摩擦壓力機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)最早出現(xiàn)的螺旋壓力機(jī)，它雖然控制水平低，打擊能量無法準(zhǔn)確控制，但具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，在我國應(yīng)用十分廣泛，而且仍具有很大的市場。傳統(tǒng)的摩擦壓力機(jī)控制方案一般是采用5個(gè)行程開關(guān)控制壓力機(jī)打擊過程中的上止點(diǎn)、下止點(diǎn)、安全打擊脫盤點(diǎn)、回程加速提升脫盤點(diǎn)和回程剎車制動點(diǎn)；目前采用較多的是利用時(shí)間繼電器定時(shí)控制打擊靠盤時(shí)間的方案。這些方案對打擊能量的控制都只是定性的，無法準(zhǔn)確計(jì)算和控制運(yùn)動部分能量。也有基于工業(yè)計(jì)算機(jī)的復(fù)合式摩擦壓力機(jī)控制系統(tǒng)，但不具有通用性。

　　為了提高這類螺旋壓力機(jī)的控制水平和自動化程度，實(shí)現(xiàn)打擊能量可準(zhǔn)確控制，并滿足日趨復(fù)雜的工藝需要，本研究以JB53—630型摩擦壓力機(jī)為例，開發(fā)了以西門子S77-200 PLC為核心、以觸摸屏為人機(jī)界面的控制系統(tǒng)，將控制、監(jiān)視和管理功能集成起來，通過人機(jī)界面設(shè)定打擊行程和打擊能量，可以實(shí)現(xiàn)一打、手動二打、手動三打、自動二打、自動三打等工藝需求，并且兼容了傳統(tǒng)的腳控打擊功能。

1 工作原理

　　摩擦壓力機(jī)主機(jī)主要由以下幾部分組成：機(jī)身、滑塊、主螺桿、主螺母、飛輪、制動器、摩擦盤和操縱缸等。其工作原理如下：主螺桿的上端與飛輪固接，下端與滑塊相連，由主螺母將飛輪與主螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的上、下直線運(yùn)動。電動機(jī)經(jīng)皮帶輪帶動摩擦盤轉(zhuǎn)動。當(dāng)向下行程開始時(shí)，橫軸右端的操縱氣缸進(jìn)氣，推動摩擦盤壓緊飛輪，搓動飛輪旋轉(zhuǎn)，滑塊下行，此時(shí)飛輪加速并獲得動能。在沖擊工件前的瞬間，摩擦盤與飛輪脫離接觸，滑塊以此時(shí)所具有的速度鍛壓工件，釋放能量直至停止。鍛壓完成后，開始回程，此時(shí)，橫軸左端的摩擦盤壓緊飛輪，搓動飛輪反向旋轉(zhuǎn)，滑塊迅速提升；至某一位置后，摩擦盤與飛輪脫離接觸；滑塊繼續(xù)自由向上滑動，至制動行程處，制動器動作，滑塊減速，直至停止，即完成一次工作循環(huán)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)硬件選型的原則是確保設(shè)備的穩(wěn)定、可靠和長壽命運(yùn)行。確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有快速的響應(yīng)，并且具有友好的人機(jī)交互界面。因此本文以西門子S7200可編程控制器為核心，以西門子KTP178觸摸屏為人機(jī)界面，再加上外圍的傳感器檢測、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號輸入輸出等組成一個(gè)典型的通用數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　要提高摩擦壓力機(jī)的控制水平和控制精度，最重要的是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動部分的能量檢測。運(yùn)動部分的能量主要來自于飛輪等轉(zhuǎn)動部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動動能。飛輪的動能又取決于飛輪的慣量和轉(zhuǎn)速，慣量在設(shè)計(jì)時(shí)即已確定，而轉(zhuǎn)速則可以通過單位時(shí)間內(nèi)滑塊的位移求出。因此，滑塊位移檢測是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)打擊能量控制的最為關(guān)鍵的參數(shù)。

　　這里滑塊位移檢測由滑塊通過皮帶輪帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，即將滑塊的直線運(yùn)動通過皮帶輪同步裝置轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，編碼器輸出的脈沖再由S7200的高速計(jì)數(shù)口讀出。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，得到滑塊的位移，通過單位時(shí)間內(nèi)滑塊的位移即可得到飛輪的轉(zhuǎn)速，也就可計(jì)算出運(yùn)動部分的準(zhǔn)確能量。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要指打擊氣閥、提升氣閥、制動氣閥和頂料氣閥等，它們頻繁動作并直接決定了摩擦壓力機(jī)的控制精度。這里采用固態(tài)繼電器替代傳統(tǒng)的中間繼電器控制的方案，可以極大地提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度，并且因?yàn)楣虘B(tài)繼電器為無觸點(diǎn)開關(guān)，電氣壽命也可以獲得極大的提高。

