專利名稱：有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統。
背景技術：
粉末成形已成為一種非常重要的加工方式，是一種節能、節材、高效、少污染的先進制造技術，在材料和零件制造業中具有不可替代的地位和作用。然而，加工產品精度上，只有部分粉末成形專用液壓機的產品尺寸精度可達IS71級，形位公差可達IS8、級。對精度要求較高的產品難以用粉末成型的方式一次加工完成，往往需要后續加工，這樣就增加了加工成本。另外，傳統的粉末成形液壓機的液壓系統通常采用閥控系統，存在大量的溢流損失。其無功損耗大，并造成油溫升高。在粉末成形專用液壓機壓制產品的過程中，位置和壓力的超調是造成制品精度不 夠的主要因素之一。超調往往是因為檢測元件(如壓力傳感器、位移傳感器)、換向閥等的響應滯后，在達到設定值和停止供油之間存在時間間隔，液壓泵有多余的液壓油流出，多余的液壓油進入主油缸，必然造成壓力超調或位置超調。而活塞桿自重很大，在慣性作用下難以立即停止，也是造成超調的因素之一。目前，伺服電機泵有了長足發展，給傳統液壓系統的控制注入了新的活力。利用伺服電機泵結合相應的控制策略解決液壓系統的能耗問題及控制精度問題，正是本發明的意義所在。
發明內容
本發明的目的在于提供一種結構合理，工作性能好的有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統。本發明的技術解決方案是一種有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，包括液壓系統，其特征是在液壓系統中設置伺服電機泵機構，伺服電機泵機構包括上位機PLC控制器，上位機PLC控制器與下位機專用控制器連接，專用控制器與執行器伺服電機連接，伺服電機驅動高低壓定量齒輪雙泵；其中PLC控制器接收位移傳感器、壓力傳感器實時信號，通過控制算法的實施，一方面輸出電壓指令給專用控制器，另一方面輸出信號直接控制系統各種閥的動作；專用控制器執行上位機控制指令的過程中接收來自于內環壓力傳感器及轉速編碼器反饋的泵出口壓力和電機轉速信息，實時調整伺服電機轉速，進而實時控制齒輪泵輸出流量；在空程和壓制初期的情況下，高低壓定量齒輪雙泵同時工作，實現系統大流量控制；而在壓制狀態下，降低伺服電機的轉速，實現單、雙泵的切換，從而控制壓機的行程和速度。系統中設置一套小流量供油支路，在壓制狀態下通過流量切換閥塊動作，高壓泵起作用，系統由大流量的插裝閥組控制切換到伺服換向閥小流量精密控制狀態。專用控制器的控制方法采用分段控制的方法，即行程控制段和壓力控制段；行程控制段即在系統快下過程中引入伺服泵控，此時伺服電機高速旋轉，雙泵以大流量輸出，從而活塞桿快速下行；在慢下前期仍是泵控，此時流量因為控制器的運行指令而降低，在接近目標位移時，系統切入壓力控制段，此時以壓力控制為主，但位移傳感器可以隨時對位移進行校正。系統的行程控制中加入死區補償的措施，整個行程控制中采用自整定的智能PID控制，并包含有死區補償器。系統的壓力控制采用多閉環的壓力控制，以壓力閉環為主反饋，壓制力觀測器為內環反饋，采用分段PID控制，PID參數由泵PQ工作狀態自動調整；壓制力由上、下腔壓力
差、位置/速度信號重構后用于反饋。本發明結構合理，工作性能優異，能有效提高粉末成形用液壓機壓制精度。
下面結合附圖
和實施例對本發明作進一步說明。圖I是能源驅動裝置控制形式圖。圖2是小流量精密驅動支路圖。圖3是分段控制示意圖。圖4是行程控制流程圖。圖5是多閉環壓力控制框圖。圖6是液壓伺服回路總圖。
