基于 2D 高频数字阀的高速数控冲床液压控制系统设计

文：童小利 ，金秋春

摘要：针对高速数控冲床主传动以液压驱动为主导，以伺服驱动技术全数字化为发展趋势，提出一种以2D高频数字阀为核心控制元件的高速数控冲床液压控制系统，并分析该系统的工作原理以及控制原理，该系统具有油缸输出力可控，冲切频率可调，工作行程以及上、下死点可设定，冲头在油缸的有效行程内位移可任意调整从而实现无级可控的功能。并对该液压系统的主要参数进行了设计和计算。

关键词：2D高频数字阀；高速数控冲床；液压控制系统；数字控制

数控冲床是集机、电、液于一体的前沿产品，广泛用于各类金属薄板零件加工，是一次性自动完成多种复杂孔型和浅拉深成型的板材加工关键设备。市场需求量大，我国年需求总量为3 0開巧0台套，估计将多年保持快速增长的态势[ 1 ]，而我国进口数控板材加工设备占据市场主导地位，其中高端产品国产品牌几乎为零，而低端产品占20％左右。

目前，我国高速数控冲床液压控制系统主要依赖国外进口，成本高[ 2 ]，因此迫切需要开发高技术含量的国产高速数控液压装置，与进口产品形成真正的竞争，削弱进口产品的市场份额。

作者将针对切削频率为1開0次/min的高端数控冲床提出一种液压控制系统。

该高速数控冲床液压装置直接装在冲头上，控制冲头完成冲孔、压印、弯曲、成形等工艺。要求该液压装置可以控制滑块的上、下运动速度和停滞位移连续可控，实现空程快速下行、慢速冲压、快速回程；可以控制冲压力的大小，并在整个行程中提供最大的工作压力；冲压频率高。也即是要求可以设定冲裁加工工艺的速度、位置以及冲压力的大小等参数。冲压频率与冲压行程、冲压板厚等参数有关，直接影响数控冲床的生产效率，作者主要针对冲压频率为1開0 次的液压系统进行设计。该液压系统其他参数为活塞最大行程40 mm,最大冲压力330 kN,工作行程5 mm,冲裁板厚1 mm。

高速数控冲床液压系统具有压力高、流量大、频率高的特点，其设计的关键是液压核心控制元件和控制策略。由文献[ 3 ]知数控冲床的伺服驱动技术发展趋势是全数字化。全数字化不仅包括伺服驱动内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。目前电液数字控制的实现方法一般有两种：采用伺服阀或比例阀的传统的间接数字控制模式和采用2D高频数字阀的新型的直接数字控制模式。前者需D/A转换接口，具有系统复杂、价钱昂贵、维护麻烦、温飘、零飘、滞环等   缺点[ 4 ]；后者无需D/A转换接口，具有重复精度高、无滞环、抗污染能力强等优点[ 5 ]。2D高频数字阀的结构简单，换向可靠，抗污染能力强，具有重复精度高、无滞环的优点，利于得到高的频率，可实现直接数字化控制，工作压力为40 MPa,公称流量为400 L/min，响应时间3 ms，频宽200 Hz[ 6一7 ] ，是高速数控冲床液压系统控制元件的首选，故该液压系统采用 2D高频数字阀作为核心控制元件。

如图1所示2D阀具有双自由度，即阀芯具有径向的旋转运动和轴向的平移运动。阀芯由步进电机驱动旋转，使得阀芯沟槽与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小呈周期性变化，由于相邻台肩上的沟槽相互错位，因而使得进出口的两个通道的流量大小及方向以相位差为180。发生周期性的变化，以达到换向的目的，从而控制油缸的频率。阀芯由另一个步进电机以及传动机构驱动作轴向运动，使阀口从零（阀口完全关闭）到最大实现连续控制。阀芯作轴向运动，从而改变周期性变化阀口面积的大小，进而控制2D 阀的流量输出，从而控制油缸的压力和位移。

对于全开口型2D 高频数字阀，其换向频率为

式中：n为步进电机的转速；z为阀芯单个轴肩的沟槽个数，通常取z = 4。

从公式可见阀的频率与阀芯单个轴肩的沟槽个数成正比，也与步进电机的转速成正比。因而除了通过改变阀芯单个轴肩的沟槽个数（硬件）来提高工作频率外，还可以通过提高阀芯的转速（软控制）来提高高频数字阀换向频率。

