CN107387471A - 真空扩散焊设备用液压***及其压力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空扩散焊设备用液压***及其压力控制方法，第一油管的一端连通有杆腔，另一端连接第一液压泵；第二液压泵的出油口连接有第三油管，第三液压泵的出油口连接有第四油管，第二油管的一端连通无杆腔，另一端与第三油管和第四油管连通；第一油管、第三油管和第四油管上均设有单向阀；第二油管上连接有与油箱连通的回油管，回油管上设有比例伺服阀；该液压***还包括换向阀；上述第一液压泵、第二液压泵、第三液压泵、比例伺服阀和换向阀均与控制器连接；液压缸的活塞杆上安装有光电开关、位移传感器和力传感器。解决了现有真空扩散焊设备的液压***在加压进行压制开始前导致工件破损或模具间发生相随位移而工件焊接失败的问题。

Description

真空扩散焊设备用液压***及其压力控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用在真空扩散焊设备上的液压***及该液压***的压力控制方法。
背景技术
扩散焊是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。由于焊接一般是在高温环境下完成，为避免高温下焊件氧化，一般采用真空保护，因此，也叫“真空扩散焊”。
在扩散焊接过程中，压力的递增曲线和压力的保持性能在工艺中起决定性作用，一些金属基材的焊接材料对焊接过程的初始段压力突变并不敏感，而一些精密材质对热压头初次接触时的冲击要求甚高，例如涉及到石墨或陶瓷等非金属材料、复杂的发动机叶片、大多数的电子元件，比如微电子通道板等复合玻璃纤维制成的部件，这些以硅和氧化硅为主材的器件对压头的初次接触压力要求非常高。
现有真空扩散焊设备的液压***中，使用高油压输出的液压泵为液压缸的无杆腔提供高压的液压油，安装在液压缸活塞杆上的力传感器检测工件受力情况并将检测数据传输给控制器，控制器调节无杆腔中的压力从而控制活塞杆驱动热压头移动。工件摆放好后，液压泵输送高压的液压油给液压缸的无杆腔，液压缸的活塞杆伸出推动热压头向工件方向移动，在热压头接近工件时，因为活塞杆一直处于运动中，力传感器反馈的压力比较小，但是此时实际上液压***内的储备压力仍然比较高，一旦热压头接触上工件，活塞杆停止运动，液压缸内压力迅速建立，通常可达16～32MPa，作用在活塞杆上后，会瞬间对工件施加一个很大的压力，而力传感器在测量时有一定的滞后，在得到力传感器的反馈后，控制器开始调节，减小液压***压力，此时瞬间的高压力已经发生，很容易将硬而脆的材料碰碎，或对柔软的材料形成比较大的压缩行程，导致工件的形状突变，或容易导致高精密度的工件发生各部分材质密度不同或模具间的相对移位较大，导致最终产品尺寸不合格。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有真空扩散焊设备的液压***，在加压进行压制开始前由于***内较大的储备压力和热压头接触工件时力传感器的检测延迟，硬接触时会给工件施加一个很大的压力，导致工件破损或模具间发生相随位移而工件焊接失败。
为了解决上述问题，本发明一方面提出了一种真空扩散焊设备用液压***，包括控制器、液压站、用于驱动热压头移动的液压缸、第一油管和第二油管，液压站包括油箱以及设置在油箱中的第一液压泵、第二液压泵和第三液压泵，其中第三液压泵的输出油压小于第二液压泵的输出油压；第一油管的一端连通有杆腔，另一端连接第一液压泵；第二液压泵的出油口连接有第三油管，第三液压泵的出油口连接有第四油管，第二油管的一端连通无杆腔，另一端与第三油管和第四油管连通；第一油管、第三油管和第四油管上分别设有防止液压油回流的第一单向阀、第二单向阀和第三单向阀；第二油管上连接有与油箱连通的回油管，回油管上设有比例伺服阀；该液压***还包括换向阀，换向阀的进油口通过第六油管与第一油管连通，第六油管与第一油管的连接点在第一单向阀与有杆腔之间，换向阀的出油口通过第七油管与油箱连通，换向阀的第一工作油口通过第八油管与第二油管连通；上述第一液压泵、第二液压泵、第三液压泵、比例伺服阀和换向阀均与控制器连接；液压缸的活塞杆上安装有用于当热压头接近工件时发送信号给控制器的光电开关、用于检测热压头移动距离并将检测数据发送给控制器的位移传感器和用于检测工件受力大小并将检测数据发送给控制器的力传感器。