具體實施例方式如圖6所示液壓伺服回路包括專用控制器1，伺服電機2，過濾器3，高低壓雙齒輪定量泵4，冷卻器5，流量切換閥塊6，插裝閥組7，伺服換向閥8，雙向液壓鎖9，普通換向閥10，插裝閥組11、12、13、14，液控單向閥18，壓力傳感器16，壓力繼電器17，位移傳感器19，液壓主缸20，PLC控制器22，油箱23等。該系統能采用伺服電機與定量泵組成的伺服電機泵能源供應裝置，根據液壓機狀態和工藝程序，通過壓力傳感器16、位移傳感器19將系統的壓力信號、位置信號反饋給PLC控制器22，從而根據系統各階段負載自動調整流量。有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，在液壓系統中設置伺服電機泵機構，伺服電機泵機構包括上位機PLC控制器，上位機PLC控制器與下位機專用控制器連接，專用控制器與執行器伺服電機連接，伺服電機驅動高低壓定量齒輪雙泵；其中PLC控制器負責外環控制(系統控制)這包括系統的壓力和主缸的位移、速度控制，即接收位移傳感器、壓力傳感器實時信號，通過控制算法的實施，一方面輸出電壓指令(模擬量)給專用控制器，另一方面輸出信號直接控制系統各種閥的動作。專用控制器負責內環控制，這包括執行上位機控制指令的過程中接收來自于內環壓力傳感器和轉速編碼器反饋的泵出口壓力和電機轉速信息，實時調整伺服電機轉速，進而實時控制齒輪泵輸出流量。在空程和壓制初期的情況下，高低壓定量齒輪雙泵同時工作，實現系統大流量控制；而在壓制狀態下，降低伺服電機的轉速，實現單、雙泵的切換，從而控制壓機的行程和速度。為了進一步提高系統的控制精度，設計了一套小流量供油支路，即在壓制狀態下流量切換閥塊6動作，高壓泵起作用，系統由大流量的插裝閥組控制切換到伺服換向閥8小流量精密控制狀態(如圖2所示)，使系統得到及時的響應。專用控制器的控制方法采用分段控制的方法，即行程控制段和壓力控制段。行程控制段即在系統快下過程中引入伺服泵控，此時伺服電機高速旋轉，雙泵以大流量輸出，從而活塞桿快速下行；在慢下前期仍是泵控，此時流量因為控制器的運行指令而降低，在接近目標位移時，系統切入壓力控制段，此時以壓力控制為主，但位移傳感器可以隨時對位移進行校正，從而達到較好的位置控制精度。通過實施分段控制的策略不僅可以有效降低能耗，而且行程控制和壓力控制相互協調使得控制精度進一步提高。系統的行程控制中加入死區補償的措施。整個行程控制中采用自整定的智能PID控制，并包含有死區補償器，并可對系統的電磁閥等死區和主缸由于自重的原因造成的誤差進行靈活的補償。系統的壓力控制采用多閉環的壓力控制，以壓力閉環為主反饋，壓制力觀測器為內環反饋，采用分段PID控制，PID參數由泵PQ工作狀態自動調整；壓制力由上、下腔壓力差、位置/速度信號重構后用于反饋，以改善系統的阻尼等特性。當快速下行時，伺服電機雙泵同時工作流量切換閥塊6的YAlO得電，插裝閥組14的γΑ6得電，插裝閥組13的YA4得電系統大流量輸出，油液進入主缸20的無桿腔，主缸活 塞快速下行。待連于主缸活塞的滑塊到達預先設定值S2時，主缸活塞由快下轉入慢下，此時插裝閥組13的YA4失電、YA3得電，PLC控制器接收到主缸壓力傳感器和位移傳感器反饋的信號運算后，下達控制指令給專用控制器調節伺服電機泵的流量輸出，使得主缸下腔溢流幾乎為零。主缸活塞繼續下行，達到設定值S3時，系統進入壓制狀態，此時流量切換閥塊6的的YAlO失電，僅高壓泵對系統工作。進入壓制狀態之前為行程控制階段，此階段以位移控制為主，壓力控制為輔；進入壓制階段后為壓力控制階段，此階段以壓力控制為主，行程控制為輔。進入壓制階段初期，高壓泵輸出的壓力油仍通過插裝閥組14進入主缸的上腔，壓制力由差動缸上、下腔壓力壓制力由差動缸上、下腔壓力、位置/速度信號重構后用于反饋。由于要同時滿足零件的密度和高度的要求，壓機必須既是定壓壓機，又是定程壓機，即系統中有位置、速度控制和壓力控制兩個基本閉環控制回路，因此在每一個控制回路中，分別以位置和壓力其中一個為主，另一個為輔。下面給出了本設備的壓力控制策略。粉末成形液壓機的壓力對于壓坯的尺寸和密度至關重要，但由于制品的反彈特性，系統壓力必須反復調整，時刻檢控才能保障制品密度的一致性。當系統以壓力控制為主時，如圖4所示是基于制品密度信息反饋的多閉環壓力伺服控制策略。系統由三個閉環反饋，以壓力閉環為主反饋，壓制力觀測器為內環反饋，采用分段PID控制，PID參數由泵PQ工作狀態自動調整；壓制力由差動缸上、下腔壓力、位置/速度信號重構后用于反饋，以改善系統的阻尼等特性；制品密度信息在線反饋后修正名義壓力指令，以使實際壓力輸出最優。圖中的分段PID控制器，采用智能化魯棒分段PID控制策略，Pi、Qi為液壓泵控制指令，P_UG、P_DG、P_P2、P_P3為比例增益，PI_1、PI_2、PI_3為積分增益，控制器按照泵當前工作狀態自動調整增益，可方便地調整系統壓力的響應特性，并對系統軟參數的變化具有很強的魯棒性。在壓力控制的末段，系統切換到小流量精密驅動支路，位移傳感器將主缸的位移信息反饋給控制器，進行如下的分析計算當由于摩擦的影響，在目標值附近存在不敏感區，會產生固定的定位誤差時要通過積分補充。PID算法如下urn=Kpm+Kd^-+κ ^)Λ(i)