考虑到该冲床在工作进给时负载较大，速度较低，而在快进、快退时负载较小，速度较高，从节省能量、减少发热考虑，泵源系统宜选用高、低压双泵供油。此外为了更大幅度地调节快进、快退时的速度，实现快速冲压，同时也为了减小油缸活塞的直径，该液压系统采用液动阀控制的差动连接。另外在进油路中采用蓄能器储存能量，补偿油缸快速下行时的流量。考虑到换向、机械冲击在管路内会产生压力尖峰，产生噪声，在回油路中采用蓄能器吸收这些冲击，实现换向以及运行平稳并降低噪声。根据以上分析确定的液压原理如图2所示。

其工作原理为：通过工控机先设定冲压的频率、工作行程、板材厚度、冲压力大小等工艺参数。电磁阀14通电，系统开始工作，此时2D高频数字阀由工控机通过2D阀控制器控制步进电机1转动，使得2D 高频数字阀处于右位，高、低压泵同时向主油路供油。高、低压泵以及蓄能器同时经2D高频数字阀9 右位向油缸的上油腔供油，油缸下油腔的液压油通过液动阀8也向2D高频数字阀9右位供油，行成一个差动回路，活塞杆带动冲头快速向下运动。当冲头遇到工件受阻时，系统压力升高，达到液动阀8的设定压力时，阀8右位接通，差动回路切断，低压泵2经顺序阀3卸载，高压泵1经2D高频数字阀9右位向油缸上油腔供油，下油腔液压油经液动阀8右位回油箱，活塞向下运动，完成冲压工艺。位移传感器检测到冲头到达下位极限时，工控机发出信号，控制步进电机1转动一定的角度（如2）时使得2D高频数字阀处于左位，同时负载消失，系统压力降低，液动阀8右位接通，此时高、低压泵以及蓄能器通过液动阀8向油缸下油腔供油，油缸上油腔油液通过2D高频数字阀左位回油箱，活塞作快上运动，此时完成一次上下往复运动，如此重复循环，完成系统的快速往复运动。当电磁阀14断电时，压力油不通过主油路，通过溢流阀流回油箱，此时高、低压泵卸荷。

油缸频率控制原理如图3所示。由工控机键盘输人频率给定值，工控机将给定频率值输给步进电机1控制器，将信号传化成旋转磁场的角位移信号 9m(t)，驱动混合式步进电机1，使其输出角位移信号为9( t )，步进电机1旋转使得进出口的两个通道的流量大小及方向以相位差为180。发生周期性的变化，使得2D阀换向，产生一个频率不这个频率也即为油缸的冲压频率。通过改变工控机设定值，从而改变步进电机1的旋转速度很方便地控制油缸的冲压频率f。

油缸活塞位移、输出力控制原理如图4所示。载荷传感器检测到油缸实际输出的力（或位移）大小，与给定力（或位移）值相比较形成误差信号 el ( t) (或e2(t)），通过步进电机2控制器将误差信号传化成旋转磁场的角位移信号（0，驱动混合式步进电机转子转动，使其输出角位移信号为t )，通过传动机构转化成2D阀芯的轴向位移阀芯位移的变化引起2D阀输出的负载流量（或位移）发生改变，从而消除油缸的输出载荷（或位移）误差，使得油缸的输出载荷（或位移）与设定值保持一致。

2液压系统的基本参数设计

2• 1初选液压缸的工作压力

态下，临界压力可尽量选高，但又不宜过高，以防止模具接触板料时的冲击使回路压力超过系统最高压力28 MPao综合考虑，焦先选定为21 MPa。

按GB2348 -80标准取= 125 mm,由A1=2A2可知活塞杆径：d = 125 × 0• 707 = 88 • 4（mm ) ,按GB 2348-80活塞杆直径系列取：d = 90 mm。

2• 3泵的流量计算

系统所需总流量为：

参考同类产品可取工进时的速度也即整个液压系统最小速度为1 · 8 m/min,则液压系统最小流量为：

而在一周期中系统最大流量发生于差动快进末期（即活塞由冲程快进转为工进时刻），它由高、低压泵流量和活塞杆腔排出的流量共同组成，故低压泵流量为：

2· 4冲压周期T及频率f的计算

活塞差动下行时间：

能在主泵的排量发生变化时保证容积式传动的响应，除能提高系统的动作频率外，还能增加主泵进油 口处压力，防止大流量时产生气蚀，提高泵的工作转速和传动装置的功率密度。

2补油泵排量的计算

闭式系统在工作中不断有液压油泄漏，这些泄漏主要由以下原因引起：（1）泵、马达容积效率引起的泄漏；（2）冷却冲洗阀的排出流量；（3）伺服控制系统的正常消耗。为了维持闭式系统正常工作，必须及时补偿这些泄漏和消耗，并且无过多能量浪费，所以闭式系统的补油量需要合理地配置。