作为本发明的进一步改进，第六油管上设有与油箱连通的第一溢流支管，第一溢流支管上设有第一溢流阀；第二油管上设有与油箱连通的第二溢流支管，第二溢流支管上设有第二溢流阀。增加设有溢流阀的溢流支路，增加液压***的安全性能。
作为本发明的进一步改进，液压***还包括蓄能器，蓄能器通过蓄能支管与第二油管连通，蓄能支管和第二油管的连接点在第二溢流支管和第二油管的连接点与回油管和第二油管的连接点之间。第二液压泵的输出油压远远高于第三液压泵的输出油压，在由第三液压泵切换为第二液压泵时，蓄能器可起到缓冲作用，防止压力突然上升，使比例伺服阀有足够的时间控制器的调节下保持液压缸压力的稳定。
另一方面，本发明还提出了一种真空扩散焊设备用液压***的压力控制方法，使用上述液压***，其控制方法包括以下几个步骤：
步骤一、启动第一液压泵，为液压缸的有杆腔输送液压油，有杆腔中建立稳定的油压；
步骤二、摆放工件，启动第二液压泵，调整换向阀，使第六油管和第八油管连通；
步骤三、当活塞杆与工件之间的距离达到1.0～1.5mm时，光电开关发送信号给控制器，控制器调整换向阀使第六油管和第八油管断开，关闭第二液压泵，打开比例伺服阀，等待预设时间后启动第三液压泵；
步骤四、控制活塞杆驱动热压头以脉冲方式前进直至热压头触碰到工件，上述以脉冲方式前进的实现方法为依据峰值保持时间和谷值保持时间调整比例伺服阀的开度在峰值开度和谷值开度之间来回切换；
步骤五、控制器将力传感器检测的工件受力数据与预设受力判断值比较，当力传感器检测的值达到预设判断值时，控制器采用PID闭环控制方法调整比例伺服阀的开度，使热压头对工件进行压制；
步骤六、控制器将位移传感器检测的工件压缩行程数据与预设行程判断值比较，当工件压缩行程达到预设行程判断值时，启动第二液压泵，并关闭第三液压泵，使热压头对工件继续进行压制；
步骤七、压制结束后，关闭第二液压泵，调整比例伺服阀断开，调整换向阀，使第八油管和第六油管连通。
本发明的有益效果：本发明液压***使用第二液压泵和第三液压泵分别切换地为液压缸的无杆腔提供高压的液压油和低压的液压油，先使用第二液压泵为无杆腔提供高压的液压油，使活塞杆快速推动热压头靠近工件，而当热压头与工件接近而未接触时，切换使用第三液压泵为无杆腔提供低压的液压油，可防止热压头接触工件后的压力过充；控制器控制活塞杆以脉冲形式推动热压头前进，即调节比例伺服阀在峰值开度和谷值开度下来回切换，当热压头在峰值开度的驱动下碰到工件时，力传感器有足够的时间反应，而不会因为谷值开度的驱动造成工件压力的突变。
附图说明
图1是本发明液压***的结构示意图。
图2是本发明液压***的压力控制方法的流程图。
具体实施方式
图1为应用在真空扩散焊设备上的液压***的一个具体实施例，包括控制器、液压站、用于驱动热压头移动的液压缸2、与液压缸的有杆腔连接的第一油管31和与液压缸的无杆腔连接的第二油管32，液压站包括油箱11以及设置在油箱中的第一液压泵12、第二液压泵13和第三液压泵14，其中第三液压泵14的输出油压大大小于第二液压泵13的输出油压。第一油管31的一端连通有杆腔，另一端连接第一液压泵12；第二液压泵13的出油口连接有第三油管33，第三液压泵14的出油口连接有第四油管34，第二油管32的一端连通无杆腔，另一端与第三油管33和第四油管34连通；第一油管31、第三油管33和第四油管34上分别设有防止液压油回流的第一单向阀41、第二单向阀42和第三单向阀43。第二油管32上连接有与油箱11连通的回油管35，回油管35上设有比例伺服阀6。