智能液壓夾具壓力控制系統(tǒng)設(shè)計

鄧振華

陜西法士特汽車傳動集團(tuán)有限公司，中國·陜西 西安 710119

1 引言

隨著中國制造2025 戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，生產(chǎn)模式進(jìn)入智能化生產(chǎn)和綠色制造，對液壓夾具的智能化要求也越來越高。夾具是制造系統(tǒng)的重要組成部分，對加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本都有著極其重要的影響。在數(shù)控加工中使用傳統(tǒng)液壓夾具時，液壓系統(tǒng)的泄漏檢測是保證密封性能最為關(guān)鍵的手段之一。為解決這個問題，以高速開關(guān)電磁閥原理和PLC 為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種智能夾具適應(yīng)性控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)加工過程中切削力的變化，提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

2 數(shù)控夾具壓力控制系統(tǒng)設(shè)計方案

以變速器后蓋殼體的工藝系統(tǒng)為研究對象，主要研究適應(yīng)不同加工尺寸系列、不同數(shù)控加工步切削力的數(shù)控夾具變夾緊力控制技術(shù)和控制系統(tǒng)，達(dá)到保證加工精度和提高勞動生產(chǎn)效率的目的。

我們采用高速開關(guān)電磁閥將液壓系統(tǒng)與計算機數(shù)字控制相結(jié)合的方案設(shè)計液壓夾具壓力控制系統(tǒng)。高速開關(guān)電磁閥抗污染能力強，響應(yīng)快，造價較低；同時，PID 閉環(huán)控制可確保系統(tǒng)在加壓過程或者受到擾動時能很快恢復(fù)到預(yù)定的壓力大小。該智能液壓夾具適應(yīng)性控制系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)。

高速開關(guān)電磁閥的夾緊力控制原理[1]是通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）脈沖信號控制進(jìn)入和流出高速開關(guān)電磁閥的流量，控制液壓缸內(nèi)壓力的變化。當(dāng)進(jìn)行壓力控制時，高速開關(guān)電磁閥的控制油口可交替地與進(jìn)、出油口相通。夾緊過程中壓力需要升高時，可延長控制口與進(jìn)油口相通時間；壓力需要降低時，可延長控制口與回油口相通的時間。在PWM作用下，使控制油口與進(jìn)油口或回油口接通的時間長短不同，從而實現(xiàn)控制壓力高低的目標(biāo)，最終達(dá)到控制夾緊力的目的[2]。

3 液壓子系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)是數(shù)控夾具夾緊力控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分。在設(shè)計時考慮液壓系統(tǒng)的壓力控制的基本要求。

①七個夾緊液壓油缸夾緊力相同；

②夾緊時，三處固定支撐為先，四處浮動支撐為后；

③實現(xiàn)密封加工。

以設(shè)計要求為前提，通過夾具系統(tǒng)負(fù)載和液壓系統(tǒng)工況分析，初選系統(tǒng)工作壓力，選定4.5MPa。

液壓子系統(tǒng)的設(shè)計圖見圖1。

圖1 液壓子系統(tǒng)的設(shè)計圖

根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計要求，列出部分選型如下：

①順序閥：嘉剛VLG-3A；②直線缸：嘉剛CTC-20B；③推缸：嘉剛CHTB-SDMB25×20N；④支撐缸：嘉剛CSP-45BL；夾具夾緊工件分四個動作完成，液壓夾具設(shè)計為低壓、雙動、常壓油路，最大壓力為7MPa，工作壓力為4.5MPa，油路設(shè)計為內(nèi)置式。一序工件進(jìn)入夾具后，毛坯底面與夾具上的三個支撐塊上端接觸，兩個預(yù)鑄毛坯孔分別套入到三點及兩點漲銷套筒中，此時完成工件的定位；啟動液壓站供油，壓力油首先進(jìn)入到三點及兩點漲銷套筒下端的直線推缸中，對工件進(jìn)行定位；完成后第一只順序閥打開，壓力油分別進(jìn)入到三個支撐塊相對應(yīng)的側(cè)抱機構(gòu)的直線油缸中，帶動鉸鏈機構(gòu)對工件進(jìn)行主壓緊；完成后第二只順序閥打開，輔助支撐缸工作對工件進(jìn)行輔助支撐；完成后第三只順序閥打開，壓力油進(jìn)入到其余的側(cè)抱機構(gòu)的直線油缸中，對工件進(jìn)行輔助壓緊，至此完成了一個工件的定位及夾緊。

