双伺服油电混合折弯机液压及控制系统设计_浦进捷.pdf

第 3 期0引言随着工业技术的不断发展，数控折弯机从以往的简易数控（扭轴同步）发展到电液同步数控再到今天的油电混合伺服驱动控制。市场对于制造型设备的高效、节能、低噪、环保方面的要求越来越高，电液同步折弯机在控制技术上存在的能量损耗大，油箱容积较大且油温容易升高而导致总效率下降，重油污染等缺陷愈发突出。而油电混合伺服驱动控制技术由于其卓越的节能性和优越的技术性，在市场上已经开始广泛应用。瑞铁机床作为国内最早一批研发生产油电混合折弯机的设备制造商之一，随着持续的经验积累、技术改进及优化，在泵控液压控制原理，油缸结构优化，系统控制等方面均具备独到的专利技术。公司研发的双伺服油电混合折弯机配备了由公司主导合作研发的国产化折弯机专用数控系统DH15P，旨在打破国内市场进口折弯机系统垄断的局面。该系统控制动作快速平稳，折弯角度精准、响应快、界面简洁、操作简单，在市场上获得客户认可，真正做到折弯机研发生产制造自主化。如图 1 所示为公司研发制造的油电混合折弯机。1机械结构特点1.1独立油箱结构瑞铁机床专利双伺服油电混合系统适用于本公司油电混合数控折弯机，专利号 2017112435900。通过左、右各一组伺服电机及伺服泵，搭载两个独立的不锈钢油箱，油箱体积小、结构简单，双伺服泵控液压系统只需要一个手调溢流阀配合伺服电机就可以完成对主压力的控制，需要不同的折弯力可以通过数控系统、伺服驱动器来调整伺服电机的扭矩来实现，从而使液压系统控制更智能，控制 Y1、Y2 的快下、折弯及回程动作，快速平稳，响应速度大大超越比例阀控制，同时该系统具有低噪、高效等特点。相较于传统的折弯机液压单元，油箱（图 2）与油缸无外部管路（图 3）的折弯机液压系统通过集成块的设置，将原有外部管路优化于一体，减少泄漏点且安装简便，占用空间小，结构实用且美观。1.2增速缸结构油缸作为液压系统中的执行元件，广泛应用于各行各业中，在钣金行业中的折弯机应用也是不可或缺的部分。但是传统的油缸都是单作用活塞缸，单杆活塞缸上下两腔的有效工作面积不等，因此从上收稿日期：2022-12-11；修订日期：2023-01-16双伺服油电混合折弯机液压及控制系统设计浦进捷1，雷斌华1，吕祥龙1，王爱峰2（1.瑞铁机床（苏州）股份有限公司，江苏 太仓 215000；2.国机铸锻机械有限公司，山东 济南 250306）摘要：本文针对折弯机制造技术的发展趋势，阐述了瑞铁机床油电混合系列折弯机的技术特点和优势。该系列设备采用公司独特的增速缸技术和双伺服泵控技术，使油缸高速下行时的速度得到了极大提升，提高折弯效率，同步性更好。配以瑞铁专用 DH15P数控系统，成熟的泵控液压算法、简单便捷的人机界面、稳定的折弯精度、强大的图形编程功能使得机床综合性价比优势明显。其突出的性能也在实际生产中得到验证。关键词：板料折弯机；伺服泵控；数控系统；液压控制；油缸中图分类号：TG315.5+4文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.006文章编号：1672-0121（2023）03-0031-06第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.2023图 1油电混合数控折弯机31-第 58 卷腔通压力油与从下腔通相同压力油，所得两个方向的推力是不相等的，单作用活塞缸在快下的过程中，主要依靠滑板的自重来实现快下动作。不能实现加快向下的速度来提高生产效率。瑞铁机床研究设计的增速缸结构如图 4 所示。第一活塞杆与折弯机的滑板相连，在电机油泵启动之后，压力油控制充液阀，打开充液阀，依靠滑板自重向下，对活塞腔的上腔进行吸油，实现快下动作；与此同时，压力油经过换向阀通向第二活塞杆的油口，向第二活塞杆内通油，相当于油缸在滑板自重状态下加以推力，根据力学定律知，油缸会加速下行，从而实现滑板加速快下的效果。原有活塞杆内开设中空腔加设活塞杆，通过控制油路中的液压油，以实现对活塞杆推动折弯机滑板的高速下行，大大减少了快下过程中空行程的时间，提高了折弯机的折弯效率。此项技术为瑞铁机床自主专利技术，专利号 ZL 2017 2 1644984.2。