基于PLC和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统设计.pdf

2 0 1 3年 1 1月 第4 1 卷 第 2 2期 机床与液压 MACH{ NE T OOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 0l 3 Vo l _ 41 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 2 ． 0 4 8 基于 P L C和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统设计 闵文军 ，韩玉勇 ，鲁大伟 ，张燕 ，齐帅 1 ．枣庄科技职业学院机械工程 系，山东枣庄 2 7 7 0 0 0 ； 2 ．中国矿业大学机 电工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要针对数控加工中传统夹具生产效率低 、夹紧力不可控等问题，以发动机缸盖的加工工艺系统为研究对象 ，基于 高速开关电磁阀控制原理，设计了一种以 P L C为基础的数控夹具压力控制系统，给出了该系统中液压系统、P L C控制系统 和人机交互系统的详细设计方案。该系统能够很好地适应加工过程中切削力的变化 ，在一定程度上提高了生产效率和加工 质量 。最后通过测试 实验验证 了系统的可行性 。 关键词夹具 ；高速开关电磁阀；P L C；压力控制系统 中图分类号T H1 3 ； T P 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 21 3 63 De s i g n o f Pr e s s ur e Co nt r o l Sy s t e m f o r Nume r i c a l Co n t r o l Fi x t ur e Ba s e d o n PLC a nd Hi g h s pe e d Swi t c h El e c t r o ma g n e t i c Va l v e MI N We n j u n ， H A N Y u y o n g ，L U D a w e i ， Z H A N G Y a n ， Q t S h u a i 1 ． D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Z a o z h u a n g V o c a t i o n a l C o l l e g e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Za o z h u a n g S ha n d o n g 2 7 7 00 0，Ch i n a； 2 ．Co l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t ric a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Uni v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o gy ， Xu z h o u J i a n g s u 2 2 1 1 1 6，C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e p r o b l e ms o f l o w p r o d u c t i o n e ffic i e n c y a n d u n c o n t r o l l a b l e c l a mp i n g f o r c e f o r t h e t r a d i t i o n a l fi x t u r e i n NC ma c h i n i n g，t h e ma c h i n i n g p r o c e s s s y s t e m o f e n g i n e c y l i n d e r h e a d w a s s t u d i e d ． B a s e d o n t h e h i g h s p e e d s w i t c h e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e c o n t r o l p ri n c i p l e a n d P L C，NC fi x t u r e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m wa s d e s i g n e d ． D e t a i l e d d e s i g n s c h e me s f o r t h e h y d r a u l i c s y s t e m， P L C c o n t r o l s y s t e m a n d h u ma n ma c h i n e i n t e r a c t i v e s y s t e m w e r e p r e s e n t e d ．