專利名稱：大型模鍛液壓機(jī)的補(bǔ)償同步平衡控制系統(tǒng)的制作方法
專利說明大型模鍛液壓機(jī)的補(bǔ)償同步平衡控制系統(tǒng) 本發(fā)明屬于液壓控制系統(tǒng)的同步平衡控制系統(tǒng)，特別是大型模鍛液壓機(jī)的同步平衡控制系統(tǒng)。大型模鍛水壓機(jī)是國(guó)防和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。其同步平衡控制系統(tǒng)是用于控制液壓機(jī)活動(dòng)橫梁在運(yùn)行及液壓機(jī)加載過程中的傾斜度，是影響金屬形成過程和產(chǎn)品加工精度的重要部分。同步平衡控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是一類控制量為恒值的液壓位置保持系統(tǒng)，滿足將被控對(duì)象保持在某一設(shè)定的位置的控制要求，當(dāng)被控對(duì)象受到外部干擾時(shí)盡可能迅速地作出反應(yīng)，將被控對(duì)象校正回來并保持在原設(shè)定位置。目前，液壓位置保持系統(tǒng)有封閉型、節(jié)流型和補(bǔ)償型三種工作方式，其中，節(jié)流型方式是以損失部分工作壓力為代價(jià)來平衡外部干擾載荷；封閉型方式由于僅依靠液壓缸內(nèi)液體的彈性變形產(chǎn)生的作用力被動(dòng)平衡外部干擾載荷，平衡力的大小是隨著被控對(duì)象偏離設(shè)定位置距離的增加而增加，這是一種有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其穩(wěn)定精度與液壓缸內(nèi)油液的特性及外加載荷的大小有關(guān)，它無法在有外加載荷存在的情況下將被控對(duì)象校回到原設(shè)定位置，無法滿足高精度控制要求。而補(bǔ)償型方式是根據(jù)檢測(cè)器檢測(cè)到的干擾載荷作用下被控對(duì)象相對(duì)于設(shè)定位置的位移量，通過閥控或泵控補(bǔ)償控制系統(tǒng)向需要增壓的工作缸液壓腔補(bǔ)油，迅速產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠胶饬?，阻止被控?duì)象進(jìn)一步偏離設(shè)定位置，并最終將被控對(duì)象?；夭⒈３衷谠O(shè)定位置，可以得到很高的控制精度。
目前補(bǔ)償型系統(tǒng)一般采用單純進(jìn)油補(bǔ)償形式，工作時(shí)對(duì)液壓缸由于被控對(duì)象的偏移而受壓縮的一腔補(bǔ)油，另一腔封閉的形式，系統(tǒng)對(duì)干擾外載的平衡力的大小和響應(yīng)快慢主要由補(bǔ)油系統(tǒng)的壓力和流量決定，當(dāng)需要平衡更大的干擾外載而保持相同的控制精度時(shí)，補(bǔ)油系統(tǒng)供油的壓力和流量也必須同時(shí)增大。這樣整個(gè)系統(tǒng)耐壓等級(jí)、泵站功率都要求有很高，工作時(shí)消耗的能量也會(huì)很大。當(dāng)系統(tǒng)由于干擾外載變化或補(bǔ)償過度反向時(shí)，系統(tǒng)容易失穩(wěn)，嚴(yán)重影響控制精度和可靠性。為了提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，同時(shí)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，本發(fā)明提出溢流補(bǔ)償型同步平衡控制系統(tǒng)。主要包括以下內(nèi)容
1、液壓子系統(tǒng)本發(fā)明提出了“溢流平衡”技術(shù)原理，即在補(bǔ)償型液壓位置保持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在回油管路上增加基準(zhǔn)壓力調(diào)節(jié)控制元件進(jìn)行基準(zhǔn)壓力設(shè)定，系統(tǒng)在工作時(shí)根據(jù)所處工況通過控制對(duì)二級(jí)基準(zhǔn)壓力設(shè)定值進(jìn)行切換。系統(tǒng)在不補(bǔ)償時(shí)基準(zhǔn)采用較高值，當(dāng)位置偏移需要系統(tǒng)補(bǔ)償動(dòng)作時(shí)，基準(zhǔn)壓力轉(zhuǎn)換為較低值。