液压机的被动式电液调平系统的制作方法

本申请涉及一种用于液压机的被动式电液调平系统，其能够以相对简单的结构实现高精度的滑块位置调平和总调平力控制。

背景技术：

通常，在液压机上利用模具压制成型工件时，在液压机的一个工作周期中，从滑块带着动模接朝向工件移动到压制成型之后滑块带着动模离开工件，液压机压力分为不同的阶段，取决于工件的加工工艺。

为了维持滑块和动模的平行精度，各种液压机滑块调平系统被提出。例如，专利文献cn103660359a中公开了一种被动式四角调平液压机的液压控制系统，其中，通过单一的位置闭环控制实现调平。这种技术由于各个调平液压缸的位置差异，总的调平力变化很大，因而每次液压机施加于工件的有效工作压力有较大变化，不能维持恒定的工件质量。专利文献us4784058a公开了一种位置调平和调平力控制的液压机控制方法，其中，通过一组快速响应伺服阀快速进行高度控制以实现调平，而通过另一组伺服阀进行压力逐步控制以实现液压机的调平力控制。这种技术采用两组伺服阀，导致液压系统复杂且控制困难。专利文献ep0652100a公开了一种液压机控制方法，其中通过调平缸之间的位置比较，确定调平缸之间的偏心负载扭矩。这种技术为实施调平缸控制，偏心负载扭矩-位置曲线需要被精确地绘制并且预先置入控制器中；然而，由于影响滑块平行度的因素很多，因此实际上非常难以绘制这样的偏心负载扭矩-位置曲线。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种用于液压机的被动式电液调平系统，其能够以相对简单的结构同时高精度地实现液压机滑块的位置调平和总调平力控制。

根据本申请的一个方面，提供了一种用于液压机的被动式电液调平系统，其包括：

多个调平缸，用于向液压机滑块施加调平力；

同步控制单元；以及

与所述同步控制单元相连的信息采集元件和调平缸控制元件；

其中，所述信息采集元件检测各调平缸的活塞杆的位置信息以及各调平缸的压力信息；

其中，所述同步控制单元接收来自所述信息采集元件的所述位置信息和压力信息，并且确定并输出发送给所述调平缸控制元件的控制指令；并且

其中，在所述同步控制单元中，所述位置信息被转换成等价力量值，所述等价力量值与所述压力信息组合而用于确定所述控制指令，使得能够通过所述控制指令同时实现滑块位置调平和总调平力控制。

根据一种可行实施方式，所述位置信息通过下述方式被转换成等价力量值：

基于各活塞杆位置计算出活塞杆位置平均值；

将各活塞杆位置分别与活塞杆位置平均值比较而得到各活塞杆的同步误差值；

基于各同步误差值确定相应的等价力量值。

根据一种可行实施方式，所述同步控制单元包括基准力设定单元，所述基准力设定单元被配置设置基准调平力，该基准调平力适用于每个调平缸，所述基准调平力与所述等价力量值以及所压力信息组合而用于确定所述控制指令。

根据一种可行实施方式，所述同步控制单元包括基准力设定单元被配置成接收液压机主液压缸的主液压缸压力，并且所述基准调平力基于所述主液压缸压力而设置。

根据一种可行实施方式，在实际压制工件时，如果基准力设定单元接收液压机主液压缸的主液压缸压力高于一预定值，则基准力设定单元将基准调平力提高。

根据一种可行实施方式，所述基准调平力是可调的，从而针对压制成型中的不同阶段设定不同的基准调平力。

根据一种可行实施方式，所述信息采集元件包括：

配备给每个调平缸的位移传感器；

分别连接着每个调平缸的无杆腔的无杆腔压力传感器；以及

分别连接着每个调平缸的有杆腔的有杆腔压力传感器。

根据一种可行实施方式，所述调平缸控制元件包括配备给每个调平缸的控制阀，所述控制指令为调节控制阀开度(开度可为正或负，以确定液压油流动方向)的指令。

根据一种可行实施方式，所述控制阀为电液比例阀或电液伺服阀。

根据一种可行实施方式，所述被动式电液调平系统配置成反复进行由所述信息采集元件检测位置和压力信息、由所述同步控制单元确定控制指令、再由所述调平缸控制元件执行调平操作的循环，使得所述被动式电液调平系统构造成动态调平系统。

根据一种可行实施方式，所述多个调平缸为朝向滑块均布的4到8个调平缸。

根据本申请的用于液压机的被动式电液调平系统，能够以相对简单的结构同时实现液压机滑块的调平操作和总调平力控制，使得液压机滑块维持高平行精度，并且在每次压制成型中，能够维持相对稳定的总调平力，从而液压机每次都能够向工件施加大致一致的有效工作压力。此外，可以根据具体的压制成型工艺要求设置基准调平力，从而进一步使得液压机能够向具体的工件施加一致的有效工作压力。

附图说明

本申请的前述和其它方面将通过下面参照附图所做的详细介绍而被更完整地理解和了解，其中：

图1是根据本申请的一种可行实施方式的电液调平系统的控制策略图；

图2是根据本申请的液压机中的被动式电液调平控制算法图。

具体实施方式

本申请总体上涉及用于液压机的被动式动态电液调平技术。本申请涉及的液压机可以是金属压制、塑料或复合材料圧缩成型等工艺中使用的液压机。

图1中示出了本申请的一种可行实施方式的电液调平系统的控制策略。液压机包括滑块1，该滑块1装有动模(未示出)，并且由主液压缸2驱动而相对于定模座以及定模座上安装的定模(未示出)前进和后退。主液压缸2由主液压管线3供应液压油。

工件在压制过程中对动模和滑块1施加反作用偏载扭矩，尽管滑块1通常配备有导向结构，但由于导向结构本身的定位精度不高，滑块1难免发生相对于定模座的一定程度的倾斜。本申请的被动式电液调平系统用于沿着与滑块1施加工作压力相反的方向向滑块1施加调平力，使得滑块高精度地平行于定模座。

本申请的被动式电液调平系统主要包括安装在定模座上并且以其活塞杆指向滑块1的n个调平缸4。可以理解，为了调平滑块1，可以采用4个或更多个调平缸4。通常，可在朝向滑块1的四角的位置分别布置一个调平缸4，即n＝4；对于其它应用，可能需要更多的调平缸4，例如8个。因此，虽然图中的实施方式示出了4个调平缸4，但本申请对调平缸4的数量没有限制，只要它们大致均布在面向滑块1上的围绕动模的位置即可。

当滑块1朝向定模座移动到高于调平缸的预定位置时，各调平缸4会启动往下运动，滑块1以快于调平缸4但接近其速度追上调平缸4；滑块1压着调平缸4一起往下运动，使得调平缸4的活塞杆推抵于滑块1，例如推抵于滑块1上面对着各调平缸4布置的机械止挡5。各调平缸4向滑块1施加与主液压缸2的推力相反的调平力，以将滑块1调平，而主液压缸2的推力减去各调平缸4向滑块1施加的总调平力，即为液压机的实际有效工作压力。

本申请的被动式电液调平系统包括同步控制单元20、信息采集元件和调平缸控制元件。所述同步控制单元20用于接收来自信息采集元件的有关主液压缸2和各调平缸4的输入信息，并且向调平缸控制元件输出控制各调平缸4操作的控制指令。

同步控制单元20接收来自下述信息采集元件的输入信息：

由连接着主液压缸2的压力腔的主液压缸压力传感器6提供的主液压缸压力p；

分别由配备给每个调平缸4的位移传感器7提供的每个调平缸4的活塞杆位置；

分别由连接着每个调平缸4的无杆腔的无杆腔压力传感器8提供的每个调平缸4的无杆腔压力；

分别由连接着每个调平缸4的有杆腔的有杆腔压力传感器9提供的每个调平缸4的有杆腔压力。

调平缸控制元件包括分别与每个调平缸4相连的控制阀10。同步控制单元20向每个控制阀10输出控制阀口开度的控制指令，每个控制阀10基于该控制指令控制其阀口开度而调节调平液压油向相应调平缸4供应的方向、流量和压力等，以控制调平缸4的操作。在一种可行实施方式中，控制阀10为电液比例阀。在另一种可行实施方式中，控制阀10为电液伺服阀。

同步控制单元20在图1中以点划线方框圈出，下面描述其各组成元件。

首先是一个位置加法器21，其具有n个输入端，这些输入端连接着各位移传感器7的输出端，使得由各位移传感器7检测到的各调平缸4的活塞杆位置s1、s2、s3、s4…在位置加法器21中相加。

一个乘法器22的输入端连接着位置加法器21的输出端，使得位置加法器21的输出值在乘法器22中被乘以1/n(图中的例子为乘以1/4)而得到活塞杆位置平均值。

对应于每个调平缸配备有一个相应的位置减法器23。各位置减法器23的加号输入端都连接着乘法器22的输出端，每个位置减法器23的减号输入端分别连接着相应位移传感器7的输出端，使得在每个位置减法器23中，活塞杆平均位置被减去来自位移传感器7的检测信息，即相应调平缸4的活塞杆位置s1、s2、s3、s4…，从而分别得到每个调平缸4的活塞杆的同步误差值δs1、δs2、δs3、δs4…。

各位置减法器23的输出端连接到一个同步轴控制器24。在同步轴控制器24中，根据各调平缸4的活塞杆的同步误差值δs1、δs2、δs3、δs4…计算出相应的每个调平缸4的补偿力δf1、δf2、δf3、δf4…。

同步轴控制器24具有分别与每个调平缸4对应的输出端，同步轴控制器24的每个输出端分别连接到与相应的调平缸4对应的力减法器25的第一加号输入端。每个力减法器25还具有第二加号输入端和减号输入端。各力减法器25的第二加号输入端都连接到一个基准力设定单元26的输出端。每个力减法器25的减号输入端分别连接着一个相应的压力减法器27的输出端。

该基准力设定单元26具有第一和第二输入端，其中第一输入端连接着主液压缸压力传感器6的输出端，用以接收主液压缸压力传感器6检测到的主液压缸压力p，第二输入端为外部输入端口，用于输入基准调平力f0。该基准调平力f0为适合于特定压制成型工艺所需的每个调平缸4的调平力。基准调平力是可调的。一方面，针对不同的压制成型工艺，可以设置不同的基准调平力；另一方面，针对同一个压制成型工艺中不同的滑块行程阶段，可以设置不同的基准调平力。主液压缸压力传感器6检测到的主液压缸压力p被转换成主液压缸推力后，按工艺要求设置所需的基准调平力。每个调平缸4的基准调平力分别被从基准力设定单元26的输出端发送到相应力减法器25的第二加号输入端。

另一方面，每个压力减法器27的加号输入端连接着相应无杆腔压力传感器8的输出端，减号输入端连接着相应有杆腔压力传感器9的输出端。在每个压力减法器27中，无杆腔压力传感器8的检测值被减去有杆腔压力传感器9的检测值，得到相应调平缸4的实际工作压力即调平力f1、f2、f3、f4….。每个调平力f1、f2、f3、f4….由相应压力减法器27的输出端发送到相应力减法器25的减号输入端。

在每个力减法器25中，来自基准力设定单元26的基准调平力与来自同步轴控制器24的相应补偿力δf1、δf2、δf3、δf4…相加再减去来自相应压力减法器27的调平力f1、f2、f3、f4….，从而得到适合于相应调平缸的压力调节值。

每个力减法器25的输出端连接着相应调平缸控制器28的输入端，以将适合于相应调平缸的压力调节值发送给相应调平缸控制器28。每个调平缸控制器28的输出端连接着相应的控制阀10。每个调平缸控制器28基于相应的压力调节值产生控制指令xv1、xv2、xv3、xv4…，并将每个控制指令经输出端分别发送到相应的控制阀10，从而通过调节控制阀10的阀口开度控制向相应调平缸4供应的调平液压油的流量和压力。

可以理解，虽然图示并且在上面描述了同步控制单元20的一种构造方式，但同步控制单元20可以包含等价元件和/或具有能够实现相同或相似功能的任何构造。

下面描述本申请的被动式电液调平系统的操作。

如图2所示，被动式电液调平系统包括前面描述的同步控制单元20，该同步控制单元20接收来自信息采集元件的输入信息30并且向调平缸控制元件提供输出指令40。输入信息30包括主液压缸压力p，各调平缸4的调平力f1、f2、f3、f4….，各调平缸4的活塞杆位置s1、s2、s3、s4…。输出指令40包括向每个调平缸4的控制阀10发送的控制指令xv1、xv2、xv3、xv4…。

在液压机工作时，当滑块1朝向定模座移动到距离位置时，同步控制单元20通过各控制阀10控制相应调平缸4的操作。各调平缸4的活塞杆被滑块1推抵(例如，被滑块1上的对应的机械止挡5推抵)着下行，并且全部调平缸4施加于滑块1的总作用力构成总调平力。

