旋压成形液压机液压系统及控制系统的设计.pdf

2 0 1 1年 4月 第3 9卷 第 8期 机床 与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ． 0 1 7 旋压成形液压机液压 系统及控制系统的设 计 李卫 民，丛树 阳 辽 宁工业大学，辽宁锦 州 1 2 1 0 0 1 摘要 通过对旋压液压机的工况的分析 ，确定了设计 方案，制定了完成旋压加工的旋压液压机液压原理图，没计‘ 了液 压系统的液压泵站 ，采用 C A D技术设计了集成式液压系统的集成块阀组；其控制系统是以液压系统的动作顺序和 自动控制 原理为基础，采用 P L C和触摸屏联合编程技术、P L C程序开发软件编程模拟、人机界面运用组态软件进行组态和编程、 P L C和人机界面的通讯等技术，解决了旋压液压机液压系统中各部件技术参数的确定与选用、自动控制程序的设计、人机 界面的控制设计等关键问题。 关键词旋压成型；液压机；P L C ；人机界面；液压 系统；自动控制 中图分类号 T G 3 1 5 ． 4 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 8 0 6 9 4 De s i g n o f S p i n ni ng Fo r mi ng Hy dr a u l i c Pr e s s ’ S Hyd r a ul i c s a nd Co n t r o l Sy s t e m LI W e i mi n， CONG S h u y a ng L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，J i n z h o u L i a o n i n g 1 2 1 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A f t e r c a r e f u l a n a l y z i n g t h e w o r k o f t h e h y d r o s t a t i c p r e s s ， t h e d e s i g n p r o j e e t w a s d e t e r mi n e d ， h y d r a u l i c s c h e m a t i c d i a g r a m o f h y d r a u l i c s p i n n i n g p r e s s w a s f o r mu l a t e d，a n d p u mp s t a t i o n s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s d e s i g n e d ．Us i n g C AD t e c h n o l o g y d e s i g n e d i nt e g r a t e d v a l v e s o f t he h y d r a ul i c s y s t e m．Th e c o n t r o l s y s t e m wa s b a s e d o n t h e mo ve me nt s e q ue n c e o f hy d r a u l i c s y s t e m a n d t he p r i n c i p l e o f a u t o ma t i c c o n t r o 1 ．T h r o u g h u s i n g t h e P L C a n d t o u c h s c r e e n j o i n t p r o g r a m m i n g ， P I C p r o gra m d e v e l o p me n t s i m u l a t i o n s o ft w a r e ，t h e u s e o f ma n ma c h i n e i n t e rfa c e c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e f o r c o n figu r a t i o n a n d p r o g r a mmi n g a n d P L C a n d h u ma n ma c h i n e i n t e rfa c e t e c hn o l o g y o f c o mmu n i c a t i o n，t he k e y i s s u e s o f de t e r mi n i ng a n d s e l e c t i on o f c omp o n en t s a n d t e c hn i ca l p a r a me t e r s i n h y dr a u l i c s y s t e m o f t h e h y d r a u l i c s p i n n i n g ma c h i n e h a v e b e e n s o l v e d，a s we l l a s t o t h e d e s i g n o f a u t o ma t i c c o n t r o l p r o c e d u r e s a n d t h e c o n t r o l d e s i g n o f ma n ma c h i n e i n t e r f a ee ． Ke y wor dsS p i n ni n g f o r mi n g；Hy d r o s t a t i c p r e s s ；PLC； Ma n ma c h i n e i n t e rfa c e； Hy d r a ul i c s y s t e m ；Aut o ma t i c c o nt r o l “ V ”型槽皮带 轮是 一重要的机械传 动零件 ，其 用于汽车、农业机械、纺织机械等各种机械传动设备 上 ，用途 十分广 泛 。 “ V”型皮 带轮 的传 统制造 工艺 是采用铸造 毛坯 经切削加工制成 的。采用这种方法 制 作的皮带轮不仅笨重而且转动惯量大，在启、制动中 耗 能高，在加工过程 中要去 除大量金属材料 ，不仅浪 费 了材 料 而 且 生 产 条 件 差 。 由 于铸 造 质 量 不 均 匀 砂 眼、气孔 等 ，所 以每个 皮带 轮均 需进 行 平衡 处 理 ，因而生产效率低 ，成本高 。 2 0世纪 7 0年代 ，在机械产 品上 已较多 地采用 了 由金属钣 材制作的带轮 ，钣制带轮最早是采 用冲压方 法制作 的 ，即将 钣 材用 模 具 冲压 成两 个 同样 的碟形 件 ，并将这们 背靠 背地用铆接或焊接为一体形成一 个 单槽带 轮。这种方法 只能制作单槽带轮 ，由于是分体 结构 ，产 品的尺寸精度低 ；钣 制皮带轮的另一种制造 工艺是液压胀形法 ，该方法是将钣坯先拉深成带有凸 肩 的圆筒形预制 毛坯 ，然后 将 预制坯放 在 液压 机上 ， 以高压油为凸模和分瓣、分段的金属凹模经加压胀形 而成 。采用 这 种方 法 生产 的 皮带 轮 通 常称 为 “ 胀 压 轮 ” 。液压胀 形法制造 带轮 生产效 率较 高 ，但 是模 具 十分 复杂 ，而且没有通用性 ，因而成本 高 。 为了克 服上 述缺点 ，采用旋压技术设计 了液压旋 压成形机床完成 “ V ”型槽皮带轮的加工。该机床具 有性能优越 ，功能完善 ，工作可靠，工艺先进 ，产品 美观 ，材料节省 ，能耗合 理 ，结构科学 ，易于操作等 独特性能 。由于旋 压带轮 需较 大 的轴 向力和 径 向力 ， 为增加主机 的刚度 ，整机 采用类似液压机 的三梁 四柱 式 结构 。其 中包括 两个 固定 式平 台 ．一个 活 动平 台 ， 四根立 柱及基座等部分 。为了适应 多齿 轮旋压工艺要 求 ，该 机床旋压机构采用三旋轮 座式 ，主轴旋转 由变 频器 马达控 制 ，考 虑 到加 工 各种 旋 压轮 的 速度 不 一 样 ，采用变频控 制 ，能无 级 调速 ，还 具有 刹 车停 止 、 瞬 间起 动 的功 能 。液 压 系统 部 分设 计 合 理 ，操 作方 便。电气系统采用 P L C控制 ，控制面板上加触摸屏 ， 使调模人员能根据要求选择不同槽型的带轮，修改旋 压参数 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 51 4 基金项目辽宁省优秀人才基金资助项 目 2 0 0 9 R 3 4 作者简介李卫民 1 9 6 5 一 ，男 ，博士，教授，从事协 同设计与制造技术、C A D ／ C A E ／ C A P P ／ C A M ／ P D M ／ E R P等技术的科 研 和教学工作 。电话 0 4 1 6 4 1 9 8 0 0 7 ，Em a i l l i w m q h 1 6 3 ． c o rn。 7 O 机床与液压 第 3 9卷 1 旋压液压机的工作原理 旋压液压机的工作原理分为三部分，分别为机械 系统 、液压 与气压 系统和控 制系统。 1 机械部分。机械部分采用主体框架三梁四 柱式结构 ，由合模系统、旋压系统、马达传动系统等 构成 。 2 液压与 气压 部 分。结 合机 械 结 构 ，液 压缸 依次进行顺序动作 ，由 1 个合模液压缸、1 个顶出缸 和3 个推制液压缸组成。根据工作状况首先有合模液 压缸动作 ，产生合模压力 ，压住工件 ，随后进行三次 推制旋压动作，对工件进行成型加工 ，旋压系统如图 1所示 。 图 1 旋压液压机旋压系统简图 3 控制部分。采用 P L C控制，控制面板上配 有触摸屏 ，控制旋压液压机 的液压 系统 自动完成要求 的全部动作。P L C和触摸屏的使用不仅方便使用者的 操作 ，使调模人员能根据要求选择不同槽型的带轮， 修改旋压加工的参数，而且提高了控制精度 ，加强了 稳定性和抗干扰能力，延长了使用寿命。 2液压系统设计 液压与气压系统原理 图如 图 2所示 。该系统具有 以下特点和功能 。 1 节 能 合模缸快速下行采用了靠运动件 自重滑落，大流 量低压泵和小流量高压泵联合供油的方案，极大地减 小了液压泵站的能量消耗 ；系统所有的执行器公用一 组并联的液压泵，提高了能源的利用效率。当工艺要 求 需改 变执行器的速度时 ，可调节变量泵的排量 ，以 满足不同的流量要求 ；对合模缸及推制缸采取了节流 调速外 ，其他工步均为容积调速，有效地降低了系统 的能耗 ；各执行器都处 于停 止状态 时 ，液 压泵均采取 了卸载措施 ，也 为系统减 小了能耗 。 2 互锁 各工步所用液压换 向阀串联，实现 了合模与旋 压 、顶 出与活 动横梁 间动作 的互锁 ，保证 了系统 的安 全 。 图2 液压与气压系统原理图 第 8期 李卫 民 等 旋压成形液压机 液压 系统及控制 系统 的设计 7 l 3 高质量光栅尺控制旋压精度 三次旋压 的进 给量 由高质量光栅尺控制液压缸 进 给量 ，这不但使旋压动作工作 平稳 ，而且保证 了产 品 的成形质量 。 