這樣，一方面壓縮腔由于體積壓縮補(bǔ)償高壓液體而壓力增加，另一方面，非受壓縮腔原先較高的基準(zhǔn)壓力由于體積增加及基準(zhǔn)壓力設(shè)定值降低產(chǎn)生溢流而壓力迅速降低，從而系統(tǒng)可更快獲得比單純補(bǔ)償型更大的壓差；并且由于基準(zhǔn)壓力增加，可以更可靠地保證實(shí)現(xiàn)溢流時(shí)非壓縮腔不產(chǎn)生負(fù)壓，使系統(tǒng)更加安全。在進(jìn)油和回油路上都增加了比例流量控制元件，對(duì)補(bǔ)償腔和溢流腔的流量進(jìn)行比例控制，以提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性；同時(shí)在泵出口壓力設(shè)定上也采取了可調(diào)的二級(jí)工作壓力設(shè)定元件，通過設(shè)定多級(jí)工作壓力以適應(yīng)不同的工作狀態(tài)對(duì)平衡壓力的要求。
如逆時(shí)針方向上超出給定的死區(qū)控制值，補(bǔ)償液壓系統(tǒng)開始工作，一個(gè)溢流補(bǔ)償型同步系統(tǒng)由四個(gè)先導(dǎo)式邏輯錐閥控制補(bǔ)償油液的流向及通斷，并可將同步缸鎖死形成封閉系統(tǒng)；電磁換向閥和另一個(gè)先導(dǎo)式邏輯錐閥控制泵是否卸荷；有一個(gè)單向閥防止油液回流。系統(tǒng)主控閥門采用高靈敏度的插裝閥，系統(tǒng)壓力通過三個(gè)壓力閥控制，對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行分級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)不補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)卸荷，無載時(shí)低壓補(bǔ)償，加載時(shí)高壓補(bǔ)償三級(jí)壓力控制；二個(gè)比例流量閥對(duì)補(bǔ)償流量根據(jù)有載與無載兩種不同工作狀況以及傾斜角的大小進(jìn)行比例調(diào)節(jié)；用三個(gè)基準(zhǔn)壓力用閥控制，系統(tǒng)封閉時(shí)，背壓值控制為高值，系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)，背壓值控制為低值。軸向柱塞泵正常情況下通過內(nèi)控錐閥卸載空轉(zhuǎn)，僅在需要補(bǔ)償?shù)乃查g負(fù)載運(yùn)行。當(dāng)活動(dòng)橫梁處于水平狀態(tài)時(shí)，同步缸各腔具有相同的基準(zhǔn)壓力(高)，活動(dòng)橫梁上下運(yùn)動(dòng)過程中交叉連接腔容積保持不變，管道兩管道封閉；當(dāng)活動(dòng)橫梁受到鍛造偏心力矩的作用而發(fā)生傾斜，如順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，同步缸各腔及相應(yīng)連接管道由于容積的變化帶來壓力的變化，對(duì)角同步缸上下兩腔壓力的變化便形成了反方向的同步平衡力矩，當(dāng)液壓機(jī)繼續(xù)加載，活動(dòng)橫梁傾斜度在某一管道及其相應(yīng)的聯(lián)結(jié)腔處于補(bǔ)液狀態(tài)，另一個(gè)管道及其相應(yīng)的連接腔接基準(zhǔn)壓力(低)控制閥溢流，同步缸各工作腔液體體積的變化產(chǎn)生了壓力的變化，對(duì)角同步缸壓力變化形成平衡力矩。當(dāng)活動(dòng)橫梁在同步平衡力矩作用下被校正并且傾斜角小于給定的死區(qū)零位控制值時(shí)，補(bǔ)液系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)封閉。所有閥門元件全部集成在一塊體積不大的閥體內(nèi)。
