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(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，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(jié)構(gòu)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(zhì)量。為解決這個問題，以高速開關(guān)電磁閥原理和PLC為基礎，設計了一種數(shù)控夾具適應性控制系統(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(zhì)量。

1 總體方案設計

　　以發(fā)動機缸蓋的加工工藝系統(tǒng)為研究對象，主要研究適應不同加工尺寸系列、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)品時缺乏與先進工藝技術(shù)及先進設備配套的數(shù)控夾具的問題，達到保證加工精度和提高勞動生產(chǎn)率的目的。

　　目前，通過高速開關(guān)電磁閥將液壓系統(tǒng)與計算機數(shù)字控制相結(jié)合是當前液壓控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點之一。設計時采用液壓控制，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(guān)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)和人機交互系統(tǒng)，如圖1所示

圖１　數(shù)控夾具適應性控制系統(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）信號控制的。通過PWM脈沖信號控制進入和流出高速開關(guān)電磁閥的流量，可控制液壓缸內(nèi)壓力的變化。當進行壓力控制時，高速開關(guān)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。

3 液壓系統(tǒng)設計

　　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。在設計時考慮液壓系統(tǒng)的設計要求：

　?。?）兩夾緊液壓油缸夾緊力相同；

　?。?）夾緊時，缸蓋兩端為先，中間部分為后；

　?。?）實現(xiàn)密封加工。

　　以設計要求為前提，通過夾具系統(tǒng)負載和液壓系統(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)設計要求，列出部分選型如下：

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

　?。?）液壓閥。根據(jù)系統(tǒng)中實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，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，額定功率27.6W。選用ＥＮＥＲＰＡＣ 公司的ＶＭＭＤ００２ 二位四通閥作為手動閥，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)設計

　　PLC控制子系統(tǒng)的核心任務就是實現(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)控制臺發(fā)出指令，控制電機、溢流閥、換向閥以及高速開關(guān)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POD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(diào)整功能、報警功能、誤操作防止功能、I/O點數(shù)的估計等功能。

　　4.1 PLC控制子系統(tǒng)硬件設計

　　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(guān)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(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 和擴展模塊，計算電源容量和對I/O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，設計出PLC控制系統(tǒng)接線圖，如圖3所示。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。

圖3PLC 控制系統(tǒng)接線圖

　　4.2 PLC控制子系統(tǒng)軟件設計

　　軟件部分即PLC監(jiān)控程序，設計后需將其下載后存儲于PLC的存儲器中。整個系統(tǒng)分調(diào)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(diào)節(jié)器控制PWM波以調(diào)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。

5 人機交互子系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　人機交互子系統(tǒng)用于方便用戶與計算機的交互，便于用戶控制夾緊力和監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。人機互子系統(tǒng)由一臺計算機、安裝于計算機上的組態(tài)王軟件運行環(huán)境以及相應的開發(fā)程序所共同構(gòu)成。通過配置設備、定義變量及壓力顯示控制函數(shù)、畫面設計等步驟完成對組態(tài)王監(jiān)控程序的設計，以方便工作人員對系統(tǒng)的靈活操作。

6 系統(tǒng)測試

　　為了檢查系統(tǒng)運行的正確性和有效性，驗證系統(tǒng)是否達到了設計要求，對系統(tǒng)硬件和軟件設計參數(shù)或指標、性能等內(nèi)容進行綜合、全面的檢驗。系統(tǒng)在調(diào)整狀態(tài)、自動預置狀態(tài)以及自動實時狀態(tài)下，電機、各電磁閥、各液壓缸完全按預定控制動作運動。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)電磁閥可以按預定要求工作。通過夾緊力階躍響應曲線，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)動機缸蓋的加工工藝系統(tǒng)為研究對象，基于高速開關(guān)電磁閥控制原理，設計出以PLC為基礎的數(shù)控夾具壓力控制系統(tǒng)，能夠很好地適應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。實驗證明，該系統(tǒng)一定程度上提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量