2液压工作原理电液同步技术使用的是节流调速，调节回路中节流元件的液阻大小，配置分流支路，控制进入执行元件的流量，达到调速的目的。采用节流元件和溢流阀调速过程中要产生能量损失，节流调速的效率较低，工作时油液易发热。油电混合亦即泵控技术应用液压传动中的容积调速原理，通过改变回路中伺服泵的排量来调节执行元件的运动速度。液压泵输出的油液直接进入执行元件，没有溢流损失和节流损失，且工作压力随负载变化而变化，因此效率高，发热少，液压控制原理如图 5 所示。DH15P 数控系统会根据用户输入的折弯工艺和工件参数自动计算出折板所需折弯力、工进距离、速度转换点等相关参数。根据折弯机工作状态可分为快下、工进、保压、返程。当机床处于工作状态时依次每一道工序都需要用不同的工作压力和流量，数控系统发出 010V 的模拟量给伺服泵的驱动器，配合液压油路控制单元的工作，交流伺服电机处于高速运转，同时通过光栅尺的反馈，系统会实时调整发出的模拟量大小，电机转速将跟随流量指令大小而改变，从而控制液压系统的流量，达到各种工作状态下的合理压力值，真正做到“需多少给多少”的控制，实现速度的无级调整和转换平稳性，使机床工作速度更快、更稳定，折弯精度也更高。2.1液压系统液压系统采用先进的插装阀集成结构，密封性能好，动作灵敏，抗污染能力强，系统根据折弯机不同的工作状态打开相应的阀组从而完成折弯动作。液压原理如图 6 所示。快下：YV1、YV4 得电。伺服电机 2 带动油泵 3转动，油泵 2 的吸油口与油箱 1 连接，主压力油在没有超过主压溢流阀 4 的情况下，流向 YV4 换向阀 6的 PB，从 B 口流向油缸 17 的增速缸，加快油缸快下速度：油缸下腔油口经过溢流阀 15、快下阀 13、YV4 换向阀 6 的 AT 口流回油箱。同时压力油分支流经 YV5 换向阀 10 的 PB 至充液阀 16 打开充液图 2独立油箱结构图 3无外部管路的液压单元1.伺服动力单元 2.油箱 3.过渡板 4.阀组 5.增速油缸单作用活塞缸增速缸充液阀充液口缸体第一活塞杆第二活塞杆油路通道空腔图 4单作用活塞缸和增速缸体对比32-第 3 期阀，油缸 17 在增速缸的作用下，依靠滑板重力吸空从油箱 1 快速吸油，流经充液阀 16，从而达到机床快速向下的效果。工进：YV4、YV2、YV5 得电。压力油分二条支路：第一条流向 YV4 换向阀 6 的 PB，从 B 口流向油缸 17 的增速缸，继续起到压制作用：第二条流向YV5 换向阀 10，经 PB油缸的上腔，开始工进：油缸的下腔流向 YV4 换向阀 6 的 AT 口，最后流向油箱 1。保压：与工进动作一样，只需调整伺服电机 2 的转速实现保压。卸荷：所有电磁阀均不得电，压力油只流经 YV5换向阀 10、节流孔 11、充液阀 16，打开充液阀，使油缸上腔与油箱 1 相通，压力油流回油箱 1。此时增速缸的压力油经 YV2 换向阀 9 的 BT 口回油箱，此时就达到了卸荷工况。返程：YV3 得电。此时压力油还是分两条支路：第一条压力油只流经 YV5 换向阀 10、节流孔 11、充液阀 16，打开充液阀，使油缸 17 上腔与油箱 1 相通：第二条压力油经 YV3 换向阀 7 的 PA、YV1 快下阀 13、单向阀 14、油缸下腔，此时下腔在压力油作用下，提高伺服电机 2 的转速，可提高机床返程速度。停止：电磁换向阀均不得电，伺服电机 2 停转。机床处于静止状态。2.2点动控制设计由于油电混合液压系统在工进状态下手动控制下刀反应慢而且速度不可控制，而在工进的过程正是操作人员对刀以及估算折弯机下刀点的重要步骤，在初期试折的过程中极为重要。通过增加 YV6点动溢流阀的设计后，在原有的油缸动作基础上增加了工进点动功能，从而在折弯机工进过程中实现工进动作可控，在初期试折的过程中起到了极大的作用，操作人员可观察模具间距，方便调试，节省时间，节省材料，提高操作安全度。2.3单向定量泵与换向阀组合在大部分的液压系统中油缸动作的切换通常由油泵的旋转方向来控制正转下行、反转回程，由于油泵在切换方向时需要减速停止而后进行建压后才能换向，所以双向油泵切换方向的速度决定了油缸动位置反馈脉冲位置反馈脉冲DHI5P 系统010V反馈反馈伺服驱动器010V伺服驱动器控制控制光栅尺光栅尺图 5控制原理图浦进捷，等：双伺服油电混合折弯机液压及控制系统设计M1M2141315YV1YV2YV5111017YV4YV398541862120197M12AA BA BP TP TA BP TA BP TMYV6123图 6液压原理图1.