基于PLC控制的大型機(jī)翼壓鉚機(jī)設(shè)計(jì)

李春義 梁東東 穆建森

摘要：大喉深壓鉚機(jī)在我國，特別是飛機(jī)制造行業(yè)應(yīng)用廣泛。文章運(yùn)用氣液增壓能量守恒原理，PLC智能控制實(shí)現(xiàn)大喉深壓鉚機(jī)在飛機(jī)制造企業(yè)的廣泛使用，為企業(yè)解決生產(chǎn)工藝難題，彌補(bǔ)大喉深壓鉚機(jī)國內(nèi)空白。

關(guān)鍵詞：大喉深；壓鉚機(jī)；氣液增壓；PLC控制

中圖分類號(hào)：V262 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）03-0037-03

大喉深壓鉚機(jī)在我國，特別是飛機(jī)制造行業(yè)應(yīng)用廣泛。隨著裝備制造業(yè)迅猛發(fā)展，大喉深大行程壓鉚設(shè)備尚為空白，我們經(jīng)過工藝探索，從受力結(jié)構(gòu)分析、焊接工藝安排、應(yīng)力消除方法、控制原理、壓鉚工藝、PLC控制、電磁換向邏輯關(guān)系入手，研制了大喉深壓鉚機(jī)，通過PLC數(shù)字化智能控制監(jiān)控壓鉚工藝，運(yùn)用氣液增壓原理實(shí)現(xiàn)壓鉚手動(dòng)、自動(dòng)過程的壓鉚過程。從而實(shí)現(xiàn)了大喉深壓鉚機(jī)的設(shè)計(jì)制造，為某飛機(jī)制造企業(yè)解決了困擾發(fā)展的難題，為我國今后推廣大喉深壓鉚機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

（一）總體結(jié)構(gòu)

該設(shè)備由床身、壓力變送器、預(yù)壓式上下模氣液增壓缸、氣動(dòng)回路、電氣控制回路構(gòu)成。利用壓縮空氣作為傳遞動(dòng)力，配合氣動(dòng)控制系統(tǒng)的主要?dú)鈩?dòng)元件與機(jī)械、液壓、電氣、PLC控制器等部分的動(dòng)作，按照生產(chǎn)工藝要求完成鉚接功能。

（二）工作原理

壓鉚機(jī)的核心部件為氣液增壓缸，它以氣缸為動(dòng)力，經(jīng)油缸增力，從而以氣動(dòng)方式達(dá)到等同于高壓油泵瞬間高壓效果。動(dòng)作過程分為上下氣缸同步，分別空行程快進(jìn)至模具壓緊機(jī)翼位置；油缸瞬間加壓行程實(shí)施鉚接過程；快速氣動(dòng)退任意位置或起始位置三部分。人工送入工件到位，按啟動(dòng)按鈕，上模氣液增壓缸快速下降到位，壓住工件檢測(cè)開關(guān)動(dòng)作后，下模氣液增壓缸快速上升到夾緊工件有信號(hào)后，下模開始增壓，這時(shí)可能出現(xiàn)兩種情況：一種是監(jiān)控的壓力在預(yù)先設(shè)定值范圍內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，增壓缸增壓到位后自動(dòng)退回。另一種情況是在增壓缸增壓過程中或增壓缸增壓到位后，監(jiān)控到壓力未達(dá)到設(shè)定值，設(shè)備報(bào)警并停止增壓，保持原位不動(dòng)，必須手動(dòng)退回。

（三）技術(shù)參數(shù)

1．采用氣液增壓技術(shù)，鉚接力可調(diào)，最大額定鉚接力350kN。

2．喉深2000mm。

3．壓鉚機(jī)成組鉚接模具支撐面間的最大距離600mm。

4．由地平面到壓鉚機(jī)的壓鉚中部平面的高度1500mm，支撐架高度1500mm。

5．上氣液缸活塞桿下平面低于壓鉚中部平面75mm。

6．上氣液缸總行程375mm。

7．下氣液增壓缸活塞桿上平面高于壓鉚中部平面50mm。

8．下氣液增壓缸總行程375mm，輔助行程355mm、鉚接行程20mm。

9．模具可轉(zhuǎn)動(dòng)角度360°。

10．機(jī)床工作所需壓縮空氣壓力0.5～0.6MPa（超壓或欠壓報(bào)警），工作電壓220±10%V 50Hz。

11．一次工作循環(huán)壓縮空氣消耗量（全行程計(jì)算）0.024立方米。

12．每分鐘可工作次數(shù)：10～5次。

13．PLC控制。環(huán)境溫度-10℃～55℃。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）工作流程

考慮到噪聲和油污對(duì)環(huán)境的影響，該設(shè)備動(dòng)力部分采用氣液控制，系統(tǒng)由氣液增壓缸，空氣過濾組合三聯(lián)件、電磁閥、單向節(jié)流閥、減壓閥、快速排氣閥、數(shù)顯壓力控制器等組成。如圖所示，系統(tǒng)中的減壓閥將系統(tǒng)壓力的大小調(diào)至合適的范圍，單向節(jié)流閥控制增壓缸的增壓速度，快速排氣閥加快增壓缸的回程速度，縮短設(shè)備節(jié)拍時(shí)間。