4 可编程序控制器控制 该系统的运行采用 了可 编程 序控制 器进 行控 制 ， 可以实现调整 、手动及 自动工作方式 。期 间的转换及 产品更 换 时对各 参 数 的调 整 均很 方便 ，系 统工 作 可 靠 。 5 专用 的过滤 系统 液压泵站设 置了专用的过滤系统 ，提高 了系统油 液 的清 洁度 ，粗过 滤器及 精过 滤器均 置 于油箱 之外 ， 清洗 、更换十分方便 。 6 采用 了 C A D技术设计 的液压集成 块 该液压系统 中的所有液 压控制 阀均采用 了板式连 接，安置在液压集成块上 ，装配、调整、更换 、维修 及保 养均 很方 便 。阀块 采 用 了 C A D软 件 进 行 设 计 ， 不但 极大地提高 了设 计效 率 ，而且 保证 了设 计质 量 ， 减小 了阀块 的材料消耗 。 3人机 界面 设计 所谓人机界面就是我们通常说的触摸屏 ，人机交 流采用触摸屏技术 ，操作简单，内容丰富。作者选择 的是 台达公 司生产 的人机 界面 ，台达人机界面产 品拥 有人性化 的使用接 口，也 有高速的硬件架构 。 3 ． 1 触摸 屏 与 P L C的连接 为 了实现触 摸屏 与 P L C的连 接 ，制作 了一 条连接线。其连接 如 图 3所示 。首先 把触 摸 屏 接 口的 1脚 和 4脚 短 接 ，2脚 和 3脚 短 接 ， 图3 触摸屏与 P L C的连线 然后把触摸屏接 口的 1 、4脚与 P L C接口的8脚连接 ， 触摸屏接 口的 2 、3脚 与 P L C接 口的 3脚 连接 ，触 摸 屏接 口的 5脚与 P L C接 口的 5脚连接 。 3 ． 2人机 界 面的 画 面设计 工作 的过程 中通过触摸屏能够实 现的功能和要求 有 1 可 以 自动控 制 ， 自由启 动和停 止 ； 2 可 以进行参数化设 置 ； 3 可 以点 动 ，设 置增 量 ，按 输入的数据进行位移； 4 可也施行即时修改各种 设计； 5 遇到机械故障或异常可以报警。 图 4是设置 的操作 目录 ，图 5为参 数设 置界 面 ， 图 6为手 动操作 界面 ，图 7为 自动控制操作界 面。 图 4操作 目录 图 5 参数 设置界面 图 6 手动操作 界面 图7 自动控制操作界面 4 P L C控制程序设计 4 ． 1 输 入输 出点 的确定 根据液压 系统 的控制要求 ，在结合实 际的工作情 7 2 机床与液压 第 3 9卷 况 ，确定输入点为 1 1 点 ，输出点数为 2 2 。 4 ． 2 P L C的确 定 根据输入输出点数 ，选定满足要求的 P L C型号 ， 由于输 出点数较 多 ，还需要确定扩展模块 。在该 系统 中使用 S I E ME N S s 7 _ 2 0 0系列 C P U 2 2 6 D C ／ D C ／ D C型 号 的 P L C。 4 ． 3 P L C扩展模 块 的确 定 在该控制系统 中，有 4个模 拟量输入还有较多数 字量输 出，所 以需 要 扩展模 拟 量 I ／ O模 块 和数 字 量 VO模块 。 模拟量模块 E M 2 3 5 6 E S 7 2 3 5 _ D 2 2 Ⅺ ，四输 入一输 出，电压输出为 一1 0 V一十1 0 V，电流 输 出为 0～ 2 0 m A，数据字格式电压 一 3 2 0 0 0～ 3 2 0 0 0 ，电流 0～ 3 2 0 0 0。 数字量 模 块 E M 2 2 2 模 块 描述 ，E M 2 2 2 D O 8 2 4 V D C，8输 出。 4 ． 4控制 系统 设计 旋压液压机是 机电液一体化产品 ，控制系统是液 压机 中十分 重要 的部 分 ，它主 要 的任务 是 将液 压 系 统、机械 系统 与 P L C控制 联 系起来 ，进 行 P L C与人 机界 面的通 讯 ，完 成设计 的各项 动作要求 。 5结论 该设计 把现代设计技 术和和传统的机械系统设计 理论相结合 ，完成了旋压液压机液压系统和控制系统 的设计 。该旋压机具有 以下优点 。 1 克服了以往带轮加工采用铸造毛坯经切削 加工或金属钣材制作 的缺点 ，采用液压旋压成形机床 完成槽皮带轮 的加工 ，其性能优越 ，材料节省 ，生产 效率高 ，产品精度高。 2 旋压带轮需较大的轴向力和径 向力，为增 加主机 的刚度 ，采用 了类 似 液压 机 的三梁 四柱式 结 构。主轴旋转由变频器马达控制，考虑到做各种旋压 轮的速度不一样 ，由变频控制 ，能无级调速 ，还能做 到刹车停止 、瞬间起动 。 3 液压与气压系统部分设计方案合理，采用 C A D技术设计 了集成式 液压 系统 ，调试 、操作方便 。 4 控制 系统采 用 P L C控 制 ，控制 面板 上配 有 触摸屏 ，P L C和触摸屏 的使用不仅方便使用者 的操 作 ，使调模人员能根据要求选择不同槽型的带轮，修 改旋压加工的参数 ，而且提高了控制精度，加强了稳 定性和抗干扰能力，延长了使用寿命。 参考文献 【 1 】 廖常初． 西 门子人机界面 触摸屏 组态与应用技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 1 0 ． 【 2 】 吴中俊 ， 黄永红． 可编程序控制器原理及应用 [ M] ． 北 京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． 4 ． 【 3 】王成和， 刘克璋． 