1引言

動(dòng)力滑臺是組合機(jī)床上實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的一種通用部件，配上動(dòng)力頭和主軸箱后可以對工件完成各類孔的鉆、鏜、鉸加工和端面銑削加工等工序。液壓動(dòng)力滑臺用液壓缸驅(qū)動(dòng)，在電氣和機(jī)械裝置的配合下可以實(shí)現(xiàn)一定的工作循環(huán)，當(dāng)使用可編程邏輯控制器PLC對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)將需要實(shí)現(xiàn)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)從輸人端口輸人從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的控制，并且利用PLC的脈沖輸出端口進(jìn)行數(shù)字增量式控制，而且可將系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)通過傳感器或繼電器傳回給PLC進(jìn)行閉環(huán)控制。典型的動(dòng)力滑臺系統(tǒng)YT4543的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的工作循環(huán)是:快進(jìn)→一工進(jìn)→二工進(jìn)→止擋塊停留→快退→原位停止，各工作階段情況如下。

(1)快速進(jìn)給

按下啟動(dòng)按鈕，電磁鐵1YA通電，先導(dǎo)電磁閥5的左位接人系統(tǒng)，由液壓泵2輸出的壓力油經(jīng)先導(dǎo)電磁閥5進(jìn)人液動(dòng)閥4的左側(cè)，使液動(dòng)閥4換至左位，液動(dòng)閥4右側(cè)的控制油經(jīng)閥5回油箱。這時(shí)形成差動(dòng)回路。因?yàn)榭爝M(jìn)時(shí)滑臺液樂缸負(fù)載小，系統(tǒng)壓力低，外控順序閥16關(guān)閉。液壓缸為差動(dòng)連接。又因?yàn)樽兞勘?在低壓下輸出流量大，所以滑塊快速進(jìn)給。

(2)第一次工作進(jìn)給

當(dāng)快速前進(jìn)至預(yù)定的位置時(shí)，滑臺上的液壓擋塊壓下行程閥7，使油路18 ,19斷開，切斷快進(jìn)油路，此時(shí)電磁鐵1YA繼續(xù)通電，電磁閥11的電磁鐵3YA處于斷電狀態(tài)。因工作壓力升高，變量泵2的流量自動(dòng)減少，以便與調(diào)速閥10的開口相適應(yīng)。

(3)第二次工作進(jìn)給

第一次工進(jìn)結(jié)束時(shí)，電氣擋塊壓下電氣行程開關(guān)，使電磁鐵3YA通電，這時(shí)進(jìn)油路必須經(jīng)過調(diào)速閥10和調(diào)速閥9，進(jìn)給量大小由調(diào)速閥9調(diào)定。

(4)止塊停止

當(dāng)工進(jìn)終了碰到止塊不再前進(jìn)時(shí)，其壓力進(jìn)一步升高，觸發(fā)壓力繼電器PS使其發(fā)生一定時(shí)間的停留。

(5)快速退回

停留了指定的時(shí)間后，電磁鐵1YA,3YA斷電，2YA通電，此時(shí)系統(tǒng)壓力較小，變量泵2輸出流量大，動(dòng)力滑臺迅速退回。

(6)原位停止

當(dāng)滑臺迅速退回到原來的位置時(shí)，壓下行程開關(guān)，使得電磁鐵2YA斷電，滑臺靜止在原地，液壓泵卸荷。

雖然此系統(tǒng)能較好完成滑臺的基本功能，但是存在以下的問題:

1)調(diào)速閥9、調(diào)速閥10中節(jié)流閥的通流面積只能通過人手動(dòng)來調(diào)整，精度達(dá)不到保證;

2)當(dāng)從快進(jìn)切換到一工進(jìn)、一工進(jìn)切換到二工進(jìn)時(shí)由于流量的突然變化會(huì)導(dǎo)致液壓沖擊，從而損壞密封裝置、管路和液壓元件，引起震動(dòng)和噪聲，并且某些壓力控制的液壓元件會(huì)產(chǎn)生誤操作，造成事故;

3)當(dāng)二工進(jìn)時(shí)如需對工件進(jìn)行精度較高的銑削加，而調(diào)速閥10和調(diào)速閥9的組合明顯不能滿足這個(gè)要工求。

2 系統(tǒng)方案改進(jìn)

