数字液压缸在数控折弯机液压控制系统中的应用与分析

DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2017.10.026

马赛平1，张均利2，潘彩霞2，冯建国1，陈传俊1，任国庆1

(1.扬州市江都永坚有限公司，江苏扬州　225200)

(2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京　210094)

摘要：数控折弯机是板料加工的专用设备，为实现折弯机液压油缸的同步化控制，传统的方式多为采用比例控制阀控制液压缸实现同步动作，达到液压系统同步控制的目的。为了提高现有数控折弯机的生产效率、控制精度及产品质量，将数字液压缸应用于数控折弯机的液压同步控制系统，建立数字液压缸的数学模型，进行仿真分析，仿真结果显示：将数字液压缸应用于数控折弯机的液压控制系统，可以简化控制系统，降低控制系统的复杂程度，简化控制流程，提高生产效率，提高数控折弯机的控制精度，进而提高了产品的质量。

关键词：数控折弯机；液压控制系统；数字液压缸；同步控制；系统仿真

中图分类号:TH12 　文献标识码:A 　文章编号:2095-509X (2017)10-0105-04 传统数控折弯机的液压

同步控制系统大多采用比例阀控制普通液压缸的形式来实现折弯机两个输出液压油缸的同步伸缩，液压控制系统可以根据接收到的输出信号，按照指定的比例控制油液的输出量，保证系统中两个输出液压缸的同步伸缩，但是这种控制方法存在控制的环节多、阀件的数量多、成本高、结构复杂及控制难度高等缺点。

疑难件数字液压缸是由步进电机(或伺服电机)、液压滑阀、液压缸、传动机构和传感器等器件组成的高可控性及高精度的先进液压缸，其利用滚珠丝杠对液压滑阀的阀芯进行精确的位置控制，数字液压缸中活塞的位置被实时检测作为活塞杆输出位移量的位置反馈，控制器通过改变脉冲频率来改变滑阀的开口的大小，从而控制液压缸活塞的运动速度。数字液压缸只需要控制步进电机就可实现对液压缸的精确控制，使整个液压控制系统的结构得

到了最大限度的简化[1]。

员摇数控折弯机工作过程

数控折弯机的液压同步控制系统主要通过驱动两个液压缸的同步直线运动来保证其对工件进行折弯的精度。为了提高生产效率和产品质量，数

控折弯机的横梁和安装在横梁下端面的上压模在折弯机工作过程的各个阶段中要以不同的速度运动，其运动的规律如图1所示[2]。数控折弯机的工作状态主要有以下几个过程：下压快进、下压工进、

系统保压、系统卸荷和快速退回等。

图1　折弯机主滑块运动位置-时间曲线

目前，数控液压板料折弯机采用的液压同步控制系统主要由1个压力控制模块和2个同步控制模块组成，本文以某型号折弯机液压系统原理图为例，如图2所示。其中，压力控制模块主要由比例压力阀S2B、安全阀S2A、二通插装阀S2C、换向阀S5、比例减压阀S3及滤油器等阀件及联接管路组

收稿日期:2017-07-04

作者简介：马赛平(1968—)，男，江苏江都人，扬州市江都永坚有限公司工程师，主要研究方向为液压伺服系统控制。

成；同步控制模块主要由电磁比例阀S1、安全阀S7、背压阀S6、换向阀S4、充液阀S9等阀件与液压

控制管路组成[3]。由此可见，传统数控折弯机的液压控制系统存在模块复杂、阀块众多、控制模块复杂、管路联接较多、易造成混乱等缺陷。

图2　液压同步系统原理图

为了实现数控折弯机的工作流程，电磁铁动作顺序见表1。

表1　电磁铁动作顺序表

工序S1Y1A

Y1B S2B

升降柱cncameS4S5

快下√√耐高温无机颜料吧

工进√

√√√保压√√√卸荷√√√

√快回

√√

√

工作台及滑块的挠度补偿由S3控制液压缸,

使得工作台发生变形，补偿工作台折弯时工作台的变形量。

2　数字液压缸的构成及原理

2.1　数字液压缸的构成

数字液压缸是由步进电机(或伺服电机)、液压滑阀、滚珠丝杠、液压缸、传感器和其他的传动机构组成，数字液压缸根据其零部件安装形式的不同可分为内驱式和外驱式两种；根据反馈形式的不同可分为间接反馈式和直接反馈式两种。图3为内驱间接反馈式闭环控制数字液压缸的结构示意图。

