一种实现总吨位控制的复合材料压机四角调平系统的制作方法

本发明涉及复合材料生产设备技术领域，尤其是一种实现总吨位控制的复合材料压机四角调平系统。

背景技术：

复合材料压机是模压成型工艺中最为重要的装备，其性能直接决定了复合材料制品的品质。在实际生产过程中，压机受制于自身结构，且其工作台面会出现受力不均与受热不均现象，同时因复合材料制品各部位几何形状、温度的差别等因素，使得滑块时常受偏载力的作用产生倾覆力矩，从而造成不同程度的倾斜，影响成型制件的制造精度与模具的磨损程度。随着复合材料制品对精度要求的显著提升，多轴调平系统应运而生，它是高端复合材料压机的重要组成部分。

为达到实际加工工艺的精度要求，必须设置同步调平系统来减少甚至消除滑块的倾斜，使滑块平行下落，保证模具的准确开合，从而提高制品的精度，并在一定程度上延长模具的使用寿命。目前的同步调平系统从原理上来看可分为两大类：1）主动式调平延续了传统的设计思想，独立于主系统设置一个封闭的同步补偿系统，调平缸跟主缸一起下落，并全程进行调平控制，能够得到一个很高的同步精度，但其不适用与高速场合，导致生产效率低下；2）被动式调平的调平缸设置在滑块下方四个角落，当滑块接触调平缸后开始调平，其通过阻碍滑块各角落的下落实现调平，会影响主缸的压制吨位，但调平力矩大、生产效率高，更加适合高速快压的复合材料模压成型工艺。

同步调平系统控制方面涉及多缸位置同步控制以及调平力控制，目前大多数系统只关注位置同步控制，根据各缸位移与目标位移之间的差值调整比例阀或伺服阀开度，保证滑块以水平姿态下落，却忽略调平力的控制，系统抗干扰性能差。此外，还有一些系统能够实现多缸位置同步控制的同时考虑调平力控制，将位移误差转化为等价力偏差值，通过各缸力控制实现调平控制。其根据给定基准调平力可大致确定总调平力，却不能实现总调平力的精确控制，并且系统的偏载较大时，等价力偏差值也会偏大，使得最终的实际总调平力与期望值有较大的差异。虽然现有调平系统能够实现调平力矩控制与滑块平行姿态控制，但还存在以下几点不足：

（1）滑块在压制过程中受主机系统与调平系统的共同作用，由于调平系统调整时总调平力发生变化，打破滑块在竖直方向上的平衡状态，使得滑块的运动轨迹受到影响，主缸为维持原轨迹运动需进行相应调整，产生压力波动，造成调平系统的负载干扰，影响调平控制结果。

（2）调平过程中调平缸跟随滑块下落，有一定的流量需要从控制阀流出，而控制阀的开度由实际压力与目标压力之间的差值决定，因此必然造成实际压力与目标压力之间存在差值，并且该误差存在不确定性，使得实际压力不可控，不仅会影响位置同步控制的结果，还进一步加大了总调平力与期望值之间的误差。

（3）调平初期四缸输出力相同，并不产生调平力矩，由于调平过程中放开了机械结构的限制，滑块在偏载力的影响下会加大初始位移偏差，如果存在的偏载力矩较大，则产生的初始位移偏差也会很大，这不仅会加大后面调平系统的控制难度，也会加剧主缸的磨损。

技术实现要素：

本发明提出一种实现总吨位控制的复合材料压机四角调平系统，可对调平系统的四个基础压力进行闭环分配以及单缸压力精确控制，实现调平系统总输出力的有效控制，并能够保证滑块的水平度。

本发明采用以下技术方案。

一种实现总吨位控制的复合材料压机四角调平系统，所述调平系统的输出端为滑块（1）；所述滑块周沿均匀设置多个调平单元；所述调平单元与控制单元（7）相连；各调平单元均包括调平缸（4）、信息采集元件和与调平缸相连的伺服阀（6）；所述调平缸缸杆在调平过程中与滑块接触，所述控制单元经伺服阀同步控制各调平缸缸杆位置及输出力以使滑块调平；