對于上述的問題，將原系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)速閥9和調(diào)速閥10用增量式數(shù)字節(jié)流閥21進(jìn)行替換，取消電磁閥11，增加調(diào)速閥22和二向三通電磁閥23。

通過增量式數(shù)字閥可以實(shí)現(xiàn)液壓閥的增量式控制，這種閥具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、制造成本低廉、輸出量準(zhǔn)確、重復(fù)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、對油液清潔度的要求比比例閥低并且可用計(jì)算機(jī)或PLC對其進(jìn)行控制。增量式數(shù)字閥主要是通過步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)液壓閥芯進(jìn)行工作的，步進(jìn)電機(jī)直接通過數(shù)字量進(jìn)行控制，每接收到一個(gè)脈沖信號就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸人脈沖的頻率有關(guān)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度和輸人的脈沖數(shù)相關(guān)，當(dāng)輸人正向脈沖，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入負(fù)向脈沖時(shí)反轉(zhuǎn)，輸出的脈沖信號在上一個(gè)輸出周期的基礎(chǔ)上使步進(jìn)電機(jī)增加或減少一定的步數(shù)從而達(dá)到需要的幅值。而數(shù)字式節(jié)流閥就是通過凸輪或齒輪齒條等機(jī)械結(jié)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成位移從而實(shí)現(xiàn)對節(jié)流閥通流面積的控制。

圖2為增量式數(shù)字控制閥控制系統(tǒng)組成及其原理圖。PLC發(fā)出需要的控制脈沖，經(jīng)過放大器后帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，步進(jìn)電機(jī)通過螺旋傳動(dòng)等機(jī)構(gòu)將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)改變閥口開度，從而控制輸出流量。并且根據(jù)反饋量進(jìn)行增量的閉環(huán)控制。

通過改變PLC的脈沖信號輸出個(gè)數(shù)就可以精確的控制數(shù)字節(jié)流閥的通流面積，從而解決了人為調(diào)整節(jié)流閥帶來的誤差。

此時(shí)對于快進(jìn)切換到一工進(jìn)、一工進(jìn)切換到二工進(jìn)的液壓沖擊問題可以使得數(shù)字閥在快進(jìn)時(shí)處于節(jié)流面積最大即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角為零，當(dāng)切換到一工進(jìn)時(shí)通流面積漸漸變?yōu)樘囟ù笮。瑢?yīng)步進(jìn)角為θ1，步進(jìn)角從O到θ1，漸變的速度由PLC輸出的脈沖頻率來決定，一工進(jìn)切換到二工進(jìn)時(shí)步進(jìn)角從θ1變?yōu)?amp;theta;2，步進(jìn)角的變化速率同樣由脈沖信號的頻率進(jìn)行控制。采用這種控制方式可以顯著提高控制性能，使原來節(jié)流面積的階躍式變化變成了緩變式有限減少了液壓沖擊，加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)二工進(jìn)時(shí)需對工件進(jìn)行精度較高的銑削加工，可以利用壓力繼電器PR來對工進(jìn)時(shí)的壓力進(jìn)行閥值控制，即當(dāng)工進(jìn)負(fù)載壓力大于指定的壓力時(shí)可認(rèn)為工進(jìn)過快可能對被加工工件造成破壞，此時(shí)壓力繼電器PR被接通，PLC發(fā)出信號使2YA通電，1YA斷電，壓力油經(jīng)過調(diào)速閥刀進(jìn)人右端有桿腔，因?yàn)榭紤]到此處流量不需要變化所以不采用數(shù)字閥進(jìn)行流量控制。由于流量閥的存在使得壓力油以恒定的流量進(jìn)入油腔內(nèi)，從而使得滑臺反方向移動(dòng)使得負(fù)載壓力下降，從而低于閥值壓力導(dǎo)致壓力繼電器PR關(guān)閉，PLC發(fā)出信號使2YA斷電，1YA繼續(xù)通電，壓力油經(jīng)過數(shù)字閥21流人無桿腔，并且在壓力每一次超過閥值時(shí)，都會(huì)由PLC向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出一個(gè)負(fù)脈沖信號使得數(shù)字閥的通流面積變小，即其工進(jìn)速度變小。在此期間由于速度的切換也會(huì)發(fā)生一定沖擊但由于此工作階段液壓油流速較低，因而對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。

