基于2D高頻數字閥的高速數控沖床液壓控制系統設計

童小利，金秋春

(1．鄭州航空工業管理學院機電工程學院，河南鄭州450015;2．鄭州航空工業管理學院計算機科學與應用系，河南鄭州450015)

數控沖床是集機、電、液于一體的前沿產品，廣泛用于各類金屬薄板零件加工，是一次性自動完成多種復雜孔型和淺拉深成型的板材加工關鍵設備。市場需求量大，我國年需求總量為3 000～5 000臺套，估計將多年保持快速增長的態勢［1］，而我國進口數控板材加工設備占據市場主導地位，其中高端產品國產品牌幾乎為零，而低端產品占20%左右。

目前，我國高速數控沖床液壓控制系統主要依賴國外進口，成本高［2］，因此迫切需要開發高技術含量的國產高速數控液壓裝置，與進口產品形成真正的競爭，削弱進口產品的市場份額。

作者將針對切削頻率為1 000次/min的高端數控沖床提出一種液壓控制系統。

1 高速數控沖床液壓裝置方案和原理

1．1 工況的分析

該高速數控沖床液壓裝置直接裝在沖頭上，控制沖頭完成沖孔、壓印、彎曲、成形等工藝。要求該液壓裝置可以控制滑塊的上、下運動速度和停滯位移連續可控，實現空程快速下行、慢速沖壓、快速回程;可以控制沖壓力的大小，并在整個行程中提供最大的工作壓力;沖壓頻率高。也即是要求可以設定沖裁加工工藝的速度、位置以及沖壓力的大小等參數。沖壓頻率與沖壓行程、沖壓板厚等參數有關，直接影響數控沖床的生產效率，作者主要針對沖壓頻率為1 000次/min的液壓系統進行設計。該液壓系統其他參數為活塞最大行程40 mm，最大沖壓力330 kN，工作行程5 mm，沖裁板厚1 mm。

1．2 核心控制元件的確定

高速數控沖床液壓系統具有壓力高、流量大、頻率高的特點，其設計的關鍵是液壓核心控制元件和控制策略。由文獻［3］知數控沖床的伺服驅動技術發展趨勢是全數字化。全數字化不僅包括伺服驅動內部控制的數字化，伺服驅動到數控系統接口的數字化，而且還應該包括測量單元數字化。目前電液數字控制的實現方法一般有兩種:采用伺服閥或比例閥的傳統的間接數字控制模式和采用2D高頻數字閥的新型的直接數字控制模式。前者需D/A轉換接口，具有系統復雜、價錢昂貴、維護麻煩、溫飄、零飄、滯環等缺點［4］;后者無需D/A轉換接口，具有重復精度高、無滯環、抗污染能力強等優點［5］。2D高頻數字閥的結構簡單，換向可靠，抗污染能力強，具有重復精度高、無滯環的優點，利于得到高的頻率，可實現直接數字化控制，工作壓力為40 MPa，公稱流量為400 L/min，響應時間 3 ms，頻寬 200 Hz［6-7］，是高速數控沖床液壓系統控制元件的首選，故該液壓系統采用2D高頻數字閥作為核心控制元件。

如圖1所示2D閥具有雙自由度，即閥芯具有徑向的旋轉運動和軸向的平移運動。閥芯由步進電機驅動旋轉，使得閥芯溝槽與閥套上的窗口相配合的閥口面積大小呈周期性變化，由于相鄰臺肩上的溝槽相互錯位，因而使得進出口的兩個通道的流量大小及方向以相位差為180°發生周期性的變化，以達到換向的目的，從而控制油缸的頻率。閥芯由另一個步進電機以及傳動機構驅動作軸向運動，使閥口從零 (閥口完全關閉)到最大實現連續控制。閥芯作軸向運動，從而改變周期性變化閥口面積的大小，進而控制2D閥的流量輸出，從而控制油缸的壓力和位移。