所述控制单元包括与总吨位控制器（7b）、最高缸判断模块（7c）和与各调平单元对应的多个单缸同步控制器（7a），其调平控制方法包括以下步骤；

a1、所述最高缸判断模块经信息采集元件判定缸杆伸出最大的调平缸作为最高缸，以最高缸的缸杆位移为最大位移值，把最大位移值送至单缸同步控制器（7a），使最高缸成为其它调平缸执行调平作业的跟踪目标；

a2、所述总吨位控制器对各调平缸无杆腔的总压力进行闭环控制，通过实时获取四个调平缸无杆腔的压力信号，计算调平系统对外输出总合力，再通过与目标合力相比较，分配并修正四个调平缸无杆腔的基础压力；

a3、同步控制器控制各调平缸以最高缸为目标，进行单缸位置跟踪控制来实现调平控制；并在调平控制中准确控制各调平缸的无杆腔压力及缸杆位置，从而精准控制滑块的总输出力。

所述滑块的驱动面周沿均匀设置四个调平单元；所述总吨位控制器包括调平阶段判断模块（7b1）、目标总压力给定模块（7b2）、修正值计算模块（7b3）、基础压力迭代模块（7b4）、基础压力修正模块（7b5）、总吨位控制判断（7b6）；

在步骤a2中，所述的总吨位控制器（7b）通过以下述方式实现各调平缸（4）无杆腔基础压力分配；

步骤b1、调平阶段判断模块（7b1）判断当前调平作业所处阶段，控制目标总压力给定模块（7b2）给出对应阶段需要的四缸无杆腔目标总压力；所述各调平缸无杆腔压力相加值为实际总压力，修正值计算模块（7b3）根据实际总压力与目标总压力的差值计算基础压力修正值；

步骤b2、基础压力迭代模块（7b4）根据当前调平阶段给出一组四缸存储基础压力，基础压力修正模块（7b5）根据基础压力修正值修正四个调平缸的储存基础压力，若储存基础压力经总吨位控制判断模块（7b6）验证可行，则以修正后的四缸修正基础压力作为输出；否则，输出四缸最小基础压力，并发送指令给基础压力迭代模块（7b4）取消此次压力数据的迭代。

所述的基础压力迭代模块（7b4）在一个调平阶段中记录各调平缸无杆腔压力情况，若在一段时间内压力基本不变，则认为压力稳定，以此压力对上次迭代结果进行修正。

所述同步控制器包括位置闭环控制器（7a1）、压力闭环控制器（7a2）、阀口流量补偿器（7a3）；所述单缸同步控制器（7a）实现各调平缸的位置控制以及精确压力控制的方法为；

c1、位置闭环控制器（7a1）计算对应调平缸位移与最高缸位移的差值，将其转化为压力补偿值，压力补偿值与总吨位控制器（7b）给出的对应调平缸无杆腔的基础压力值相加，获得该调平缸无杆腔压力目标值；压力闭环控制器（7a2）计算对应调平缸无杆腔实际压力与目标压力的差值，将其转化为伺服阀（6）的调整电压；

c2、阀口流量补偿器（7a3）根据调平缸（4）无杆腔实际压力与滑块移动速度计算伺服阀（6）的补偿电压，满足调平缸跟随滑块移动所需的流量要求；调整电压加补偿电压，得到最终的控制电压，按设定值控制调平缸（4）的伺服阀开度，使其无杆腔压力能够精确匹配目标压力，从而实现对应调平缸（4）对最高缸的跟踪。

所述调平阶段判断模块（7b1）对滑块（1）向物料方向的移动速度进行探测，若速度低于设定值，则判断调平系统的滑块已与物料接触，进入压料行进阶段，若速度与设定值相同，则判断滑块处于空载移动阶段。

所述的总吨位判断模块（7b6）对四个调平缸修正基础压力的可行性进行判定以避免特殊情况引起的调平力需求突增，若四个调平缸修正基础压力均大于0，则以四缸修正基础压力作为输出，否则则输出四缸最小基础压力。

