單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測與控制系統及方法
【專利摘要】本發明涉及單動液壓機沖壓速度和壓邊力監測與控制系統及方法。系統包括數據采集模塊，數據處理模塊，液壓機控制模塊和人機交互模塊；數據采集模塊用于采集位移和壓力信息，通過導線將電信號傳給后續的數據處理模塊；數據處理模塊用于對比所接收的數據和預設值，判定通過后向液壓機控制模塊發送電信；人機交互模塊用于顯示數據采集模塊所得信息和更改數據處理模塊中的判定條件；液壓機控制模塊在接收到電信號后通過調節液壓站對單動液壓機的輸油量，以實現對沖壓速度及壓邊力的控制；本發明能夠設定沖壓速度和壓邊力關于滑塊位移的函數，使得沖壓速度和壓邊力為常數或按線性、非線性變化，且通過閉環控制實現對沖壓速度和壓邊力的精確控制。
【專利說明】單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測與控制系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及單動薄板液壓實驗機領域，尤其涉及單動液壓機沖壓速度和壓邊力監測與控制系統。
【背景技術】
[0002]液壓機是進行薄板塑性成形的必要設備，其通過液壓缸對上滑塊施加壓力，基于模具成形各種薄板件；常規單動液壓機只能以勻速控制滑塊的運動速度，且壓邊力只能通過模具來保證，無法通過壓機實現壓邊力的控制；而在板料塑性成形中，沖壓速度和壓邊力是影響板料的成形性能的重要因素；沖壓速度的大小影響了板料內部微觀組織的運動，板料內部無論是晶粒偏轉還是位錯移動都需要時間，因此沖壓速度影響了板料的加工硬化，當沖壓速度過大，加工硬化造成的強度上升尚未達到最大值便被迅速上升的應力超過，從而造成了板料破裂，浪費了板料的成形性能；當沖壓速度過小，雖然能充分發揮加工硬化帶來的抗拉強度和延伸率增大帶來的成形性能變好的優勢，但卻增大了成形零件所需的時間，降低了加工效率；壓邊力的大小影響了成形中板料的流動，壓邊力過大，板料由于過大的摩擦力而難以流動，使得凹模圓角處的拉應力過大，從而易于發生破裂；壓邊力過小，會使得壓邊處容易產生起皺；因此，對于壓邊力和沖壓速度的合理控制能夠提高板料的成形性能，研發能夠進行沖壓速度和壓邊力控制的液壓機以及對應的控制系統對于提高板料成形技術具有積極的意義。
[0003]中國專利文獻CN03112933.1公開了一種《變壓邊力和變沖壓速度的單動薄板液壓試驗機》，該液壓試驗機以上滑塊位移為自變量，根據預設工作曲線，由壓力傳感器和速度傳感器實時采樣壓力數據和速度數據供PLC控制器進行閉環控制，實現在150KN?1250KN范圍內連續改變壓邊力和在r20mm/s內調節沖壓速度；采用該裝置可以實現復雜拉深件成形過程中的壓邊力變化和上滑塊沖壓速度變化；但該專利中對于壓邊圈不同處壓邊力的控制是通過調節頂桿的長度來實現的，調節較麻煩；此外沒有說明能否進行預設工作曲線的調節，以實現不同沖壓速度和壓邊力的控制。
[0004]中國專利文獻CN1631662A公開了一種《多點變壓邊力液壓液壓機》，該液壓機下部安裝有若干個獨立控制的壓邊缸，通過拉深墊板，對壓邊圈不同部位施加不同隨時間變化的變壓邊力，從而能在沖壓成形過程中，按照工藝條件和設計者的要求隨行程和位置精確控制壓邊力，從而極大地提高板料成形性能，增加沖壓件尺寸穩定性；該專利涉及的液壓機雖然能控制壓邊圈不同處的壓邊力隨時間的變化，卻無法控制沖壓速度。
[0005]因此，設計一個能夠根據不同沖壓速度和壓邊力關于滑塊位移的函數對沖壓速度和壓邊力進行精確控制的系統，能夠大大提高液壓機的柔性，從而可以在成形中通過調節液壓機來避免原先對模具的重復修改，以及面對某些特殊零件時，可以通過對壓邊力和沖壓速度的調節，研究其成形工藝。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了解決現有單動液壓機控制系統無法提供變沖壓速度和變壓邊力控制的問題，提出了一種單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測和控制系統，能夠按照不同工藝針對性設定沖壓速度和壓邊力關于液壓機上滑塊位移的函數，使得沖壓速度和壓邊力為常數或按線性、非線性變化，且通過閉環控制實現對沖壓速度和壓邊力的精確控制。