旋压技术[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 2 O O 6． 9． 【 4 】 F a v r e P a t ri c k ， C a n d o l fi c e c h i c ， S c h n e i d e r M a r k u s ， e t a1 ． C o m - mO B mo d e c u r r e n t a n d r a d i a t i o il sme c h a n i s msi n P L C n e t w o r k s [ J ] ． J o u r n a l o f E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 7 ， 4 3 4 8 9 4 6 4 8 ． 上接第 6 8页 了既 能反 映系统 内在本质 特性 、又能简 化分析 和计算 工作的压电双晶片气动伺服阀的数学模型。 3 M a t l a b和 A ME S i m软件仿真分析结果表明 压电气动伺服阀的频率为 9 5 0 H z ，频宽达到 1 3 4 8 H z ，响应时间为 2 ． 3 m s ，并且能对输入信号进行快 速 、精确 的跟踪 。 4 压电双 晶 片气动 伺服 阀 比压 电陶 瓷叠堆 驱 动 的直动式压 电气动伺服 阀的响应速度更快 、频带更 宽、阀芯的移动位移更大 ，并且能很好地和现场总线 配合 ，这对实现 控制系统 的集成化 、高速化和更好地 适用性有着重要 的意义 。 参考文献 【 1 】左键民． 液压与气压传动[ M] ． 2版． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】陶湘厅 ， 袁锐波， 罗 ． 气动机械手的应用现状及发展前 景 [ J ] ． 机床 与液 压 ， 2 0 0 7， 3 5 8 2 2 6 2 2 8 ． 【 3 】章宏甲， 王积伟 ， 黄谊． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械 工、 i 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】L I N D L E R J E， A N D E R S O N E H ． P i e z o e l e c t r i c D i r e c t D r i v e S e r v o V a v l e [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f S P I E t h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y f o r Op t i c al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 4 8 84 9 6 ． 【 5 】崔玉国． 压电陶瓷 自感知执行器及其驱动微动工作台控 制方法的研究[ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 3 ． 【 6 】Y O K O T A S ， S O M A D A H， Y A MA G U C H I H． S t u d y o n a n A c t i v e A c c u m u l a t o r [ J ] ． J S ME I n t e r n a t i o n a l J o u m al B ， 1 9 9 6 ， 3 9 1 1 1 91 2 4 ． 【 7 】李永堂， 雷步芳． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北京 冶金 工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 8 】T A F v r C K， HE R R I C K B M． A P r o p o r t i o n al P i e z o e l e c t r i c E l e c t r o fl u i d i c P n e u ma t i c V al v e D e s i g n [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f A S M E， 1 9 8 1 ， 1 0 3 4 3 6 1 3 6 5 ． 【 9 】 J S A ． P n e u m a t i c S y s t e m - 2 一 p o r t S o l e n o i d V al v e s ． J I S B 8 3 7 3 ， 1 9 93． 【 1 0 】G E P ， J O U A N E H M． M o d e l i n g o f H y s t e r e s i s i n P i e z o c e r a m i c A c t u a t o r s [ J ] ． P r e c i s i o n E n gi n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 1 7 3 21 12 21． 【 l 1 】付永领， 祁晓野． A M E s i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ．