骆桂林，嵇宽斌，乔礼惠，刘艳雄，徐志成

（1.江苏国力锻压机床有限公司，江苏 扬州 225009；2.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

油压机是一种重要的成形加工机床，它以抗磨液压油作为工作介质传递能量来实现各种加工工艺，广泛应用于汽车、家电、航空航天、造船、核电等金属及非金属制造领域，在整个机床行业中所占份额逐年提升。与机械压力机相比，油压机具有如下优点：①滑块行程在一定范围内任意可调；②在任意行程位置均可产生额定的最大压力；③滑块下限位可方便地根据工艺要求进行调整控制；④滑块可在下限位长时间保压。然而，油压机同时也存在工作行程速度较慢，每分钟工作循环次数不易提高等缺点。特别是在自动化生产线上，很多客户在选择机床设备时为提高生产效率情愿增加投资成本采购机械压力机或多工位压力机也不愿意采购油压机。

针对上述油压机生产线存在的问题，本公司近年来通过与武汉理工大学产学研合作，对电液伺服系统进行了深入研究，开发了高效稳定的伺服油压机生产线技术，并成功应用于湖北某专业生产压缩机罩壳的企业。该公司以前自动化生产线是采用四台四柱式油压机配合横杆式机械臂实现自动化生产，效率为5～6spm。近年来面对市场的竞争，该客户寻求提高生产效率，拟把生产效率提升到8spm以上。根据此信息，有两种方案可选：方案一采用多工位机械压力机进行生产，生产效率可达到10～12spm，但机床、自动化成本在500万人民币左右；方案二采用四台伺服泵控整体框架油压机组成高效生产线，液压系统采用经武汉理工大学分析、研究、优化后的插装阀系统，经模拟仿真测算生产效率可达到10spm，这也是开关量插装阀系统油压机高效生产的极限挑战。当时预算机床、自动化成本在300万人民币左右，客户经综合考虑后选用了公司提出的方案二。

本论文重点介绍了伺服控制系统、液压系统、电控系统以及关键液压元件的设计，对于高效、节能油压机生产线的设计具有实际指导意义。

2 生产线组成

此条生产线由4台伺服泵控框架式油压机、横杆式自动化线、圆盘式自动上料机构以及模具组成。第一台是200t油压机进行初拉伸工艺，拉伸深度125mm，后面紧跟一台160t油压机作为台阶拉伸及扩口工艺，第三台为250t油压机进行旋切加工，最后一台160t油压机进行侧冲、整形工艺，通过圆盘式自动上料机构与横杆式自动化线配合实现压缩机罩壳的自动化生产，整条生产线的布局如图1所示，总吨位为 770t。

2.1 伺服控制系统

此条生产线的生产效率高，自动化线选用的是横杆式机械臂，因此四台油压机的运行速度、冲压效率要基本同步，这就要求各台油压机的工作速度可调。伺服泵控技术具有高响应、无极调速等特点，当系统需要的流量发生变化时，伺服电机的转速可跟随流量指令的大小而实时快速改变，从而使得油泵的输出流量发生变化，进而实现整条生产线同步控制，不会出现等待现象。为满足上述要求，通常做法是通过加大电机功率驱动更大排量的泵作为动力源，但这在提高效率的同时会导致用电量的剧增。

于是，我们通过理论计算与伺服电机两倍过载能力检测，最终确定了伺服电机扭矩以及驱动的齿轮泵排量。在机床调试过程中，通过ESVIEW软件实时读取并分析伺服驱动器上传的数据，采样图形如图2所示。通过对电流、转矩、压力检测曲线不断比对分析，找到了最佳的速度环、压力环参数设置。同时充分运用两倍过载率特点，确保伺服泵在运行中不过载的同时又降低电机功率，做到了最优的节能配置。

2.2 液压系统

本文中高效机床是在普通机床的基础上进行性能提升。液压系统也是采用开关量插装阀系统，通过控制电磁阀的开关动作实现油压机滑块的上下动作。本项目首先根据冲压频次针对250t的油压机设计了滑块行程和滑块速度运行曲线，如图3所示。

原有液压系统快下与工进转换电磁阀采用的是三位四通电磁阀，通过仿真模拟后发现存在转换中间位停顿冲击现象，因此换用3个二位四通电磁阀。在上腔卸压时增加了单独卸压阀块，先通过卸压阀进行卸压，待上腔压力低于一定数值后打开充液阀，减小了卸压冲击。对新设计的液压系统采用专业的液压系统仿真软件进行了仿真分析。仿真得到的滑块位移-速度变化曲线，主缸无杆腔-有杆腔压力及负载力变化曲线，电机转速及双泵输出流量与压力曲线分别如图4、图5、图6所示。

从仿真结果看出滑块快速下降阶段总时间为0.55s，滑块速度呈逐渐上升趋势，在0.2s左右到达稳定，滑块速度最快可达近700mm/s。在0.4s左右，滑块进入减速阶段，此时速度约为600mm/s。滑块下降阶段，电机转速维持在2000r/min，双泵的输出流量为350l/min，输出压力较小为2～3bar。主缸无杆腔压力较小，而有杆腔背压较大为15bar。总体可以看出快下阶段滑块速度比预设计要快，整个过程较平稳。

