CN102639881A - 液压***内的运动控制 - Google Patents

Abstract

提供了一个液压***，包括一个与电机相连接的泵。它还包括一个控制器，用于驱动液压触发器，与泵和液压阀相连接，用于将液压油导入到或导出液压触动器有杆腔或气缸腔。有杆腔和气缸腔压力根据所需的瞬时加速度或减速度预先设定好。如果要使液压触发器减速，可在维持液压触发器出口节流处的当前压力的情况下通过改变泵的速度来减小入口节流处的当前压力。液压触发器减速还可通过以比液压触发器出口节流处更快的速率减小入口节流处的压力来实现。加速采用类似的方法实现。

Description

液压***内的运动控制

技术领域

本发明与液压相关。具体来说，本发明与应用于注塑机的液压触发器相关。

背景技术

已知的注塑***实例有(除了其他以外)：(i)HyPET^TM注塑***，(ii)Quadloc^TM注塑***，(iii)Hylectric^TM注塑***，以及(iv)HyMet^TM注塑***。所有这些***的生产商都是赫斯基注塑***有限公司(地址：加拿大安大略省伯尔顿；www.husky.ca)。注塑***(如以上所列的几个***)通常采用液压***来向行程和锁模触发器、注塑螺杆以及注塑活塞等各种子***提供动力。泵驱动液压油进入***。

图1是普通注塑***20的简化平面图(例如，以下简称注塑***为“***20”)。***20用于浇铸一个或多个模型制品(未显示)。***20包括的零部件已为熟习此项技术者所知，在此就不做介绍。这些已知的零部件在以下参考书作为示例介绍：(i)注塑手册，作者：Osswald/Turng/Gramann ISBN：3-446-21669-2；出版商：Hanser，以及(ii)注塑手册，作者：Rosato and Rosato ISBN：0-412-99381-3；出版商：Chapman & Hill。***20包括(除了其他以外)：注塑型挤出机22(以下称为“挤出机22”)及锁模组件23。

挤出机22包括一个料斗24和一个人机界面，以下称为“HMI 28”。挤出机22有一个料筒和置于料筒内的复式螺杆26。或者，挤出机22可采用两级注塑室配置。料斗24耦合到挤出机22的下料口，用于将可塑材料的颗粒输送到挤出机22。挤出机22用于：(i)将颗粒处理成可注塑材料，以及(ii)将可注塑材料注入到模具内，模具在模板30和32合在一起后保持封闭。HMI 28耦合到控制设备，用于协助操作员监督和控制***20。

锁模组件23包括定模板30和动模板32。现在参见图2，其中详细显示了申请人制造的锁模组件23。定模板30用于支撑模具31的定模部分31a。动模板32用于：(i)支撑模具31的动模部分31b，以及(ii)相对定模板30移动使得模具31的半模能够互相分开或合在一起。开合模触发器36(以下称为“触发器36”)耦合到动模板32和锁模模板35。开合模触发器36用于相对于动模板32调整定模板30的冲程。在现在介绍的实施例子中，触发器36是一个液压活塞。通常，在合模过程中，两副半模即将合在一起前，使触发器36减速，以减少冲击和维持模具的生命周期。锁模板35进一步支撑开合模触发器36附近同轴安装的锁模触发器38。四根拉杆40中的每根拉杆在锁模板35和定模板30之间延伸。

动模板32的移动受预先指定的理想速度曲线控制，该曲线根据操作员输入HMI28的加速度、最大速度、减速度、冲程距离生成，或者由查找表格提供。触发器冲程循环的每次运动都会提供动模板32的闭合速度设定点。因此，T＝0时，速度设定点从0开始。速度设定点达到峰值后开始减速，以避免半模互相碰撞。开环或闭环控制用于根据时间或位置来控制实际加速度和减速度。

美国Bannai专利5,238,383描述了一款注塑机的开模控制器，其中配有一个控制装置用于控制液压回路。控制装置包括一个设置器，用于设定动模等移动部分的加速度/减速度；一个设置器用于数据输入；一个操作装置，用于根据设置器和数据输入计算动模部分的加速度/减速度以及加速/减速时在每个移动位置上的加速度/减速度；一个位置传感器，用于检测动模的移动位置；以及一个控制器，用于控制液压回路，使得动模的加速/减速位置以及在每个位置上的移动速度与通过位置传感器传输到操作装置的输出值相对应。