T h e s y s t e m c o u l d b e we l l a d a p t e d t o t h e c h a n g e o f c u t t i n g f o r c e i n t h e p r o c e s s ，S O t h e p r o d u c t i o n e ffi c i e n c y a n d p r o c e s s i n g q u a l i t y we r e i mp r o v e d ．F i n a l l y t h e f e a s i b i l i t y o f t h e s y s t e m wa s v e ri fi e d t h r o u g h e x pe rime n t ． Ke y wo r d s F i x t u r e ；Hi g h s p e e d s w i t c h e l e c t r o ma g n e t i c v alv e ；P L C；P r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m 随着机械制造业的迅猛发展 ，柔性化 、智能化和 信息化 已成为 2 1 世 纪机械 制造 业发 展 的总趋势 ，生 产效率和产品的加工质量更是制造中备受关注的核心 问题。夹具是制造系统的重要组成部分 ，对加工质 量、生产率和生产成本都有着极其重要的影响。在数 控加工中使用传统夹具时，除了自动化程度低 、生产 效率低外，其夹紧力不可控，不能适应切削力的变 化 ，对一些结构复杂 、精度要求高而且刚性小的薄壁 零件，很难获得较高的加工质量。为解决这个问题， 以高速开关 电磁 阀原 理⋯ 和 P L C为基 础 ，设 计 了一 种数控夹具适应性控制系统 ，该系统能够很好地适应 加工过 程中切 削力的变化 ，在一定 程度上提高 了生产 效率和加工质量 。 1 总体方案设计 以发动机缸盖的加工工艺系统为研究对象 ，主要 研究适应不同加工尺寸系列 、不同数控加工工步切削 力的数控夹具变夹紧力控制技术和控制系统 ，解决加 工这类产 品时缺乏与先进工艺技术及先进设 备配套 的 数控夹具的问题 ，达到保证加工精度和提高劳动生产 率的 目的 。 目前，通过高速开关电磁阀将液压系统与计算机 数字控制相结 合 是 当前液 压 控制 系统 发 展 的热 点 之 一 。设计时采用液压控制 ，可实现液 压执行部分 同液 压 站及控 制部分 的分离 ，以减小控制系统位于工作 台 上的体积。且基于高速开关电磁阀的液压控制系统 ， 抗污染能力强，响应快，造价较低。同时，闭环控制 保证了控制精度 ， P I D确保系统在加压过程或者受到 扰动时能很快回复到预定的压力大小。该数控夹具适 应性控 制系统主要包括 3个子 系统 液压系统 、P L C 控制系统和人机交互系统 ，如图 1 所示 。 收稿 日期 2 0 1 21 01 6 作者简介闵文军 1 9 8 4 一 ，男 ，工程硕士，助理讲师，主要从事机械制造工艺及机床夹具设计等方向的研究。Em a i l m i n w e n j u n z z 1 6 3 ． c o m。 第 2 2期 闵文军 等 基于 P L C和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统设计 。1 3 7 图 1 数控夹具适应性控制系统图 2 高速开关电磁阀的夹紧力控制原理 高速开关 电磁阀是通过 P WM 脉冲宽度调制 信号控制的 ] 。通过 P WM脉冲信号控制进入和流出 高速开关电磁 阀的流量，可控制液压缸 内压力的变 化。当进行压力控制时，高速开关电磁阀的控制油口 可交替地与进、出油 口相通。控制腔压力需要升高 时，可延长控制口与进油口相通时间；控制腔压力需 广⋯⋯‘⋯⋯。一 要降低时 ，可 延 长控 制 口与 回油 口相 通 的 时间 。在 P WM波作用下，使控制油口与进油 口或回油口接通 的时间长短不同，从而实现控制压力高低的目标 ，最 终达到控制夹紧力的目的。 3 液压系统设计 液压系统是数控夹具夹紧力控制系统 的执行部 分。在设计时考虑液压系统的设计要求 1 两夹紧液压油缸夹紧力相 同； 2 夹紧时，缸盖两端为先，中间部分为后； 3 实现密封加工。 以设计要求为前提，通过夹具系统负载和液压系 统工况分析，初选系统工作压力 ，选定 E N E R P A C公 司的 S L L D - 9 2转臂转动液压缸和 H A WE公司的 R 2 ． 5 型径向柱塞泵，最终制定液压系统基本方案，主要包 括调速方案、压力控制方案和顺序动作等。