各位移传感器7检测相应调平缸4的活塞杆位置，并将相应的活塞杆位置s1、s2、s3、s4…反馈到位置加法器21。在位置加法器21中，各检测值s1、s2、s3、s4…被相加，得到总位置值。该总位置值被传输到乘法器22。在乘法器22中，该总位置值被乘以1/n，以得到各调平缸4的活塞杆位置平均值。该活塞杆位置平均值被传输到每个位置减法器23。在每个位置减法器23中，该活塞杆位置平均值减去相应的活塞杆位置s1、s2、s3、s4…，从而得到同步误差值δs1、δs2、δs3、δs4…。各同步误差值被传输到同步轴控制器24。同步轴控制器24计算出针对每个调平缸4的补偿力δf1、δf2、δf3、δf4…，并将每个调平缸4的补偿力分别发送到相应的力减法器25。压力传感器8、9分别检测每个调平缸4中的无杆腔与有杆腔中的实际压力。在相应的压力减法器27中，无杆腔的实际压力减去有杆腔中的实际压力得到每个调平缸4的实际调平力f1、f2、f3、f4…，并将每个实际调平力发送到相应的力减法器25。与此同时，基于压力传感器6检测到的主液压缸2中的压力p，根据工艺要求，设定基准调平力的大小，在基准力设定单元26设定的基准调平力被发送到力减法器25。在力减法器25中，该压力调节值被加上针对相应调平缸4的补偿力并且减去相应调平缸4的实际调平力，每个力减法器25中得到的结果被发送到相应的调平缸控制器28，该调平缸控制器28确定控制指令xv1、xv2、xv3、xv4…，并向各控制阀10输出相应的控制指令，以便调节供应给每个调平缸4的调平液压油的压力和流量，并因此而改变各调平缸4的调平力和活塞杆位置。这样，从同步控制单元20接收输入信息30开始，到提供输出指令40以控制各调平缸4的操作，本申请的被动式电液调平系统完成一个调平操作循环。

之后，更新后的主液压缸压力p、活塞杆位置s1、s2、s3、s4…和调平力f1、f2、f3、f4…又被反馈到同步控制单元20，从而反复进行上面描述的调平缸控制循环而持续调节各调平缸4的调平液压油的压力和流量以及各调平缸4的调平力和活塞杆位置。经过几个上述调平缸控制循环，各调平缸4的调平力和活塞杆位置都达到理想值，因而全部调平缸4施加于滑块1的作用力合力即总调平力以及滑块1的平行精度可以达到理想值。

可以理解，在液压机的一个压制成型周期中，其主液压缸压力p总是动态变化的。因此，各调平缸4施加于滑块1的总调平力以及滑块1的平行精度不可能达到绝对完美值。实际上本申请的被动式电液调平系统在一个压制成型周期中总是不停地进行前面描述的调平缸控制循环。因此，本申请的被动式电液调平系统实质上是一种动态调平系统。

在动模实际压制工件时，如果基准力设定单元26发现主液压缸压力传感器6检测到的主液压缸压力p高于一预定值，则基准力设定单元26将基准调平力提高，以便确保能够纠正平行度误差。同时，还能在压制工件阶段、尤其是保压阶段维持作用于工件的适宜的有效工作压力，避免工件质量下降。

本申请的被动式电液调平系统可实现动态平行精度控制，实现高同步精度。在不同的调平缸速度(1～80mm/s)下，滑块最高平行度可达<0.01mm。而在现有技术中，即使是低速运行状况下，滑块最高平行度也仅能达到0.02～0.06mm。

可以看到，本申请的由包括同步控制单元、信息采集元件和调平缸控制元件构成的被动式电液调平系统中包含了两个控制环路以实现多轴同步控制，即位置控制环和力控制环。两个控制环路可以集成于一个同步控制单元中。两个控制环路具有不同的检测信息输入端(分别接收活塞杆位置信息，以及接收主液压缸和调平缸压力信息)和相同的控制指令输出端(输出控制调平缸操作的控制指令)。位置控制环中输入的活塞杆位置信息被转换成等价力量值，从而以与力控制环输入的调平缸的调平力并列的方式被处理。这样，本申请的被动式电液调平系统能够同时实现滑块的位置调平和总调平力控制，其中位置控制环和力控制环同时起作用，活塞杆位置信息和主液压缸和调平缸压力信息被同时计入调平缸控制。

可以理解，本申请的被动式电液调平系统并不局限于前面展示和描述的具体细节，只要能够实现上述性能的两个控制环路即可。

本申请的被动式电液调平系统可维持相对稳定的总调平力，从而在针对同一压制成型工艺对每个工件的压制成型周期中，在相同的工艺阶段维持大致相同的有效工作压力，从而确保各工件的稳定加工质量。另一方面，适于不同工艺阶段的基准调平力可以通过基准调平力指令来调节，因此可以针对不同的工艺阶段提供适宜的总调平力，从而在同一个压制周期中的不同压力阶段都维持稳定的有效工作压力。

此外，本申请通过设置基准调平力，可以避免在极端状况下(例如滑块总不能调平)导致总调平力无限度升高。

虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。