2.2　数字液压缸的工作原理

图3所示数字液压缸的工作原理为：步进电机

1接收到脉冲信号，输出轴根据接收脉冲的数量旋1—步进电机;2—花键;3—万向联轴器;4—阀芯;5—外螺纹;6—编码器;7—缸外转轴;8—缸外转盘;9—后缸盖;10—磁铁;11—缸内转盘;12—缸体;13—滚珠丝杠;14—丝杠螺母;15—活塞杆

图3　闭环控制数字液压缸结构原理图

点火装置转一定角度，其旋转通过花键2、万向联轴器3和阀芯4传递到外螺纹5所在的杆件，外螺纹5和缸外转轴7的内螺纹相配合，由于内螺纹位置固定，在转矩的作用下，外螺纹可带动阀芯实现轴向运动。由图3所示阀芯4的位置，如果阀芯左移，则

P 口与A 口连通,B 口与T 口连通，活塞杆15向左运动，同时带动固定在活塞杆上的丝杠螺母14向左运动，滚珠丝杠13轴向固定，丝杠与步进电机旋向相反，带动缸内转盘11旋转，后缸盖9左右两侧的磁铁10互相吸引，带动缸外转盘8和缸内转盘

11同时旋转相同角度。安装在缸外转轴7上的编

码器6检测到滚珠丝杠14的旋转角度，该角度与活塞杆15的位移相对应，同时将该信号传递给液压控制系统，液压控制系统根据数字液压缸的位移和速度的要求，对步进电机进行闭环控制。同时缸

外转轴7在滚珠丝杠的带动下向步进电机旋转相反的方向转动相同角度，阀芯右移，阀口关闭，完成

步进过程。

阀芯连接的万向联轴器3，不仅可以限制阀芯径向的微小位移，防止划伤阀芯，还可以保证阀芯进行轴向运动和旋转运动，进而保证了数字液压缸的控制精度。

通过分析可以看出，数字液压缸具有以下特点:1)控制精度高，响应快;2)易于实现远程控制;

3)位移、速度直接与电脉冲信号相关，控制好电脉冲信号就可以实现控制精度要求;4)结构简单，集

成化程度高，只需要系统提供能源即可，液压控制系统可以被大幅度简化。

3　数字液压缸液压控制系统设计

将传统数控折弯机液压同步控制系统利用数字液压缸进行改进设计，将图2所示的同步控制模块中的电磁比例阀S1、安全阀S7、背压阀S6、换向

601·2017年第46卷　机械设计与制造工程　

阀S4、充液阀S9用“步进电机+液压滑阀”的简单组合代替，再将其与传感器、传动机构、液压缸等组成数字液压缸，同时改进液压能源泵站使其满足系统流量的基本需求，保证数字液压缸的液压控制系统能够完成原液压同步控制系统的所有控制功能，数字液压缸的液压控制系统原理图如图4所示。

图4　数字液压缸液压控制系统原理图

数控折弯机的各个工作状态的实现情况如下。

快下工序：当上压模需要快进时，控制系统向步进电机发出高频正向脉冲信号，数字缸带动上压模快速前进，可根据数字液压缸中对应的编码器的反馈信号，判断快下的速度是否满足系统的要求，如果输出速度大于指定速度，则减小脉冲频率，反之则增大脉冲频率，这样可以保证所需要的快下工序的速度。

工进工序：通过编码器的反馈信号判断液压缸活塞杆的位移是否到达工进位置，如果没有到达工进位置，则通过闭环控制继续推动活塞杆运动，当活塞杆到达工进位置时，降低脉冲信号频率，数字液压缸低速工进，上压模对板料进行折弯加工。

