隨著機(jī)械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，柔性化、智能化和信息化已成為21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的總趨勢，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的加工質(zhì)量更是制造中備受關(guān)注的核心問題。夾具是制造系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)加工質(zhì)量、生產(chǎn)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)夾具時(shí)，除了自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低外，其夾緊力不可控，不能適應(yīng)切削力的變化，對(duì)一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高而且剛性小的薄壁零件，很難獲得較高的加工質(zhì)量。為解決這個(gè)問題，以高速開關(guān)電磁閥原理和PLC為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)控夾具適應(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，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

　　以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的加工工藝系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要研究適應(yīng)不同加工尺寸系列、不同數(shù)控加工工步切削力的數(shù)控夾具變夾緊力控制技術(shù)和控制系統(tǒng)，解決加工這類產(chǎn)品時(shí)缺乏與先進(jìn)工藝技術(shù)及先進(jìn)設(shè)備配套的數(shù)控夾具的問題，達(dá)到保證加工精度和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的目的。

　　目前，通過高速開關(guān)電磁閥將液壓系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)字控制相結(jié)合是當(dāng)前液壓控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)時(shí)采用液壓控制，可實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行部分同液壓站及控制部分的分離，以減小控制系統(tǒng)位于工作臺(tái)上的體積。且基于高速開關(guān)電磁閥的液壓控制系統(tǒng)，抗污染能力強(qiáng)，響應(yīng)快，造價(jià)較低。同時(shí)，閉環(huán)控制保證了控制精度，ＰＩＤ 確保系統(tǒng)在加壓過程或者受到擾動(dòng)時(shí)能很快回復(fù)到預(yù)定的壓力大小。該數(shù)控夾具適應(yīng)性控制系統(tǒng)主要包括3個(gè)子系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，如圖1所示

圖１　數(shù)控夾具適應(yīng)性控制系統(tǒng)圖

2 高速開關(guān)電磁閥的夾緊力控制原理

　　高速開關(guān)電磁閥是通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)控制的。通過PWM脈沖信號(hào)控制進(jìn)入和流出高速開關(guān)電磁閥的流量，可控制液壓缸內(nèi)壓力的變化。當(dāng)進(jìn)行壓力控制時(shí)，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?？刂魄粔毫π枰邥r(shí)，可延長控制口與進(jìn)油口相通時(shí)間；控制腔壓力需要降低時(shí)，可延長控制口與回油口相通的時(shí)間。在PWM波作用下，使控制油口與進(jìn)油口或回油口接通的時(shí)間長短不同，從而實(shí)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。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(jì)時(shí)考慮液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：

　　（1）兩夾緊液壓油缸夾緊力相同；

　?。?）夾緊時(shí)，缸蓋兩端為先，中間部分為后；

　　（3）實(shí)現(xiàn)密封加工。

　　以設(shè)計(jì)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ＥＮＥＲＰＡＣ 公司的SLLD92轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)液壓缸和ＨＡＷＥ 公司的Ｒ２ ５型徑向柱塞泵，最終制定液壓系統(tǒng)基本方案，主要包括調(diào)速方案、壓力控制方案和順序動(dòng)作等。得出液壓子系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，如圖2所示。

圖2　液壓子系統(tǒng)的系統(tǒng)圖

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，列出部分選型如下：

　?。?）電機(jī)。根據(jù)工作循環(huán)中液壓泵中比較恒定的壓力和流量，計(jì)算液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率，最終選取HAWE公司的AF90L／40-10電機(jī)，功率15KW，轉(zhuǎn)速1415r/min。

　?。?）液壓閥。根據(jù)系統(tǒng)中實(shí)際通過該閥的最大流量和工作壓力，選取閥件。選用貴州紅林生產(chǎn)的HSV-3202C7高速開關(guān)電磁閥控制壓力，額定壓力20MPa，額定流量9L/min，24V 直流驅(qū)動(dòng)，最大工作頻率不小于200Hz，占空比20％ ～ 80％ 。