油箱 2.伺服电机 3.油泵 4.主压溢流阀 5.YV6 点动阀 6.YV4 换向阀 7.YV3 换向阀 8.节流孔 9.YV2 换向阀 10.YV5 换向阀 11.节流孔12.上腔压力检测 13.YV1 快下阀 14.单向阀 15.溢流阀 16.充液阀17.油缸 18.安全阀 19.下腔压力检测 20.节流孔 21.主压检测16s33-第 58 卷作的效率，而单向定量泵和换向阀的组合，取消了油泵控制旋转方向的弊端，利用换向阀来快速切换液压油方向实现油缸动作的切换，电磁换向阀的响应时间一般在 2045ms，其效率远高于双向泵设计。3技术特点与优势瑞铁机床的专利双伺服油电混合数控（泵控）系统中应用单向定量泵、增速缸，是该项技术中的核心优势，其在效率方面的表现，关键是速度。根据设备实测，在保证折弯精度的前提下，折弯机快下，工进速度相比电液折弯机提高了 10%，而且得益于容积调速的液压原理，长时间快速往返工作，油温也能控制在稳定范围内。在能耗方面根据负载实测相比电液同步折弯机减少了近 50%功耗。以下为瑞铁机床双伺服油电混合技术特点总结。（1）高效:传统阀控技术采用普通三相异步电动机（固定转速）,而泵控技术的电机是伺服电机（可调转速），由于转速可调，且额定转速要高于三相异步电动机的转速额定，故折弯机的运行速度可提升15%20%，泵控技术效率也高于阀控技术 15%左右。（2）节能：传统的阀控技术会造成节流，产生不必要的能量损失，而泵控技术则是根据工况来调节流量，不会产生不必要的能量损失，从而达到节能的效果。根据测试结果统计，在同款机型同种工况下，泵控技术可节能 50%左右。（3）低噪：在同款机型同种工况下，根据测试结果统计，泵控技术所产生的噪声低于阀控技术1015dB。（4）环保：由于优异的泵控技术，可最大限度的减少溢流所产生的能量损失，工作温度从-1060，拓宽到-1080，热平衡温度低，不需要加装冷却装置，可延长液压组件寿命，泵控技术所需要的液压油箱可缩减为同等机型的 1/31/2，油液颗粒敏感度降低从 NS7 级降为 NS9 级，不易变质，即可减少废油的售后处理以及对环境的污染的影响。4系统结构方案如图 7 所示为伺服泵控数控折弯机的硬件结构图。本设备配备 DH15P 系列标准数控系统，由 IN-OVANCE 70X 系列显控一体 PLC、GR10 系列分布式扩展模块包括数字量输入输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、高速计数模块，以及动力部分的后挡料伺服驱动系统、伺服泵机组、扰度补偿电机组成。本系统采用 EtherCAT 总线通讯，EtherCAT协议作为一种基于以太网技术的工业现场总线，具有诸多优点，无论是从传输速度还是在开放性及安全性方面都更优于传统的现场工业总线。4.1硬件架构伺服泵机组伺服驱动主控单元电子尺折弯机滑块电磁阀组QEPD/A按钮/开关挠度补偿调整伺服驱动系统限位开关4ADE模拟量输出继电器数字量输入输出4DAE模拟量输入2HEC高速计数后档料输数出字量输数入字量输模入拟量EtherCatEtherCat图 7控制系统框架图34-第 3 期PLC 作为主控单元和人机界面负责每种类型信号的分析和计算以及操作者和设备沟通的任务，同时也作为通讯层面的主站与下方从站（扩展模块、伺服驱动器等执行器）间进行通讯。数字量输入输出模块主要用于对伺服泵机组的电磁阀得电顺序的控制以及开关量信号的采集和控制。高速计数模块用于接收与折弯机滑块间连接位移传感器（磁栅尺/光栅尺）的计数，反馈执行机构的实时位置，与控制系统形成闭环反馈提高控制精度。数字量输入模块用于高精度斜锲补偿装置，通过系统控制，得到精密补偿，保证折弯精度。数字量输出模块主要用于控制动力单元伺服电机的转速、扭矩限制，当系统需要的流量发生变化时，电机的转速将跟随系统指令而改变，来实现油缸的力矩输出和精准控制。