CNC机床蛇形管弯管机液压伺服系统

　　CNC蛇形管弯管机（小R、顶镦）是我校和某厂共同研制开发的，是加工大型电站锅炉的重要设备，是机电一体化产品。其中，液压伺服系统是弯曲管料的主要动力部分，它的性能直接关系到弯管质量。因此，合理设计该系统就具有很重要的意义。

1　弯管过程

　　弯管是指将经过焊接的长管按照工艺图纸的要求弯制成各种各样的蛇形管，由送料、夹紧和弯管三部分完成。送料是将管料从料架上翻入料槽中，由送料电机将管料送到挡管器处，再由直流伺服电机定长送料。在由液压辅助控制部分控制的顶镦夹夹紧、收紧夹收紧、弯管模闭合后，由弯曲缸带动弯模旋转弯管；顶镦缸推动顶镦夹使其给管料施加轴向推力，以满足弯管和顶镦的匹配要求。当一个弯头弯完后，再由直流伺服电机定长送料，同时转筒旋转一定角度（通常为180°），进行再一次弯管，直到整根管子弯完为止。

2　液压伺服系统的设计

　　通常，设计液压伺服系统的方针是在保证系统各项静动态特性都满足预定要求的前提下，寻找出尽可能简单、可靠、经济、耐用的具体结构方案^［1］。鉴于本系统功率和负载都比较大，其主参数的确定及元件的选择主要是为了满足拖动负载要求，同时考虑其对系统静动态特性的影响。至于系统各项特性的实际数值，它们不仅与机械部分和电器部分设计有关，而且只有在各部分设计方案付诸实施后，在工作现场，通过具体调整才能确定。
　　（1）明确设计任务
　　设计任务书规定：弯曲管料的最大直径D_max=63.5mm, 管材为12Cr2MOWVTIB（钢研102），δ_s=343N/mm²(常弯曲的钢管)，弯曲管料的最小直径D_min=38mm。管子最大弯曲半径R_max=120mm（常弯曲半径）；管子最小弯曲半径R_min=1.18D_min=45mm。弯管模弯管角速度ω=0～2r/min（常弯管角速度为2r/min），最大回转角度为190°，回转重复定位误差<=±0.1°。管子弯曲角度为0～180°，误差<=±0.5°。要求所设计的电液伺服系统工作稳定、可靠，在CNC中能进行连续弯管轨迹控制。
　　（2）分析系统负载
　　按JB2671-82标准，弯管机的旋转力矩M_T为：
　　M_T=M_W+M_YM+M_XM
式中，M_W—试件弯曲力矩，按下式计算：
　　M_W=［K₁+K_o/（4R_X）］Wδ_s
其中：K₁—截面形状系数，K₁≈1.275（D-2S）/（D-3S），D、S分别为管材公称外径、壁厚（mm）；
　　K_o—材料相对强化系数；
　　W—管材截面系数, W=π［（D⁴-d⁴）/(32D)］,d为公称内径（mm）;
　　δ_S—材料屈服极限；
　　R_X—相对弯曲半径，R_X=R/D，R—弯曲半径；
　　M_YM—材料摩擦力矩，用移动式滑槽时M_YM=（0.1～0.15）M_W；
　　M_XM—芯轴摩擦力矩，本机无此力矩。
　　当弯曲的管材为12Cr2MOWVTIB，D=63.5mm, S=12mm, d=D-2S=39.5mm, δ_s=343N/mm²,取K_o=11.6,M_YM=0.15M_w,由上式计算出：
　　当弯曲半径R=120mm时，M_W=24.677kN.m, M_T=28.378kN.m;
　　当弯曲半径R=1.18D时，M_w=31.445kN.m,M_T=36.16kN.m。
　　通过对钢管变形机理的研究，在弯管过程中，顶镦最大推力F=0.55M_W/R。
　　（3）确定控制方案
　　从设计任务书规定的弯曲角度、控制精度和估算的负载力，以及使系统结构尽可能简单起见，本系统宜采用阀控缸式结构，如图1所示。