　　系統(tǒng)中采用5個(gè)接近傳感器作為行程控制開關(guān)，當(dāng)工作方式選擇為腳控打擊模式時(shí)，操作方式與傳統(tǒng)摩擦壓力機(jī)控制系統(tǒng)的腳控打擊模式一致，這樣提高了控制系統(tǒng)的冗余性。

　　觸摸屏已成為可編程邏輯控制器(PLC)的最佳人機(jī)對話工具，系統(tǒng)中人機(jī)界面通過組態(tài)觸摸屏實(shí)現(xiàn)，輔以外圍豐富的按鈕輸入控制、信號指示燈輸出和故障信號檢測，使得控制系統(tǒng)具有直觀、友好的人機(jī)交互能力，使用方便，維護(hù)簡單。

3 軟件結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并兼顧PLC的運(yùn)算能力，設(shè)置一個(gè)合適的定時(shí)周期程序負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)輸入信號和滑塊位移編碼器信號，觸發(fā)實(shí)時(shí)參數(shù)的計(jì)算，并根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)和控制指令判斷系統(tǒng)狀態(tài)，觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；另外，實(shí)時(shí)的信號處理、故障檢測和事件信息處理循環(huán)掃描執(zhí)行，使系統(tǒng)能及時(shí)收發(fā)指令，可靠保護(hù)設(shè)備。

　　3.1 能量控制原理

　　螺旋壓力機(jī)能量的大小是由飛輪等運(yùn)動部件在接觸工件前所具有的最大能量而定，此能量可表示為：ET=Jw2/2+mv2

　　式中：Et為運(yùn)動部分具有的能量；J為飛輪等轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量和；w為飛輪角速度；m為滑塊等運(yùn)動部分質(zhì)量；v為滑塊速度。式中右邊第一項(xiàng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動動能，第二項(xiàng)為直線運(yùn)動動能。由于螺旋壓力機(jī)滑塊速度較低，多為0.6～0.7 m／s左右，因此直線運(yùn)動動能數(shù)值很小，一般只占總能量的1％～3％。實(shí)際中，常將直線運(yùn)動部分動能忽略。

　　在螺旋機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動角速度與滑塊速度ｖ的關(guān)系為=2(v／h)，式中h為螺桿導(dǎo)程。因此，要控制打擊能量可通過控制滑塊運(yùn)動速度實(shí)現(xiàn)。

　　3.2 能量控制算法

　　滑塊運(yùn)動時(shí)帶動同步帶運(yùn)動，與同步帶配合的皮帶輪通過聯(lián)軸節(jié)帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，從而將滑塊的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為編碼器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即將要測量的非電量信號(滑塊位移)轉(zhuǎn)換成電信號(編碼器脈沖)。將脈沖信號輸入PLC的高速計(jì)數(shù)口，每個(gè)定時(shí)中斷周期讀取一次編碼器脈沖讀數(shù)，即可得到滑塊的實(shí)時(shí)位移和實(shí)時(shí)速度。

　　單位脈沖對應(yīng)的位移量S=D／P，式中：D為同步輪節(jié)圓直徑；P為編碼器分辨率。

　　每次系統(tǒng)上電或更換模具后，執(zhí)行一次合模對零操作，將系統(tǒng)的零點(diǎn)設(shè)置為上、下模合模處，滑塊位移S=nSp，式中n為編碼器脈沖讀數(shù)。同理，滑塊速度u=△s／T，式中：舢為該周期滑塊位移變化量；T為定時(shí)周期長度。

　　最后，由滑塊速度可得到飛輪的轉(zhuǎn)速，在知道飛輪慣量的情況下，即可計(jì)算出此時(shí)運(yùn)動部分具有的能量。當(dāng)該能量達(dá)到預(yù)選能造時(shí)，打擊氣缸釋放，打擊盤脫開，滑塊慣性下滑打擊工件。