[0007]本發明所述的單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測和控制系統，其組成包括數據采集模塊，數據處理模塊，液壓機控制模塊和人機交互模塊；其中數據采集模塊中用于采集信息的為:安裝在液壓機上滑塊側面、用于測量上滑塊位移的位移傳感器；安裝在壓邊圈頂桿處用于測量頂桿與壓邊圈的接觸壓力以及安裝在液壓站與頂缸下腔相連油口處用于測量液壓油提供壓力的壓力傳感器；液壓機控制模塊分為常規控制模塊和PLC控制模塊，在沖壓過程中可選其一來控制壓機的運行；其中常規控制模塊只能實現壓邊力恒定條件下液壓機滑塊的勻速運動；而PLC控制模塊可以受人機交互模塊編輯實現對液壓機變壓邊力條件下的變速運動。
[0008]所述的數據采集模塊用于采集上滑塊下行位移和壓邊圈所受壓力的信息，并通過導線傳遞給數據處理模塊以及人機交互模塊；實現對于沖壓速度的控制可以通過換算轉變為對液壓機滑塊位移的控制，速度是單位時間的位移，因此，監測模塊中采集的位移信息可以在數據處理模塊中轉變為速度信息進行判定，對于速度的控制轉變為對于位移的控制后向控制模塊發送電信號，因此，位移傳感器在沖壓過程中對于位移數據的采集是進行沖壓速度控制的必要條件；數據采集模塊中的壓力傳感器分別布置在壓邊圈頂桿上以及液壓站與頂缸下腔相連油口處，用于采集不同頂桿與壓邊圈間的接觸力以及頂桿所提供的壓力；本專利所涉及的液壓機可參見中國專利文獻CN03112933.1，其壓邊力由頂桿提供，并通過12根頂桿將力傳遞給壓邊圈不同位置，每根頂桿所提供的壓力大小取決于頂桿的調節長度；可知所有頂桿與壓邊圈的接觸力之和等于頂缸所提供的壓力，兩處壓力傳感器采集的信息可用于檢驗頂桿對于接觸壓力測量的準確性；此外，位于液壓站與頂缸下腔相連油口處的傳感器采集的壓力信息為提供的壓邊力數值大小，是進行后續壓邊力判定與控制的必要條件。
[0009]所述的數據處理模塊用于對接收的位移和壓邊力信息進行處理，隨后進行判定，根據判定結果向后續液壓機控制模塊發送電信號；根據位移傳感器采集的位移信息可以得到在該位移處的即時速度，對比預設速度-位移函數中該位移對應的速度值，若相等，則不采取措施；若不相等，則根據對比結果采取相應措施向后續液壓機控制模塊發送電信號；同理，根據位于液壓站與頂缸下腔相連油口處的壓力傳感器采集的壓力信息可以得到在該位移處的即時壓邊力，對比預設壓邊力-位移函數中該位移對應的壓邊力數值，若相等，則不采取措施；若不相等，則根據對比結果采取相應措施向后續液壓機控制模塊發送電信號。
[0010]所述的液壓機控制模塊由常規控制模塊和PLC控制模塊兩部分組成，其中常規控制模塊只能控制液壓機滑塊勻速運動和維持壓邊力恒定；PLC控制模塊，可以實現沖壓速度和壓邊力按預設沖壓速度和壓邊力關于上滑塊位移的函數進行變化；在PLC控制模塊中，對于沖壓速度的控制是通過主缸上腔入口處的比例溢流閥來控制液壓油的流速來實現的，液壓油流速與滑塊運動速度成正比；根據數據處理模塊傳來的電信號增大或減小液壓油流速，從而實現沖壓速度增大或減小，沖壓速度可以在:T20mm/S范圍內進行調節，誤差(土5% ;對于壓邊力的控制是通過頂缸下腔入口處的比例壓力閥來控制液壓油的壓力來實現的，根據數據處理模塊傳來的電信號可以調節比例壓力閥來增大或減小頂缸內部的壓力，從而改變提供的壓邊力，壓邊力可以在OKN飛OOKN范圍內可調，誤差(土 2%。