為了使流量不隨輸人負(fù)載的變化而變化，因而需要對數(shù)字閥兩端的壓力差進(jìn)行壓力補(bǔ)償，一般采用定差減壓閥和定差溢流閥，此處采用定差減壓閥來進(jìn)行壓力補(bǔ)償。二相三通電磁閥23的主要作用是使得系統(tǒng)在非二工進(jìn)增量控制的階段時(shí)液壓油不經(jīng)過調(diào)速閥刀，在快進(jìn)和一工進(jìn)時(shí)，可以減少右側(cè)有桿油箱的背壓從而使得系統(tǒng)壓力減少，降低能耗和發(fā)熱。當(dāng)系統(tǒng)處于快速退回時(shí)，壓力油能夠最大流量的進(jìn)人有桿腔，使動(dòng)力滑臺系統(tǒng)能以最快的速度退回原位。改進(jìn)過后的動(dòng)力滑臺液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

3 PLC的控制實(shí)現(xiàn)

控制動(dòng)力滑臺液壓系統(tǒng)的PLC采用歐姆龍公司生產(chǎn)的小型整體式可編程序控制器CPM1A，它的性能價(jià)格比很高，在小規(guī)模控制中已獲廣泛應(yīng)用。

3.1輸入和輸出變，

整個(gè)系統(tǒng)主要的輸入量:一工進(jìn)時(shí)的速度、二工進(jìn)時(shí)的速度、碰到止擋塊時(shí)的停留時(shí)間。主要的輸出量:PLC的增量控制脈沖。

工進(jìn)時(shí)的速度主要由流量確定，而流量特性由通過節(jié)流口的流量9及其前后壓差匆由式(1)確定：

式中: 為孔口或縫隙的前后壓力差;K為節(jié)流系數(shù)，由節(jié)流口形式，液態(tài)流體，油液性質(zhì)等因素決定;m與節(jié)流口形狀有關(guān)的指數(shù)，m=0.5--1。當(dāng)節(jié)流口為薄壁孔時(shí)，m=0.5;當(dāng)節(jié)流口為細(xì)長孔時(shí)，m=1;A為節(jié)流閥的通流面積，隨閥口形狀而定。

本系統(tǒng)采用的是數(shù)字節(jié)流閥加定差減壓閥來進(jìn)行，通過節(jié)流閥的壓差恒定，從而保證了流量恒定。其如和定差減爪閥中的彈簧預(yù)緊力有關(guān)，因而卻是一個(gè)常數(shù)，并且無桿油腔的面積A、也為常數(shù)，因此控制流量和速度就是控制數(shù)字閥的通流面積A由公式(1)可得:

根據(jù)以上公式即可求得對應(yīng)工進(jìn)速度時(shí)數(shù)字節(jié)流閥的通流面積。數(shù)字節(jié)流閥的通流面積是由步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角B來確定，如式(3)可得步進(jìn)角，H為步進(jìn)角通流面積系數(shù):

而當(dāng)步進(jìn)角為B時(shí)其所需要的輸人脈沖數(shù)n由式(4)所得，d為每脈沖步進(jìn)角:

從上面的分析可以看出工進(jìn)的速度實(shí)際上是和輸出脈沖數(shù)相關(guān)聯(lián)的，因此我們可以將工進(jìn)速度轉(zhuǎn)化成對應(yīng)脈沖數(shù)進(jìn)行輸人，第一次的工進(jìn)速度對應(yīng)的輸人脈沖數(shù)為n1，第二次的工進(jìn)速度對應(yīng)的輸入脈沖數(shù)為n2，輸入脈沖數(shù)的取值范圍為0-9999通過兩個(gè)16位撥盤進(jìn)行輸入，分別接在PCM1A的輸人繼電器區(qū)的001和002通道，16位撥盤每四位代表一位BCD碼，共為4位BCD碼分別代表對應(yīng)輸出脈沖的個(gè)位、十位、百位和千位。停留時(shí)間也通過一個(gè)16位撥盤在輸入繼電器區(qū)的003通道進(jìn)行愉人。正脈沖輸出接在輸出繼電區(qū)01000端口，負(fù)脈沖輸出接在輸出繼電區(qū)01001端口。

系統(tǒng)內(nèi)其余基于二值邏輯的開關(guān)量的輸人輸出量如下:電磁鐵1YA,2YA,4YA;壓力繼電器PS,PR;啟動(dòng)按鈕BTNl;停止按鈕BTN2;一工進(jìn)行程開關(guān)TS1二工進(jìn)行程開關(guān)TS2;原位行程開關(guān)TS3 ;擋塊停留行程開關(guān)TS4。對應(yīng)I/O分配表如表1所示。整個(gè)PLC控制原理圖和接線。