式中，Kp為比例增益；Kd為微分系數；KI為積分系數由于采用PLC控制，PID控制的實現需用數值逼近的方法，當閉環控制采樣周期相當短時，用差分方程代替微分方程，其算法為
權利要求
1.一種有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，包括液壓系統，其特征是在液壓系統中設置伺服電機泵機構，伺服電機泵機構包括上位機PLC控制器，上位機PLC控制器與下位機專用控制器連接，專用控制器與執行器伺服電機連接，伺服電機驅動高低壓定量齒輪雙泵；其中PLC控制器接收位移傳感器、壓力傳感器實時信號，通過控制算法的實施，一方面輸出電壓指令給專用控制器，另一方面輸出信號直接控制系統各種閥的動作；專用控制器執行上位機控制指令的過程中接收來自于內環壓力傳感器及轉速編碼器反饋的泵出口壓力和電機轉速信息，實時調整伺服電機轉速，進而實時控制齒輪泵輸出流量；在空程和壓制初期的情況下，高低壓定量齒輪雙泵同時工作，實現系統大流量控制；而在壓制狀態下，降低伺服電機的轉速，實現單、雙泵的切換，從而控制壓機的行程和速度。
2.根據權利要求I所述的有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，其特征是系統中設置一套小流量供油支路，在壓制狀態下通過流量切換閥塊動作，高壓泵起作用，系統由大流量的插裝閥組控制切換到伺服換向閥小流量精密控制狀態。
3.根據權利要求I所述的有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，其特征是專用控制器的控制方法采用分段控制的方法，即行程控制段和壓力控制段；行程控制段即在系統快下過程中引入伺服泵控，此時伺服電機高速旋轉，雙泵以大流量輸出，從而活塞桿快速下行；在慢下前期仍是泵控，此時流量因為控制器的運行指令而降低，在接近目標位移時，系統切入壓力控制段，此時以壓力控制為主，但位移傳感器可以隨時對位移進行校正。
4.根據權利要求1、2或3所述的有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，其特征是系統的行程控制中加入死區補償的措施，整個行程控制中采用自整定的智能PID控制，并包含有死區補償器。
5.根據權利要求1、2或3所述的有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，其特征是系統的壓力控制采用多閉環的壓力控制，以壓力閉環為主反饋，壓制力觀測器為內環反饋，采用分段PID控制，PID參數由泵PQ工作狀態自動調整；壓制力由上、下腔壓力差、位置/速度信號重構后用于反饋。
全文摘要
本發明公開了一種有效提高粉末成形用液壓機壓制精度的液壓伺服控制系統，在液壓系統中設置伺服電機泵機構，伺服電機泵機構包括上位機PLC控制器，上位機PLC控制器與下位機專用控制器連接，專用控制器與執行器伺服電機連接，伺服電機驅動高低壓定量齒輪雙泵；在空程和壓制初期的情況下，高低壓定量齒輪雙泵同時工作，實現系統大流量控制；而在壓制狀態下，降低伺服電機的轉速，實現單、雙泵的切換，從而控制壓機的行程和速度。本發明結構合理，工作性能優異，能有效提高粉末成形用液壓機壓制精度。
文檔編號B30B15/26GK102886917SQ20121037981
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者喜冠南, 高俊, 孫苗, 袁銀南, 顏國義, 顧偉南, 顏銳 申請人:南通大學, 南通國誼鍛壓機床有限公司