[0011]所述的人工交互模塊用于顯示數據采集模塊所得沖壓速度和壓邊力關于位移的曲線、更改沖壓速度-位移關系和壓邊力-位移關系的函數表達式(即改變數據處理模塊中的判定條件)；通過更改沖壓速度和壓邊力關于位移的函數表達式可以改變沖壓過程中沖壓速度和壓邊力隨位移的變化，可以針對不同零件進行柔性化工藝設計；所設定的函數可以為常函數、一階函數和高階函數，結合數據采集模塊、數據處理模塊、液壓機控制模塊，實現對沖壓速度和壓邊力的連續性精確閉環控制；實時顯示由數據采集模塊所得的沖壓速度和壓邊力關于位移的函數曲線，對比設定函數曲線，可以判定控制的精確性，若出現問題，可以給操作者提供調整所需的參考消息。
[0012]所述的液壓機控制模塊中位于液壓站與頂缸下腔相連的油口處的比例壓力閥分為低壓比例壓力閥和高壓比例壓力閥，分別用于不同的壓邊力范圍，在沖壓過程中時，控制系統會根據位移對應的壓邊力大小自動切換到合適的比例壓力閥；低壓比例壓力閥可使壓邊力在OKN?21KN范圍內可調，高壓比例壓力閥可使壓邊力在大于21KN至600KN的范圍內可調；不同的壓邊力范圍選取不同的比例壓力閥可以保證壓邊力的控制精度。
[0013]本發明提供了一種單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測和控制系統，結合配套壓機，可以實現針對不同沖壓工藝控制沖壓速度和壓邊力的連續性變化；相比于普通壓機控制系統，其具有以下優勢:(1)可以通過控制壓機沖壓速度和壓邊力按預設曲線連續性變化。(2)可以通過人機交互模塊設定沖壓速度和壓邊力關于位移的函數，從而針對不同工藝控制沖壓速度和壓邊力在沖壓過程中的變化。(3)通過數據采集模塊、數據處理模塊和PLC控制模塊實現沖壓過程中對沖壓速度和壓邊力的閉環控制，且保證了控制的精確性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1:單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測和控制系統結構圖；
圖2 ;單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測和控制系統運行流程圖；
附圖中:
1-單動液壓機，I1-液壓機控制模塊；1-液壓機上滑塊，2-主缸上腔，3-輸油管，4-壓邊圈，5-頂缸下腔，6-頂桿，7-壓力傳感器(頂桿處)，8-壓力傳感器(壓力閥處)，9-位移傳感器，10-比例溢流閥，11-低壓比例壓力閥，12-高壓比例壓力閥，13-液壓站，14-油箱，15-數據采集模塊，16-數據處理模塊，17- PLC控制模塊，18-常規控制模塊，19-人機交互模塊。
【具體實施方式】
[0015]下面通過實例對照附圖，進一步說明本發明的具體結構及其實施方式。
[0016]如圖1所示，一種單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測與控制系統，通過單動液壓機1、液壓站13和油箱14等機構，實現對液壓機沖壓速度和壓邊力關于液壓機上滑塊I位移的精確控制；其中單動液壓機I為系統載體，油箱14用于提供液壓油，液壓站13與油箱13相連可以在系統控制下調節輸出液壓油的流量。
[0017]所述的系統包括數據采集模塊15，數據處理模塊16，液壓機控制模塊II和人機交互模塊19，其中數據采集模塊15通過位移傳感器9與壓力傳感器7、8采集位移和壓力信息，并通過導線將電信號傳給后續的數據處理模塊16 ;數據處理模塊16在接收到電信號后進行換算，得到該位移處的沖壓速度和壓邊力數值，并對比沖壓速度-位移曲線和壓邊力-位移曲線上該位移對應的沖壓速度和壓邊力數值，根據對比結果決定是否向后續液壓機控制系統發送電信號；液壓機控制模塊II在接收到電信號后通過調節液壓站13對單動液壓機I的輸油量，以實現對沖壓速度及壓邊力的控制；人機交互模塊19與數據采集模塊15、數據處理模塊16相連接，用于顯示數據采集模塊所得信息和更改數據處理模塊中的判定條件。