　　實(shí)際中。為了精簡程序，減少CPU的計(jì)算量，在通過人機(jī)界面設(shè)定好預(yù)選能量后，軟件即根據(jù)設(shè)定的打擊能量計(jì)算出該能量對應(yīng)的滑塊目標(biāo)速度，再得到該速度對應(yīng)的一個(gè)定時(shí)周期的脈沖讀數(shù)差值。這樣，打擊下行過程中，每周期測得的脈沖讀數(shù)差值直接與此目標(biāo)差值比較，當(dāng)實(shí)際值大于目標(biāo)值時(shí)，即代表運(yùn)動部分已達(dá)到了設(shè)定的預(yù)選能量，迅速發(fā)出打擊盤脫開指令。

　　3.3 打擊動作流程

　　在一個(gè)打擊動作流程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作如下：得到打擊命令后，剎車釋放，打擊盤靠緊，搓動飛輪旋轉(zhuǎn)，滑塊下行；此時(shí)飛輪加速，當(dāng)檢測到滑塊達(dá)到預(yù)選能量對應(yīng)的目標(biāo)速度時(shí)，打擊盤脫開，滑塊慣性向下，以此時(shí)所具有的速度鍛壓工件，釋放能量直至停止；鍛壓完成后，開始回程，提升盤壓緊飛輪，搓動飛輪反向旋轉(zhuǎn)，滑塊迅速提升；至某一位置后，提升盤脫開；滑塊繼續(xù)慣性向上滑動，至制動行程處，剎車，滑塊減速。直至停止，動作完畢。該過程的滑塊行程一時(shí)間曲線示意圖如圖2所示。

　　軟件中，除了打擊行程和打擊能量可設(shè)定外，下行過程中的打擊安全脫盤距離和回程過程中的提升加速距離、提前剎車距離等均可設(shè)定，分別用于保證設(shè)備安全和回程位置準(zhǔn)確．打擊下行流程圖如圖3所示．打擊回程流程圖如圖4所示。

　　3.4 人機(jī)界面

　　人機(jī)界面用于設(shè)定系統(tǒng)、運(yùn)行參數(shù)和顯示實(shí)時(shí)參數(shù)。界面包括主顯信息畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、故障信息畫面和設(shè)備信息畫面；另外，用戶管理通過口令賦予操作者不同的權(quán)限，較低的權(quán)限無法修改高級參數(shù)，這樣可以保證參數(shù)安全。

　　主顯信息畫面顯示的內(nèi)容包括當(dāng)前打擊模式、設(shè)定打擊行程、預(yù)選打擊能量、實(shí)時(shí)滑塊位移、實(shí)際打擊能量、累計(jì)打擊次數(shù)以及系統(tǒng)提示信息等。參數(shù)設(shè)置畫面可設(shè)置基本參數(shù)和高級參數(shù)。基本參數(shù)包括設(shè)置打擊行程、打擊能量、打擊下行安全脫盤距離、回程提升脫盤距離比例、回程提前剎車距離、潤滑間歇工作時(shí)間和自動頂料延時(shí)等；高級參數(shù)包括提升電機(jī)和打擊電機(jī)星三角啟動時(shí)間、飛輪慣量、主螺桿導(dǎo)程和編碼器分辨率等。故障信息畫面可提示用戶設(shè)備故障信息和可能原因等，如滑塊超程報(bào)警、潤滑缺油報(bào)警；若安裝了噸位指示器，則還可顯示設(shè)備超載報(bào)警。設(shè)備信息畫面顯示的內(nèi)容有設(shè)備額定壓力、標(biāo)稱能量、最大最小打擊行程、最小裝模高度等。

　　本研究以JB53630型摩擦壓力機(jī)為例，開發(fā)了基于S7200的可能量預(yù)選的摩擦壓力機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于JB53630型和JB53160型雙摩盤螺旋壓力機(jī)系統(tǒng)，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以通過觸摸屏設(shè)定打擊行程和預(yù)選打擊能量，可以實(shí)現(xiàn)一打、手動二打、手動三打、自動二打、自動三打等工藝需求，并且兼容了傳統(tǒng)的腳控打擊功能，以較低的成本顯著提高了摩擦壓力機(jī)的控制水平和自動化程度，工藝適應(yīng)面更廣。另外，由于打擊能量可控，通過預(yù)選合適的能量對鍛件進(jìn)行打擊，可有效降低模具承受的多余能量，從而提高模具壽命。該系統(tǒng)可以很方便地配合自動上、下料機(jī)構(gòu)、自動噴石墨機(jī)構(gòu)等外設(shè)構(gòu)成壓力機(jī)自動化生產(chǎn)線，大大減少工人的勞動重復(fù)性和勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品一致性。