本發(fā)明涉及一種基于PLC和高速開關電磁閥的數(shù)控夾具壓力控制系統(tǒng)，適用于機械領域。

背景技術：

隨著機械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，柔性化、智能化和信息化已成為21世紀機械制造業(yè)發(fā)展的總趨勢，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的加工質量更是制造中備受關注的核心問題。夾具是制造系統(tǒng)的重要組成部分，對加工質量、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，除了自動化程度低、生產(chǎn)效率低外，其夾緊力不可控，不能適應切削力的變化，對一些結構復雜、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量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于PLC和高速開關電磁閥的數(shù)控夾具壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地適應加工過程中切削力的變化，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率和加工質量。

本發(fā)明所采用的技術方案是：所述控制系統(tǒng)采用液壓控制，可實現(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)位于工作臺上的體積。且基于高速開關電磁閥的液壓控制系統(tǒng)，抗污染能力強，響應快，造價較低。同時，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時能很快回復到預定的壓力大小。該數(shù)控夾具適應性控制系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng):液壓系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和入機交互系統(tǒng)。

所述高速開關電磁閥是通過PWM(脈沖寬度調制)信號控制的。通過PWM脈沖信號控制進入和流出高速開關電磁閥的流量，可控制液壓缸內壓力的變化。當進行壓力控制時，高速開關電磁閥的控制油口可交替地與進、出油口相通?？刂魄粔毫π枰邥r，可延長控制口與進油口相通時間；控制腔壓力需要降低時，可延長控制口與回油口相通的時間。在PWM波作用下，使控制油口與進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，最終達到控制夾緊力的目的。

所述控制系統(tǒng)選定ENERPAC公司的SLLD-92轉臂轉動液壓缸和HAWE公司的R2.5型徑向柱塞泵，主要包括調速方案、壓力控制方案和順序動作等。

所述PLC控制子系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，PLC根據(jù)控制臺發(fā)出指令，控制電機、溢流閥、換向閥以及高速開關電磁閥等各輸出點的動作。在進行夾緊力控制時，PLC把經(jīng)壓力變送器采樣而得的壓力值與預置壓力進行比較，通過PID環(huán)節(jié)，輸出所需的PWM脈沖。在此基礎上，PLC還具備自動功能、調整功能、報警功能、誤操作防止功能、I/0點數(shù)的估計等功能。

所述PLC控制子系統(tǒng)的硬件部分包括PLC、擴展模塊及PLC的外部設備，包括輸入設備(如操作按鈕、開關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)的設計任務，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EM222繼電器輸出模塊。為了對壓力變送器傳送過來的模擬信號進行轉換，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和擴展模塊，計算電源容量和對I/0地址進行分配。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)進行靈活的操作和控制。

所述軟件部分即PLC監(jiān)控程序，分調整和自動兩個狀態(tài)，通過STEP7-Micro/WIN32軟件對S7-200PLC進行編程，實現(xiàn)PID調節(jié)器控制PWM波以調節(jié)壓力，從而達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作。

本發(fā)明的有益效果是：該系統(tǒng)能夠很好地適應加工過程中切削力的變化，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率和加工質量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的數(shù)控夾具適應性控制系統(tǒng)圖。

圖2是本發(fā)明的PLC控制系統(tǒng)接線圖。

圖中：X1、X2.蓄能器；Y1、Y2、Y3、Y4、Y5.液壓缸；P0、P1、P2.壓力變送器；SV1、SV2.手動閥；V1、V2.三位四通電磁換向閥；K1、K2、K3、K4.快換接頭；T.溫度傳感器；K5、K6.安全球閥；V0.電磁溢流閥；L1、L2.濾油器；PM.液壓泵；M.電動機；KO.壓力表開關；YO.壓力表；S.液位檢測器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1，控制系統(tǒng)采用液壓控制，可實現(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)位于工作臺上的體積。且基于高速開關電磁閥的液壓控制系統(tǒng)，抗污染能力強，響應快，造價較低。同時，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時能很快回復到預定的壓力大小。該數(shù)控夾具適應性控制系統(tǒng)主要包括3個子系統(tǒng):液壓系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和入機交互系統(tǒng)。

高速開關電磁閥是通過PWM(脈沖寬度調制)信號控制的。通過PWM脈沖信號控制進入和流出高速開關電磁閥的流量，可控制液壓缸內壓力的變化。當進行壓力控制時，高速開關電磁閥的控制油口可交替地與進、出油口相通。

控制腔壓力需要升高時，可延長控制口與進油口相通時間；控制腔壓力需要降低時，可延長控制口與回油口相通的時間。在PWM波作用下，使控制油口與進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，最終達到控制夾緊力的目的。

控制系統(tǒng)選定ENERPAC公司的SLLD-92轉臂轉動液壓缸和HAWE公司的R2.5型徑向柱塞泵，主要包括調速方案、壓力控制方案和順序動作等。

如圖2，PLC控制子系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，PLC根據(jù)控制臺發(fā)出指令，控制電機、溢流閥、換向閥以及高速開關電磁閥等各輸出點的動作。在進行夾緊力控制時，PLC把經(jīng)壓力變送器采樣而得的壓力值與預置壓力進行比較，通過PID環(huán)節(jié)，輸出所需的PWM脈沖。在此基礎上，PLC還具備自動功能、調整功能、報警功能、誤操作防止功能、I/0點數(shù)的估計等功能。

PLC控制子系統(tǒng)的硬件部分包括PLC、擴展模塊及PLC的外部設備，包括輸入設備(如操作按鈕、開關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)的設計任務，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EM222繼電器輸出模塊。為了對壓力變送器傳送過來的模擬信號進行轉換，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和擴展模塊，計算電源容量和對I/0地址進行分配。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)進行靈活的操作和控制。

軟件部分即PLC監(jiān)控程序，分調整和自動兩個狀態(tài)，通過STEP7-Micro/WIN32軟件對S7-200PLC進行編程，實現(xiàn)PID調節(jié)器控制PWM波以調節(jié)壓力，從而達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作。

人機交互子系統(tǒng)用于方便用戶與計算機的交互，更于用戶控制夾緊力和監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。人機交能是霍爾元件的線路或霍爾元件本身出了問題。用萬用表檢測，霍爾元件本身故障。解決措施:更換新的霍爾元件，再換刀，各種動作均正常，故障解決。

實際工作中，刀架的故障種類很多，具體問題還要具體分析，但根據(jù)電動刀架的工作原理及故障診斷實例，還是可以總結一些故障診斷的經(jīng)驗和規(guī)律。在電動刀架的故障診斷與維修中，可以從以下幾個方面考慮：(1)首先要仔細觀察故障現(xiàn)象，準確判斷故障類型(機械或電氣故障)。這一點非常關鍵，關系到是否能夠快速準確解除故障。在觀察故障現(xiàn)象時一定要仔細認真，不要放過任何一個細節(jié)，不要盲目下手。（2）充分利用PLC來進行故障診斷。通過PLC程序可以快速地診斷出刀架輸出信號是否正常，從而可以快速判斷故障的來源。(3)根據(jù)刀架控制原理及實踐經(jīng)驗，刀架常見故障主要發(fā)生在刀架的位置檢測兀件、鎖緊裝置、繼電器及接觸器觸點上。借助檢測工具、電路圖等進行檢測和分析，對刀架故障進行定位。定位故障后，采用更換或其他措施解決故障。