高精度多段速热成形伺服油压机关键点设计
[摘 要]文章介绍了高精度多段速热成形伺服液压机的特点，以及分析了热成形压机液压系统原理图。具体阐述了汽车轻量化的趋势及本公司研发第二代热成形伺服压机存在的问题，引出第三代热成形伺服压机设计需要解决的要点，接着介绍多段速、高精度伺服液压机的油路伺服系统的设计要点，最后介绍第三代伺服压机的运行效果达到前期设计预期。此伺服压机的研制，奠定了公司在轻量化设备方面的核心竞争力，打破了国外设备的垄断。
[关键词]热成型;高精度、多段速控制;液压机;液压伺服系统;DELTA轴控制系统;凸轮同步
[中图分类号]TG315.46 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–03
Design of Key Points of High Precision Multi Stage Fast
Hot Forming Servo Hydraulic Press
Zhou Song-tao
[Abstract]The article introduces the characteristics of the high-precision multi-speed hot forming servo hydraulic press， and analyzes the schematic diagram of the hydraulic system of the hot forming press. It specifically elaborated on the trend of automobile lightweight and the problems of the company"s second-generation thermoforming servo press， and led to the main points that need to be solved in the design of the third-generation thermoforming servo press. Then it introduced the oil of the multi-speed， high-precision servo hydraulic press. The design points of the road servo system， and finally introduce the operation effect of the third-generation servo press to meet the pre-design expectations. The development of this servo press established the company"s core competitiveness in lightweight equipment and broke the monopoly of foreign equipment.
[Keywords]thermoforming; high precision， multi-stage speed control; hydraulic press; hydraulic servo system; delta axis control system; cam synchronization
汽車轻量化是国家节能减排的硬性要求，目前无论商用车还是乘用车都在考虑轻量化的方案。例如，特斯拉采用6500 t压铸机整体压铸车身底盘件，70多个零件变成一个高压压铸整体，既减少了车身重量同时又减少制造工序，降低制造成本。我国的轻量化技术与国外存在着一定差距，但是随着国内自主品牌汽车行业的快速发展，每一个自主品牌也在奋起直追，不断对标竞争对手，寻求降低汽车重量的方法，以达到节能减排的目的。
高强度钢、铝合金、镁合金与碳纤维是汽车轻量化发展的主要方向。其中高强度热成形零件，相对成本较低，是目前轻量化路线中商业化比较普遍的技术。但是国内热成形技术起步较晚，因此装备这块基本上被德国舒勒和瑞典APT所垄断。国内天锻和合锻也在研发热成形压机，但是速度始终与国外存在较大差距，单个冲次的循坏时间在6～7 s，而竞争对手单个冲次的循环时间在4～5 s。
图1是上海正谦汽车零部件有限公司研发的第二代热成形压机的运行曲线，该压机委托国内压机厂家生产，与国内天锻和合锻基本上在同一水平。
第二代热成形压机存在的主要问题如下。
（1）建压时间0.8 s，国外设备现状是压机到底建压时间在0.4 s左右，需要寻求解决方法。
（2）除压结束到滑块开始运行的等待0.86 s，国外设备现状是此处没有任何等待。
（3）单个循环时间6.1 s，去掉压力保持的8 s。
基于以上问题，提出了研发第三代多段速、 高精度伺服油压机，解决生产过程中的瓶颈。
1 多段速、高精度伺服油压机和凸轮实现
1.1 热成形伺服油压机参数
根据调研国外设备和研究热成形板料成形的工艺参数，形成了热成形压机的技术参数表，如表1所示。
通过表1看出，热成形压机的难点是滑块的速度根据吨位和位置的不同，不断调整以达到快速成形的目的。
研究国外设备实际成形过程中的运行曲线，通过曲线判断，滑块下降速度800 mm/s-359 mm/s-117 mm/s分段调整，提升过程400-800 mm/s两段速度设定。
1.2 热成形伺服油压机伺服控制器选择
当前常规的伺服油压机的速度一般无法精准地满足上述要求。国内对伺服理解是把油泵电机换成伺服电机然后通过调整伺服电机的频率达到调整系统流量和压力的目的。经过对比提出了把油压机的滑块看成一个油缸，这样把对滑块的控制看成一个液压伺服轴的控制，可以非常精准地调整速度。原理如图2所示。
采用常规的PLC，其扫描周期一般在20 ms左右无法满足对压机速度的精准控制。在对标德国力士乐和美国穆格等液压伺服控制器的基础上，最终选择DeltaRMC150控制器。把滑块的下降和上升分别作为两个液压轴。滑块的光栅尺直接接入Delta控制器，RMC150控制器控制Parker比例伺服阀，从而控制滑块的速度。