圖1 2D高頻數字閥作原理圖

對于全開口型2D高頻數字閥，其換向頻率為

式中:n為步進電機的轉速;Z為閥芯單個軸肩的溝槽個數，通常取Z=4。

從公式可見閥的頻率與閥芯單個軸肩的溝槽個數成正比，也與步進電機的轉速成正比。因而除了通過改變閥芯單個軸肩的溝槽個數 (硬件)來提高工作頻率外，還可以通過提高閥芯的轉速 (軟控制)來提高高頻數字閥換向頻率。

1．3 系統方案的確定

考慮到該沖床在工作進給時負載較大，速度較低，而在快進、快退時負載較小，速度較高，從節省能量、減少發熱考慮，泵源系統宜選用高、低壓雙泵供油。此外為了更大幅度地調節快進、快退時的速度，實現快速沖壓，同時也為了減小油缸活塞的直徑，該液壓系統采用液動閥控制的差動連接。另外在進油路中采用蓄能器儲存能量，補償油缸快速下行時的流量。考慮到換向、機械沖擊在管路內會產生壓力尖峰，產生噪聲，在回油路中采用蓄能器吸收這些沖擊，實現換向以及運行平穩并降低噪聲。根據以上分析確定的液壓原理如圖2所示。

圖2 高速數控沖床液壓系統控制原理圖

其工作原理為:通過工控機先設定沖壓的頻率、工作行程、板材厚度、沖壓力大小等工藝參數。電磁閥14通電，系統開始工作，此時2D高頻數字閥由工控機通過2D閥控制器控制步進電機1轉動，使得2D高頻數字閥處于右位，高、低壓泵同時向主油路供油。高、低壓泵以及蓄能器同時經2D高頻數字閥9右位向油缸的上油腔供油，油缸下油腔的液壓油通過液動閥8也向2D高頻數字閥9右位供油，行成一個差動回路，活塞桿帶動沖頭快速向下運動。當沖頭遇到工件受阻時，系統壓力升高，達到液動閥8的設定壓力時，閥8右位接通，差動回路切斷，低壓泵2經順序閥3卸載，高壓泵1經2D高頻數字閥9右位向油缸上油腔供油，下油腔液壓油經液動閥8右位回油箱，活塞向下運動，完成沖壓工藝。位移傳感器檢測到沖頭到達下位極限時，工控機發出信號，控制步進電機1轉動一定的角度 (如θ/2)時使得2D高頻數字閥處于左位，同時負載消失，系統壓力降低，液動閥8右位接通，此時高、低壓泵以及蓄能器通過液動閥8向油缸下油腔供油，油缸上油腔油液通過2D高頻數字閥左位回油箱，活塞作快上運動，此時完成一次上下往復運動，如此重復循環，完成系統的快速往復運動。當電磁閥14斷電時，壓力油不通過主油路，通過溢流閥流回油箱，此時高、低壓泵卸荷。

油缸頻率控制原理如圖3所示。由工控機鍵盤輸入頻率給定值，工控機將給定頻率值輸給步進電機1控制器，將信號傳化成旋轉磁場的角位移信號θm(t)，驅動混合式步進電機1，使其輸出角位移信號為θ(t)，步進電機1旋轉使得進出口的兩個通道的流量大小及方向以相位差為180°發生周期性的變化，使得2D閥換向，產生一個頻率fv，這個頻率也即為油缸的沖壓頻率fp。通過改變工控機設定值，從而改變步進電機1的旋轉速度很方便地控制油缸的沖壓頻率f。

圖3 油缸頻率控制原理圖

油缸活塞位移、輸出力控制原理如圖4所示。載荷傳感器檢測到油缸實際輸出的力 (或位移)大小，與給定力 (或位移)值相比較形成誤差信號e1(t)(或e2(t))，通過步進電機2控制器將誤差信號傳化成旋轉磁場的角位移信號θm(t)，驅動混合式步進電機轉子轉動，使其輸出角位移信號為θ(t)，通過傳動機構轉化成2D閥芯的軸向位移xv，閥芯位移的變化引起2D閥輸出的負載流量 (或位移)發生改變，從而消除油缸的輸出載荷 (或位移)誤差，使得油缸的輸出載荷 (或位移)與設定值保持一致。

圖4 油缸活塞位移、輸出力控制原理圖

2 液壓系統的基本參數設計

2．1 初選液壓缸的工作壓力

參考同類型數控沖床，采用高、低壓供油，初步選定高壓為pH=28 MPa，低壓pN=8 MPa。在差動狀態下，臨界壓力ps可盡量選高，但ps又不宜過高，以防止模具接觸板料時的沖擊使回路壓力超過系統最高壓力28 MPa。綜合考慮，ps先選定為21 MPa。

2．2 確定液壓缸的主要結構尺寸

單出桿式油缸的無桿腔工作面積大，在同樣的供油壓力條件下，油缸的輸出力較大，而且可以得到較低的穩定運動速度。這對于獲得低的進給速度以便滿足精加工要求具有很大的意義。考慮輸出力和速度的要求，選用單出桿式油缸做為專機的執行元件。

快進時采用差動聯接，并取無桿腔有效面積A1等于有桿腔有效面積A2的兩倍，即A1=2A2。

取機械效率ηm=0．95，則:

按GB2348-80標準取D=125 mm，由A1=2A2可知活塞桿徑:d=125×0．707=88．4(mm)，按 GB 2348-80活塞桿直徑系列取:d=90 mm。

2．3 泵的流量計算

系統所需總流量為:

Q=KL［(A1-A2)×(L-L1)+A1×L1+A2×L)］×f=1．3 × ［(12 265．6-5 907．1)× 10-6× (5-1)×10-3+12 265．6 ×10-6×1×10-3+5 907．1 ×10-6×5］×1 000=87．405 × 10-3(m3/min)=87．405(L/min)式中:KL為系統泄漏系數，一般取 KL=1．1～1．3，現取 KL=1．3。

參考同類產品可取工進時的速度也即整個液壓系統最小速度為1．8 m/min，則液壓系統最小流量為:

高壓泵流量 QN2＞Qmin=28．702 L/min。

而在一周期中系統最大流量發生于差動快進末期(即活塞由沖程快進轉為工進時刻)，它由高、低壓泵流量和活塞桿腔排出的流量共同組成，故低壓泵流量為:

QN1＞ Q-Qmin=87．405-28．702=58．703 L/min

2．4 沖壓周期T及頻率f的計算

活塞差動下行速度:

活塞差動下行時間:

活塞工進下行速度:

活塞工進下行時間:

活塞快退速度:

活塞回程時間:

3 結論

作者提出的液壓控制系統采用2D高頻伺服閥作為核心控制元件，響應頻率高達1 000次/min，直接通過改變2D高頻數字閥的閥芯轉速，也即改變閥芯旋轉速度驅動步進電機1來改變整個液壓系統的頻率，使得該液壓系統更具柔性。該2D高頻伺服閥直接由步進電機驅動，無需D/A轉換，直接將輸入信號轉換為與步數成比例的閥輸出信號，實現了完全數字控制，控制重復精度高、無滯環，系統結構簡單。此外該液壓控制系統能設定沖頭的上死點、下死點、工作行程以及油缸輸出載荷大小。

【1】陳田玉，陳瑋，王欽若，等．數控板材加工裝備的關鍵技術研究［J］．機床與液壓，2006(11):43-46．

【2】童小利，吳百海，肖體兵，等．新型復合四通邏輯閥控高速數控沖壓成型電液控制系統［J］．機床與液壓，2005(11):65-67．

【3】吳秀峰，張婷婷，周亞麗．高速數控沖液壓裝置設計開發［J］．裝備，2007(3):41-42．

【4】裴翔，楊繼隆，鄭家錦，等．直動式電液數字伺服閥性能分析研究［J］．浙江工業大學學報，2001(3):30-33．

【5】易際研，李勝，阮健．2D數字伺服閥的頻響特性研究［J］．機床與液壓，2009，37(11):67-70．

【6】陳立旦．新型2D高頻閥設計及性能分析［D］．杭州:浙江工業大學，2008．

【7】徐梓斌，李勝，阮健．2D高頻數字換向閥［J］．液壓與氣動，2008(2):79-81．