圖1氣路原理

1.上模缸動(dòng)作：下降電磁鐵YA0、YA1同時(shí)通電，上升時(shí)，電磁鐵YA、0YA1同時(shí)通電，

2.下模增壓缸動(dòng)作：增壓缸快進(jìn)，電磁鐵YA2通電，氣源進(jìn)入增壓缸的快進(jìn)端口，增壓缸快進(jìn)，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥可得到理想的快進(jìn)速度，夾緊行程開關(guān)接通為快進(jìn)到位，增壓缸增壓，電磁鐵YA4通電，氣源進(jìn)入增壓缸的增壓端口，增壓缸增壓上行，通過調(diào)節(jié)減壓閥及節(jié)流閥可得到理想的輸出壓力及增壓速度，壓力值達(dá)到設(shè)定值為增壓到位，增壓缸退回，YA4斷電，電磁鐵YA3通電，增壓缸的增壓端口及快進(jìn)端口與大氣相通，氣源進(jìn)入增壓缸的第二個(gè)退回端口，增壓缸下降退回原位。

（二）可編程控制器PLC

可編程控制器PLC作為本系統(tǒng)的控制核心，接受控制面板按鈕（或腳踏開關(guān)），上下模行程開關(guān)和壓力控制器的輸入信號(hào)，經(jīng)過程序處理后發(fā)出輸出信號(hào)去控制電磁閥從而由氣缸來完成相應(yīng)動(dòng)作同時(shí)在執(zhí)行過程中輸出顯示信息，如檢測(cè)結(jié)果顯示，壓力，超程報(bào)警。

本系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的小型可編程控制器FX1N系列，適用于檢測(cè)、監(jiān)控及運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，具有極高的性價(jià)比。按照設(shè)備控制功能的需要，PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示：

圖2 動(dòng)作示意圖

（三）數(shù)顯壓力控制器

本設(shè)備在下模氣液增壓缸液壓回路內(nèi)裝有一個(gè)壓力變送器，對(duì)壓鉚壓力大小實(shí)時(shí)監(jiān)控，該壓力變送器是一種能感受壓力，并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可傳遞到統(tǒng)一輸出信號(hào)的儀表，而且其輸出信號(hào)變送與壓力信號(hào)之間有一定的連續(xù)線性函數(shù)關(guān)系。壓力變送器主要由測(cè)壓元件傳感器，測(cè)量電路，和過程連接件等組成，它能將接收到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流

〔4～20mA〕或電壓〔0～10V〕信號(hào)，以供控制器進(jìn)行測(cè)量、指示和過程調(diào)節(jié)。

（四）電氣控制原理

圖3電氣原理圖一

圖4電氣原理圖二

三、性能特點(diǎn)

（一）高效節(jié)能，綠色環(huán)保

壓鉚基本原理是運(yùn)用氣動(dòng)回路控制氣缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)空行程快進(jìn)和加緊工件過程，只是在短行程幾乎瞬間實(shí)現(xiàn)(大力士)液壓增壓鉚接功能，一次工作循環(huán)壓縮空氣消耗量（全行程計(jì)算）僅0.024立方米，和全液壓或全氣動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉚接設(shè)備相比，節(jié)能達(dá)到90%，并且對(duì)潔凈環(huán)境，避免泄露油污染有所改進(jìn)。

（二）軟到位壓緊

在空行程中，上下模具伺服缸由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作快，施力小，達(dá)到工件表面幾乎是“軟著陸”直到壓緊。

（三）氣液增壓模具壓鉚

圖5氣液增壓缸示意圖

（四）控制準(zhǔn)確 定位精確

運(yùn)用PLC技術(shù)，選用敏捷準(zhǔn)確的檢測(cè)元件，周密細(xì)致的軟件控制，達(dá)到控制準(zhǔn)確定位精確

（五）床身獨(dú)特機(jī)構(gòu)

床身經(jīng)過精確地受力分析，消除了機(jī)構(gòu)余力；運(yùn)用振動(dòng)時(shí)效的方法，徹底消除了焊接應(yīng)力，使床身的變形量接近于零。

四、PLC實(shí)現(xiàn)壓鉚過程的運(yùn)動(dòng)控制

（一）PLC程序

按照工作過程，結(jié)合氣液增壓缸的動(dòng)作圖表，選擇規(guī)定的工作方式，使有關(guān)電磁閥在PLC程序設(shè)定的順序或條件下，完成點(diǎn)動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)循環(huán)工藝流程。

（二）實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的典型程序段

壓鉚機(jī)程序：

（三）基本功能

1．上模具快速下移且行程范圍內(nèi)任意位置可停止。

2．下模具快速上移且行程范圍內(nèi)任意位置可停止。

3．鉚接過程上模具定位。

4．鉚接后，上、下模具同時(shí)自動(dòng)退向原位，任意位置可停止。

5．鉚接后，鉚接行程退回原位置。

五、結(jié)論

大喉深或超大喉深大行程壓鉚機(jī)經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試并投入運(yùn)行，通過了飛機(jī)制造企業(yè)的驗(yàn)收，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。實(shí)際使用表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作維護(hù)簡單方便，智能化控制精確，對(duì)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王阿根．電氣可編程控制原理與應(yīng)用[M]．2007.

[2]張舫．談氣液增壓缸的應(yīng)用[J]．中小企業(yè)管理與科技，2009，（8）.

[3]楊瑩，邵英，等．可編程控制器案例教程[M]．清華大學(xué)出版社，2005.

作者簡介：李春義（1964-），男，陜西省機(jī)械研究院機(jī)電技術(shù)研發(fā)中心主任，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)電產(chǎn)品非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)。

（責(zé)任編輯：趙秀娟）