振動(dòng)下料機(jī)液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要：在分析了新型振動(dòng)下料機(jī)采用繼電器一接觸器控制方式存在不足的基礎(chǔ)上，指出 了對(duì)其進(jìn)行PLC控制的必要性。分析了該振動(dòng)下料機(jī)的基本構(gòu)成及工作原理，建立了相應(yīng) 的液壓系統(tǒng)。針對(duì)下料機(jī)正常工作對(duì)控制系統(tǒng)要求，確定了 PLC的輸入量及輸出量，建立 了 PLC控制的硬件接線(xiàn)圖，編制了相應(yīng)的梯形圖控制軟件。大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方案的 可行性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞：下料機(jī)；液壓系統(tǒng)；可編程控制器；梯形圖將金屬棒、管坯料按規(guī)定的尺寸分離切斷或鋸斷的所謂下料工序是機(jī)械加工工業(yè)特別是 鍛壓工業(yè)的第一道工序，也是獲得諸如普通的圓柱銷(xiāo)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)件、內(nèi)燃機(jī)活塞銷(xiāo)、金屬鏈條連 接銷(xiāo)、滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈及滾子等零件毛坯的關(guān)鍵工序。但

2、是，目前在工業(yè)領(lǐng)域中，仍大量 存在下料效率低、自動(dòng)化程度差、下料斷面質(zhì)量差、下料造成的材料浪費(fèi)嚴(yán)重成本高、下料 時(shí)的能耗大等問(wèn)題，從而大大降低了產(chǎn)品的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性，所以開(kāi)發(fā)出一種具有優(yōu)越性能的新 型下料方法勢(shì)在必行。為此本文作者在金屬棒、管坯料下料方面進(jìn)行了 20多年長(zhǎng)期不懈的探索和大量的研究 工作，在下料方面曾獲兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金資助。目前正根據(jù)本文作者所獲得的預(yù)制裂紋 的低應(yīng)力棒料精密剪切方法的國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利(88108351、1035971、1010289)需要，研制成功 了一種新型全自動(dòng)振動(dòng)下料機(jī)，該新型全自動(dòng)振動(dòng)下料機(jī)正申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。當(dāng)該下料機(jī) 采用傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制方案時(shí)，

3、其電器動(dòng)作噪聲大，控制系統(tǒng)接線(xiàn)復(fù)雜，維護(hù)困難， 在加上我國(guó)低壓電器質(zhì)量差，更使該繼電器一接觸器控制系統(tǒng)故障率高，給實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)帶 來(lái)了很大困難，特別是當(dāng)改變工藝或使其控制功能更加完善時(shí)，需要改變硬件線(xiàn)路，這在工 業(yè)實(shí)際中操作完成是比較困難的。為此，本文采用了可編程控制器(PIE)對(duì)該下料機(jī)的振動(dòng)下料過(guò)程進(jìn)行控制的方案。實(shí) 際應(yīng)用結(jié)果表明，該P(yáng)IE控制方案具有通用性好、可靠性高、可以適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、控制 功能強(qiáng)大、編程使用方便、控制線(xiàn)路比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的控制方法，值得在 工業(yè)實(shí)際中推廣應(yīng)用。1振動(dòng)下料機(jī)的基本構(gòu)成及其液壓系統(tǒng)該振動(dòng)下料機(jī)總的來(lái)說(shuō)是由機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)和電器控制三大

4、部分組成。為了便于對(duì) 其控制動(dòng)作的分析敘述，這里將其按動(dòng)作順序來(lái)分析，并且認(rèn)為其是由送進(jìn)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu) 和振動(dòng)下料機(jī)構(gòu)三部分組成，這三部分按工序從前到后的順序布置如圖1所示。圖1振動(dòng)下料機(jī)的基本構(gòu)成該振動(dòng)下料機(jī)的工作原理為先將預(yù)制有環(huán)狀“V”字形缺El需要切斷分離的棒、管坯 料通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)的液壓缸將其夾緊，送進(jìn)機(jī)構(gòu)的液壓缸將其逐漸送入到振動(dòng)下料機(jī)中，然后 使棒料在振動(dòng)下料機(jī)構(gòu)中沿著環(huán)狀“V”字形缺El的根部產(chǎn)生低周疲勞斷裂，從而形成良 好的分離斷面。一旦棒料被分離切斷，夾緊機(jī)構(gòu)的液壓缸松開(kāi)，送進(jìn)機(jī)構(gòu)的液壓缸后退到位。 再重復(fù)循環(huán)上述的動(dòng)作過(guò)程，進(jìn)行下一個(gè)分離切斷動(dòng)作?？紤]到該機(jī)正常工作所需的夾

