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一、課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
液壓機作為一種通用的無削成型加工設備，其工作原理是利用液體的壓力傳遞能量以完成各種壓力加工的。其工作特點之一是動力傳動為“ 柔性”傳動, 不象機械加工設備一樣動力傳動系統(tǒng)復雜, 這種驅(qū)動原理避免了機器過載的情況。二是液壓機的拉伸過程中只有單一的直線驅(qū)動力, 沒有“ 成角的”驅(qū)動力, 這使加工系統(tǒng)有較長的生命期和高的工件成品率。[1]
按照動作方式可將液壓機分為單動、雙動、三動三種形式。在單動方式中, 壓頭或滑板作為移動部件單向移動完成壓制過程。雙動型壓力機有兩個移動部件：滑板或沖頭和模板。其工作過程是, 沖頭或滑板自上而下拉伸沖料, 模板充作固定壓板。三動型壓力機中, 深拉伸滑塊和壓邊滑塊自上而下移動, 由模板實現(xiàn)打料動作。
按照機架結(jié)構(gòu)形式液壓機可分為梁柱式、組合框架型、整體框架式、單臂式等。按照功能用途液壓機可分為手動液壓機、鍛造液壓機、沖壓液壓機、一般用途液壓機、校正、壓裝液壓機、層壓液壓機、擠壓液壓機、壓制液壓機、打包壓塊液壓機、專用液壓機十組類型。[2]
由于液壓機的液壓系統(tǒng)和整機結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)比較成熟, 國內(nèi)外液壓機的發(fā)展主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面。微電子技術(shù)的飛速發(fā)展, 為改進液壓機的性能、提高穩(wěn)定性、加工效率等方面提供了可能。相比來講, 國內(nèi)機型雖種類齊全, 但技術(shù)含量相對較低, 缺乏技術(shù)含量高的高檔機型, 這與機電液一體化, 中小批量柔性生產(chǎn)的發(fā)展趨勢不相適應。[3]
現(xiàn)在, 國外眾多液壓機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)這種高性能的工業(yè)控制機控制方式的液壓機產(chǎn)品。正是因為采用這種先進的控制方式, 使整機的控制性能, 生產(chǎn)效率都有很大提高。而與國外發(fā)展情況相比, 國內(nèi)極少有采用工業(yè)控制機控制方式的產(chǎn)品, 成熟的產(chǎn)品是采用可編程控制器的控制方式。[4]
中國液壓機行業(yè)經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，在技術(shù)及生產(chǎn)上已經(jīng)基本成熟。 其國內(nèi)市場占有率是其他機床所不能比擬的， 但和國際發(fā)達國家的專業(yè)液壓機制造公司如米勒萬家頓、舒勒、川崎油工相比，尚有較大的差距。雖然我們的產(chǎn)量很大，但我們的價格卻只有它們的1/4到1/10 。要縮小這種差距，參與國際競爭，把液壓機打入國際高端市場，不能僅僅依靠價格的優(yōu)勢，必須把產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量放在第一位，這才是中國液壓機行業(yè)的根本目標。[5]
作為液壓機兩大組成部分的主機和液壓系統(tǒng), 由于技術(shù)發(fā)展趨于成熟, 國內(nèi)外機型無較大差距。主要差別在于加工工藝和安裝方面。良好的工藝使機器在過濾、冷卻及防止沖擊和振動方面, 有較明顯改善。[6]
在油路結(jié)構(gòu)設計方面, 國內(nèi)外液壓機都趨向于集成化、封閉式設計。插裝閥、疊加閥和復合化元件及系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)中得到較廣泛的應用。國外已開始廣泛采用封閉式循環(huán)油路設計。這種油路設計有效地防止泄油和污染。更重要的防止灰塵、污物、空氣、化學物質(zhì)侵人系統(tǒng), 延長了機器的使用壽命。由于加工工藝等方面的原因, 國內(nèi)采用封閉式循環(huán)油路設計的系統(tǒng)還不多見。在安全性方面, 國外某些采用微處理器控制的高性能液壓機利用軟件進行故障的檢測和維護, 如確嘆產(chǎn)品可實現(xiàn)負載檢測、自動模具保護以及錯誤診斷等功能。[7]
二、研究主要成果
當前的國內(nèi)外液壓機產(chǎn)品中，按照控制系統(tǒng)，可分為三種類型：
一是以繼電器為主控元件的傳統(tǒng)型液壓機；二是采用可編程邏輯控制的液壓機；三是應用高級微處理器的高性能液壓機。[8]
三種類型功能各有差異, 應用范圍也不盡相同。但總的發(fā)展趨勢是高速化、智能化。繼電器控制方式是延續(xù)了幾十年的傳統(tǒng)控制方式, 其電路結(jié)構(gòu)簡單, 技術(shù)要求不高, 成本較低, 相應控制功能簡單, 適應性不強。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展, 可編程序控制器的功能更加豐富。早期的可編程序控制器在功能上只能進行簡單的邏輯控制，后來一些廠家開始采用微電子處理器作為可編程序控制器的中央處理單元, 從而擴大了控制器的功能, 使其不僅可以進行邏輯控制, 而且還可以對模擬量進行控制。因此, 可編程控制器控制方式是介于繼電器方式和工業(yè)控制機控制方式之間的一種控制方式。可編程控制器有較高的穩(wěn)定性和靈活性, 但在功能方面與工業(yè)控制機相比有一定差異。工業(yè)控制機控制方式是在計算機控制技術(shù)成熟發(fā)展的基礎上采用的一種高技術(shù)含量的控制方式。這種控制方式以工業(yè)控制機或單片單板機作為主控單元, 通過外圍接口器件如刀, 板等或直接應用數(shù)字閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制, 同時利用各種傳感器組成閉環(huán)回路式的控制系統(tǒng), 達到精確控制的目的。[9]
繼電器控制方式是延續(xù)了幾十年的傳統(tǒng)控制方式，其電路結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)要求不高，成本較低，相應控制功能簡單，適應性不強。其適用于單機工作、加工產(chǎn)品精度要求不高的大批量生產(chǎn)（如餐具、廚具產(chǎn)品等），也可組成簡單的生產(chǎn)線，但由于電路的限制，穩(wěn)定性及柔性較差。現(xiàn)在國內(nèi)許多液壓機廠家是以這種機型為主，使用對象多為小型加工廠，或加工精度不高的民用產(chǎn)品。國外眾多廠家只是保留了對這種機型的生產(chǎn)能力，而主要面向以下兩種技術(shù)含量的機型組織生產(chǎn)。[10]
可編程控制器是在繼電器控制和計算機控制發(fā)展的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，把自動化技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)融為一體的新興工業(yè)自動控制裝置，目前已被廣泛的應用于各種生產(chǎn)機械以及自動化生產(chǎn)過程中。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程序控制器的功能更加豐富。早期的可編程序控制器在功能上只能進行簡單的邏輯控制。后來一些廠家開始采用微電子處理器作為可編程序控制器的中央處理單元（CPU），從而擴大了控制器的功能，使其不僅可以進行邏輯控制，而且還可以對模擬量進行控制。因此，可編程控制器控制方式是介于繼電器方式和工業(yè)控制機控制方式之間的一種控制方式?？删幊炭刂破饔休^高的穩(wěn)定性和靈活性，但在功能方面與工業(yè)控制機控制方式，如天津鍛壓機械廠有近60%的產(chǎn)品裝有PLC。通過采用PLC控制，使系統(tǒng)的控制性能和可靠性大大提高。國外廠家如丹麥的STENHQJ公司采用了SIEMENS的可編程控制器，實現(xiàn)對壓力和位移的控制。[11]
工業(yè)控制機控制方式是在計算機控制技術(shù)成熟發(fā)展的基礎上采用的一種高技術(shù)含量的控制方式。這種控制方式以工業(yè)控制機或單片/單板機作為主控單元，通過外圍接口器件或直接應用數(shù)字閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制，同時利用各種傳感器組成閉環(huán)回路式的控制系統(tǒng)，達到精確控制的目的。這種控制方式主要有以下特點：
①具有友好的人機交互性，操作簡單。如：BROWN、BOGCS公司的產(chǎn)品，可通過數(shù)字面板顯示輸入壓力、快進和回程速度、壓制速度及保壓/停機時間參數(shù)，極大減輕了勞動強度。
②控制精度高。數(shù)字控制的行程長度及工作行程與傳統(tǒng)機械式的行程開關(guān)控制相比，精度有極大的提高。一般控制精度可達到0.05mm[2]