4 PLC 控制子系統(tǒng)設(shè)計

PLC 控制子系統(tǒng)的核心任務(wù)就是實現(xiàn)夾緊力的控制。PLC 根據(jù)控制臺發(fā)出指令，控制電機、溢流閥、換向閥以及高速開關(guān)電磁閥等各輸出點的動作。在進(jìn)行夾緊力控制時，PLC把經(jīng)壓力變送器采樣而得的壓力值與預(yù)置壓力進(jìn)行比較，通過PID 環(huán)節(jié)，輸出所需的PWM 脈沖。在此基礎(chǔ)上，PLC還具備自動功能、調(diào)整功能、報警功能、誤操作防止功能、I/O 點數(shù)的估計等功能[3]。

PLC 控制子系統(tǒng)包括PLC、擴(kuò)展模塊及PLC 的外部設(shè)備，包括輸入設(shè)備（如操作按鈕、開關(guān)量及模擬量輸入信號等）、執(zhí)行元件（如接觸器的線圈、電磁閥的線圈、指示燈等），以及控制臺、控制柜、控制面板等。

依據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)，初步擬用臺達(dá)DVP-14SS2 作為夾緊動作控制的核心，為了控制電機、卸荷溢流閥及兩個三位四通閥的通斷，選用具有8個輸出點的E WIKA A-10 型壓力變送器輸出模塊。通過分析CPU 和擴(kuò)展模塊，計算電源容量和對I/O 地址進(jìn)行分配，根據(jù)輸入/輸出元件地址分配表以及PLC 的端子連線規(guī)定。此外，設(shè)計的控制面板和控制柜以方便工作人員對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行靈活的操作和控制。

5 人機交互子系統(tǒng)的實現(xiàn)

人機交互子系統(tǒng)用于方便用戶與計算機的交互，便于用戶控制夾緊力和監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，人機互子系統(tǒng)由一臺計算機、及相應(yīng)的開發(fā)程序所共同構(gòu)成。通過配置設(shè)備、定義變量及壓力顯示控制函數(shù)、畫面設(shè)計等步驟完成對組態(tài)網(wǎng)監(jiān)控程序的設(shè)計，以方便工作人員對系統(tǒng)的靈活操作。

6 實際使用效果

為了檢查系統(tǒng)運行的正確性和有效性，驗證系統(tǒng)是否達(dá)到了設(shè)計要求，對系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計參數(shù)、性能等內(nèi)容進(jìn)行綜合、全面的檢驗。系統(tǒng)在調(diào)整狀態(tài)、自動預(yù)置狀態(tài)以及自動實時狀態(tài)下，液壓站、電磁閥、各液壓缸完全按預(yù)定控制動作運動。PLC 輸出波形與固態(tài)繼電器輸出波形一致，反映了高速開關(guān)電磁閥可以按預(yù)定要求工作。通過夾緊力階躍響應(yīng)曲線，得到了系統(tǒng)的性能參數(shù)：夾緊力控制在7MPa 以內(nèi)；受到壓力變送器的精度為1%的限制，夾緊力的控制精度為±2N。

7 結(jié)語

液壓夾具作為生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其智能化的推進(jìn)將大幅提高生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量的一致性。基于高速開關(guān)電磁閥控制原理，通過壓力變送器、測壓接頭、PLC控制系統(tǒng)實時監(jiān)控各路油壓，并及時反饋加工現(xiàn)場，省時、高效?，F(xiàn)場操作者可準(zhǔn)確的看到每一路的壓力值，高于或低于額定壓力的情況下，信號會通過指示燈報警，操作者會重新調(diào)整工件狀態(tài)，查找報警原因，更有效的對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，降低不合格品的流出。我們也將繼續(xù)提升智能液壓夾具的自主開發(fā)能力，為公司生產(chǎn)線的智能化做出自己的貢獻(xiàn)。