5、緊力和送進(jìn)力很大和控制的靈活方便性，該振動(dòng)下料機(jī)的 夾緊和送進(jìn)動(dòng)作均采用液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。為了提高其性能，圖 2中選用的兩換向閥均為濕式交流板式連接型電磁換向閥?？紤]到該振動(dòng)下料機(jī)正常工作 時(shí)，將棒料送入振動(dòng)下料機(jī)構(gòu)中所需要的送進(jìn)力較小，相應(yīng)地進(jìn)入送進(jìn)缸的油壓也較小；而 在圖2的液壓系統(tǒng)中采用的申福牌CY型軸向手動(dòng)變量柱塞泵SCY141B的公稱(chēng)油壓為 31.5MPa，因只有這樣的高油壓才能使夾緊缸產(chǎn)生足夠的夾緊力保證振動(dòng)下料機(jī)正常工作， 為此本文作者選用了由山西榆次液壓元件廠制造的車(chē)輛用液壓缸DGJ50CE1 一 Y1（油壓 為16MPa行程為100ram）作為送進(jìn)液壓

6、缸。故在圖2的液壓系統(tǒng)送進(jìn)缸支路中設(shè)置了減壓閥 JDFB10F，通過(guò)該減壓閥可將進(jìn)入到送進(jìn)缸的油壓從31. 5MPa減少到16MPa，保證了送 進(jìn)液壓缸的安全工作。為了防止當(dāng)夾緊缸夾緊棒料后送進(jìn)缸產(chǎn)生送進(jìn)動(dòng)作時(shí)夾緊缸內(nèi)的油壓下降導(dǎo)致夾緊力 不足，從而造成振動(dòng)下料機(jī)無(wú)法正常分離切斷棒料，因而在圖2的液壓系統(tǒng)夾緊缸的支路中 設(shè)置了一個(gè)液控單向閥A1YHbl0B，其為內(nèi)泄式，正向開(kāi)啟壓力為0. 4MPa，當(dāng)反向開(kāi) 啟出口無(wú)背壓時(shí)，最小控制壓力為1. 6MPa。從圖2可看出，當(dāng)夾緊缸夾緊棒料后，會(huì)使 送進(jìn)缸在送進(jìn)過(guò)程中柱塞泵出口的油壓下降，但由于液控單向閥A1YHbl0B的存在，夾 緊缸內(nèi)的油不會(huì)倒流

7、，因此其缸內(nèi)的油壓不會(huì)下降，因此夾緊力不變；而當(dāng)夾緊缸反向朝右 運(yùn)動(dòng)放松棒料時(shí)，由于夾緊缸左腔油壓升高，圖2中的液控單向閥A1YHbl0B的控制口 內(nèi)的油壓升高，在達(dá)到其反向啟動(dòng)控制油壓1. 6MPa時(shí)，會(huì)使液控單向閥A1YHblOB反 向打開(kāi)，從而可順利地使夾緊缸油腔的油通過(guò)其再由二位四通電磁閥24BI1 一 H10BT流 人油箱。?圖2振動(dòng)下料機(jī)的液壓系統(tǒng)對(duì)圖2的液壓系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程的分析后可看出，通過(guò)對(duì)兩個(gè)換向閥的線(xiàn)圈得失電的控制， 就可達(dá)到使夾緊缸和送進(jìn)缸按照規(guī)定的順序動(dòng)作之目的。下表列出了圖2中的各液壓元件在 一個(gè)完整的全自動(dòng)下料循環(huán)中的工作順序及信號(hào)來(lái)源。液壓元件動(dòng)作順序表2振動(dòng)下料機(jī)

8、的PLc控制硬件根據(jù)該振動(dòng)下料機(jī)上述的工作原理特別是其液壓系統(tǒng)的動(dòng)作順序，結(jié)合所選用的德國(guó)西 門(mén)子公司的SIMATIC s7200 PLC產(chǎn)品的性能，在保證控制動(dòng)作可靠、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、造 價(jià)低、控制功能強(qiáng)、編程方便的前提下，獲得了如圖3所示的振動(dòng)下料機(jī)PLC控制硬件接線(xiàn)圖。圖3振動(dòng)下料機(jī)PLC控制的硬件接線(xiàn)圖這種振動(dòng)下料機(jī)用來(lái)產(chǎn)生振動(dòng)的電動(dòng)機(jī)為Y系列(IP44)封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)(Y132S1 2、5. 5kW、2900r/min、11. 1A),而油泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為Y系歹列(IP44)封閉式三相異 步電動(dòng)機(jī)(Y132M 4、7. 5kW、1440r / min、15. 4A)，由于這兩臺(tái)電