2、電氣檢測(cè)控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)要求，用基于現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及先進(jìn)的傳感器技術(shù)的長(zhǎng)行程、高精度的絕對(duì)位移及傾角檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用四個(gè)磁致伸縮超聲波直線位移檢測(cè)器置于需要進(jìn)行位置控制平面的四個(gè)角部，對(duì)所控平臺(tái)進(jìn)行全行程高精度位移檢測(cè)。4角位移的平均值可用于平臺(tái)位置控制，相對(duì)的一組位移差值可轉(zhuǎn)換為兩點(diǎn)間連線側(cè)斜值，通過對(duì)平臺(tái)上兩組也就是平臺(tái)上交叉的兩根連線的水平控制也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)平臺(tái)的水平控制。四個(gè)傳感器由一根電纜連接成PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)，直接得到數(shù)字化的檢測(cè)信號(hào)，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

圖1為本發(fā)明同步補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖；圖2為本發(fā)明水壓機(jī)工作過程較偏裝置原理圖；圖3為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例工作原理簡(jiǎn)圖。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。溢流補(bǔ)償型同步系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。圖中由先四個(gè)導(dǎo)式邏輯錐閥1、2、3、4控制補(bǔ)償油液的流向及通斷，并可將同步缸鎖死形成封閉系統(tǒng)；電磁換向閥5和先導(dǎo)式邏輯錐閥7控制泵是否卸荷；8為單向閥，防止油液回流。當(dāng)活動(dòng)橫梁處于水平狀態(tài)時(shí)，同步缸各腔具有相同的基準(zhǔn)壓力(高)，活動(dòng)橫梁上下運(yùn)動(dòng)過程中交叉連接腔容積保持不變，管道16、17封閉；當(dāng)活動(dòng)橫梁受到鍛造偏心力矩的作用而發(fā)生傾斜，如順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，同步缸各腔及相應(yīng)連接管道由于容積的變化帶來壓力的變化，對(duì)角同步缸上下兩腔壓力的變化便形成了反方向的同步平衡力矩，當(dāng)液壓機(jī)繼續(xù)加載，活動(dòng)橫梁傾斜度在某一方向，如逆時(shí)針上超出給定的死區(qū)控制值，補(bǔ)償液壓系統(tǒng)開始工作，管道16及其相應(yīng)的聯(lián)結(jié)腔處于補(bǔ)液狀態(tài)，管道17及其相應(yīng)的連接腔接基準(zhǔn)壓力(低)控制閥溢流，同步缸各工作腔液體體積的變化產(chǎn)生了壓力的變化，對(duì)角同步缸壓力變化形成平衡力矩。當(dāng)活動(dòng)橫梁在同步平衡力矩作用下被校正并且傾斜角小于給定的死區(qū)零位控制值時(shí)，補(bǔ)液系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)封閉。
系統(tǒng)主控閥門采用高靈敏度的插裝閥，系統(tǒng)壓力通過閥10、11、12控制，對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行分級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)不補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)卸荷，無載時(shí)低壓補(bǔ)償，加載時(shí)高壓補(bǔ)償三級(jí)壓力控制；閥6、9為比例流量閥，對(duì)補(bǔ)償流量根據(jù)有載與無載兩種不同工作狀況以及傾斜角的大小進(jìn)行比例調(diào)節(jié)；基準(zhǔn)壓力用閥13、14、15控制，系統(tǒng)封閉時(shí)，背壓值控制為高值，系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)，背壓值控制為低值。軸向柱塞泵正常情況下通過內(nèi)控錐閥7卸載空轉(zhuǎn)，僅在需要補(bǔ)償?shù)乃查g負(fù)載運(yùn)行。所有閥門元件全部集成在一塊體積不大的閥體內(nèi)。