4.2折弯机数控系统DH15P 数控系统是由瑞铁机床和汇川技术历时两年合作研发，系统研究开发智能安全光幕技术、伺服运动曲线监控技术、全闭环控制技术、运动控制技术、图形编程、液压控制算法技术等关键技术已有较好的突破，并已经在市场上获得验证和客户的认可。该数控系统满足油电混合数控折弯机控制功能、控制精度高，速度快且性能可靠，系统基于 Intel X86高性能处理器和 Linux 的操作系统开发，配备 15 寸OLED 大屏，设计有图形编程工具，自动折弯工序计算和干涉检测。其主要计算功能为：模具安全区域、折弯压力、折弯误差、工作台变形调节、压底折弯压力、角度矫正数据库、大圆弧折弯自动计算，2D 图形编程等。人机界面的设计遵循折弯机使用者的操作习惯，现代化的设计感，画面信息高度直观、简单、便捷、安全。如图 8 所示。DH15P 泵控系统是基于瑞铁机床的双伺服油电混合专利技术开发，并集成多种国际品牌控制阀组参数，如博世力士乐、哈威贺尔碧格及其组数据于系统内部，通过配置阀组选项就能自动根据不同品牌阀组、通径、频率等参数调整参数集。如图 9 所示，数控系统带有运动曲线分析模组，可实时采集折弯机滑块每次运动循环过程中的各项数据，如滑块速度、位置信息、扭矩给定以及系统给定理论位置和实际位置信息对比，用户可从中分析设备情况，是一种非常有效的维修调试工具。5总结油电混合数控折弯机采用高速缸单向定量泵、增速缸设计能有效提高折弯机的工作效率，提高稳定性，双伺服油电混合液压系统设计能有效降低漏油风浦进捷，等：双伺服油电混合折弯机液压及控制系统设计图 8DH15P 系统操作主界面35-第 58 卷险，降低安装成本，延长耗材的使用寿命，提高折弯精度，降低噪声，改善工作环境，在减少能耗方面更有明显优势。配置的 DH15P 专用数控系统，是专门基于瑞铁机床的双伺服油电混合专利技术开发，数控系统具备丰富的折弯功能，人机界面具有现代化风格，操作简单易用，瑞铁机床在整套油电混合数控折弯机的生产制造上实现了自主化，保证机床性能的同时，有效地降低了制造成本，实现性价比最大化。参考文献：1李振光,汪立新,温峰虎,等.泵控电液混合驱动系统在板料折弯机上的应用研发 J.锻压装备与制造技术,2013,48（1）:50-51.DOI:10.16316/j.issn.1672-0121.2013.01.019.2李振光，张磊，吕祥龙，等.油电混合数控折弯机的技术发展及应用J.世界制造技术与装备市场，2021（01）:71-72.3翟华，汪强，严建文.伺服泵控数控折弯机能耗分析J.锻压装备与制造技术，2017，52（2）:33-36.DOI:10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.010.4关尚虎，刘军强.基于钣金机器人操作的伺服泵控折弯单元设计及应用J.机械研究与应用,2018,31（6）:89-92+95.DOI:10.16576/ki.1007-4414.2018.06.027.5张志兵,卞正其,徐朝忠.伺服泵控系统在折弯机上的应用J.锻压装 备 与 制 造 技 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the dedicated DH15P CNC system ofRuitie,mature pump controlled hydraulic algorithm,simple and convenient human-machine interface,stablebending accuracy,and powerful graphic programming function,the comprehensive cost-effectiveness advantage ofthe machine tool is obvious.Its outstanding performance has also been verified in actual production.Key words:Servo pump control;Press brake;CNC system;Hydraulic control;Hydraulic cylinder36-