9、動(dòng)機(jī)的額定功率和 電流均較大，因而必須選用兩個(gè)交流接觸器，而相應(yīng)地控制這兩個(gè)交流接觸器動(dòng)作的控制線(xiàn) 圈的電流仍很大，造成所選用的合適的西門(mén)子公司的S1MATIC s7200 PLC產(chǎn)品無(wú)法滿(mǎn)足 其正常工作的電流的要求；加之對(duì)振動(dòng)電動(dòng)機(jī)及油泵電動(dòng)機(jī)的控制動(dòng)作簡(jiǎn)單，這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī) 一旦開(kāi)動(dòng)后就一直不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，直至停機(jī)為止。鑒于上述原因，本文將振動(dòng)電動(dòng)機(jī)和油泵電 動(dòng)機(jī)開(kāi)停的四個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)量均獨(dú)立于PIE之外，而仍保持原有的接觸器控制方案。相應(yīng)的兩 個(gè)電動(dòng)機(jī)開(kāi)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)顯示用的兩個(gè)信號(hào)燈及電源信號(hào)燈也均獨(dú)立于PIE之外，不作為PLC的 輸出量，這樣就減少了 PIE的輸入和輸出量的數(shù)目，降低了所選用的PLC的價(jià)

10、格(因?yàn)镻IE的 價(jià)格往往和其輸入輸出點(diǎn)的多少密切相關(guān))，真正發(fā)揮了 PIE控制復(fù)雜系統(tǒng)和接觸器控制大 電流的優(yōu)勢(shì)，所以圖3中PIE的輸入量中沒(méi)有這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)停按鈕。從圖3中可看出，對(duì)該下料機(jī)進(jìn)行PIE控制時(shí)，作為PIE的輸入量應(yīng)包括了三個(gè)限位開(kāi) 關(guān)XK1、XK2XK3，反映夾緊缸夾緊的壓力繼電器的電信號(hào)XK4整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程控制方式的 自動(dòng)與手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)KA和KH，電路中控制電源開(kāi)關(guān)KT (包括啟動(dòng)按鈕KB和停止按扭 KS)以及手動(dòng)操作時(shí)的4個(gè)開(kāi)關(guān)K1、l(2、K3、K4，以上共計(jì)12個(gè)輸入量。輸出包括兩個(gè) 液壓電磁閥的三個(gè)電磁線(xiàn)圈DT1、DT2、DT3，四個(gè)信號(hào)燈，共計(jì)7個(gè)輸出量。從圖3可

11、知，所選擇的PLC為德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的s7200CPU216PLC，該P(yáng)IE的 輸入量為24個(gè)，輸出量為16個(gè)，輸入采用兩組匯點(diǎn)式接線(xiàn)方式，輸出采用三組匯點(diǎn)式接線(xiàn) 方式，其輸入量為24DC (該直流24V為PIE自身提供)，輸出為繼電器控制方式，輸出電壓 為220交流，直接驅(qū)動(dòng)圖2中的液壓電磁閥順序動(dòng)作。圖3中的四個(gè)信號(hào)燈是為了實(shí)時(shí)檢測(cè) 動(dòng)作過(guò)程設(shè)置，均采用交流6. 3V電源，該電壓由變壓器提供。3振動(dòng)下料機(jī)的PIE控制軟件的設(shè)計(jì)根據(jù)上述控制的要求，經(jīng)過(guò)深入分析，采用由西門(mén)子公司提供的STEP7 一 Micro編制 系統(tǒng)軟件，在微機(jī)上編制振動(dòng)下料機(jī)PIE控制梯形圖程序，然后用通訊電纜將控制程