所述的阀口流量补偿器（7a3）根据伺服阀阀口流量公式以及所用伺服阀的特性参数计算当前压力情况下达到所需流量的伺服阀补偿电压。

所述四个调平缸均为液压缸；所述四个调平缸（4）的有杆腔均连接一恒定低压油源，卸油通过溢流阀完成，无杆腔与对应伺服阀a口连接，并由伺服阀控制其压力与流量；

所述的信息采集元件包括用于检测调平系统中滑块（1）的下落速度的速度传感器（2）、用于检测调平缸（4）缸杆的位移信息的位移传感器（3）、用于检测调平缸无杆腔压力信息的压力传感器（5）。

所述的滑块（1）由主机液压系统进行控制以使在调平阶段保持滑块匀速下落，并迫使调平缸（4）缸杆跟随下落。

所述滑块的上端面为驱动面且下端面为压料面；所述调平缸固定在压机下梁且处于滑块四个角落的下方，调平缸的有杆腔通入恒定低压油源，调平缸的无杆腔与伺服阀a口相连；伺服阀b口封死，p口和t口分别与高压油源和油箱相连；控制单元与速度传感器、位移传感器、压力传感器以及伺服阀之间通过电气连接。

本发明通过最高缸判断确定各缸的目标位置，控制各缸与最高缸的位移差值为0，可实现滑块水平控制；同时通过总吨位控制器对调平系统的四个基础压力进行闭环分配以及单缸压力精确控制，实现调平系统总输出力的有效控制。

本发明具备的有益效果是：

（1）控制调平系统对滑块的总输出力为定值，滑块受力相对稳定，有益于上模的轨迹控制以及压制力的稳定，滑块的稳定也会减少调平系统的负载扰动，改善调平控制结果。同时总调平力大小根据各阶段需求进行设置，总调平力无需时刻保持最大值，能在一定程度上减小液压系统的能耗，并设置总吨位控制判断模块避免特殊情况下调平力不足的情况。

（2）设置阀口流量补偿器，根据当前压力值与所需流量情况计算伺服阀的补偿电压，补偿调平缸跟随滑块下落所需要的阀口开度，消除由此造成的实际压力与目标压力之间的差值，令各调平缸无杆腔压力能够准确跟随目标压力，从而保证调平缸能准确执行调平控制指令，同时也进一步提高调平系统总输出力的控制精度。

设置基础压力迭代模块，根据同一模具在压制过程中初始偏载存在一定共通性这一特点，对以往压制过程中的调平缸无杆腔压力数据迭代获得初始四缸基础压力，使系统在调平初期具备一定调平力矩，减小初始大偏载对调平系统控制的影响，提高主缸的使用寿命，同时也能减小初期总调平力的偏差，加快总调平力控制的收敛速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图；

附图2是总吨位控制器的内部结构示意图；

附图3是同步控制器的内部结构示意图；

图中：1-滑块；2-速度传感器；3-位移传感器；4-调平缸；5-压力传感器；6-伺服阀；7-控制单元；7a-单缸同步控制器；7a1-闭环控制器；7a2-压力闭环控制器；7a3-阀口流量补偿器；7b-总吨位控制器；7b1-调平阶段判断模块；7b2-目标总压力给定模块；7b3-修正值计算模块；7b4-基础压力迭代模块；7b5-基础压力修正模块；7b6-总吨位控制判断模块；7c-最高缸判断模块。

具体实施方式

如图1-3所示，一种实现总吨位控制的复合材料压机四角调平系统，所述调平系统的输出端为滑块1；所述滑块周沿均匀设置多个调平单元；所述调平单元与控制单元7相连；各调平单元均包括调平缸4、信息采集元件和与调平缸相连的伺服阀6；所述调平缸缸杆在调平过程中与滑块接触，所述控制单元经伺服阀同步控制各调平缸缸杆位置及输出力以使滑块调平；