[0018]所述的數據采集模塊16中用于采集信息的為位移傳感器9和壓力傳感器7、8 ;其中位移傳感器9安裝在液壓機上滑塊I側面液壓機機架上用于測量上滑塊I的位移，由于設定滑塊I位于上頂點時位移為0，因此滑塊I下行的距離就是其位移值；壓力傳感器7安裝在壓邊圈頂桿6處用于測量頂桿與壓邊圈4的接觸壓力，壓力傳感器8安裝在液壓站與頂缸下腔5相連油口處用于測量液壓油提供壓力；布置在頂桿頂端壓力傳感器7在接觸壓邊圈4提供壓邊力時，其采集的信息即為各頂桿6提供的壓邊力，還有壓力傳感器8布置在頂缸下腔5入口處用于采集液壓站13提供的總壓邊力。
[0019]所述的液壓機控制模塊II分為常規控制模塊18和PLC控制模塊17，其中PLC控制模塊17與數據采集模塊15，數據處理模塊16構成對沖壓速度以及壓邊力的控制回路；在變壓邊力和變沖壓速度模式下，液壓機控制模塊中的PLC控制模塊17在接收到電信號后，通過調節主缸上腔2入口處的比例溢流閥10來控制液壓油的流速實現對沖壓速度的調節，流速大則沖壓速度大；通過調節頂缸下腔5入口處的比例壓力閥11、12來控制液壓油的壓力實現對壓邊力的控制，液壓油的壓力大則壓邊力大。
[0020]所述的人機交互模塊19中，能根據不同工藝設定沖壓速度和壓邊力參數關于液壓機上滑塊位移的函數，并將其編輯為數據處理模塊中的判定條件，使得數據采集模塊15、數據處理模塊16和PLC控制模塊17構成的閉環控制系統，實現沖壓過程中液壓機沖壓速度和壓邊力和上滑塊位移的關系按所設函數精確變化；所設定的函數可以為常函數，即沖壓速度和壓邊力在沖壓過程中保持不變；一階函數，即沖壓速度和壓邊力隨位移增大而均勻變化；高階函數，即沖壓速度和壓邊力隨位移增大進行非均勻連續性變化；此外，人機交互模塊19會將采集的位移和壓邊力信息轉換為沖壓速度和壓邊力關于位移的實時曲線顯示，與預設曲線對比，便于操作者進行設定調整以保證控制精度。
[0021]整個系統的工作流程如圖2所示，具體如下:
單動液壓機I啟動，當無需進行變沖壓速度和變壓邊力時，直接采用常規控制模塊18對液壓機進行控制；當需要進行變沖壓速度和變壓邊力運行時，轉換為PLC控制模塊17進行控制；
根據特定零件的沖壓工藝設計沖壓速度和壓邊力關于位移的函數通過人機交互模塊19輸入，并通過編輯成為數據處理模塊16中用于閉環控制判定條件；
沖壓開始，液壓機上滑塊I從位移為O的位置開始下行，通過位移傳感器9采集位移信息，并通過數據處理模塊16和PLC控制模塊17進行閉環控制，保證沖壓速度和位移的關系基本滿足預設函數，誤差< ±5% ;在上滑塊I開始下行時，頂桿6頂起，開始合模時，頂桿6與壓邊圈4接觸，通過壓力傳感器7、數據處理模塊16和PLC控制模塊17對壓邊力進行閉環調節，保證壓邊力在合模過程中和上滑塊位移的關系基本按預設函數變化，誤差< ±2% ；
在進行壓邊力調節時，當壓邊力0KN110KN范圍內時，所工作的比例壓力閥為低壓比例壓力閥11 ;當壓邊力在大于210KN至600KN范圍內時，所工作的比例壓力閥會自動切換到高壓比例壓力閥12，以保證比例壓力閥的調節精度；
沖壓完成后，液壓機上滑塊I迅速回升至零位移處，壓邊圈頂桿6下降回原位置。
【權利要求】
1.一種單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測與控制系統，通過包括單動液壓機、液壓站和油箱在內的機構，實現對液壓機沖壓速度和壓邊力關于液壓機上滑塊位移的精確控制；所述系統包括數據采集模塊，數據處理模塊，液壓機控制模塊和人機交互模塊，其中數據采集模塊用于采集位移和壓力信息，并通過導線將電信號傳給后續的數據處理模塊；數據處理模塊用于對比所接收的數據和預設值，判定通過后向液壓機控制模塊發送電信號；人機交互模塊用于顯示數據采集模塊所得信息和更改數據處理模塊中的判定條件；液壓機控制模塊在接收到電信號后通過調節液壓站對單動液壓機的輸油量，以實現對沖壓速度及壓邊力的控制；特征在于:所述的數據采集模塊中用于采集信息的為位移