Grimm美国专利申请2007/0182044A1描述了一种操作注塑机的方法，特别是注塑机工具的固定方法，理想变量曲线需要在理想变量确定阶段时根据至少一段成型工具的移动路径才能确定，然后在随后进行的操作阶段中根据确定的理想变量曲线对注塑机进行操作。预定义至少一个初始变量的默认曲线，在测试期间根据初始变量的默认曲线驱动成型工具，并测量和存储至少一个由此得出的理想变量值，并根据沿着移动路径测量的理想变量值确定理想变量曲线。

发明内容

本发明的一个方面是提供了一种使液压触发器减速的方法。该方法包括应用一个维持压力并减小液压触发器出口节流处的压力。该方法还包括减小液压触发器入口节流处的压力，并使液压触发器入口节流处的压降速度比出口节流处快。液压触发器入口节流处的压降通过调整泵的速度实现。

本发明还提供了使液压触发器加速的方法。该方法包括应用一个维持压力和增加液压触发器的出口节流处的压力。该方法还包括增大液压触发器的入口节流处的压力，液压触发器入口节流处的压力升高速度比出口节流处要快得多。液压触发器入口节流处的压力升高通过调整泵的速度实现。

本发明的另一方面提供了一款液压***。该液压***包括一个连接到电机的泵；一个连接到泵的液压触发器；一个用于将液压油导入到或导出液压触动器有杆腔或气缸腔的液压阀；以及一个控制器。控制器通过维持一个当前压力并调整液压触发器出口节流处的压力来使液压触发器加速或减速。控制器还用于调节液压触发器入口节流处和出口节流处的压力，且入口节流处的调节率高于出口节流处。液压触发器入口节流处的压力调整通过调整泵的速度实现。

附图说明

下面的说明和附图将介绍一些对本发明不产生限制的实施例子，其中：

图1是现有技术的注塑机的简化平面图。

图2是图1中现有技术的注塑机锁模组件的剖面图。

图3表示一个对本发明不产生限制的实施例子的液压***电路图。

具体实施方式

现在参见图3液压***回路图，这用于驱动触发器36，一般显示在100。液压***100包括泵102，连接到泵102的电机104，以及用于向泵102输送液压油的油箱106。泵102没有特别限制，包括固定位移泵或变量泵，这些已为熟习此项技术者所知。在现在介绍的实施例子中，泵102是一个伺服驱动泵。液压油(典型液压油)通过进水管路110送入泵102，并通过回油管路108送回油箱106。液压油由泵102推动，至少为一个液压触发器提供动力，液压触发器在现在介绍的实施例子中是指模具冲程触发器36。模具冲程触发器36包括气缸114，以及连接到负载块118的活塞116(通常是动模板32和模具部分31b)。控制器122连接到HMI 28(图1)，用于控制泵102、电机104和后面将会介绍的其他***的操作。

活塞116将模具冲程触发器36分隔成“气缸”腔124和“有杆”腔126，这些已为熟悉此项技术者所知(或者，分别称为腔“a”和腔“b”)。开合模触发器36的驱动通过对气缸腔124或有杆腔126进行增压实现。活塞116伸出时，压力将导入气缸腔124，气缸腔124又称为“入口节流”处。有杆腔126则相应减压，同样又称为“出口节流”处。活塞116缩回时，有杆腔126变成入口节流处，而气缸腔124则变为出口节流处。但是，在注塑机中，负载块118的缩回速度一般不是很重要，因为在这段期间注塑装置(图中未显示)一般正在进行储料。

分流板128，包括一个或多个液压阀或阀130，它将泵102产生的液体压力分配到或排出气缸腔124或有杆腔126。尽管图3描述的是液压阀130的4端口比例阀，熟习此项技术者能理解并非一定要采用液压阀130，也可以使用其他类型的阀门。气缸腔124或有杆腔126排出的液体一般会流回油箱106。变量节气门132用于调整液压油排到油箱106的速率。另外，分流板128具有再生能力，允许液压油从模具冲程触发器36的有腔126传输至缸膛腔124，此外还能将液压油直接返回油箱106。

通常，要使活塞116伸出，可对气缸腔124进行增压、有杆腔126减压。如果要使活塞116缩回，则对有杆腔126进行增压、气缸腔124减压。但是，实际上，模具冲程触发器36的驱动要复杂得多。比如为了加速活塞116，可增加电机104和泵102的液压油泵送率来增大气缸腔124增压率，或增大有杆腔126的减压率，或两者结合。再生液体回路还可提升性能。

控制器122通常会存储模具冲程触发器36的速度曲线82，以确定活塞116的加速度/减速度。也就是说，控制器122存储或计算负载块118在完全打开和完全闭合位置之间移动到规则点时的速度。控制器122用于接收操作员(通过HMI 28)或注塑***20的传感器(图中未显示)发出的调节参数136，以达到速度曲线设定的速度82。调节参数136包括负载块118的质量、***内的摩擦及其他可能对性能有不利影响的变量等参数。如果控制器122使用闭环控制，那么它还包括一个或多个必要的PID控制器。

正常情况下，目标是使循环时间最小化，这可以通过在保证机器加加速度不会过大的前提下使负载块118的加速和减速加快来实现。此***的一个最大难题是加速和减速的控制。通常，控制负载块118加速或减速的现有方法是使泵102遵循速度曲线82并采用开环或闭环控制使用阀130使有杆腔126上产生阻力来实现减速。

发明者已确定此控制方法存在几个缺陷。它需要不止一套模具冲程触发器36全范围移动的调节参数136，而且无法控制速度和压力。当负载块118高速运动时，在***不产生振动的情况下降低入口节流处的压力是非常困难的。效果不佳有两个主要原因。第一个原因是阀130的响应时间通常比泵102的响应时间慢。第二个原因是阀130必须使有杆腔126的压力高于气缸腔124才能使负载块118减速。在高速下，这可能会导致气缸114的两侧产生非常高的压力。开始减速时，入口节流处的压力(即，通常是气缸腔124)通常很高，这是由于之前所需的加速力导致。气缸腔124和有杆腔126的压力将会非常高，从而导致调节阀门时产生振动。在不产生振动的情况下降低入口节流处的压力也是很困难的。

控制液压触发器加速和减速的方法可用于改变入口节流处和出口节流处的液压油量。在维持气缸一侧压力的同时调节另一侧的压力。比如，如果要减速/加速，可维持液压触发器出口节流处的当前压力，同时减小/升高液压触发器入口节流处的当前压力。该方法也还包括两侧的压力控制。比如为了降低速度，可使液压触发器入口节流处的压力下降速率高于出口节流处的压力下降。

该控制加速和减速的方法通过稳定出口节流处的压力和控制泵102的速度来实现有效控制。例如，通过调节泵102，使出口节流处压力保持恒定并降低入口节流处的压力来实现减速，非增加压阀130出口节流处的压力。另外，为了获得理想的运动曲线，在液压触发器入口节流处的当前压力以较快的速度降低时，甚至液压触发器出口节流处的当前压力也要降低。

通过以比调节出口节流处压力更快的速率调节入口节流处的压力，获得更准确的速度和压力控制。阀130和变量节气门132对于模具冲程触发器36两侧的压力控制的反应速度不需要像现有技术的控制方法那么快。另外，泵102以较快的反应速度获得速度曲线，从而控制入口节流处的压力。

在正常操作中，通过高速驱动模具冲程触发器36通过距离(x)来减少移动时间(t)。入口节流处的压力(活塞116伸长时为气缸腔124)在开始减速时通常比较高。控制器122在降低入口节流处压力的同时还会平稳地使负载块118减速。为了使负载块118的速度与速度曲线82匹配，液压力通过液压触发器112产生，以提供所需的加速度或减速度以及克服摩擦力。这些力可以表示如下：

$M\·\frac{{\∂}^{2}x}{\∂t^2}=P_a\·A_a-P_b\·A_b-F_r---\left(1\right)$ 其中

M是负载块118的质量。

P_a和P_b分别为气缸腔124和有杆腔126提供的压力值。

A_a而A_b分别为气缸腔124和有杆腔126的截面积。

F_r是指模具冲程触发器36的油缸密封与负载块118之间的摩擦力。

入口节流处和出口节流处有多个满足方程式(1)压力设定点，用于生成负载块118所需的速度曲线82。

由于软管变形和液体量增大，驱动模具冲程触发器36时气缸增压所必需的油量增加。产生压力递增量(ΔP)所需的油量增量(ΔV_油)根据构成部分的体积模量(β)得到：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{oil}}=\mathrm{\ΔP}\·(\frac{V_{\mathrm{hose}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{hose}}}+\frac{V_{\mathrm{Oil}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Oil}}})---\left(2\right)$

液压触发器112的气缸腔124(Q_a)或有杆腔126(Q_b)所需的液压油流量等于瞬时负载速度所需的流量和压力变化所需的流量之和：

$Q_a=A_a\·\frac{\∂x}{\∂t}+\frac{\∂P_a}{\∂t}\·(\frac{V_{\mathrm{HoseA}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{HoseA}}}+\frac{V_{\mathrm{OilA}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{OilA}}})---\left(3\right)$

