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摘要： 综述了内高压成形设备的组成和功用，阐述了内高压成形机的关键技术-“同步精度”，详细介绍了组合预紧式框架结构、液压同步系统和双液压缸位移同步的PID控制。
Abstract： This paper reviews the composition and function of hydroforming equipment， describes the key technology of the hydroforming machine： "synchronization accuracy"， and details the PID control of combination tightening frame structure， hydraulic synchronization system and dual hydraulic cylinder displacement synchronized.
关键词： 内高压成形机；同步精度；同等方式；PID控制
Key words： hydroforming machine；synchronization accuracy；the same way；PID control
中图分类号：TG394 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）15-0114-02
0 引言
内高压成形是一种制造空心轻体结构件的先进制造技术，通过内部加压和轴向进给补料使管材成形，现已发展成为塑性加工领域中的一个热点研究方向。在成形过程中，两轴向进给必须高精度同步，否则产品会产生起皱或破裂等缺陷。因此，两轴向油缸的高精度同步就成为内高压成形机关键技术，如何实现 “同步精度”就成为本文研究和解决重点。
1 内高压成形设备组成
内高压成形设备具备成形工艺所需的全部功能，属于专用设备。其主要由内高压成形机、液压系统、高压源、水压系统和计算机控制系统等五部分组成，其中最重要的设备是内高压成形机。具体详见图1所示。
内高压成形机是提供模具和轴向推力油缸的安装空间，以及成形时所需的合模力和轴向推力。根据工艺要求，内高压成形机可设计成各种结构形式，例如传统的四柱结构、整体框架结构和组合预紧式框架结构等。为确保产品精度，结构形式多采用组合预紧式框架结构。
液压系统为内高压成形机和高压源提供动力源。液压传动控制系统采用先进的整体式二通插装阀集成块，具有结构紧凑、动作灵敏、通流能力大等优点。高压源、水压系统是产生高内压的核心部件，直接影响到加工能力，最大内压力应根据零件的工艺性决定。
2 内高压成形机关键技术
内高压成形最主要的工艺因素有：合模力、内压、轴向进给（或轴向推力）。合模力由主缸提供，通过系统压力的比例调节，可实现合模力的线性比例调节。内压由单向或往复式增压器提供，液体工作内压通过超高压传感器进行检测，并反馈给电气系统进行闭环检测。轴向进给（或轴向推力）由两轴向推力油缸提供，轴向油缸的数量、位置、推力、行程等参数根据产品工艺要求来决定，多采用水平布置。
在成形过程中，内压和轴向进给必须合理匹配，若轴向进给过大，内压不足，管坯会出现失稳起皱；反之，则会出现壁厚过度减薄，甚至破裂。所以，轴向进给的“同步精度”就成为内高压成形机的关键技术。合模力、内压与轴向进给随时间变化曲线如图2所示。
3 内高压成形机研究
内高压成形机的关键技术就是两轴向油缸的“同步精度”。本文从机身结构、液压系统和控制系统三个方面加以研究。首先机身结构的刚性直接影响同步的精度，其次液压系统的流量控制精度和抗偏载能力起到决定性的作用，最后控制方法和调节方式的选择也至关重要。
3.1 组合预紧式框架结构
内高压成形机机身采用组合预紧式框架结构，上横梁、立柱、下横梁通过液压涨紧装置组成封闭式框架结构。主缸安装于上横梁上，用于提供成形所需合模力。轴向油缸安装在立柱上，用于轴向推力和进给补料。顶出缸安装在下横梁上，用于成形后产品的顶出。这一结构的特点是各零件结构和工艺性简单，单件重量较小，加工工艺性较好。
组合预紧式框架结构主要工作载荷有：合模力、轴向公称力和顶出力等。其中立柱是研究的重点，立柱承受液压预紧力、轴向公称力、滑块作用的水平力等。立柱的刚性直接影响到轴向位移的“同步精度”要求，现通过ANSYS有限元分析软件对立柱进行优化设计，确保立柱的变形控制在规定的范围之内，分析结果如图3所示。
3.2 液压同步系统的设计
液压系统由能量转换装置、能量调节控制装置、辅助装置及液压附件组成，借助电气系统的控制完成各种动作的循环。动力系统采用比例流量泵，可以实现10%-90%的无级调速（按程序控制）。液压传动控制系统采用先进的整体式二通插装阀集成块，具有响应快、流阻小、通流能力强等有点。两轴向油缸分别采用独立的液压动力源和控制集成块，可以有效把两轴向油缸之间的相互作用减到最少。首先通过比例流量泵将两轴向油缸液压油流量和流速调至相近，再通过比例流量阀对两轴向油缸液压油流量进行精确控制，达到“同步精度”要求。
由于液压系统的泄漏、轴向油缸的非线性摩擦阻力、控制元件间的性能差异、各执行元件间负载的差异等因素的影响，将造成执行机构的同步误差，如果液压系统不能有效地加以控制并克服这种同步误差，系统将不能正常工作。液压系统通过AMESim软件创建系统模型，进行运动仿真，对得出的同步曲线和误差曲线进行分析，对液压同步系统进行检验。
3.3 双液压缸位移同步的PID控制设计
内高压成形机的控制系统采用“同等方式”控制，即指两轴向推力油缸同时跟踪设定的理想输出，分别受到控制而达到同步驱动的目的。这种控制方式能把两轴向油缸之间的相互作用减小到最小，且调整时间短，系统的动态性能稳定，便于获得较高的“同步精度”。
PLC在控制模拟量时，与被控量组成闭环控制系统，进行PID调节。详见图4所示。PID控制过程：首先对液压系统建立数学模型，根据工艺需要设定轴向推力油缸的理想位移曲线，将这个曲线输入到PLC内部进行处理，通过位移传感器测量出实际位移值，理想值和实际值经过PID控制处理，得出的输出值传给A/D模块，进而控制比例流量阀的开口大小，控制轴向油缸的精确位移，两轴向油缸按照初始设定的位移时间曲线进行进给，最终达到同步精确控制。
3.4 效果
额定工作载荷下，立柱与轴向油缸处的最大变形为0.25mm（技术要求不大于0.8mm），侧缸中心线转角为0.02°/m（技术要求不大于0.05°/m）。机身采用组合预紧式框架结构合理可行，结构刚性满足成形工艺要求。
采用比例流量泵+比例流量阀的液压系统和“同等方式”的控制方案，两轴向油缸同步精度能控制在0.3mm之内，同时运用PID控制，能保证其定位精度在0.2mm之内，充分满足工艺要求的0.5mm之内的技术要求。
4 结论
①两轴向油缸“同步精度”的实现，对内高压成形机的进步具有重大意义，合理控制加载路径，避免产品出现起皱、破裂等失效现象。
②机身采用组合预紧式框架结构，结构刚性好；两轴向油缸分别采用独立的液压动力源和控制集成块，可把油缸之间的相互作用减到最少；控制系统采用“同等方式”的PID控制，调整时间短，系统的动态性能稳定，便于实现高同步精度要求。
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