1.3 热成形伺服油压机凸轮功能
RMC150的“虚拟凸轮”的功能能让压机和压机机械手产生同步的运动，见图3。
（1）借助于“虚拟凸轮”的功能压机的滑块和压机多工位机械手的运动是同步的。这在压机和多工位机械手间产生了优化的序列，从而带来更快的启动过程和更高的生产效率。
（2）系统能自动计算所有连接轴的运动曲线。
（3）压机和多工位机械手的运动跟随着一个0°～360°的虚轴。
（4）此功能可以使用于典型的多工位运动模式以及单臂机械手运动模式。
（5）虚轴的配置基于输入的数据。
（6）所有连接轴的位置与速度都是同步的以达到优化的序列。
（7）所有的轴包括压机都是同一个速度控制。
（8）机械手位置，圆角，加速度，进出的运动都编程于RMCtools软件中。
（9）压机滑块的运动是预先确定好的，但压力、速度和位置仍可编程控制。
（10）滑块序列包括闭合，各种速度的设置，保压时的压力，压力的切换和回程。整个循环过程都呈现于主控面板。
（11）如果带有其他的液压功能，如液压顶出或液压垫，是可以自由编程，并且操作序列可以为每副模具特别设计。
（12）所有的参数都在产线的电脑终端中设置并储存。
2 多段速、高精度伺服油压机液压系统关键点设计
2.1 热成形伺服油压机高速多缸功能
热成形压机的常规吨位为1 200 t，目前国内压机厂家一般采用3个主缸或者2个主缸的压机。在相同的吨位和相同系统压力的情况下，选用的液压主缸数量越少，单个主缸的直径就会越大，工进阶段需要补充的油量越大，电机的功率就会越大，因此选用数量较少的主缸，需要达到较快的工进速度，计算功率能达到1 000 kW以上。常规厂房配电很难承受这么高功率的负载，另外从节能的角度上也不符合国家节能减排的要求。目前国外热成形压机的功率大约为630 kW，工进速度明显优于国内厂家压机的速度，其采取的方案策略是采用更多的油缸，不同的速度，采用不同数量的油缸，如图4所示。
（1）压机滑块高速多缸功能使得滑块运行时进行主缸切换成为可能。可以实现1个缸、3个缸与5个缸的切换。
（2）在不需要用大吨位力时，通过断开一个或多个滑块主缸，压机运行速度将会增加并且节拍时间更短。
热成形压机工进过程的循环一般如下。
循环一，单缸，中心。所有油泵给此缸供油，工进速度可以达到350 mm/s，提供的最大吨位为100 t。
循环二，三缸，对角线。所有油泵为此3个油缸供油，工进速度可以达到200 mm/s，提供的最大吨位720 t。
循环三，所有5个缸。所有油泵为此5个油缸供油，工进速度可以达到35 mm/s，提供的最大吨位为120 t。
（3）此功能可以在操作终端中编程和存储。
通過以上油缸的切换，才能满足热成形压机成形过程中低压、高速度的特性，否则按照常规压机满足这么高的速度，功率太高，太浪费。
2.2 高速油缸式充液阀的设计
常规充液阀采用活塞式充液阀，无法适应滑块的高速运行，第二代热成形压机采用的活塞式充液阀经常出现活塞杆断裂的情况。活塞式充液阀的结构如图5所示。
在对标舒勒伺服油压机的基础上，提出了一种油缸式充液阀，结构如图6所示。
2.2.1 油缸式充液阀特点
（1）通量大，下降过程中不会存在吸空的可能性、上升过程中除压快速，避免等待。
（2）比例阀控制油缸式充液阀主动关闭，因此系统压力建立的同时关闭油缸式充液阀，系统建压明显快于活塞式充液阀（活塞式充液阀是被动关闭）。
（3）比例阀控制油缸式充液阀主动打开，除压速度快，快速提升，比活塞式充液阀除压时间减少0.5 s左右。
2.2.2 油缸式充液阀的缺点
为实现油缸式充液阀的快速打开和关闭，油缸式充液阀采用单独的比例阀控制，增加设备投入的成本。油缸式充液阀的控制回路如图7所示。
YV47给活塞式充液阀蓄能器冲压，与系统压力保持一致。YV46是泄压阀，当维修或者断电的情况下，蓄能器压力卸掉保证安全。比例阀YV65控制比例的打开和关闭。打开和关闭的时间基本上在20 ms左右，因此系统的响应很快。
2.3 提高建压速度
提高建压速度，①增加油泵的流量和电机的功率，采用2组泵，每组4台泵，总功率85 kW×8=680 kW;②提前启动所有油泵，保证建压时所有泵达到最快状态，毕竟电机和油泵存在响应时间问题， 采用此方法明显提高建压速度，如图8所示。
2.4 减少除压时间、提高滑块回程的速度及氮气弹簧功能
如上所述，压机采用5个油缸，除压过程：如果没有氮气弹簧，所有油缸通过油缸式充液阀直接除压，快速回程，回程速度快速到达800 mm/s;如果有氮气弹簧，中间主缸采用除压比例阀闭环控制除压过程滑块提升的速度，其余4个油缸通过油缸式充液阀快速除压，氮气弹簧这段过程速度最快可以达到400 mm/s。
2.5 第三代多段速、伺服油压机运行曲线
如图9所示，采用上一节介绍的四点关键技术，第三代伺服压机单个循环的时间达到4.271 s，与德国舒勒的伺服油压机运行时间不相上下，比前期研制的伺服压机单个循环时间缩短3 s左右。完全达到预期设计目标。
采用RMC150液压伺服控制器的油路系统设计，实现对液压机的高速度及高精度的控制，在运动速度方面压机滑块快下速度可达1 000 mm/s，工作速度可在35～400 mm/s进行分段调整，回程速度也可达到900 mm/s。同时根据热成形压机工艺要求可实现油压机滑块的定位、调速/调压控制，根据不同的工艺要求可以设定切换，在位置控制时重复定位精度最高可达±0.01 mm，单个循环时间误差控制在±1%以内，常规油压机无法达到这样的精度要求。另外系统具有配方功能，可以存储不同的配方参数，方便调用，实现精确控制。
3 结语
多段速、高精度伺服油压机及凸轮系统应用，提高了热成形零件的质量和生产的效率。Delta控制器在控制方面表现出优越的性能，响应快、超调小、设定相对简单，方便调试;5缸油压系统选用，保证系统能实现低压、高速运行，对节省压制时间至关重要;虚拟凸轮功能，减小压机和机械手之间的等待间隙，降低热成形零件的传递时间，提高板料入模温度，从而提高产品质量。
参考文献
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