內(nèi),壓機(jī)鍛造行程一般不超過(guò)30mm,快鍛次數(shù)高達(dá)80次/分以上。因此,快鍛液壓機(jī)的快鍛性能成為衡量一個(gè)國(guó)家鍛造機(jī)械制造業(yè)自動(dòng)化水平和能力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。本文所研究的快鍛液壓機(jī)快鍛時(shí)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(jìn)排液全部使用大通徑電液比例插裝閥的系統(tǒng)。壓機(jī)壓下時(shí),V2和V4工作?；爻虝r(shí),V3和XV1同時(shí)投入工作完成一個(gè)工作循環(huán)。1.比例閥的設(shè)計(jì)特點(diǎn)快鍛液壓機(jī)進(jìn)行快鍛時(shí)的計(jì)算機(jī)控制方框圖如圖5所示,這是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng),根據(jù)位移誤差量的大小及其符號(hào)正負(fù)來(lái)實(shí)時(shí)控制四個(gè)比例閥的開(kāi)口度和動(dòng)作,對(duì)液壓系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及控制軟件設(shè)計(jì)等要求較高。每個(gè)比例閥使用單獨(dú)的PID控制器,使快鍛液壓機(jī)既能滿足快鍛特性,又能使其控制性能達(dá)到最優(yōu)。2.快鍛過(guò)程控制快鍛液壓機(jī)采用快鍛控制是閉環(huán)控制,屬于自動(dòng)操作方式,因此程序的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。根據(jù)液壓機(jī)快鍛工作原理與計(jì)算機(jī)控制工序,快鍛液壓機(jī)快鍛程序設(shè)計(jì)為:在主操作臺(tái)上選擇壓機(jī)自動(dòng)模式,壓機(jī)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在啟動(dòng)壓機(jī)前,通過(guò)鍛造參數(shù)設(shè)定界面設(shè)置壓機(jī)行程高度、鍛造頻率、上給定點(diǎn)和下給定點(diǎn)位置。壓機(jī)快鍛過(guò)程控制是閉環(huán)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(jī)的下給定點(diǎn)設(shè)置給定曲線的停滯等待程序,因?yàn)樵诮o定曲線達(dá)到下給定點(diǎn)后,由于閥的響應(yīng)和主缸建壓等都需要時(shí)間,液壓機(jī)的實(shí)際位移量會(huì)滯后,所以必須判斷實(shí)際位移量是否也到達(dá)下給定點(diǎn),如果實(shí)際位移量也到達(dá)下給定點(diǎn),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(shí)現(xiàn)快鍛液壓機(jī)平穩(wěn)無(wú)沖擊運(yùn)行,主要是根據(jù)位移誤差量的大小及正負(fù)來(lái)實(shí)時(shí)控制四個(gè)比例閥的開(kāi)口度和動(dòng)作來(lái)完成?？戾懣刂品桨冈O(shè)計(jì)主要分為兩部分:給定位移曲線和實(shí)際位移曲線部分,四個(gè)比例閥的PID控制部分。設(shè)計(jì)方案如圖6所示。利用西門(mén)子公司的STEP7-400軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行梯形圖語(yǔ)言編程。四、真結(jié)果1圖1利用PLCSIMV5.4SP3軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。給定輸入為正弦曲線,頻率1.5Hz,幅值0.01m。仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖中可知,壓機(jī)在運(yùn)行前兩個(gè)周期出現(xiàn)振動(dòng)和超調(diào),然后逐漸趨于穩(wěn)定,位移曲線越來(lái)越平滑,由于壓機(jī)本身運(yùn)動(dòng)慣量大,而且PID控制器存在一定的時(shí)間滯后,因此從圖中可以看出,位移輸出曲線存在滯后,時(shí)間約為0.2s,但是壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)頻率能跟蹤上輸入頻率,穩(wěn)定后位置精度在要求的±1mm范圍之內(nèi)。仿真結(jié)果如下:五、快鍛過(guò)程控制方案設(shè)計(jì)本文著重對(duì)快鍛液壓機(jī)快鍛過(guò)程進(jìn)行分析,設(shè)定理想的鍛造曲線,并進(jìn)行PLC控制方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案時(shí),包含給定位移曲線和實(shí)際位移曲線的比較等待設(shè)計(jì),以及四個(gè)比