12、序由微 機(jī)下載到PIE之內(nèi)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試修改并在實(shí)際的下料機(jī)上運(yùn)行，獲得了圖4所示的控制梯形 圖，經(jīng)反復(fù)調(diào)試取得了比較滿(mǎn)意的控制效果。該控制程序由一個(gè)主程序和兩個(gè)子程序組成。主程序先進(jìn)行系統(tǒng)各元件位置的初始化， 然后分別調(diào)用兩個(gè)子程序來(lái)完成所需的控制任務(wù)。初始化的目的在于保證周期工作時(shí)，各個(gè) 工作部分能處于相應(yīng)的位置，否則就會(huì)給后面的加工帶來(lái)不便，因此在初始化中，要求夾緊 缸處于松開(kāi)狀態(tài)，送進(jìn)缸回退到位，在按下結(jié)束按鈕之后應(yīng)使設(shè)備復(fù)位初始化。即工作之前 之后都初始化。兩種控制方式：手動(dòng)和自動(dòng)，由兩個(gè)子程序(即子程序1和子程序2)實(shí)現(xiàn)。 一個(gè)子程序進(jìn)行手動(dòng)控制，設(shè)置手動(dòng)控制功能主要是為了進(jìn)行不同材

13、質(zhì)及直徑的棒料的振動(dòng) 下料工藝參數(shù)的摸索研究。當(dāng)然，正常生產(chǎn)中采用的是全自動(dòng)控制方式。在圖4的梯形圖中，首先下料機(jī)進(jìn)行初始化。程序一開(kāi)始運(yùn)行，PIE自動(dòng)提供一個(gè)脈沖 SM0. 1在第一掃描周期閉合(ON)，輔助繼電器M0. 0得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)M0. 0閉合，10. 4 常閉觸點(diǎn)閉合，送進(jìn)缸左行后退，兩位四通電磁閥斷電，夾緊缸處于松開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)送進(jìn)缸到 達(dá)左極限行程開(kāi)關(guān)10. 4時(shí)，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，左行控制線(xiàn)圈Q1. 2失電，送進(jìn)缸停止運(yùn) 動(dòng)，完成初始化。子程序1為手動(dòng)控制，子程序2為自動(dòng)控制。因手動(dòng)控制程序簡(jiǎn)單，這里不再論述。下 面僅簡(jiǎn)要介紹一下自動(dòng)控制子程序的工作過(guò)程。當(dāng)程序完成初始化后，按下

14、自動(dòng)選擇按鈕 KA,調(diào)用子程序2,送進(jìn)缸后退到位，常開(kāi)觸點(diǎn)10. 4閉合，夾緊控制線(xiàn)圈Q1. 3得電， 夾緊缸夾緊，夾緊后壓力不斷升高，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，壓力繼電器10. 5得電，其常開(kāi) 觸點(diǎn)閉合，控制右行線(xiàn)圈Q1. 1得電，送進(jìn)缸右行送進(jìn)，送進(jìn)到位后，碰到右行限位開(kāi)關(guān) 10. 3，送進(jìn)缸停止運(yùn)動(dòng)，延時(shí)繼電器T102得電，經(jīng)延時(shí)后，其常閉觸點(diǎn)T102斷開(kāi)，控制 線(xiàn)圈Q1. 3斷電，夾緊缸松開(kāi)，松開(kāi)到位碰到限位開(kāi)關(guān)10. 6,其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，左行控制 線(xiàn)圈Q1. 2得電，送進(jìn)缸左行后退，完成一個(gè)工作循環(huán)。?圖4振動(dòng)下料機(jī)的控制梯形圖4結(jié)論振動(dòng)下料機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)預(yù)制有裂紋的棒料施加振動(dòng)力，使其在規(guī)定

15、的缺口部位產(chǎn)生低 周疲勞斷裂，達(dá)到分離切斷棒料的目的。該機(jī)的送進(jìn)機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)采用液壓傳動(dòng)方法，在送進(jìn)缸支路中應(yīng)設(shè)置減壓閥， 在夾緊缸支路中應(yīng)設(shè)置液控單向閥。在振動(dòng)下料機(jī)PIE控制時(shí)，可將產(chǎn)生切料力的振動(dòng)電機(jī)和油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)和開(kāi)?？刂?電路均獨(dú)立于PIE之外，這樣就可以降低所選用PIE的價(jià)格；對(duì)振動(dòng)下料機(jī)的控制主要是對(duì) 液壓系統(tǒng)的兩個(gè)電磁換向閥的三個(gè)電磁線(xiàn)圈進(jìn)行控制，并且振動(dòng)下料機(jī)的PIE控制宜采用由 PLc自帶的24V直流電源提供的開(kāi)關(guān)量輸入方式，輸出為交流繼電器方式的PIE。振動(dòng)下料機(jī)PLC控制的軟件采用梯形圖方式，且由主程序和子程序組成。主程序應(yīng) 首先使液壓系統(tǒng)各元件可靠地初始化。兩個(gè)子