預彎機升級改造技術路線與策略

陳鴻，王東明

（1.天水鍛壓機床（集團）有限公司，甘肅 天水 741020；2.甘肅省制管裝備自動化及信息化重點實驗室，甘肅 天水 741020）

0 引言

預彎機是20 年前技術引進、消化吸收的國產化設備，盡管預彎機在制管廠服役了20 多年，但是在使用過程中出現過許多問題。多數預彎機用戶針對使用工藝、部件結構、壓料梁連接方式、液壓系統、控制系等都做過不同程度的研究和改進，有些已經付諸實施，效果比較理想。有一些研究成果，以專利、學術論文的形式發表，學術觀點有較高的參考價值?？傊?，預彎機在業內同行的共同努力下，經受住了時間的檢驗，同時，為我國培養了預彎機制造、使用和維修等方面具有豐富經驗的專業人才隊伍。

作為我國第一代預彎機生產企業和主管預彎機控制系統設計的技術人員，有責任和義務對預彎機進行全面、系統的反思。在數字經濟時代應用自動化、信息化、智能化手段，提出預彎機升級改造的技術路線、策略和具體方案。

1 機械類問題分析及升級改造策略

1.1 活塞桿與提升環斷裂問題

預彎機在生產線實際生產中經常發生提升環斷裂和提升缸缸桿斷裂問題，嚴重影響了整條生產線的生產效率[1]。改進預彎機的活塞與下模梁連接方式，活塞頭與活塞桿做成分體式，提升環的連接為整體式結構，增加油缸偏載的間隙余量，避免螺釘斷裂，消除應力，增加可靠性和可維修性[2]。

1.1.1 原因分析

預彎機回程缸活塞桿靠螺栓連接在下模梁上，提升環與活塞桿端部的間隙為2.5mm。工作時下模梁與油缸工作時發生位移的方向和距離不一致，最大位移量超出了提升環間隙的設計值，導致提升環連接螺栓干涉產生剪切力，頻繁斷裂[3]。

1.1.2 升級改造策略

間隙變大可以解決活塞桿提升環損壞，但是不能從根本上解決螺釘松動問題。最關鍵的解決辦法就是提高Y1、Y2 軸全行程（上行、預彎、保壓、卸壓、返程）同步控制精度，從根本上解決此類問題的發生。具體方案詳見本文3.2.3 節論述。

1.2 壓料梁偏斜、壓不緊板料問題

1.2.1 原因分析

壓料梁上行是依靠蓄能器壓力被動跟隨下模梁上行，在預彎時油泵提供壓力完成壓料。壓料梁下行時，被下模梁壓下，液壓油反沖液到蓄能器?？焖傧滦袝r主油缸下腔壓力并不是完全為零，下模梁下行時，會受到兩個主油缸的偏載反作用力，致使下模梁速度不穩定，加劇了個回程油缸不同步，進而導致回程缸活塞桿受力嚴重失衡，活塞桿因受力過大被拉斷。夾緊梁在夾緊和保壓過程中，由于控制閥內泄導致夾緊缸內壓力下降，使夾緊梁不能可靠夾緊鋼板，從而引起彎邊過程中鋼板翹起和橫移[4]。

在實際使用過程中，由于蓄能器需要根據壓力檢測進行隨時補液，控制環節較多，壓力機繼電器的可靠性和蓄能器性能影響壓料梁壓力波動。蓄能器壓力過高，壓料梁返程時需要增大壓力，機械沖擊噪聲增大的同時對主油缸、壓料梁、返程缸之間連接機構引起沖擊。對有間隙的機械結構長期、反復沖擊，會引起連接螺釘松動、脫落、失效斷裂、甚至是油缸頭開裂、斷裂等現象的發生。如果蓄能器壓力過低，壓料梁上升緩慢，不容易壓緊鋼板，就會影響預彎質量。

1.2.2 改造升級策略

壓料梁和下模梁分開控制。壓料梁單獨控制，將壓料梁油缸由原來柱塞缸改用活塞缸，壓料梁下行由原來被下模梁壓下，改為液壓控制下行。

1.2.3 壓料梁和下模梁分開控制的優點

（1）避免了因壓料梁控制閥、蓄能器等故障，壓料梁油缸壓力異常時，與下模梁主缸壓下力相互作用，引起下模梁連接螺絲松動或斷裂現象的發生。

（2）主油缸帶動下模梁下行時只是克服回油阻力，不會在高速下行過程當中，因為壓料梁的阻擋而產生壓力突變，導致下模梁主油缸液壓系統沖擊。根除了下模梁與壓料梁之間的機械撞擊噪聲。

（3）預彎過程分時、分步控制。預彎上行時壓料梁先上行，鋼板隨動上行，延時后下模梁上行。預彎結束后下模梁先卸壓下行，延時后壓料梁卸壓下行，鋼板隨動下行。這樣，能有效解決機械、液壓、鋼板沖擊疊加現象，改善機床振動和工作噪聲。

（4）下模梁主油缸在預彎不同直徑和壁厚的鋼板時，下模梁停留在鋼板能夠通過的位置。按照下模梁最大行程為160mm，預彎速度10mm/s，返程速度30mm/s 計算，下模梁一次循環極限時間為24s。以壓制管徑711mm×16mm，材料X70 規格為例，此時下模梁行程54mm，下模梁一次循時間為10s。因此下模梁和壓料梁分開控制，可減少下模梁行程，提高預彎效率。

1.3 下模梁全程單一速度策略

1.3.1 快慢速切換問題

以單機24000kN 預彎機為例，壓料梁原設計行程140mm，下模梁行程300mm，下模梁預彎行程160mm，下模梁快速105mm/s，慢速預彎15mm/s。按照快速105mm/s 計算，壓料時間需要1.3s，實際測量為3s，平均速度只有40mm/s，原因如下。

（1）由于壓料梁行程太短，實際運行中壓料梁根本達不到設計的最高速，因為加速過程還沒有達到最大速度，壓料梁已經接近了目標值，系統立即減速，切換為慢速預彎工況。

（2）液壓系統快速105mm/s 時，充液閥通徑選擇為DN200，控制系統快、慢速切換及M1、M2 機之間相互等待，引起液壓系統頻繁切換。大通徑充液閥瞬間打開或關閉會引起液壓系統沖擊，需要充液閥控制回路的阻尼與延時配合，使充液閥打開和關閉的過渡過程平緩。所以在預彎機中由于快速行程太短，采用快、慢速切換方案，實際應用效果不理想。

1.3.2 下模梁全程單一速度優點

①消除由于快慢速切換引起的系統沖擊；②可以取消充液閥，液壓系統和控制系統變得更加簡單、可靠。

1.4 前后托料輥道與壓料梁不同步問題

在預彎薄壁大直徑鋼管時，由于前后托料與壓料梁不同步，使預彎尺寸誤差偏大，形成破浪、壓痕等。

1.4.1 原因分析

①由于不同規格鋼板重量不同，傳統節流調速性能不穩定，節流閥阻尼系數隨溫度變化范圍變小，系統穩定性降低。節流閥沒有壓力及溫度補償裝置，不能自動補償負載及油粘度變化時所造成的速度不穩定[5]；②原數控系統Y 軸數據不開放，控制系統無法完成前、后托料的隨動控制，因此得不到理想的托料效果。

1.4.2 升級改造策略

參見3.2.3 節論述。

2 液壓類問題分析及升級改造策略

2.1 液壓系統普通電機+定量泵控制模式

原設計無論是1250t 或2400t 預彎機，選用了一種恒速、恒壓油泵電機組控制模式，設計計算按照最大噸位和最高工作速度配置，既要保證預彎力也要保證預彎速度，電機功率和油泵排量比較富裕，在實際使用中表現為功率、流量匹配度不高，發熱嚴重。以2400t 預彎機為例，將主油泵原來排量250ml/r 的定量泵，電機200kW，變為180ml 變量泵，電機功率160kW，改造后油溫下降5～10℃，完成一張鋼板預彎時間270s，滿足生產線節拍[6]。

2.1.1 原因分析

原預彎機控制系統屬于閥控系統，在普通電機+定量泵控制模式下，油泵輸出的流量是一定值，如果負載速度發生變化，一部分流量從主溢流閥溢流，產生溢流損耗。由于用比例方向閥控制系統速度，產生節流效應和節流損耗。系統的流量、壓力不跟隨負載的變化而變化，系統負載流量和壓力與動力源所提供的難以實時匹配，因此會存在較大的溢流和節流損失，導致系統發熱量大、能源利用率低[7]。

2.1.2 升級改造策略

（1）策略一：采用伺服電機+定量泵控制模式。由伺服驅動器根據下模梁位置和工況，通過控制伺服電機轉速和轉矩，控制油泵轉速與壓力，達到控制系統流量和壓力的目的，實現液壓系統流量、壓力隨負載變化而變化的控制策略。

當然，伺服電機+定量泵+比例方向閥控制模式，能更精確控制下模梁的加、減速斜率和速度，使整個預彎過程更加流暢，系統沖擊減小、工作穩定可靠。

（2）策略二：液壓系統采用負載敏感（Load Sensing）液壓泵。該泵可以同時感知液壓系統流量、壓力的變化，并根據流量、壓力的變化自動調節柱塞泵輸出的流量與壓力，達到根據負載變化調整速度與壓力的目的。負載敏感液壓泵的LS 口感知預彎主缸無桿腔的負載壓力，根據負載壓力自動調節輸出流量工進預彎，位移傳感器檢測鋼板接近上模梁時，控制單元通過比例換向閥調整預彎主缸至工進速度，負載壓力升高，負載敏感液壓泵的輸出流量減小，保壓成形，負載敏感液壓泵輸出預設流量補充內泄壓降[7]。

3 電氣類問題分析及升級改造策略

3.1 原系統控制策略

3.1.1 預彎機控制系統

該系統控制預彎機下模梁同步運行及最終預彎，通過DNC60（或DAC51）數控系統進行控制。1 臺DNC60（或DAC51）數控系統能同時控制2 組Y1、Y2電液比例閉環軸，控制1 組電液比例壓力閥。系統選用西門子S7315-2DP 作為預彎邊機組的主站、對整機實現統一協調控制。選擇ET200M 作為 DNC60數控系統與主站交換I/O 控制信號的接口模塊[8]。由于數控系統數據不開放，數控系統與PLC 之間只沒有數據通信，只有I/O 開關量的信號交換，系統集成性不高。

3.1.2 原M1、M2 機同步控制策略

M1、M2 機的Y1、Y2 軸通過兩臺數控系統分別控制，單臺數控系統控制Y1、Y2 軸的速度同步及預彎最終位置[9]。由于是折彎機專用數控系統應用在預彎機控制中，其適應性與性能匹配度不高，兩臺數控系統之間通過下模梁下止點，上止點，夾緊點之間的I/O 信號鏈接。M1、M2 機之間沒有同步控制，在預彎過程中速度快的主機先到夾緊點停止，等待速度慢的主機，然后同時預彎（M1、M2 機不是同步預彎），預彎結束后在上止點同時下行（M1、M2 機不是同步下行）。在大通徑、大流量、短行程液壓系統運行中頻繁啟、停，使液壓系統同步可控制性變差。

3.1.3 數控系統

按照折彎機思路，在預彎機使用過程中Y1、Y2軸沒有反映出預彎模具的實際位置值，而是采用試驗的辦法獲取Y1、Y2 軸的相對位置值，不能直觀反映預彎機下模的實際位置值，造成預彎機操作與維修不方便。

3.2 新系統升級改造策略

3.2.1 在TIA 博途平臺下全集成PLC+HMI

TIA 博途（Totally Integrated Automation Portal）為全集成自動化的實現提供了通用的工程平臺。使用一個共享數據庫，以一致的數據管理、通用的工業通訊、集成的工業信息安全和功能安全為基礎，貫穿項目規劃、工程研發、生產運行到服務升級的各個工程階段[10]。S7-1500T 控制器、HMI 人機界面、伺服驅動、液壓控制功能庫等已經無縫集成到TIA博途平臺上，使組態、編程和使用新功能更加方便、快捷。將預彎機控制數據、工藝數據、工單管理數據、信息化系統數據無縫集成，實時交互變為了可能。

3.2.2 HMI 控制策略

在HMI 人機界面上根據鋼管厚度、直徑、材質等參數，系統自動選擇上、下模具號、自動計算下模位置值并自動調整下模位置，自動計算機架開口位置，并自動調整機架開口，實現自動換規格。

HMI 人機界面上設置和顯示主機速度、送料輥道線速度，送料參考點與下模前后過渡段之間的距離等參數。顯示故障代碼、錯誤提示。實時顯示比例閥開口位置，油缸主壓力、速度，實施顯示Y1、Y2 軸同步控制曲線。儲存和調用鋼管工單，通過以太網接受和傳輸工單參數。

3.2.3 PLC 控制策略

預彎機自動控制最佳模式應該是：壓力控制+位置控制，具體技術方案如下。

（1）同步軸控制。先配置一個Y0 軸作為虛擬軸（非物理實軸）為引導軸，M1 機的Y1、Y2 軸和M2機的Y1、Y2 軸跟隨Y0 軸運動。在預彎上行與下行時進入速度閉環同步控制模式，預彎與保壓階段，伺服電機進入轉矩控制，主機進入壓力閉環控制模式。

將前、后托料配置為兩個數控軸，增加檢測傳感器。以壓料梁實際運行速度為引導軸，前、后托料為跟隨軸，進行速度閉環同步控制，實現壓料梁與前、后托料同步。

（2）S7-1500T 控制器能單獨為每一個比例方向閥測試性能補償曲線，在設備長期使用后，每個比例閥性能會發生變化，系統會按照實際油缸運行軌跡，通過內部控制算法，計算出比例方向閥補償曲線。補償曲線參與前饋控制過程，保障了液壓系統長期使用的控制精度。

（3）虛擬調試與液壓系統仿真，使用PLCSIM Advanced 作為仿真平臺，將編寫的PLC 程序下載到PLCSIM Advanced 仿真平臺中，液壓軸的仿真可以通過激活軸仿真功能[11]，進行動態仿真，檢驗軟、硬件組態與配置、PLC 用戶自定義變量、HMI 變量等正確性。在系統設計過程中進行系統仿真，模擬系統實際同步運行曲線，為優化控制系統參數提供數據指導，使控制系統更加精準。

（4）預留車間信息化系統接口，開放制管廠信息化系統所需要的各類數據。HMI 和PLC 是MES（制造執行系統）的基礎設備，是制造技術與互聯網技術融合的關鍵節點，在HMI 和PLC 的智能化、可編程性上深入挖掘數據[12]，對制管企業信息管理系統升級，提升企業信息化管理水平具有現實意義。實現PLC 系統和人機界面的遠程下載、上傳、監控等遠程服務，實現設備狀態的遠程監控、故障診斷及預警，保障設備穩定運行，最大限度縮短故障處理時間。

4 結束語

通過走訪國內制管企業，現場實地考察，收集、整理，借鑒預彎機在制造、使用、維修方面的經驗和教訓，結合同行近年來的研究成果，將問題歸類、整理、列出問題清單，分析問題，提出了上述預彎機升級改造技術路線、策略和實施方案。相信在同行的共同努力下，我國預彎機綜合技術水平將會有更大提升。