图1

　　图2和图3分别表示完成弯曲旋转和顶镦缸工作的数字式液压位置伺服系统方块图。

图2

图3

（4）确定伺服系统主参数、选择元件
　　①供油压力的确定。在一定的输出功率情况下，选较高的供油压力对系统精度、灵敏度和刚度都较有利；选用较低的供油压力可以降低成本、减少功率损失、延长设备使用寿命等。在情况允许的条件下，总希望选用较低的供油压力。当然，供油压力的确定还必须与伺服缸尺寸相配合，并与系统组成元件的额定压力相适应。
　　根据上述理由，参考有关弯管机的供油压力，考虑到各方面因素，确定系统供油压力p_s=18MPa。
　　②元件主要规格尺寸的确定及型号的选择。根据机械设计部分从强度角度考虑，选齿条齿轮机构中齿轮分度圆直径D_r=256mm,这样，力臂R_r=128mm，故弯曲缸负载（推力）为M_T/R_r。
　　现要求弯管角速度ω=0～2r/min，即弯管模最大角速度ω_m=0.2094r/s, 则弯曲缸最大速度v₁m=R_rω_m=128×0.2094=26.81mm/s
　　当弯曲半径R=120mm时：弯曲缸推力F_L1=M_T/R_r=28.378/0.128=221.7kN, 考虑摩擦等因素影响，取F_L1=225kN。顶镦缸推力F_L2=0.55M_W/R=0.55×24.677/0.12=113.1kN,取F_L2=120kN。
　　因须顶镦缸速度稍大于弯管模线速度v₂>Rω_m=120×0.2094=25.13mm/s，取v₂=26mm/s；
　　当弯曲半径R=1.18D,即R=75mm时：弯曲缸推力F_L1=M_T/R_r=36.16/0.128=282.5kN,取 F_L1=285kN。顶镦缸推力F_L2=0.55M_W/R=0.55×31.445/0.075=230.6kN,取F_L2=235kN；顶镦缸速度v₂>Rω_m=75×0.2094=15.7mm/s,取v₂=16mm/s。
　　根据以上计算值，可以概略地画出系统负载图，如图4和图5所示。

图4　弯曲缸负载图

图5　顶镦缸负载图

　　对于功率和负载较大的本系统，以常用的负载力（R=120mm时）及p_L=(2/3)p_S来确定缸径，并确保最大负载（R_min=1.18min时）压力应低于p_S，且此时伺服阀应能提供所需速度的负载流量。
　　据一般的教科书及文献［3］计算液压缸缸径方法及选择伺服阀原则，在得到缸径尺寸后，经标准化处理，并考虑机械部分设计要求，最终确定：弯曲缸缸径D=160mm(d=155mm)，最大行程L=432mm（根据弯管模最大回转角度确定）；顶镦缸缸径D=140mm,d=90mm（主要从强度方面考虑），最大行程L=416mm。为减少规格，两电液伺服阀均选用QDY10型，并留有一定的负载和流量余量。
　　相应的伺服放大器为SVA-1型，数字检测器为LF型增量光电编码器，它们主要根据系统在增益、精度和频宽上的要求而从有关样本中挑选出来的。根据系统压力p_S及所需最大流量，恒压变量泵选用TBP-50型。

3　系统综述

　　本伺服系统属于数字电液伺服控制系统类型，它由两个并联的连续位置控制系统组成；两伺服缸运动相互关联；指令脉冲输入由计算机两个坐标给出。增量光电编码器不仅能检测液压缸运动位移，而且还可以通过脉冲发生的频率测量其运动速度。因此，系统可以实现对伺服缸运动速度、位置双重控制。

程飞月(武汉汽车工业大学185信箱，430070)
李兰(武汉汽车工业大学185信箱，430070)

参考文献

［1］雷天觉^.液压工程手册^.机械工业出版社
［2］孙文质^.液压控制系统^.国防工业出版社
［3］刘长年^.液压伺服系统优化设计理论^.冶金工业出版社
注：1995年CNC蛇形管弯管机获湖北省科技进步一等奖