保压工序：当上压模到达下死点后，控制系统向步进电机发出反向脉冲信号，滑阀阀芯关闭液压缸上下腔的油路，上压模停止在下死点，系统保压。

卸荷工序：当保压结束时，控制系统向步进电机发出低频反向脉冲信号，滑阀阀芯反向打开，液压缸上腔通入高压油，活塞杆缩回，上压模微量抬起，抬起的位移由系统设定。

快回工序：当上压模快回时，控制系统向步进电机发出高频反向脉冲信号，数字缸快速退回，通过闭环控制可以达到预设速度和位移。

4　数字液压缸的数学模型

对数字液压缸进行建模分析，采用传统的电液伺服系统的线性化传递函数，忽略次要因素，确立静态数学模型[3]。

步进电机输入信号为脉冲信号，输入脉冲与输出角位移近似为一个积分函数，数学传递函数为:θm(s)=f(s)K m(s)(1)式中:θm(s)为步进电机输出角位移;f(s)为步进电机输出脉冲频率;K m(s)为步进电机固有步距角。

步进电机输出角位移带动阀芯外螺纹转动，由于缸外转轴内螺纹的限制，阀芯进行轴向移动，从而控制滑阀开口，传递函数为:

X V(s)=t2πθm(s)-K f xX p(s)(2)式中:X V为滑阀阀芯位移;t为螺杆导程;X p为活塞杆位移;K f为反馈系数。

数字液压缸以惯性负载为主[4]，同时黏性阻尼系数很小，以滑阀阀芯位移为输入，活塞杆位移为输出，传递函数为:

X p(s)

X V(s)=

K q/A m-K ce A2

1+V0β

e K ce

s s2

ω2h+

2εh

ωh s+1

(3)

式中:K q为阀的流量增益;K ce为总泄漏系数;A m为液压缸活塞的有效面积;V0为液压缸控制腔容积;βe为油液体积弹性模量;ωh为液压系统固有频率;εh为液压阻尼比。

5　仿真分析

根据上面建立的数字液压缸的传递函数模型，在MATLAB/Simulink中进行仿真分析，得到该数字液压缸系统的伯德图，如图5所示。

图5　系统开环伯德图

由图可知，系统的幅值裕量为9.82dB，相位裕度量为43°，满足系统稳定性要求[4]，因此可知由能源和数字液压缸组成的液压系统是稳定的，能够

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满足数控折弯机的使用要求。6　结束语

本文利用数字液压缸代替原有数控折弯机液压同步控制系统中的比例阀和液压缸，可以使折弯机的液压控制系统结构更为简单紧凑，更加易于实现智能控制，同时通过对数字液压缸进行数学建模和仿真分析，可以看出数字液压缸的液压控制系统较普通数控折弯机的液压控制系统更为稳定，能够满足数控折弯机液压控制系统的总体性能要求，将数字液压缸应用于数控折弯机可以降低数控折弯机的故障率，降低控制的难度，减少折弯机液压控制系统设计的时间以及液压控制系统的调试时间,

简化产品结构，减少设计制造的工作量，降低数控折弯机的制造成本，提高数控折弯机的同步精度和位置控制精度，为缩小折弯机操作人员的技术水平差距等提供了技术参考。参考文献院

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87-120.Application and analysis of digital hydraulic cylinder in CNC bending machine

MA Saiping 1,ZHANG Junli 2,PAN Caixia 2,FENG Jianguo 1,CHEN Chuanjun 1,REN Guoqing 1

(1.Yangzhou Jiangdu Yongjian Co.,Ltd.Jiangsu Yangzhou,225200,China)

(2.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science &Technology,Jiangsu Nanjing,210094,China)

Abstract :CNC bending machine is special equipment for sheet metal processing.In order to realize the synchro⁃nous control of the hydraulic cylinder of the bending machine,the traditional way is to use the proportional con⁃

trol valve to control the hydraulic cylinder for the purpose of the hydraulic system synchronous control.In order to improve the production efficiency,control precision and product quality of the existing CNC bending machine,

it applies the digital hydraulic cylinder to the hydraulic control system of the CNC bending machine.It

巴氏杀菌锅builds the mathematical model of the digital hydraulic cylinder,obtains the simulation analysis,shows that the digital hy⁃draulic cylinder application to the hydraulic control system of the CNC bending machine can simplify the control system,reduce the complexity of the control system,simplify the control process,and improve the control accu⁃racy of CNC bending machine and the quality of the product.Key words :CNC bending machine;hydraulic control system;digital hydraulic cylinder;synchronous control;

system Simulation

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801·2017年第46卷　机械设计与制造工程　

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