　　選擇HAWE生產(chǎn)的BF0／250溢流閥、GS2-1電磁閥通過VB11連接塊組合成而電磁溢流閥，溢流閥的額定壓力25MPa，最大流量12 L/min。

　　選擇HAWE生產(chǎn)的型號(hào)為NBVP16G-24G的三四通閥，額定壓力40MPa，額定流量2012 L/min，通徑6mm，24V直流驅(qū)動(dòng)，額定功率27.6W。選用ＥＮＥＲＰＡＣ 公司的ＶＭＭＤ００２ 二位四通閥作為手動(dòng)閥，以便于切斷油路，在蓄能器工作的情況下保壓。

4 PLC控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　PLC控制子系統(tǒng)的核心任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)夾緊力的控制。PLC控制子系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。PLC根據(jù)控制臺(tái)發(fā)出指令，控制電機(jī)、溢流閥、換向閥以及高速開關(guān)電磁閥等各輸出點(diǎn)的動(dòng)作。在進(jìn)行夾緊力控制時(shí)，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POD環(huán)節(jié)，輸出所需的PWM 脈沖。在此基礎(chǔ)上，PLC還具備自動(dòng)功能、調(diào)整功能、報(bào)警功能、誤操作防止功能、I/O點(diǎn)數(shù)的估計(jì)等功能。

　　4.1 PLC控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　硬件部分包括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(hào)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(tái)、控制柜、控制面板等。

　　依據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，初步擬用西門子公司生產(chǎn)的小型PLC產(chǎn)品S7-200PLC作為夾緊動(dòng)作控制的核心。為了控制電機(jī)、卸荷溢流閥及兩個(gè)三位四通閥的通斷，選用具有8個(gè)輸出點(diǎn)的EM222繼電器輸出模塊。為了對(duì)壓力變送器傳送過來的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，選用具有４ 路模擬量輸入的EM231模擬量輸入模塊。通過分析CPU 和擴(kuò)展模塊，計(jì)算電源容量和對(duì)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，設(shè)計(jì)出PLC控制系統(tǒng)接線圖，如圖3所示。此外，設(shè)計(jì)的控制面板和控制柜以方便工作人員對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行靈活的操作和控制。

圖3PLC 控制系統(tǒng)接線圖

　　4.2 PLC控制子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分即PLC監(jiān)控程序，設(shè)計(jì)后需將其下載后存儲(chǔ)于PLC的存儲(chǔ)器中。整個(gè)系統(tǒng)分調(diào)整和自動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)，通過ＳＴＥＰ７Ｍｉｃｒｏ／ ＷＩＮ３２ 軟件對(duì)S7-200PLC進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)ＰＩＤ 調(diào)節(jié)器控制PWM波以調(diào)節(jié)壓力，從而達(dá)到控制夾緊力的目的。通過編制PLC監(jiān)控程序，保證了控制系統(tǒng)各部分在指令發(fā)出后按要求完成各自的正確動(dòng)作。

5 人機(jī)交互子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　人機(jī)交互子系統(tǒng)用于方便用戶與計(jì)算機(jī)的交互，便于用戶控制夾緊力和監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。人機(jī)互子系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、安裝于計(jì)算機(jī)上的組態(tài)王軟件運(yùn)行環(huán)境以及相應(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(jì)等步驟完成對(duì)組態(tài)王監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，以方便工作人員對(duì)系統(tǒng)的靈活操作。

6 系統(tǒng)測試

　　為了檢查系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和有效性，驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)參數(shù)或指標(biāo)、性能等內(nèi)容進(jìn)行綜合、全面的檢驗(yàn)。系統(tǒng)在調(diào)整狀態(tài)、自動(dòng)預(yù)置狀態(tài)以及自動(dòng)實(shí)時(shí)狀態(tài)下，電機(jī)、各電磁閥、各液壓缸完全按預(yù)定控制動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。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，利用齊格勒尼柯爾斯第一法確定了控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，得到了系統(tǒng)的性能參數(shù)：任一組夾緊力范圍為0～ 6000 N；受到壓力變送器的精度為１％的限制，夾緊力的控制精度為± 40N。

7 結(jié)論

　　以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的加工工藝系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于高速開關(guān)電磁閥控制原理，設(shè)計(jì)出以PLC為基礎(chǔ)的數(shù)控夾具壓力控制系統(tǒng)，能夠很好地適應(yīng)缸蓋加工過程中切削力的變化，解決了傳統(tǒng)夾具生產(chǎn)效率低、夾緊力不可控等問題。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)一定程度上提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量