所述控制单元包括与总吨位控制器7b、最高缸判断模块7c和与各调平单元对应的多个单缸同步控制器7a，其调平控制方法包括以下步骤；

a1、所述最高缸判断模块经信息采集元件判定缸杆伸出最大的调平缸作为最高缸，以最高缸的缸杆位移为最大位移值，把最大位移值送至单缸同步控制器7a，使最高缸成为其它调平缸执行调平作业的跟踪目标；

a2、所述总吨位控制器对各调平缸无杆腔的总压力进行闭环控制，通过实时获取四个调平缸无杆腔的压力信号，计算调平系统对外输出总合力，再通过与目标合力相比较，分配并修正四个调平缸无杆腔的基础压力；

a3、同步控制器控制各调平缸以最高缸为目标，进行单缸位置跟踪控制来实现调平控制；并在调平控制中准确控制各调平缸的无杆腔压力及缸杆位置，从而精准控制滑块的总输出力。

所述滑块的驱动面周沿均匀设置四个调平单元；所述总吨位控制器包括调平阶段判断模块7b1、目标总压力给定模块7b2、修正值计算模块7b3、基础压力迭代模块7b4、基础压力修正模块7b5、总吨位控制判断7b6；

在步骤a2中，所述的总吨位控制器7b通过以下述方式实现各调平缸4无杆腔基础压力分配；

步骤b1、调平阶段判断模块7b1判断当前调平作业所处阶段，控制目标总压力给定模块7b2给出对应阶段需要的四缸无杆腔目标总压力；所述各调平缸无杆腔压力相加值为实际总压力，修正值计算模块7b3根据实际总压力与目标总压力的差值计算基础压力修正值；

步骤b2、基础压力迭代模块7b4根据当前调平阶段给出一组四缸存储基础压力，基础压力修正模块7b5根据基础压力修正值修正四个调平缸的储存基础压力，若储存基础压力经总吨位控制判断模块7b6验证可行，则以修正后的四缸修正基础压力作为输出；否则，输出四缸最小基础压力，并发送指令给基础压力迭代模块7b4取消此次压力数据的迭代。

所述的基础压力迭代模块7b4在一个调平阶段中记录各调平缸无杆腔压力情况，若在一段时间内压力基本不变，则认为压力稳定，以此压力对上次迭代结果进行修正。

所述同步控制器包括位置闭环控制器7a1、压力闭环控制器7a2、阀口流量补偿器7a3；所述单缸同步控制器7a实现各调平缸的位置控制以及精确压力控制的方法为；

c1、位置闭环控制器7a1计算对应调平缸位移与最高缸位移的差值，将其转化为压力补偿值，压力补偿值与总吨位控制器7b给出的对应调平缸无杆腔的基础压力值相加，获得该调平缸无杆腔压力目标值；压力闭环控制器7a2计算对应调平缸无杆腔实际压力与目标压力的差值，将其转化为伺服阀6的调整电压；

c2、阀口流量补偿器7a3根据调平缸4无杆腔实际压力与滑块移动速度计算伺服阀6的补偿电压，满足调平缸跟随滑块移动所需的流量要求；调整电压加补偿电压，得到最终的控制电压，按设定值控制调平缸4的伺服阀开度，使其无杆腔压力能够精确匹配目标压力，从而实现对应调平缸4对最高缸的跟踪。

所述调平阶段判断模块7b1对滑块1向物料方向的移动速度进行探测，若速度低于设定值，则判断调平系统的滑块已与物料接触，进入压料行进阶段，若速度与设定值相同，则判断滑块处于空载移动阶段。

所述的总吨位判断模块7b6对四个调平缸修正基础压力的可行性进行判定以避免特殊情况引起的调平力需求突增，若四个调平缸修正基础压力均大于0，则以四缸修正基础压力作为输出，否则则输出四缸最小基础压力。

所述的阀口流量补偿器7a3根据伺服阀阀口流量公式以及所用伺服阀的特性参数计算当前压力情况下达到所需流量的伺服阀补偿电压。

所述四个调平缸均为液压缸；所述四个调平缸4的有杆腔均连接一恒定低压油源，卸油通过溢流阀完成，无杆腔与对应伺服阀a口连接，并由伺服阀控制其压力与流量；

所述的信息采集元件包括用于检测调平系统中滑块1的下落速度的速度传感器2、用于检测调平缸4缸杆的位移信息的位移传感器3、用于检测调平缸无杆腔压力信息的压力传感器5。

所述的滑块1由主机液压系统进行控制以使在调平阶段保持滑块匀速下落，并迫使调平缸4缸杆跟随下落。

所述滑块的上端面为驱动面且下端面为压料面；所述调平缸固定在压机下梁且处于滑块四个角落的下方，调平缸的有杆腔通入恒定低压油源，调平缸的无杆腔与伺服阀a口相连；伺服阀b口封死，p口和t口分别与高压油源和油箱相连；控制单元与速度传感器、位移传感器、压力传感器以及伺服阀之间通过电气连接。

实施例：

上述的一种实现总吨位控制的复合材料压机四角调平系统，图1表征一种实现总吨位控制的复合材料压机四角调平系统。包括滑块1，速度传感器2，位移传感器3，调平缸4，压力传感器5，伺服阀6以及控制单元7。

其中，滑块与主缸及回程缸（图中未画出）刚性连接，在压制过程中由主机液压系统进行速度控制；速度传感器与滑块刚性连接，用于检测滑块下落的速度；位移传感器3，调平缸4，压力传感器5以及伺服阀6构成一组调平执行与检测装置，共有四组；位移传感器3与调平缸4活塞杆刚性连接，用于检测调平缸4的位移；压力传感器5与调平缸4无杆腔通过油管连接，用于检测调平缸4无杆腔的压力值；调平缸4有杆腔与一低压油源相连（图中未画出），使调平缸4在下降过程中有一定背压，其液压油通过溢流阀（图中未画出）实现流出；调平缸4无杆腔与伺服阀6的a口相连，通过伺服阀6来控制其进出油情况，实现调平力控制；控制单元7与速度传感器2、位移传感器3、压力传感器5以及伺服阀6进行电气连接，获取调平过程中的相关信息，对其进行计算处理，输出四个伺服阀6的控制电压，令各调平缸4执行相应动作。

调平系统控制器7由总吨位控制器7b、最高缸判断模块7c以及同步控制器7a组成，按下述流程进行调平控制：

步骤一：最高缸判断模块7c确定四个调平缸4中处于最高位置的那一个，以此作为各缸的跟踪目标。该模块实时获取四个调平缸4的位移数据，对各缸的位移值进行比较，确定当前时刻的最大位移值（位移传感器以向上为正向），将其传递到四个同步控制器7a，给定各缸需要跟踪的目标位置。

步骤二：总吨位控制器7b给出四个调平缸4的无杆腔基础压力，并通过不断修正，控制调平系统总输出力为定值。该控制器实时获取四个调平缸4的无杆腔压力以及滑块下落速度，输出给各同步控制器7a对应调平缸4的无杆腔基础压力。其内部由调平阶段判断模块7b1、目标力给定模块7b2、修正值计算模块7b3、基础压力迭代模块7b4、基础压力修正模块7b5以及总吨位控制判断模块7b6组成。

图2表征总吨位控制器7b的内部工作原理：

调平阶段判断模块7b1根据滑块下落速度判断当前调平阶段，若速度等于设置速度，则说明当前处于空载下行阶段；若速度低于设置速度，则说明当前处于压料下行阶段，因为压到料之后滑块会收到很大的阻力，使压制速度变得缓慢；