该液压***还包括三位四通换向阀5，三位四通换向阀5的进油口通过第六油管36与第一油管31连通，第六油管36与第一油管31的连接点在第一单向阀41与有杆腔之间，三位四通换向阀5的出油口通过第七油管37与油箱连通，三位四通换向阀5的第一工作油口通过第八油管38与第二油管32连通。三位四通换向阀位于左位时，第七油管与第八油管连通；三位四通换向阀位于中位时，第六油管、第七油管和第八油管之间互不连通；三位四通换向阀位于右位时，第六油管和第八油管连通。第六油管36上设有与油箱连通的第一溢流支管，第一溢流支管上设有第一溢流阀71。第二油管32上设有与油箱连通的第二溢流支管，第二溢流支管上设有第二溢流阀72。上述第一液压泵12、第二液压泵13、第三液压泵14、比例伺服阀6和三位四通换向阀5均与控制器连接。液压缸的活塞杆上安装有光电开关，用于当热压头接近工件时发送信号给控制器。活塞杆上还安装有位移传感器，用于检测热压头的移动距离并将检测数据发送给控制器。活塞杆上还安装有力传感器，用于检测工件受力大小并将检测数据发送给控制器。
本实施例中控制器采用西门子S7-300系列PLC。用于检测热压头移动距离的不局限于位移传感器，也可替换成光栅尺。
优选，液压***还包括蓄能器，蓄能器通过蓄能支管与第二油管连通，蓄能支管和第二油管的连接点在第二溢流支管和第二油管的连接点与回油管和第二油管的连接点之间。步骤六从第三液压泵切换成第二液压泵时，由于第二液压泵的输出油压大大高于第三液压泵的输出油压，第二液压泵投入工作时会使无杆腔中的压力突然上升，安装蓄能器可以起到缓冲作用，无杆腔中压力缓慢上升，为比例伺服阀提供足够的时间使得在PID调节下保持压力的稳定。
上述实施例中的液压***的压力控制方法，包括以下几个步骤：
步骤一、启动第一液压泵，为液压缸的有杆腔输送液压油，有杆腔中建立稳定的油压。
步骤二、摆放工件，启动第二液压泵，调整三位四通换向阀处于右位，使第六油管和第八油管连通。该步骤中，第二液压泵为无杆腔输送液压油，无杆腔中的油压逐渐升高，第一油管中的部分油通过三位四通换向阀进入第二油管中输送到无杆腔，升高无杆腔中的油压，当无杆腔中的油压大于有杆腔中的油压时，液压缸的活塞杆伸出驱动热压头靠近工件。
步骤三、当活塞杆与工件之间的距离达到1.0～1.5mm时，光电开关发送信号给控制器，控制器调整三位四通换向阀处于中位，使第六油管和第八油管断开，关闭第二液压泵，打开比例伺服阀，等待预设时间后启动第三液压泵。打开比例伺服阀后，由步骤二中第二液压泵打入无杆腔及无杆油管中的部分液压油可经比例伺服阀流回油箱，逐渐降低无杆腔中的压力，等待预设时间后达到第三液压泵工作的稳定状态，开启第三液压泵，为无杆腔提供液压油。该步骤中先泄压再启动第三液压泵，防止第三液压泵立即投入工作时由于之前第二液压泵打入的液压油造成***压力的波动；其次，在靠近工件前进行无杆腔的液压泵切换，从高油压驱动切换为低油压驱动，可防止热压头接触工件后压力过充。
步骤四、控制活塞杆驱动热压头以脉冲方式前进直到热压头触碰到工件，上述以脉冲方式前进的实现方法为依据峰值保持时间和谷值保持时间调整比例伺服阀的开度在峰值开度和谷值开度之间来回切换。其中峰值保持时间、谷值保持时间、峰值开度和谷值开度均在***投入使用前设置完成，本实施例中设置峰值保持时间为300ms，谷值保持时间为500ms。该步骤中，控制活塞杆以脉冲方式前进，当热压头在峰值开度的驱动下触碰到工件时，力传感器有足够的时间反应，在此期间会切换为谷值开度驱动，而谷值开度的驱动不会造成工件压力的突变。
步骤五、控制器将力传感器检测的工件受力数据与预设受力判断值比较，当力传感器检测的值达到预设判断值时，控制器采用PID闭环控制方法调整比例伺服阀的开度，使热压头对工件进行压制。本实施例中，西门子S7-300系列PLC自带FB41/FB42标准PID功能块。
步骤六、控制器将位移传感器检测的工件压缩行程数据与预设行程判断值比较，当工件压缩行程达到预设行程判断值时，启动第二液压泵，并关闭第三液压泵，使热压头对工件继续进行压制。