3.2順序功能

整個(gè)PLC增量式控制動(dòng)力滑臺液壓系統(tǒng)的順序功能包括以下幾個(gè)步驟(每個(gè)步驟用一個(gè)內(nèi)部輔助繼電器IR表示從IRZ0000開始)。

第一步(IR20000):初始等待，當(dāng)PLC一通電后，處于等待狀態(tài)，當(dāng)按下開始按鈕BTNI后從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)人快進(jìn)工作狀態(tài)。

第二步(IR20001):快進(jìn)，電磁鐵1YA通電，當(dāng)滑臺上的液壓擋塊碰到一工進(jìn)行程閥TS1，轉(zhuǎn)入一工進(jìn)工作狀態(tài)。

第三步(IR20002 ):一工進(jìn)，電磁鐵1YA，通電2YA，4YA斷電。PLC以100 Hz的頻率輸出由16位撥碼盤輸入的一工進(jìn)時(shí)打開所需數(shù)字節(jié)流閥通流面積對應(yīng)的脈沖數(shù)(正脈沖)，當(dāng)滑臺上的液壓擋塊碰到二工進(jìn)行程閥TS2,轉(zhuǎn)人二工進(jìn)工作狀態(tài)。

第四步(IR20003):二工進(jìn)，電磁鐵lYA通電，2YA,4YA斷電。PLC以50Hz的頻率輸出由16位撥碼盤輸人的二工進(jìn)時(shí)打開所需數(shù)字節(jié)流閥通流面積對應(yīng)的脈沖數(shù)與一工進(jìn)時(shí)的輸出脈沖數(shù)的差值所得的脈沖數(shù)，因?yàn)槎みM(jìn)時(shí)通流面積比一工進(jìn)時(shí)小，所以輸出負(fù)脈沖。當(dāng)負(fù)脈沖輸出完成時(shí)(用一個(gè)計(jì)數(shù)器來判斷)轉(zhuǎn)人增量控制二工進(jìn)工作狀態(tài)。

第五步(IR200()4 ):增量控制二工進(jìn)工作，電磁鐵1YA通電，2YA，4YA斷電。當(dāng)壓力繼電器PR沒有超過設(shè)定閥值而接通時(shí)，滑臺按二工進(jìn)的速度運(yùn)行，每次當(dāng)壓力超過閥值時(shí)，壓力繼電器被接通時(shí)，YLC就會(huì)發(fā)出一個(gè)負(fù)脈沖信號，并且電磁鐵2YA，4YA通電，lYA斷電。當(dāng)壓力再次小于閥值時(shí)，電磁鐵再次lYA被接通,2YA,4YA斷電，周而復(fù)始，直到遇到止擋塊停留行程開關(guān)時(shí)轉(zhuǎn)人停留工作狀態(tài)。

第六步(IR20005 ):停留，電磁鐵lYA通電，2YA，4YA斷電。當(dāng)壓力繼電器YS超過設(shè)定閥值而接通時(shí)，PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器按16位撥盤設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)人快速退回工作狀態(tài)。

第七步(IR20006 ):快速退回，電磁鐵2YA通電，IYA，4YA斷電。工作臺迅速退回當(dāng)遇到原位行程開關(guān)時(shí)轉(zhuǎn)入原位停止工作狀態(tài)。

第八步(IR2(l(l07 ):原位停止，電磁鐵1YA，2YA ,4YA都斷電。工作臺進(jìn)入初始等待工作狀態(tài)。

根據(jù)以上功能順序畫出功能順序圖如圖6所示。

根據(jù)功能順序畫出PLC的梯形圖，如圖7所示。

最后按照如上的控制梯形圖通過計(jì)算機(jī)輔助編程將程序傳人PLC，按接線圖將各部件接入PLC的輸人和輸出端，整個(gè)基于PLC增量式控制的動(dòng)力滑臺液壓系統(tǒng)就能正常工作了。

4 結(jié)論

通過歐姆龍的CPM1A可編程邏輯控制器和增最數(shù)字節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力}r臺液壓系統(tǒng)的控制，可有效提高枯個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的液壓沖擊.提高了運(yùn)行時(shí)的橋確度。實(shí)現(xiàn)簡單.成本降低.具有一定的推廣性