得出液压 子 系统 的系统 图 ，如 图2所示 。 ● ●_● -- ●_- -_ --__-●_-●-●●-●-● 图2 液压子系统的系统图 根 据系统设计要 求 ，列 出部分选型如下 1 电机。根据工作循环 中液压泵中比较恒定 的压力 和 流量 ，计 算 液压 泵 的驱 动功 率 ，最 终 选取 H A WE公司的 A F 9 0 L ／ 4 0 1 1电机，功率 1 ． 5 k W，转 速 1 4 1 5 r ／ m i n 。 2 液压阀。根据系统中实际通过该阀的最大 流量 和工作 压 力 ，选 取 阀件 。选用 贵州 红林 生 产 的 H S V 一 3 2 0 2 C 7高速开关电磁阀控制压力 ，额定压力 2 0 M P a ，额定流量 9 L ／ m i n ，2 4 V直流驱动，最大工作 频率不小于 2 0 0 H z ，占空 比2 0 ％ ～ 8 0 ％ 。 选 择 H A WE生产 的 B F 0 ／ 2 5 0溢流 阀、G S 2 1电磁 阀通过 V B 1 1 连接块组合成而电磁溢流阀，溢流阀的 额定压力 2 5 M P a ，最大流量 1 2 L ／ m i n 。 选 择 H A WE生产 的型号为 N B V P 1 6 G - 2 4 G的三位 1 3 8 机 床与液压 第 4 l卷 四通 阀 ，额 定 压力 4 0 M P a ，额定 流 量 2 0 L ／ m i n ，通 径 6 m m，2 4 V直流驱动 ，额定功率 2 7 ． 6 W。 选用 E N E R P A C公 司的 V MM D - 0 0 2二位 四通 阀作 为手动阀，以便于切断油路，在蓄能器工作的情况下 保压 。 4 P L C控制子系统设计 P L C控 制子系统的核 心任务 就是实 现夹紧力的控 制。P L C控制子系统由硬件 和软件两部 分组成 。 P L C根据控制台发出指令 ，控制电机 、溢流阀、换向 阀以及高速开关电磁阀等各输出点的动作。在进行夹 紧力控制时 ，P L C把经压力变送 器采样 而得的压力值 与预置压力 进 行 比较 ，通 过 P I D环 节 ，输 出所需 的 P WM脉冲。在此基础上，P L C还具备 自动功能、调 整功能、报警功能、误操作防止功能、I ／ O点数的估 计等功能。 4 ． 1 P L C控 制 子 系统硬件 设计 硬件部分 包括 P L C 、扩展 模块 及 P L C的外 部设 备，包括输入设备 如操作按钮 、开关量及模拟量 输入信号等 、执行元件 如接触器的线圈、电磁阀 的线 圈、指示灯等 ，以及控制 台 、控制 柜 、控制 面 板等 。 依据控制 系统 的设计任务 ，初步拟用西 门子公 司 生产的小型 P L C产品 7 - 2 0 0 P L C 作为夹紧动作控制 的核 心。为 了控制 电机 、卸荷溢 流阀及 两个三位 四通 阀的通断 ，选 用具有 8个 输 出点 的 E M2 2 2继 电器输 出模块。为了对压力变送器传送过来的模拟信号进行 转换，选用具有 4路模拟量输入的 E M2 3 1模拟量输 入模块。通过分析 C P U和扩展模块，计算 电源容量 和对 I ／ O地址进行分配。根据输入／ 输出元件地址分 配表 以及 P L C的端子 连线 规定 ，设 计 出 P L C控 制 系 统接线图 ，如图 3 所示 。此外 ，设计 的控制 面板 和控 制柜以方便工作人员对整个控制系统进行灵活的操作 和控制 。 1 L 、孔特 图3 P L C控制系统接线图 4 ． 2 P L C控 制子 系统软 件设 计 软件部分 即 P L C监控程序，设计后需将其下载 后存储于 P L C的存储器 中。整个系统分调整和 自动 两 个 状 态 ，通 过 S T E P 7 一 Mi c r o ／ WI N 3 2 软 件 对 s 7 2 0 0 P L C进行编程 ，实现 P I D调节器控制 P WM波 以调 节压力 ，从而达到控制夹紧力的目的。通过编制 P L C 监控程序 ，保证了控制系统各部分在指令发出后按要 求完成各自的正确动作 。 5 人机交互子系统的实现 人机交互子系统用于方便用户与计算机的交互， 便于用户控制夹紧力和监控系统的运行状态。人机交 下转第 1 6 2页 1 6 2 机床与液压 第 4 1卷 能是霍尔元件的线路或霍尔元件本身出了问题。用万 用表检测，霍尔元件本身故障。 解决措施 更换新 的霍尔元件 ，再换刀 ，各种动 作均正常 ，故障解 决。 3 ． 2 电动刀架故障诊断实例二 故 障现 象 一 台应 用 F A N U C 0 i 系 统 的数 控 车 床 ，四工位 刀架在换刀过程 中 ，刀架 电机有瞬 时停止 现象 。 故障分析根据故障现象，分析可能是控制换刀 的信号有瞬时中断的情况。在手动换刀方式下，通过 P MC的诊 断功 能 ，观察 刀架 正转 输 出信 号 正常 。考 虑可能是外 围电路 出现 问题 ，对照 电路 图发现可能是 控制刀架正转的中间继电器和交流接触器的触点接触 不 良所致 。 