液壓頂出試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 鋒，董曉鵬，顧 澤，郭云斌

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司 鍛造技術(shù)研究所，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，為降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和材料利用率，國內(nèi)外制造工業(yè)廣泛采用各種先進(jìn)的無切削、少切削工藝，比如精密沖壓、精密鍛造、壓力鑄造、冷擠壓、熱擠壓以及等溫超塑性成形等新工藝技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工工藝。

在熱模鍛自動(dòng)生產(chǎn)過程中，大部分的鍛造工藝需要通過頂出機(jī)構(gòu)將工件與模具分離，通過分離將工件移送至下一工序進(jìn)行鍛造或其他處理。以往在手工鍛造后，通過機(jī)械式人工手動(dòng)頂出，將工件從模腔中由人工夾取。但隨著鍛造產(chǎn)品自動(dòng)化程度不斷提高，人工頂出不再適合鍛造自動(dòng)化的工藝發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的液壓頂出試驗(yàn)平臺(tái)，主要針對(duì)不同工況的鍛造自動(dòng)化頂出進(jìn)行控制，保證液壓系統(tǒng)在生產(chǎn)調(diào)試過程中，能模擬不同的工況要求，減少實(shí)際安裝使用調(diào)試時(shí)間，盡早對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 工作示意及流程背景

以4 工位鍛造為例進(jìn)行敘述。如圖1 所示，該零件鍛造工藝為：下料→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→沖孔。

圖1 工序圖

工藝流程如下：①在第一工位采用成形鐓粗，形成預(yù)鍛的定位；第二工位主要成形法蘭面和柄部，留作終鍛保留下壓量成形細(xì)柄；第三工位主要是擠細(xì)柄和深孔，并成形其余部分，中間細(xì)孔深擠有利于底部成形；第四工位是沖孔，將中間廢料沖掉；②在鍛造過程中第二、三、四工位需要上頂出或者下頂對(duì)工件進(jìn)行管制，保證鍛造過程中不跳料或工件頂起正常；③上下頂桿的啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)、結(jié)束節(jié)點(diǎn)根據(jù)工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證工件正常夾取轉(zhuǎn)移。

1.2 數(shù)據(jù)接收與處理流程

如圖2 所示，在觸摸屏上選擇工作模式、液壓參數(shù)、設(shè)置檢測溫度。通過觸摸屏與PLC 通訊，將相關(guān)數(shù)據(jù)寫進(jìn)PLC，PLC 與自動(dòng)化機(jī)器人、主機(jī)角度編碼器通過MODBUS 通訊，采集相關(guān)需要的數(shù)據(jù)，PLC 將各傳感器的相關(guān)模擬量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，存入到PLC 中進(jìn)行處理。PLC 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

圖2 框架圖

1.3 配置表

以IMF 溫度及壓力傳感器、三菱PLC、三菱觸摸屏為例，配置如表1 所示。

表1 系統(tǒng)配置表

1.4 通訊協(xié)議

觸摸屏與PLC 通訊協(xié)議如圖3 所示。

圖3 通訊協(xié)議圖

角度編碼器、機(jī)器人（上位機(jī)）與試驗(yàn)平臺(tái)通訊，采用MODBUS 通訊協(xié)議，采用MODBUS_RTU 協(xié)議的命令子集，使用讀寄存器命令（0x03）和預(yù)置寄存器命令（0x06），每消息的開頭和結(jié)尾至少有3.5 個(gè)字節(jié)的時(shí)間間隔。波特率：默認(rèn)為9600bps。幀格式：1位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，停止位/奇、偶校驗(yàn)可設(shè)置（默認(rèn)停止位為1 的無校驗(yàn)，數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制）。

1.5 IFM 溫度、壓力傳感器

相關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù)，PLC 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，監(jiān)控整個(gè)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)。根據(jù)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，對(duì)相關(guān)閥組進(jìn)行控制，調(diào)整整個(gè)液壓系統(tǒng)狀態(tài)，使之處于最佳工作狀態(tài)。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 工作流程

以單獨(dú)一個(gè)頂出頂桿系統(tǒng)為例，其基本工作流程、邏輯控制敘述如下。表2 為頂出系統(tǒng)分配表。圖4 為液壓系統(tǒng)工作原理。

表2 分配表

圖4 液壓系統(tǒng)原理示意圖

（1）根據(jù)液壓系統(tǒng)要求，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，啟動(dòng)液壓系統(tǒng)電機(jī)；

（2）液壓系統(tǒng)開始工作，所有閥組處于待機(jī)狀態(tài)；

（3）根據(jù)液壓頂出系統(tǒng)工作模式，對(duì)頂出的啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，首先液壓系統(tǒng)主閥打開，通過高壓油管頂出頂桿；

（4）根據(jù)退回信號(hào)工作模式，對(duì)頂出的頂桿實(shí)施退回的信號(hào)。

3 程序編寫與畫面設(shè)計(jì)

3.1 程序工作動(dòng)作流程

如圖5 所示，對(duì)液壓站系統(tǒng)的各個(gè)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，選擇運(yùn)行模式，設(shè)置相關(guān)壓力儀表數(shù)據(jù)如溫度、壓力、液位等，保證液壓系統(tǒng)適配不同的頂出工況。

圖5 參數(shù)設(shè)置畫面

（1）模式選擇。手動(dòng)模式：通過角度編碼器，與主機(jī)連接，將主機(jī)的實(shí)時(shí)角度通過MODBUS 通訊進(jìn)行處理，根據(jù)鍛造主機(jī)的工作角度隨時(shí)進(jìn)行頂出的啟動(dòng)角度的調(diào)整；自動(dòng)模式：通過通訊將機(jī)械人（上位機(jī)）的啟動(dòng)信號(hào)。

（2）參數(shù)設(shè)置。通過對(duì)系統(tǒng)壓力的設(shè)置，調(diào)整液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力值；通過對(duì)頂出壓力的設(shè)置，調(diào)整頂出油壓的頂出壓力；通過系統(tǒng)溫度的設(shè)置，檢測系統(tǒng)油路溫度；通過系統(tǒng)液位的設(shè)置，檢測系統(tǒng)油路液位；通過以上參數(shù)的設(shè)置，對(duì)不同工況的頂出進(jìn)行試驗(yàn)，以達(dá)到最好的頂出效果；

3.2 程序編寫

（1）PLC 程序（部分），如圖6 所示。

圖6 PLC 程序（部分）

4 結(jié)束語

這種直觀、簡單的操作模式，能夠適應(yīng)大部分鍛造頂出系統(tǒng)，解決了工件脫模分離工藝的問題，對(duì)于不同頂出工況的頂出系統(tǒng)，可以通過調(diào)整試驗(yàn)平臺(tái)的參數(shù)，相應(yīng)改變頂出的實(shí)際使用工況，滿足不同工況下的頂出要求。通過通訊協(xié)議有效地與主機(jī)及機(jī)械人（上位機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，增加了系統(tǒng)的柔性，方便自動(dòng)化產(chǎn)線的對(duì)接與使用。