陈鸿，王东明
（1.天水锻压机床（集团）有限公司，甘肃 天水 741020；
2.甘肃省制管装备自动化及信息化重点实验室，甘肃 天水 741020）
预弯机是20 年前技术引进、消化吸收的国产化设备，尽管预弯机在制管厂服役了20 多年，但是在使用过程中出现过许多问题。多数预弯机用户针对使用工艺、部件结构、压料梁连接方式、液压系统、控制系等都做过不同程度的研究和改进，有些已经付诸实施，效果比较理想。有一些研究成果，以专利、学术论文的形式发表，学术观点有较高的参考价值。总之，预弯机在业内同行的共同努力下，经受住了时间的检验，同时，为我国培养了预弯机制造、使用和维修等方面具有丰富经验的专业人才队伍。
作为我国第一代预弯机生产企业和主管预弯机控制系统设计的技术人员，有责任和义务对预弯机进行全面、系统的反思。在数字经济时代应用自动化、信息化、智能化手段，提出预弯机升级改造的技术路线、策略和具体方案。
1.1 活塞杆与提升环断裂问题
预弯机在生产线实际生产中经常发生提升环断裂和提升缸缸杆断裂问题，严重影响了整条生产线的生产效率[1]。改进预弯机的活塞与下模梁连接方式，活塞头与活塞杆做成分体式，提升环的连接为整体式结构，增加油缸偏载的间隙余量，避免螺钉断裂，消除应力，增加可靠性和可维修性[2]。
1.1.1 原因分析
预弯机回程缸活塞杆靠螺栓连接在下模梁上，提升环与活塞杆端部的间隙为2.5mm。工作时下模梁与油缸工作时发生位移的方向和距离不一致，最大位移量超出了提升环间隙的设计值，导致提升环连接螺栓干涉产生剪切力，频繁断裂[3]。
1.1.2 升级改造策略
间隙变大可以解决活塞杆提升环损坏，但是不能从根本上解决螺钉松动问题。最关键的解决办法就是提高Y1、Y2 轴全行程（上行、预弯、保压、卸压、返程）同步控制精度，从根本上解决此类问题的发生。具体方案详见本文3.2.3 节论述。
1.2 压料梁偏斜、压不紧板料问题
1.2.1 原因分析
压料梁上行是依靠蓄能器压力被动跟随下模梁上行，在预弯时油泵提供压力完成压料。压料梁下行时，被下模梁压下，液压油反冲液到蓄能器。快速下行时主油缸下腔压力并不是完全为零，下模梁下行时，会受到两个主油缸的偏载反作用力，致使下模梁速度不稳定，加剧了个回程油缸不同步，进而导致回程缸活塞杆受力严重失衡，活塞杆因受力过大被拉断。夹紧梁在夹紧和保压过程中，由于控制阀内泄导致夹紧缸内压力下降，使夹紧梁不能可靠夹紧钢板，从而引起弯边过程中钢板翘起和横移[4]。
在实际使用过程中，由于蓄能器需要根据压力检测进行随时补液，控制环节较多，压力机继电器的可靠性和蓄能器性能影响压料梁压力波动。蓄能器压力过高，压料梁返程时需要增大压力，机械冲击噪声增大的同时对主油缸、压料梁、返程缸之间连接机构引起冲击。对有间隙的机械结构长期、反复冲击，会引起连接螺钉松动、脱落、失效断裂、甚至是油缸头开裂、断裂等现象的发生。如果蓄能器压力过低，压料梁上升缓慢，不容易压紧钢板，就会影响预弯质量。
1.2.2 改造升级策略
压料梁和下模梁分开控制。压料梁单独控制，将压料梁油缸由原来柱塞缸改用活塞缸，压料梁下行由原来被下模梁压下，改为液压控制下行。
1.2.3 压料梁和下模梁分开控制的优点
（1）避免了因压料梁控制阀、蓄能器等故障，压料梁油缸压力异常时，与下模梁主缸压下力相互作用，引起下模梁连接螺丝松动或断裂现象的发生。
（2）主油缸带动下模梁下行时只是克服回油阻力，不会在高速下行过程当中，因为压料梁的阻挡而产生压力突变，导致下模梁主油缸液压系统冲击。根除了下模梁与压料梁之间的机械撞击噪声。
（3）预弯过程分时、分步控制。预弯上行时压料梁先上行，钢板随动上行，延时后下模梁上行。预弯结束后下模梁先卸压下行，延时后压料梁卸压下行，钢板随动下行。这样，能有效解决机械、液压、钢板冲击叠加现象，改善机床振动和工作噪声。
（4）下模梁主油缸在预弯不同直径和壁厚的钢板时，下模梁停留在钢板能够通过的位置。按照下模梁最大行程为160mm，预弯速度10mm/s，返程速度30mm/s 计算，下模梁一次循环极限时间为24s。以压制管径711mm×16mm，材料X70 规格为例，此时下模梁行程54mm，下模梁一次循时间为10s。因此下模梁和压料梁分开控制，可减少下模梁行程，提高预弯效率。
1.3 下模梁全程单一速度策略
1.3.1 快慢速切换问题
以单机24000kN 预弯机为例，压料梁原设计行程140mm，下模梁行程300mm，下模梁预弯行程160mm，下模梁快速105mm/s，慢速预弯15mm/s。按照快速105mm/s 计算，压料时间需要1.3s，实际测量为3s，平均速度只有40mm/s，原因如下。
（1）由于压料梁行程太短，实际运行中压料梁根本达不到设计的最高速，因为加速过程还没有达到最大速度，压料梁已经接近了目标值，系统立即减速，切换为慢速预弯工况。
（2）液压系统快速105mm/s 时，充液阀通径选择为DN200，控制系统快、慢速切换及M1、M2 机之间相互等待，引起液压系统频繁切换。大通径充液阀瞬间打开或关闭会引起液压系统冲击，需要充液阀控制回路的阻尼与延时配合，使充液阀打开和关闭的过渡过程平缓。所以在预弯机中由于快速行程太短，采用快、慢速切换方案，实际应用效果不理想。
1.3.2 下模梁全程单一速度优点
①消除由于快慢速切换引起的系统冲击；
②可以取消充液阀，液压系统和控制系统变得更加简单、可靠。
1.4 前后托料辊道与压料梁不同步问题
在预弯薄壁大直径钢管时，由于前后托料与压料梁不同步，使预弯尺寸误差偏大，形成破浪、压痕等。
1.4.1 原因分析
①由于不同规格钢板重量不同，传统节流调速性能不稳定，节流阀阻尼系数随温度变化范围变小，系统稳定性降低。节流阀没有压力及温度补偿装置，不能自动补偿负载及油粘度变化时所造成的速度不稳定[5]；
②原数控系统Y 轴数据不开放，控制系统无法完成前、后托料的随动控制，因此得不到理想的托料效果。
1.4.2 升级改造策略
参见3.2.3 节论述。
2.1 液压系统普通电机+定量泵控制模式
原设计无论是1250t 或2400t 预弯机，选用了一种恒速、恒压油泵电机组控制模式，设计计算按照最大吨位和最高工作速度配置，既要保证预弯力也要保证预弯速度，电机功率和油泵排量比较富裕，在实际使用中表现为功率、流量匹配度不高，发热严重。以2400t 预弯机为例，将主油泵原来排量250ml/r 的定量泵，电机200kW，变为180ml 变量泵，电机功率160kW，改造后油温下降5～10℃，完成一张钢板预弯时间270s，满足生产线节拍[6]。
2.1.1 原因分析
原预弯机控制系统属于阀控系统，在普通电机+定量泵控制模式下，油泵输出的流量是一定值，如果负载速度发生变化，一部分流量从主溢流阀溢流，产生溢流损耗。由于用比例方向阀控制系统速度，产生节流效应和节流损耗。系统的流量、压力不跟随负载的变化而变化，系统负载流量和压力与动力源所提供的难以实时匹配，因此会存在较大的溢流和节流损失，导致系统发热量大、能源利用率低[7]。
2.1.2 升级改造策略
（1）策略一：采用伺服电机+定量泵控制模式。由伺服驱动器根据下模梁位置和工况，通过控制伺服电机转速和转矩，控制油泵转速与压力，达到控制系统流量和压力的目的，实现液压系统流量、压力随负载变化而变化的控制策略。
当然，伺服电机+定量泵+比例方向阀控制模式，能更精确控制下模梁的加、减速斜率和速度，使整个预弯过程更加流畅，系统冲击减小、工作稳定可靠。
（2）策略二：液压系统采用负载敏感（Load Sensing）液压泵。该泵可以同时感知液压系统流量、压力的变化，并根据流量、压力的变化自动调节柱塞泵输出的流量与压力，达到根据负载变化调整速度与压力的目的。负载敏感液压泵的LS 口感知预弯主缸无杆腔的负载压力，根据负载压力自动调节输出流量工进预弯，位移传感器检测钢板接近上模梁时，控制单元通过比例换向阀调整预弯主缸至工进速度，负载压力升高，负载敏感液压泵的输出流量减小，保压成形，负载敏感液压泵输出预设流量补充内泄压降[7]。
3.1 原系统控制策略
3.1.1 预弯机控制系统
该系统控制预弯机下模梁同步运行及最终预弯，通过DNC60（或DAC51）数控系统进行控制。1 台DNC60（或DAC51）数控系统能同时控制2 组Y1、Y2电液比例闭环轴，控制1 组电液比例压力阀。系统选用西门子S7315-2DP 作为预弯边机组的主站、对整机实现统一协调控制。选择ET200M 作为 DNC60数控系统与主站交换I/O 控制信号的接口模块[8]。由于数控系统数据不开放，数控系统与PLC 之间只没有数据通信，只有I/O 开关量的信号交换，系统集成性不高。
3.1.2 原M1、M2 机同步控制策略
M1、M2 机的Y1、Y2 轴通过两台数控系统分别控制，单台数控系统控制Y1、Y2 轴的速度同步及预弯最终位置[9]。由于是折弯机专用数控系统应用在预弯机控制中，其适应性与性能匹配度不高，两台数控系统之间通过下模梁下止点，上止点，夹紧点之间的I/O 信号链接。M1、M2 机之间没有同步控制，在预弯过程中速度快的主机先到夹紧点停止，等待速度慢的主机，然后同时预弯（M1、M2 机不是同步预弯），预弯结束后在上止点同时下行（M1、M2 机不是同步下行）。在大通径、大流量、短行程液压系统运行中频繁启、停，使液压系统同步可控制性变差。
3.1.3 数控系统
按照折弯机思路，在预弯机使用过程中Y1、Y2轴没有反映出预弯模具的实际位置值，而是采用试验的办法获取Y1、Y2 轴的相对位置值，不能直观反映预弯机下模的实际位置值，造成预弯机操作与维修不方便。
3.2 新系统升级改造策略
3.2.1 在TIA 博途平台下全集成PLC+HMI
TIA 博途（Totally Integrated Automation Portal）为全集成自动化的实现提供了通用的工程平台。使用一个共享数据库，以一致的数据管理、通用的工业通讯、集成的工业信息安全和功能安全为基础，贯穿项目规划、工程研发、生产运行到服务升级的各个工程阶段[10]。S7-1500T 控制器、HMI 人机界面、伺服驱动、液压控制功能库等已经无缝集成到TIA博途平台上，使组态、编程和使用新功能更加方便、快捷。将预弯机控制数据、工艺数据、工单管理数据、信息化系统数据无缝集成，实时交互变为了可能。
3.2.2 HMI 控制策略
在HMI 人机界面上根据钢管厚度、直径、材质等参数，系统自动选择上、下模具号、自动计算下模位置值并自动调整下模位置，自动计算机架开口位置，并自动调整机架开口，实现自动换规格。
HMI 人机界面上设置和显示主机速度、送料辊道线速度，送料参考点与下模前后过渡段之间的距离等参数。显示故障代码、错误提示。实时显示比例阀开口位置，油缸主压力、速度，实施显示Y1、Y2 轴同步控制曲线。储存和调用钢管工单，通过以太网接受和传输工单参数。
3.2.3 PLC 控制策略
预弯机自动控制最佳模式应该是：压力控制+位置控制，具体技术方案如下。
（1）同步轴控制。先配置一个Y0 轴作为虚拟轴（非物理实轴）为引导轴，M1 机的Y1、Y2 轴和M2机的Y1、Y2 轴跟随Y0 轴运动。在预弯上行与下行时进入速度闭环同步控制模式，预弯与保压阶段，伺服电机进入转矩控制，主机进入压力闭环控制模式。
将前、后托料配置为两个数控轴，增加检测传感器。以压料梁实际运行速度为引导轴，前、后托料为跟随轴，进行速度闭环同步控制，实现压料梁与前、后托料同步。
（2）S7-1500T 控制器能单独为每一个比例方向阀测试性能补偿曲线，在设备长期使用后，每个比例阀性能会发生变化，系统会按照实际油缸运行轨迹，通过内部控制算法，计算出比例方向阀补偿曲线。补偿曲线参与前馈控制过程，保障了液压系统长期使用的控制精度。
（3）虚拟调试与液压系统仿真，使用PLCSIM Advanced 作为仿真平台，将编写的PLC 程序下载到PLCSIM Advanced 仿真平台中，液压轴的仿真可以通过激活轴仿真功能[11]，进行动态仿真，检验软、硬件组态与配置、PLC 用户自定义变量、HMI 变量等正确性。在系统设计过程中进行系统仿真，模拟系统实际同步运行曲线，为优化控制系统参数提供数据指导，使控制系统更加精准。
（4）预留车间信息化系统接口，开放制管厂信息化系统所需要的各类数据。HMI 和PLC 是MES（制造执行系统）的基础设备，是制造技术与互联网技术融合的关键节点，在HMI 和PLC 的智能化、可编程性上深入挖掘数据[12]，对制管企业信息管理系统升级，提升企业信息化管理水平具有现实意义。实现PLC 系统和人机界面的远程下载、上传、监控等远程服务，实现设备状态的远程监控、故障诊断及预警，保障设备稳定运行，最大限度缩短故障处理时间。
通过走访国内制管企业，现场实地考察，收集、整理，借鉴预弯机在制造、使用、维修方面的经验和教训，结合同行近年来的研究成果，将问题归类、整理、列出问题清单，分析问题，提出了上述预弯机升级改造技术路线、策略和实施方案。相信在同行的共同努力下，我国预弯机综合技术水平将会有更大提升。
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