③易于實現(xiàn)高速化，提高生產(chǎn)效率。如美國的FERRA公司通過采用電子微處理控制方式，工作循環(huán)比以前快60%。
④可順利實現(xiàn)對工作參數(shù)（壓力、速度、行程等）的單獨調(diào)整。通過對控制參數(shù)的單獨控制，調(diào)整被加工材料的流動，能進行復雜工件、不對稱工件的加工。[12]
⑤預存工作模式，可對不同工件的工藝過程、工藝參數(shù)預先存儲和重復調(diào)用，縮短調(diào)整時間。這與柔性加工的加工要求相適應。
⑥對高速下的換向沖擊可利用軟件來清除，以降低噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
⑦在安全方面，可利用軟件進行故障預診斷，并且自動修復故障和顯示錯誤。如STENHQF的機型和BROWN BOGCS公司都有此項功能
⑧易于實現(xiàn)生產(chǎn)線的集成控制，組成柔性生產(chǎn)線及與上位機進行通訊和實現(xiàn)調(diào)度控制。[13]
三、發(fā)展趨勢：
目前四柱液壓機到底發(fā)展方向主要有：
1) 機電液一體化。充分合理利用機械和電子方面的先進技術(shù)促進整個液壓系統(tǒng)的完善。
2)高速化，高效化，低能耗。提高液壓機的工作效率，降低生產(chǎn)成本。
3) 自動化、智能化。微電子技術(shù)的高速發(fā)展為液壓機的自動化和智能化提供了充分的條件。自動化不僅僅體現(xiàn)的在加工，應能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整，具有故障預處理的功能。
4) 液壓元件集成化，標準化。集成的液壓系統(tǒng)減少了管路連接，有效地防止泄漏和污染。標準化的元件為機器的維修帶來方便。[14]
四、存在問題
1）液壓元件制造精度要求高 由于元件的技術(shù)要求高和裝配比較困難，使用維護比較嚴格。
2）實現(xiàn)定比傳動困難 液壓傳動是以液壓油為工作介質(zhì)，在相對運動表面間不可避免的要有泄漏，同時油液也不是絕對不可壓縮的。
3）油液受溫度的影響 由于油的粘度隨溫度的改變而改變，故不宜在高溫或低溫的環(huán)境下工作。
4)不適宜遠距離輸送動力 由于采用油管傳輸壓力油，壓力損失較大，故不宜遠距離輸送動力。
5）油液中混入空氣易影響工作性能 油液中混入空氣后，容易引起爬行、振動和噪聲，使系統(tǒng)的工作性能受到影響。
6）油液容易污染 油液污染后，會影響系統(tǒng)工作的可靠性。
7）發(fā)生故障不易檢查和排除。[15]
五、主要參考文獻
[1]徐剛，魯潔，黃才元.金屬板材沖壓成型技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展.鍛壓裝備及控制技術(shù).2004(4).
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[3]李運化. 近代液壓伺服系統(tǒng)控制策略的現(xiàn)狀與發(fā)展. 液壓與氣動. 1995（1）1-6
[4]劉慶印. 我國鍛壓設備產(chǎn)業(yè)競爭力分析. 鍛壓技術(shù). 2005,(5)
[5] 李貴閃 何曉燕 榮兆杰. 我國液壓機行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展. 鍛壓裝備與制造技術(shù) 2006, 41(4):17- 39.
[6]成大先. 機械設計手冊(第三版). 北京: 化學工業(yè)出版社. 1997
[7]天覺 等. 液壓工程手冊. 北京: 機械工業(yè)出版社. 1990
[8]2004年機床行業(yè)企業(yè)主要經(jīng)濟指標分析匯總. 中國機床工具協(xié)會. 2005-04
[9] 王孝培.主編.沖壓手冊.北京：機械工業(yè)出版社.1988.
[10]成大先. 機械設計手冊(第4卷)[M]. 北京:化學工業(yè)出版社.1994.
[11] Dynaform 使用手冊
[12] Pump System Hydraulic Design. B.E.Bosserman.
[13] Pneumatic and Hydraulic Systems. Optimal design lab.
[14] Deform 使用手冊
[15] Fitch E C .Hong IT .Contamination for the fluid power. Industry HIAC/ROYCO 1990