步骤七、压制结束后，关闭第二液压泵，调整比例伺服阀断开，调整三位四通换向阀处于左位，使第八油管和第六油管连通。该步骤中，无杆腔中的液压油通过三位四通换向阀流回油箱，无杆腔中的压力逐渐下降，在有杆腔中压力的作用下活塞杆缩回。
进行下一个工件压制时，重复步骤二至步骤七。
本发明提出的液压***及其压力控制方法还可应用在等静压设备、热压设备和易碎易破裂的硅及氧化硅材料、玻璃纤维等材料的熔压设备等压力设备中。

Claims (4)

1.一种真空扩散焊设备用液压***，其特征在于，包括控制器、液压站、用于驱动热压头移动的液压缸(2)、第一油管(31)和第二油管(32)，液压站包括油箱(11)以及设置在油箱中的第一液压泵(12)、第二液压泵(13)和第三液压泵(14)，其中第三液压泵(14)的输出油压小于第二液压泵(13)的输出油压；第一油管(31)的一端连通液压缸的有杆腔，另一端连接第一液压泵(12)；第二液压泵(13)的出油口连接有第三油管(33)，第三液压泵(14)的出油口连接有第四油管(34)，第二油管(32)的一端连通液压缸的无杆腔，另一端与第三油管(33)和第四油管(34)连通；第一油管(31)、第三油管(33)和第四油管(34)上分别设有防止液压油回流的第一单向阀(41)、第二单向阀(42)和第三单向阀(43)；第二油管(32)上连接有与油箱连通的回油管(35)，回油管(35)上设有比例伺服阀(6)；该液压***还包括换向阀(5)，换向阀(5)的进油口通过第六油管(36)与第一油管(31)连通，第六油管(36)与第一油管(31)的连接点在第一单向阀(41)与液压缸的有杆腔之间，换向阀(5)的出油口通过第七油管(37)与油箱连通，换向阀(5)的第一工作油口通过第八油管(38)与第二油管(32)连通；上述第一液压泵(12)、第二液压泵(13)、第三液压泵(14)、比例伺服阀(6)和换向阀(5)均与控制器连接；液压缸的活塞杆上安装有用于当热压头接近工件时发送信号给控制器的光电开关、用于检测热压头移动距离并将检测数据发送给控制器的位移传感器和用于检测工件受力大小并将检测数据发送给控制器的力传感器。
2.根据权利要求1所述的真空扩散焊设备用液压***，其特征在于，第六油管(36)上设有与油箱连通的第一溢流支管，第一溢流支管上设有第一溢流阀(71)；第二油管(32)上设有与油箱连通的第二溢流支管，第二溢流支管上设有第二溢流阀(72)。
3.根据权利要求2所述的真空扩散焊设备用液压***，其特征在于，液压***还包括蓄能器，蓄能器通过蓄能支管与第二油管连通，蓄能支管和第二油管的连接点在第二溢流支管和第二油管的连接点与回油管和第二油管的连接点之间。
4.一种真空扩散焊设备用液压***的压力控制方法，其特征在于，使用权利要求1-3任意一项所述的液压***，其控制方法包括以下几个步骤：
步骤一、启动第一液压泵，为液压缸的有杆腔输送液压油，有杆腔中建立稳定的油压；
步骤二、摆放工件，启动第二液压泵，调整换向阀，使第六油管和第八油管连通；
步骤三、当活塞杆与工件之间的距离达到1.0～1.5mm时，光电开关发送信号给控制器，控制器调整换向阀使第六油管和第八油管断开，关闭第二液压泵，打开比例伺服阀，等待预设时间后启动第三液压泵；
步骤四、控制活塞杆驱动热压头以脉冲方式前进直至热压头触碰到工件，上述以脉冲方式前进的实现方法为依据峰值保持时间和谷值保持时间调整比例伺服阀的开度在峰值开度和谷值开度之间来回切换；
步骤五、控制器将力传感器检测的工件受力数据与预设受力判断值比较，当力传感器检测的值达到预设判断值时，控制器采用PID闭环控制方法调整比例伺服阀的开度，使热压头对工件进行压制；
步骤六、控制器将位移传感器检测的工件压缩行程数据与预设行程判断值比较，当工件压缩行程达到预设行程判断值时，启动第二液压泵，并关闭第三液压泵，使热压头对工件继续进行压制；
步骤七、压制结束后，关闭第二液压泵，调整比例伺服阀断开，调整换向阀，使第八油管和第六油管连通。
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