由快下阶段转入工进阶段时，滑块速度在0mm/s附近波动，导致滑块上下抖动。但由于电机的转速高达3000r/min，无杆腔压力上升较快，因此其卡顿现象要比原有系统要小。外输入负载力呈上升趋势，达到设定的最大700kN，此时无杆腔压力为70bar左右。此阶段双泵输出流量约为510l/min，压力也随着时间逐渐增大，工进阶段总行程是95mm，平均速度为87mm/s，总时长在1.2s，比预期要快近0.5s。

进入泄压阶段，卸荷阀打开，无杆腔压力急剧下降，由70bar降到5bar，双泵出口的压力也急剧下降，仿真结果显示在0.3s内泄压可以完成。

滑块返程阶段速度波动较大，造成滑块返程阶段速度波动较大的主要原因是，由于滑块上升阶段整个系统阻尼较小，且无杆腔出油无背压，同时由于齿轮泵在输出油压时，本身就存在压力及流量脉动，多种因素耦合下，造成滑块返程阶段压力波动加大。通过系统调试改变改变溢流插装阀先导阀弹簧预紧力，使不同压力溢流插装阀的共振频率错开，从而降低系统压力波动，可以较好的解决此速度波动较大问题。返程总行程为400mm，用时约为1s，平均速度为400mm/s。

从上述分析可以看出，整个液压系统响应快，冲击小，能够较好的满足冲压频次和系统性能要求。

3 电气控制系统

整条生产线要满足8spm的生产效率，也就意味着一个件需控制在7.5s内，其中自动化线占用2s，那么机床动作时间必须小于5.5s。然而机床动作包含快下、工进、泄压、回程、底缸顶出等动作，所以根据现场实际加工工艺制定了底缸顶出动作时间与机械臂动作时间重合的方案。也就是滑块回程到上减速区后提供信号给自动化线，当自动化线开始运行时底缸同时执行顶出动作。在此过程中需控制好四台油压机滑块回程到顶的同步。

本项目刚开始调试时是以四台油压机滑块都停止于上限位时，才发信号给自动化线。而实际情况是旋切工序的时间要比其它三序的时间长一点，每次都是其最后回程到上限位，而此工序位机床无底缸动作。针对这种情况，本项目便在第三序旋切工步增加了回程起动点位置。这样待其它工序机床滑块回程到上限位后，旋切工序只需要回程到达回程起动点后，便发信号给自动化线，这样调整电气控制后整条生产线每生产一件罩壳可节约0.2s左右时间。

4 主油缸

从图1所示的生产线布局图可以看出，该生产线是按前后进出料摆放。横杆式机械臂位于机床的右侧，机床左侧开有侧窗口用于模具的更换，上横梁顶部油箱按L形进行布置。为提升自动化线的运行效率，机床之间的位置非常紧凑，这就要求在机械设计时需考虑后期的维护，特别是油缸密封圈老化后的更换。

整条生产线机床滑块行程是710mm，开口高度只有1000mm。按此尺寸油缸一旦装进上横梁后，活塞杆便无法完全落到工作台上，活塞头也就无法从缸筒中露出来，因此也就无法更换活塞头上的密封圈。针对此情况，本项目在设计时采用整体缸筒设计方案。在新方案中，油缸缸体采用厚壁无缝钢管经埋弧焊机堆焊进行制作，而油缸缸底则采用单独螺塞结构并增加防松装置，这样在后期维护时，只需将缸底的螺塞部分取下，就能将活塞杆从机床顶部抽出更换活塞头密封圈，油缸结构如图7所示。

5 生产线性能检测

通过设计研发、生产制造、安装调试等工作后，本项目专门进行了单机各步序动作时间的检测，并与当初设计时间进行对比。如表1所示为生产线中最大吨位250t油压机的检测数据。经对比可以发现其中卸压因采用普通充液阀打开控制方式，原先设计时间为0.3s，实际运行中为减小充液阀打开的冲击，卸压时间已加长到1.5s，同时根据实际模具回程力的要求将油缸活塞杆直径进行了加大提高滑块回程速度，在此阶段节约了0.3s，实际运行时还存在转换延时及响应等问题，所以总体效率未能达到理论设计要求。目前机床配自动化线已在客户现场正常运行，通过日生产数量除以机床运行时间计算，整条生产线目前的生产效率为8.2spm，完全满足当初的设计方案和技术协议要求。

表1 250t油压机的检测数据

6 结论

（1）在公司成熟的伺服泵控技术基础上，通过应用ESVIEW软件对伺服参数进行采集与分析，优化相关参数，充分利用伺服电机两倍过载能力，做到了既满足机床高效运行所需的流量要求，同时又有效控制了电机功率。

（2）通过液压系统性能优化设计，将开关量型的插装阀系统性能发挥到极致，在保证高效运行的同时做到速度转换的平稳无液压冲击。

（3）通过结合实际加工工艺情况对整条生产线的电气控制进行了优化设计，实现了8.2件/min的生产效率要求。

（4）为了便于机床后期维护特别是油缸活塞头密封圈的更换，重新设计了主油缸，有效减少了后期维护工作量。

（5）目前整条生产线已在客户处正常使用，本公司也将对使用中的问题进一步进行总结和更改，相信在不久的将来，类似的自动化线将得到越来越多的运用。