如圖2所示，設(shè)計(jì)的智能型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可避免因數(shù)據(jù)錯(cuò)誤帶來的誤操作。為了避免水壓機(jī)工作過程中動(dòng)梁可能出現(xiàn)的較大幅度的橫向振動(dòng)，安裝在滑塊19上的位移檢測(cè)頭與固定在動(dòng)梁上的連接板18之間采用了兩個(gè)可橫向滑動(dòng)的鋼球?；瑝K內(nèi)彈簧的作用是使滑塊通過上面的鋼球始終壓靠在支架的測(cè)量面上，從而保證通過安裝在導(dǎo)軌20位移傳感器所測(cè)得的位移始終是支架測(cè)量面的位移，消除活動(dòng)橫梁橫向振動(dòng)、傾斜帶來的誤差。針對(duì)運(yùn)行中偏心載荷的不確定性與隨機(jī)性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)自適應(yīng)的控制方案，以滿足加壓過程高精度及運(yùn)行過程平穩(wěn)性的要求。
如圖3所示，模鍛水壓機(jī)活動(dòng)橫梁同步平衡系統(tǒng)是一個(gè)典型的液壓位置保持系統(tǒng)，它要求在活動(dòng)橫梁上下運(yùn)行時(shí)始終保持設(shè)定的水平角度不變。同步平衡系統(tǒng)四個(gè)平衡缸按每一對(duì)角線上的兩個(gè)為一組分為兩組，每組中的一個(gè)缸的上腔與另一缸的下腔用輸油管道連通，即每組缸中兩個(gè)缸四個(gè)腔交叉連接，使每一組平衡缸控制著活動(dòng)橫梁基準(zhǔn)面上的一條對(duì)角線的水平度。活動(dòng)橫梁處于水平傾角為0時(shí)平衡缸各腔具有相同的基準(zhǔn)壓力，活動(dòng)橫梁上下垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)各交叉連接腔的總?cè)莘e保持不變，忽略油液在管道中的沿程損失時(shí)，兩連接腔及管道中僅有油液的流動(dòng)而不產(chǎn)生壓差。如果活動(dòng)橫梁在鍛造過程中由于偏心力矩的作用發(fā)生傾斜，檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)到活動(dòng)橫梁某一對(duì)角線上的傾斜角φ送入該步缸的控制單元，由補(bǔ)償控制系統(tǒng)根據(jù)電氣控制單元發(fā)出的控制信號(hào)，通過輸油管道21、22、23、24控制向各腔的壓力，以產(chǎn)生合適的反向力矩(平衡力矩)阻止活動(dòng)橫梁的進(jìn)一步傾斜，并將活動(dòng)橫梁校正回水平位置。
本發(fā)明在實(shí)際工程應(yīng)用中達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)了具有大慣量多自由度的活動(dòng)橫梁在全行程1830mm范圍內(nèi)的高精度，對(duì)角差僅為0.1mm；系統(tǒng)靜精度為0.04‰rad；系統(tǒng)動(dòng)精度為0.6‰rad；檢測(cè)系統(tǒng)精度為0.02mm；同步補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間不大于0.3秒；同步系統(tǒng)平衡能力縱向?yàn)?20MNm，橫向?yàn)?0MNm。
溢流平衡較之補(bǔ)償平衡在響應(yīng)速度上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且增加了系統(tǒng)平衡能力，減小了卸壓沖擊，有利于系統(tǒng)靜精度的提高和框架受力狀況的改善，擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能。采用電液比例流量閥作為提供比例補(bǔ)償流量的關(guān)鍵器件，綜合性能較優(yōu)，保證了系統(tǒng)的合理性?；诒壤髁靠刂扑枷?，進(jìn)行了液壓系統(tǒng)的液壓原理設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的閥塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)布置緊湊合理，改善了現(xiàn)場(chǎng)工作條件。同時(shí)，簡(jiǎn)化了液壓操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)泄漏很小。