傳感器和壓力傳感器:位移傳感器安裝在液壓機上滑塊側面用于測量上滑塊位移，并設定上滑塊位于上頂點處位移為O，便于信息的采集與數據的處理；壓力傳感器安裝在壓邊圈頂桿尖端用于測量每根頂桿與壓邊圈的接觸壓力以及安裝在液壓站與頂缸下腔相連油口處用于測量液壓油提供的總壓邊力，兩者數據形成對比，便于操作人員調控壓邊力；所述的液壓機控制模塊分為常規控制模塊和PLC控制模塊，在沖壓過程中可選其一來控制壓機的運行；其中常規控制模塊只能實現壓邊力恒定條件下液壓機滑塊的勻速運動；而PLC控制模塊可以受人機交互模塊編輯實現對液壓機變壓邊力條件下的變速運動；采用不同的模塊對應于不同的運行狀態，不僅簡化了系統，也使得操作簡便；所述的人機交互模塊中，能根據不同工藝設定速度和壓邊力參數關于液壓機上滑塊位移的函數，并通過數據采集模塊、數據處理模塊和液壓機控制模塊中的PLC控制模塊，實現沖壓過程中液壓機沖壓速度和壓邊力關于上滑塊下行位移的精確控制。
2.如權利要求1所述的一種單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測與控制系統，其特征在于:所述的液壓機沖壓速度和壓邊力關于上滑塊位移的函數可以為常函數、一階函數和高階函數，以實現沖壓過程中沖壓速度和壓邊力在沖壓過程中的多種變化；其中沖壓速度的控制范圍為3?20mm/s，控制誤差彡±5% ;壓邊力的控制范圍為O?600KN，控制誤差彡 ±2% ο
3.如權利要求1所述的一種單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測與控制系統，其特征在于:所述的液壓機控制模塊中PLC控制模塊控制液壓機變速運動是通過安裝在液壓站與主缸上腔相連油口處的比例溢流閥實現的，而控制變壓邊力是通過安裝在液壓站與頂缸下腔相連油口處的比例壓力閥實現的；閥門受電信號控制，閥口越大，則沖壓速度越快、壓邊力越大。
4.如權利要求3所述的一種單動液壓機沖壓速度和壓邊力的監測與控制系統，其特征在于:所述的安裝在液壓站與頂缸下腔相連的油口處的比例壓力閥分為低壓比例壓力閥和高壓比例壓力閥，在不同的壓邊力控制范圍內會自動切換到不同的比例壓力閥，以實現壓邊力的控制精度；當壓邊力屬于0KN110KN范圍內選用低壓比例壓力閥，當壓邊力在大于210KN至600KN的范圍內選用高壓比例壓力閥，保證了控制精度。
5.一種如權利要求1所述的監測與控制系統的監測與控制方法，其特征在于包括如下步驟:(I)單動液壓機啟動，當無需進行變沖壓速度和變壓邊力時，直接采用常規控制模塊對液壓機進行控制；當需要進行變沖壓速度和變壓邊力運行時，轉換為PLC控制模塊進行控制； (2)根據特定零件的沖壓工藝設計沖壓速度和壓邊力關于位移的函數通過人機交互模塊輸入，并通過編輯成為數據處理模塊中用于閉環控制判定條件； (3)沖壓開始，液壓機上滑塊從位移為O的位置開始下行，通過位移傳感器采集位移信息，并通過數據處理模塊和PLC控制模塊進行閉環控制，保證沖壓速度和位移的關系基本滿足預設函數，誤差< ±5%;在液壓機上滑塊開始下行時，頂桿頂起，開始合模時，頂桿與壓邊圈接觸，通過壓力傳感器、數據處理模塊和PLC控制模塊對壓邊力進行閉環調節，保證壓邊力在合模過程中和上滑塊位移的關系基本按預設函數變化，誤差< ±2% ； (4)在進行壓邊力調節時，當壓邊力0KN110KN范圍內時，所工作的比例壓力閥為低壓比例壓力閥；當壓邊力在大于21KN至600KN的范圍內時，所工作的比例壓力閥會自動切換至IJ高壓比例壓力閥，以保證比例壓力閥的調節精度； (5)沖壓完成后，液壓機上滑塊迅速回升至零位移處，壓邊圈頂桿下降回原位置。
【文檔編號】B30B15/20GK104191643SQ201410410579
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】陳煒, 陳瀧, 歐陽康, 曹志福, 湯鵬鵬, 蔣在敏 申請人:江蘇大學