目标压力给定模块7b2根据当前调平阶段给四个调平缸4的无杆腔目标总压力。

基础压力迭代模块7b3根据调平阶段给出一组当前阶段各调平缸无杆腔的储存基础压力，该值为以往压制中该阶段稳定压力的迭代结果。

修正值计算模块7b4根据四个调平缸4的无杆腔实际总压力与目标总压力的差值计算基础压力修正值，该值与差值成正比；

基础压力修正模块7b5根据基础压力修正值对四个调平缸4的无杆腔基础压力进行修正，将各调平缸4的存储基础压力减去修正值，获得一组修正基础压力；

总吨位控制判断模块7b6对修正基础压力进行判别，若各修正基础压力均大于0，则说明当前设置总调平力可实现调平控制，输出修正基础压力；若有修正基础压力小于0，则说明当前情况特殊，所设置的总调平力不足以实现此次调平控制，取消总调平力控制，输出四个调平缸无杆腔最小基础压力，并发送指令给基础压力迭代模块取消此次数据的迭代；

通过四个调平缸4的无杆腔的基础压力动态调整，控制调平系统总输出力为定值。

步骤三：同步控制器7a控制对应调平缸跟踪最高缸，并进行精确压力控制。控制器实时获取总吨位控制器7b获得的调平缸4无杆腔基础压力、最高缸判断模块7c得到的最高缸位移、速度传感器2采集的滑块下落速度以及对应调平缸4的位移、压力信息，输出对应伺服阀的控制电压。其内部由位移误差补偿器7a1、压力闭环控制器7a2以及阀口流量补偿器7a3组成。

图1表征同步控制器7a的内部工作原理：

位移误差补偿器7a1实时获取对应调平缸4的位移与最高缸判断模块7c得到的追踪位移值，计算二者的差值，将二者的差值转化为压力补偿值。压力补偿值越大，则说明该调平缸4与最高缸的位移误差越大，处于最高位的调平缸4的压力补偿值为0；

位移补偿器7a1获得的压力补偿值与总吨位控制器7b得到的基础压力值相加，获得对应调平缸的目标压力值；

压力闭环控制器7a2实现单缸压力准确跟随目标压力。其实时获取对应调平缸4无杆腔的压力以及目标压力值，计算二者差值，将差值转化为伺服阀的调整电压，调整电压的大小与差值成正比；

阀口流量补偿器7a3实时获取滑块1的下落速度以及对应调平缸4无杆腔的压力值，根据滑块1的下落速度与调平缸4无杆腔有效面积计算调平缸跟随滑块1下落的需从伺服阀6流出的流量，结合伺服阀6的特性参数与阀口流量公式计算当前压力下实现所需流量的伺服阀6控制电压，即为阀口流量补偿电压；

阀口流量补偿器7a3得到的补偿电压与压力闭环控制器7a2得到的调整电压相加，获得最终对应伺服阀6的控制电压，对调平缸4的无杆腔的压力与流量进行控制，实现位置跟踪与精确压力控制。

调平过程中实时获取传感器采集的信息，不断重复步骤一到步骤三，动态调整四个伺服阀6的控制电压，实现四个调平缸4的位置同步控制以及总输出力控制。

总吨位控制器7b的各设定值与迭代数据只适用于一套模具，如果模具发生变化，需要重置迭代数据与相关设定值。

调平缸4无杆腔的目标总压力可根据实际压制中调平力需求进行确定,在输出最低基础压力情况下，获取压制过程中各调平缸4无杆腔的压力，并进行多次验证确定该阶段需要的总调平力大小，令目标总调平力略大于实际需求。

调平初期主要是模具重力引起的偏载，所需调平力较小，可设置一个较小的目标总压力；当接触到模压料时，偏载力可能由主缸压力模具重力、模压料的阻力等因素构成，其值相对来说较大，需设置一个较大的调平系统总输出力。通过调平系统总吨位匹配，能使主缸的压力有所下降，降低整个压机的能耗。

基础压力迭代模块记录各调平缸4无杆腔的压力信息，若在一段时间内压力值基本不变，则认为该调平阶段压力已经稳定，此时调平力矩能够抵消偏载力矩，以此压力值修正原本保存的存储基础压力，作为下次压制调平的初始基础压力。

伺服阀6的特性参数由实验测试获得。实验保证伺服阀6进油口与出油口之间的压力差值为定值，测试不同控制电压下伺服阀6的流量，结合阀口流量公式确定流量与控制电压、压差之间的关系参数。

以上所述仅为本发明的具体实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。