解決了系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾要求，在獲得高精度的同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性；顯著改善模壓件質(zhì)量，提高成品率和設(shè)備利用率，降低維護(hù)費(fèi)用；兼顧了類似系統(tǒng)的技術(shù)共性，對(duì)國(guó)內(nèi)各種立式、臥式水壓機(jī)具有廣泛應(yīng)用價(jià)值，可直接推廣應(yīng)用。
本發(fā)明提高了產(chǎn)品精度和產(chǎn)品成品率，提高了生產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1.模鍛水壓機(jī)的補(bǔ)償同步平衡控制系統(tǒng)，包括泵、比例閥、壓力控制閥、插裝閥及同步缸，其特征在于系統(tǒng)主控閥門采用高靈敏度的插裝閥，系統(tǒng)壓力通過閥(7)、(10)、(11)、(12)進(jìn)行分級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)不補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)通過內(nèi)推錐閥(7)卸載空轉(zhuǎn)，無載時(shí)低壓補(bǔ)償，加載時(shí)高壓補(bǔ)償三級(jí)壓力控制；用比例流量閥(6)、(9)對(duì)補(bǔ)償流量根據(jù)有載與無載兩種不同工作狀況以及傾斜角的大小進(jìn)行比例調(diào)節(jié)；基準(zhǔn)壓力用閥(13)、(14)、(15)控制，系統(tǒng)封閉時(shí)，背壓值控制為高值，系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)，背壓值控制為低值；所有閥門元件全部集成在一塊體積不大的閥體內(nèi)；用基于現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及傳感器技術(shù)的長(zhǎng)行程、絕對(duì)位移及傾角檢測(cè)系統(tǒng)，采用磁致伸縮超聲波直線位移檢測(cè)器進(jìn)行全行程檢測(cè)，四個(gè)傳感器由一根電纜連接成總線網(wǎng)絡(luò)，直接得到數(shù)字化的檢測(cè)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模鍛水壓機(jī)的補(bǔ)償同步平衡控制系統(tǒng)，其特征在于安裝在滑塊(19)上的位移檢測(cè)頭與固定在動(dòng)梁上的連接板(18)之間采用了兩個(gè)可橫向滑動(dòng)的鋼球，滑塊內(nèi)的鋼球通過彈簧壓靠在支架的測(cè)量面上，消除動(dòng)梁橫向振動(dòng)，使位移傳感器所測(cè)得的位移始終是支架測(cè)量面的位移。
全文摘要
大型模鍛水壓機(jī)的同步補(bǔ)償平衡控制系統(tǒng)，回油管路上增加基準(zhǔn)壓力調(diào)節(jié)控制元件，根據(jù)工況對(duì)二級(jí)基準(zhǔn)壓力設(shè)定值進(jìn)行切換系統(tǒng)不補(bǔ)償時(shí)基準(zhǔn)用較高值，位置偏移需要系統(tǒng)補(bǔ)償時(shí)，基準(zhǔn)壓力轉(zhuǎn)換為較低值，實(shí)現(xiàn)溢流加補(bǔ)償同步控制?；瑝K上位移檢測(cè)頭與固定在動(dòng)梁上的連接板之間采用兩個(gè)可橫向滑動(dòng)的鋼球?；瑝K內(nèi)彈簧使滑塊通過鋼球始終壓靠在支架測(cè)量面，消除了活動(dòng)橫梁橫向振動(dòng)、傾斜帶來的誤差。用基于現(xiàn)場(chǎng)總線通訊及傳感器技術(shù)的長(zhǎng)行程、絕對(duì)位移及傾角檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)平衡能力強(qiáng)，卸壓沖擊小，用電液比例流量閥，綜合性能好，系統(tǒng)布置緊湊，內(nèi)泄漏小。
文檔編號(hào)B21J9/12GK1903476SQ20051003195
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者譚建平 申請(qǐng)人:中南大學(xué)