基于PLC的夾緊力在線調(diào)控系統(tǒng)*

崔宇清，姜兆亮，儀 維

(山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061)

0 引 言

在金屬切削過程中，機(jī)床夾具用于保證工件相對(duì)于刀具的正確位姿，夾緊力過大會(huì)引起工件的加工變形，而過小則會(huì)導(dǎo)致加工狀態(tài)不穩(wěn)定。因此，適宜的夾緊力有利于提高工件的切削質(zhì)量。使用有限元分析方法［1］或高精度的激光測(cè)量技術(shù)［2］，可以得到不同裝夾方案下的工件變形。雖然利用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)可以對(duì)夾緊力進(jìn)行設(shè)計(jì)［3］，并能在一定程度上進(jìn)行預(yù)測(cè)［4］，但是定位機(jī)構(gòu)、夾緊元件還會(huì)引起工件的裝夾誤差［5-6］。因此，通過利用數(shù)控機(jī)床的工件夾緊力檢測(cè)系統(tǒng)［7］，能夠?qū)ぜA緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

工件在切削過程中的瞬時(shí)受力狀態(tài)會(huì)不斷變化［8］，通過實(shí)時(shí)調(diào)整夾緊力可以有效減少工件變形。M.A.Mannan［9］采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源調(diào)控夾緊力，它體積較大而提供的夾緊力較小。陳光明［10］采用高速開關(guān)閥控制夾緊力大小的方法精度不高，缺少上位計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件控制。在夾具系統(tǒng)中，采用液壓動(dòng)力源比電機(jī)動(dòng)力源體積緊湊且傳動(dòng)平穩(wěn)，其中電液比例減壓閥比伺服減壓閥成本低、抗污能力強(qiáng)，比高速開關(guān)閥控制精度高，比比例溢流閥［11］更容易添加支路且各支路互不影響。

因此，為了獲得精確而且實(shí)時(shí)可調(diào)的機(jī)床夾緊力，本研究采用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)夾緊力在線調(diào)控系統(tǒng)。在HFAC系統(tǒng)中，通過控制電液比例減壓閥的出口壓力，實(shí)現(xiàn)切削過程中的夾緊力大小動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)工件的切削加工變形閉環(huán)控制奠定基礎(chǔ)。

1 HFAC系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

HFAC系統(tǒng)主要包括夾緊結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示)。夾緊機(jī)構(gòu)以傳統(tǒng)壓緊方式為基礎(chǔ)，和液壓缸集成為一體;液壓系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，由液壓泵、液壓缸、電磁換向閥、電液比例減壓閥等部分組成;控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作上位機(jī)，西門子S7-224XPCN PLC作控制器，利用夾緊機(jī)構(gòu)末端的壓力傳感器獲得壓力值，并用WinCC組態(tài)軟件對(duì)夾緊力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

HFAC系統(tǒng)工作流程如圖2所示。被加工工件在夾具中定位夾緊后，初始化夾緊力后采用隨時(shí)間變化的控制方式。切削開始后，夾緊機(jī)構(gòu)末端的壓力傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)工件的夾緊力大小并通過組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)在時(shí)刻t夾緊力值需要調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)將壓力傳感器信號(hào)放大后經(jīng)輸入模塊傳入PLC，再經(jīng)PLC中的PID算法進(jìn)行運(yùn)算，輸出模擬量電壓或PWM信號(hào)傳入放大器，使輸出量以脈沖的方式輸出，傳給電液比例減壓閥并調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部壓力，通過液壓缸與液壓回路控制夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)夾緊力的在線動(dòng)態(tài)調(diào)控。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓缸—負(fù)載的系統(tǒng)固有頻率

HFAC的系統(tǒng)壓力，即液壓泵站的調(diào)定壓力，應(yīng)滿足執(zhí)行元件克服最大負(fù)載和實(shí)現(xiàn)最大加速度的需要。由于夾具夾緊運(yùn)動(dòng)無外負(fù)載和較大質(zhì)量執(zhí)行元件，系統(tǒng)壓力定為 6 MPa，并選用內(nèi)徑為32 mm，行程為50 mm的液壓缸。當(dāng)不考慮液壓缸—負(fù)載系統(tǒng)與基座連接剛度時(shí)，其固有頻率為［12］:

式中:f0—液壓缸—負(fù)載質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率，Hz;k—油液壓縮性形成的彈簧(稱為液壓彈簧)剛度，N/m;m—液壓缸驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量，kg。

液壓彈簧剛度主要由“受壓縮”的油液體積決定，液壓缸的單側(cè)液壓彈簧剛度為:

式中:E—液壓油的彈性模量，值為(1～1.4)×109Pa;V—液壓缸的單側(cè)容積，m3。

所以，該系統(tǒng)的最低固有頻率為:

式中:α =AR/AK=0.75，AK—無桿腔面積，AR—環(huán)形面積。

該系統(tǒng)的最低固有角速度為:

實(shí)踐表明，f0＜4 Hz適用于對(duì)動(dòng)態(tài)特性基本沒有要求的靜態(tài)電液比例控制系統(tǒng);f0=4 Hz～15 Hz是電液比例控制系統(tǒng)固有頻率的優(yōu)選范圍，該頻率適合于多數(shù)設(shè)備的固有頻率，可使電液比例控制系統(tǒng)獲得良好的性價(jià)比;f0≥30 Hz適用于對(duì)動(dòng)態(tài)性能有高要求的設(shè)備。因此，所設(shè)計(jì)的液壓缸—負(fù)載系統(tǒng)的頻率滿足動(dòng)態(tài)性能的控制要求。

2.2 電液比例減壓閥

通徑和油液要求是比例閥選用的兩個(gè)關(guān)鍵因素，額定流量過大會(huì)降低執(zhí)行器的控制精度。本研究選用德國(guó)的ARGOHYTOS電液比例減壓閥，根據(jù)壓力－電流曲線(如圖3所示)選擇PVRM1-063/S三通直動(dòng)式減壓閥，其安裝方式為螺紋插裝式，控制信號(hào)為100 Hz，最大進(jìn)口壓力為5 MPa，最大流量為20 L/min。本研究利用它配置的數(shù)字式比例放大器(型號(hào)RT-PVDA-0X-D1)放大PLC發(fā)出的脈沖信號(hào)并傳入比例減壓閥，將PLC輸出的0～10 V的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)。

圖3 壓力P與控制信號(hào)I特性曲線

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HFAC系統(tǒng)控制原理如圖4所示，主要包括壓力傳感器、液壓系統(tǒng)和PLC編程控制3部分。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

3.1 傳感器與輸入模塊

紐扣式壓力傳感器(NJHS-10)量程為1 000 N，需10 V外部供電，輸出信號(hào)為0～20 mV，傳感器信號(hào)放大器將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行精密放大，將毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出0～5 V或0～10 V后，直接與PLC輸入模塊連接。EM231-2HAI模擬量輸入模塊具有高速采集功能，16位精度，帶1路緊密橋壓輸出(10 V)，能夠有效完成數(shù)據(jù)采樣、濾波、存取、分析等功能。

3.2 控制信號(hào)類型

電液比例控制系統(tǒng)的控制信號(hào)包括模擬式和數(shù)字式兩種類型。其中，模擬式的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制功率輸出級(jí)為開關(guān)型結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)程序控制［13］。本研究利用西門子PLC S7-224XPCN實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)中各種電磁閥的控制。該繼電器型PLC具有模擬量電壓輸出功能和PID調(diào)節(jié)功能。

3.3 控制系統(tǒng)開環(huán)增益

閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)增益及組成為:

式中:Kc—閉環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)增益;Kp—PID調(diào)節(jié)器的增益;Ka—比例放大器的增益，A/V;Kv—比例減壓閥的增益，MPa/A;Kh—執(zhí)行元件的增益，N/MPa;Km—壓力傳感器的增益，V/N。

Kc的計(jì)算值由系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能和控制精度校核的結(jié)果確定，其實(shí)際值由調(diào)試結(jié)果確定。初步設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)穩(wěn)定性要求，按勞斯穩(wěn)定判據(jù)確定的公式求得Kcmax，即:

在工程實(shí)踐中，ξ的取值為0.05～0.2。一般來說，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，Ka、Kv、Kh、Km的值不易再變，而回路的總增益又影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度等性能指標(biāo)，因此該系統(tǒng)通過PLC編程調(diào)節(jié)PID控制程序的比例增益Kp來完成Kc的調(diào)節(jié)。

3.4 PLC 編程

PLC 編程［14］采用 STEP7-MicroWIN V4.0 系統(tǒng)的軟件編程向?qū)?，依次設(shè)置PID回路編號(hào)、PID回路給定值的范圍，比例增益(Kp)、采樣時(shí)間(TS)、積分時(shí)間(TI)、微分時(shí)間(TD)。

根據(jù)本傳感器的量程范圍，選擇單極性，不帶有20%偏移量。當(dāng)回路輸出量的類型為模擬量時(shí)，設(shè)置輸出量的極性和范圍;為PWM脈沖輸出時(shí)，設(shè)置占空比周期為 0.01 s。

完成向?qū)е械脑O(shè)置工作后，自動(dòng)生成初始化子程序PIDx_INIT、中斷程序PID_EXE等。在程序中用SM0.0調(diào)用PIDx_INIT，并寫入模擬量輸入地址、給定值百分比和輸出值地址。CPU便會(huì)根據(jù)已設(shè)置的PID采樣時(shí)間，周期性地調(diào)用中斷程序PID_EXE，在PID_EXE中執(zhí)行PID運(yùn)算。

PID控制器需要整定比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間、采樣周期4個(gè)參數(shù)，編程軟件內(nèi)置有“PID調(diào)節(jié)控制面板”工具，用于PID參數(shù)的調(diào)試，可以同時(shí)顯示給定量SP、反饋量PV和調(diào)節(jié)器輸出MV的波形。其中，利用PID調(diào)節(jié)控制面板實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

3.5 WinCC組態(tài)監(jiān)控

HFAC選用西門子公司開發(fā)的WinCC組態(tài)軟件［15］。在WinCC中建立過程歸檔變量 presure對(duì)應(yīng)PLC測(cè)得的壓力值并以500 ms采樣周期和存儲(chǔ)周期歸檔［16］;建立setpresure變量對(duì)應(yīng) PLC s7-200中的設(shè)定壓力的寄存器VD206。本研究選用WinCC Online Trend Control控件，動(dòng)態(tài)顯示夾緊力隨時(shí)間變化的曲線(如圖5所示)。在規(guī)定的“變化時(shí)長(zhǎng)”時(shí)間范圍內(nèi)，夾緊力在初始?jí)毫A(chǔ)上，每歷時(shí)一個(gè)“時(shí)間間隔”，機(jī)床夾緊力就會(huì)增加或減少一個(gè)“壓力變化”值。該系統(tǒng)可支持兩種不同的變化規(guī)律，分別從“時(shí)段1”、“時(shí)段2”進(jìn)行設(shè)置。

圖5 可控夾緊力夾具系統(tǒng)組態(tài)軟件監(jiān)控圖

4 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證HFAC系統(tǒng)的夾緊力控制精度，本研究進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如下:油溫度25°，32號(hào)耐磨液壓油，5 μ高壓濾油器，溢流閥調(diào)定壓力為6 MPa，電液比例減壓閥流量為5 L/min，選用224XPCN繼電器型PLC。設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)壓力從300 N增加到500 N，時(shí)間間隔為10 s，壓力變化值為50 N。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，夾緊機(jī)構(gòu)末端的實(shí)際壓力精度在3%以內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

HFAC系統(tǒng)選用液壓作為動(dòng)力源、電液比例減壓閥作為調(diào)壓元件、PLC作為控制器，設(shè)計(jì)了夾緊力實(shí)時(shí)可調(diào)的液壓夾具系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)可知，該系統(tǒng)能夠在切削過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)床夾緊力，其控制精度為3%。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、成本較低、工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足金屬切削過程中的夾緊力動(dòng)態(tài)可調(diào)需求，有利于獲得易變形工件的最優(yōu)裝夾方案，以減小工件變形。在切削過程中影響機(jī)床夾緊力調(diào)控精度的因素較多，因此下一步工作是在PLC編程中增加誤差補(bǔ)償技術(shù)，以進(jìn)一步提高控制精度。

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