$Q_b=A_b\·\frac{\∂x}{\∂t}-\frac{\∂P_b}{\∂t}\·(\frac{V_{\mathrm{HoseB}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{HoseB}}}+\frac{V_{\mathrm{OilB}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{OilB}}})---\left(4\right)$

液压油供应流量由泵102、f_泵和V_泵各自的旋转速度和体积位移决定。液压油回流流量与变量节气门132的特性相关，变量节气门将流量与压降、阀命令(v伏)联系起来：

Q_a＝V_pump·f_pump                    (5)

$Q_b=q\left(v\right)\·\sqrt{\frac{P_b}{P_{\mathrm{nom}}}}---\left(6\right)$

额定流量函数(q)表示在额定压降P_额(一般为.5或1MPa)下流量是命令的函数。

以上几段以常规的方式对负载动态进行了分析。实际上，液压***100的物理参数是无法准确知道的。这些参数包括摩擦、负载块和***压缩性。但是，此方法的应用仍然可以提高控制行为。此分析使我们能够定义满足方程式(1)的液压触发器112两侧的压力设定点。

此方法的一个实施例子中，出口节流处(即，合模时一般指有杆腔126)采用恒定压力。如果出口节流处的压力恒定，对时间(t)的方程式(1)进行积分，并假设回流侧压力和摩擦恒定。

结果：

$\frac{\∂P_a}{\∂t}=\frac{M}{A_a}\·J---\left(7\right)$

$J=\frac{{\∂}^{3}x}{\∂t^3}---\left(8\right)$

这些方程式将所需的压力变化率与加加速度(J)联系起来，加加速度表示负载位置的三次微分或负载加速度的变化率。

加速时，出口节流处的压力设定点受阀门设计和加速后达到的速度约束。减速时，出口节流处的压力设定点等于最小入口节流压力和所需的最大减速压力之和。最小入口节流压力是指防止气缸的入口节流处产生真空的压力。

$P_{a\min }=P_b\·\frac{A_b}{A_a}+\frac{{\mathrm{Ma}}_{\mathrm{dec}-\max }}{A_a}---\left(9\right)$

以上方程式给出了出口节流处的恒定压力P_b的计算方法。任意时刻任意位置的变压P_a等于：

$P_a=P_{a\min }+\frac{M(a_{\mathrm{dec}-\max }-a_{\mathrm{dec}})}{A_a}---\left(10\right)$

由于压力为常数，出口节流处(L_b)的流量设定点等于速度设定点(V_SP)乘以出口节流处的液压触发器36的气缸面积(A_b)。

L_b＝V_SP·A_b                (11)

在回流侧的压力(P_b)恒定的情况下，变量节气门132的节气门阀命令由以下解得出：

$q\left(v\right)=L_b\·\sqrt{\frac{P_b}{P_{\mathrm{NOM}}}}---\left(12\right)$

泵102的速度有两种计算方法：开环控制和闭环控制。如果采用开环计算，泵102的速度根据速度曲线和加加速度补偿计算得到。电机104所需的速度曲线根据理想负载速度V和加加速度J得到：

$f_{\mathrm{pump}}=\frac{1}{V_{\mathrm{pump}}}(A_a\·V_{\mathrm{SP}}+\frac{M}{A_a}\·J_{\mathrm{SP}}\·(\frac{V_{\mathrm{HoseA}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{HoseA}}}+\frac{V_{\mathrm{OilA}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{OilA}}}))---\left(13\right)$

如果采用闭环计算，泵102的速度根据带加加速度补偿的减速速度曲线以及速度曲线82的PID控制器的贡献值计算得到。

$f_{\mathrm{pump}}=\frac{1}{V_{\mathrm{pump}}}(A_a\·V_{\mathrm{SP}}+\frac{M}{A_a}\·J_{\mathrm{SP}}\·(\frac{V_{\mathrm{HoseA}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{HoseA}}}+\frac{V_{\mathrm{OilA}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{OilA}}})+\mathrm{PID}(V_{\mathrm{SP}},V_{\mathrm{PV}}))---\left(14\right)$