解决方法采用模块置换法，更换控制刀架的中 间继 电器 ，刀架恢复正常 。 4结束语 实际工作中，刀架的故障种类很多 ，具体问题还 要具体分析 ，但根据电动刀架的工作 原理及故 障诊 断 实例 ，还是可以总结一些故障诊断的经验和规律。在 电动刀架的故障诊断与维修中，可以从以下几个方面 考虑 1 首先要仔细观察故障现象 ，准确判断故障 类型 机械或电气故障 。这一点非常关键，关系到 是否能够快速准确解除故障。在观察故障现象时一定 要仔细认真 ，不要放过任何一个细节，不要盲 目下 手。 2 充分 利用 P L C来 进行故 障 诊断 。通过 P L C 程序 可以快 速地诊 断出刀架输 出信号是 否正常 ，从 而 可以快速判断故障 的来源 。 3 根据刀架控制原理及实践经验 ，刀架常见 故障主要发生在刀架的位置检i 贝 4 元件、锁紧装置 、继 电器及接触器触点上 。 4 借助检测工具 、电路图等进行检测和分析， 对刀架故障进行定位。 5 定位 故障后 ，采用更 换 或其 他措 施 解决 故 障。 参考文献 【 1 】 单淑梅， 张爽， 李庭有． D U P L O M A T I C数控回转刀架故障 分析及解决方法[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 1 0 8 1 7 8 ． 【 2 】 刘丽红． 应用发那科系统实现电动刀架在数控车床的应 用[ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 1 1 1 1 2 7 ． 【 3 】 侯晓方． 数控车床电动刀架故障诊断与维修 [ J ] ． 机床 与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 8 7 07 1 ． 【 4 】龚仲华． 数控机床故障诊断与维修5 0 0 例[ M] ． 北京 机 械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】 周兰， 陈少艾． 数控机床故障诊断与维修[ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 7 ． 上接 第 1 3 8页 互子系统 由一 台计算 机 、安装 于计算机上 的组态王软 件 运行环境以及相应的开发程序所共同构成。通过 配置设备 、定义变量及压力显示控制函数 、画面设计 等步骤完成对组态王监控程序的设计 ，以方便工作人 员对系统的灵活操作 。 ’ 6 系统测试 为了检查 系统运行 的正确性和有效性 ，验证系统 是否达到了设计要求 ，对系统硬件和软件设计参数或 指标 、性能等 内容进行综合 、全 面的检验 。系统在调 整状态 、自动预置状 态 以及 自动 实时状 态下 ，电机 、 各电磁阀、各液压缸完全按预定控制动作运动。P L C 输 出波形与 固态继 电器输 出波形一致 ，反映了高速开 关电磁阀可以按预定要求工作。通过夹紧力阶跃响应 曲线，利用齐格勒． 尼柯尔斯第一法确定了控制系统 的 P I D参数 ，得到了系统的性能参数 任一组夹紧力 范围为0～ 6 0 0 0 N；受到压力变送器的精度为 1 ％的 限制，夹紧力的控制精度为 4 0 N。 7结 论 以发动机缸盖的加工工艺系统为研究对象 ，基于 高速开关电磁阀控制原理，设计 出以 P L C为基础的 数控夹具压力控制系统，能够很好地适应缸盖加工过 程中切削力的变化，解决了传统夹具生产效率低、夹 紧力不可控等问题。实验证明，该系统一定程度上提 高了生产效率和加工质量。 参考文献 【 1 】 张忠祥 ， 刘志珍． 高速开关电磁阀的模型分析及控制方 法研究[ J ] ． 电气应用， 2 0 0 7 ， 2 6 1 1 8 8 9 0 ． 【 2 】 刘忠， 龙国键， 褚福磊， 等． 基于高速开关电磁阀技术的 压力控制系统设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 3 3 1 3一l 5 ． 【 3 】黎启柏． 液压元件手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 99 9． 【 4 】 周万珍， 高鸿斌． P L C分析与设计应用[ M] ． 北京 电子 工业出版社， 2 0 0 4 ． 【 5 】西门子 中国 有限公司 自动化与驱动集团． 深入浅出 西门子 s 7 2 0 0 P L C[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版 社 。 2 0 0 3 ． 【 6 】葛玻 ， 宋书中． 利用工控组态软件实现动态模拟屏的控 制[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 1 1 3 8 4 1 ．