实际上，新控制方法使模具冲程触发器36能够完全遵循速度曲线82，并能够准确、平稳地停止运动。由于模具冲程触发器36的实际速度非常接近速度曲线82，可以降低一般用于处理速度滞后的安全距离，以缩短更多的运动时间。闭环控制在处理模型错误上的效果更好。另外，由于泵速度控制，入口节流处压力在减速时会显著降低。这在某些情况下能够更好地保护模具。

尽管本发明介绍的是目前被认为是对本发明不产生限制的实施例子，但是应当理解本发明并不仅限于上面描述的实施例子。相反，本发明的目的是介绍包含在所附权利要求的限定范围内各种修正和等效安排。以下权利要求的限定范围应给与最宽广的解释以包含所有这样的修正和等效结构和功能。

Claims (20)

1.一种液压触发器减速方法，该方法包括：

应用一个维持压力并降低液压触发器出口节流处的压力；

减小液压触发器入口节流处的压力，使液压触发器入口节流处的压降速率高于出口节流处；和

其中液压触发器入口节流处的压降是通过调整泵的速度实现。

2.如权利要求1中的所述方法，其特征在于：液压触发器出口节流处的压力设定点等于最小入口节流压力和所需的最大减速压力之和。

3.如权利要求2中的所述方法，其特征在于：液压触发器入口节流处的最小入口节流压力是指减速时防止液压触发器内产生真空的压力。

4.如权利要求3中的所述方法，其特征在于：出口节流处的流量设定点等于速度设定点乘以出口节流处液压触发器的横截面积。

5.如权利要求4中的所述方法，其特征在于：泵的速度由开环控制调节，泵的速度根据速度曲线和加加速度补偿计算得到。

6.如权利要求4中的所述方法，其特征在于：泵的速度由闭环控制调节，泵的速度根据带加加速度补偿的减速速度曲线以及PID控制器的贡献值计算得到。

7.一种液压触发器加速方法，该方法包括：

应用一个维持压力并增大液压触发器的出口节流处的压力；

增大液压触发器入口节流处的压力，使液压触发器入口节流处的压降速率高于出口节流处；和

其中液压触发器入口节流处的压力增加是通过调整泵的速度实现。

8.如权利要求7中的所述方法，其特征在于：液压触发器出口节流处的压力设定点等于最小入口节流压力和所需的最大加速压力之和。

9.如权利要求8中的所述方法，其特征在于：液压触发器入口节流处的最小入口节流压力是指加速时防止液压触发器内产生真空的压力。

10.如权利要求9中的所述方法，其特征在于：出口节流处的流量设定点等于速度设定点乘以出口节流处液压触发器的横截面积。

11.如权利要求10中的所述方法，其特征在于：泵的速度由开环控制调节，泵的速度根据速度曲线和加加速度补偿计算得到。

12.如权利要求10中的所述方法，其特征在于：泵的速度由闭环控制调节，泵的速度根据带加加速度补偿的减速速度曲线以及PID控制器的贡献值计算得到。

13.一种液压***的组成部件：

泵，与电机相连接；

液压触发器，与泵相连接；

液压阀，用于将液压油导入到或导出液压触动器有杆腔或气缸腔；以及

控制器，用于使液压触发器加速或减速，通过：

维持当前压力和调整液压触发器的出口节流处的压力；

以比液压触发器出口节流处压力更快的速率调整液压触发器入口节流处的压力；以及

其中液压触发器入口节流处的压力调整是通过调整泵的速度实现。

14.如权利要求13中的所述液压***，其特征在于：控制器通过提高泵的速度来控制加速使得液压触发器入口节流处的压力高于出口节流处的压力。

15.如权利要求14中的所述液压***，其特征在于：控制器通过降低泵的速度控制减速使得液压触发器入口节流处的压力低于出口节流处的压力。

16.如权利要求15中的所述液压***，其特征在于：液压触发器出口节流处的压力设定点由控制器计算得到，等于最小入口节流压力和所需的最大减速压力之和。

17.如权利要求16中的所述液压***，其特征在于：减速时液压触发器入口节流处的压力设定点高于防止液压触发器内产生真空所需的压力。

18.如权利要求17中的所述液压***，其特征在于：出口节流处的流量设定点由控制器计算得到，等于速度设定点乘以出口节流处液压触发器的横截面积。

19.如权利要求18中的所述液压***，其特征在于：泵的速度由开环控制调节，泵的速度的根据速度曲线和加加速度补偿计算得到。

20.如权利要求18中的所述液压***，其特征在于：泵的速度由闭环控制调节，泵的速度根据带加加速度补偿的减速速度曲线以及PID控制器的贡献值计算得到。

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