基于FluidSIM-H 的剪板機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制

郭聯(lián)金，宋成艷

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東東莞 523808;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001)

剪板機(jī)用于剪切各種厚度的鋼板材料，是機(jī)加工中應(yīng)用較為廣泛的一種剪切設(shè)備。某液壓剪板機(jī)設(shè)備用于剪切自動(dòng)生產(chǎn)線上下料的薄型金屬板材，它能按加工要求將金屬薄板剪切開，并由料車收集，自動(dòng)輸送至下一工序。

1 系統(tǒng)主機(jī)功能結(jié)構(gòu)

液壓剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示，其中，板料的壓緊和剪切由液壓缸驅(qū)動(dòng)。啟動(dòng)系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)升壓到工作壓力，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)送料帶將板料向右傳送，當(dāng)板料達(dá)到規(guī)定的剪切長(zhǎng)度時(shí)，碰到行程開關(guān)SQ1，送料停止。同時(shí)壓塊由壓緊缸帶動(dòng)下落，壓塊上限開關(guān)SQ2 接通。當(dāng)板料壓緊、壓塊到位時(shí)，壓塊下限開關(guān)SQ3 接通，3 s 后，剪刀由剪切缸帶動(dòng)下落。此時(shí)，SQ4 接通，板料落入料架，行程開關(guān)SQ1 復(fù)位斷開。光電開關(guān)SQ5 對(duì)落入小車的板料進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù)。與此同時(shí)，壓緊缸、剪切缸分別回程復(fù)位，送料電機(jī)重新啟動(dòng)，繼續(xù)進(jìn)入下一次自動(dòng)工作循環(huán)，直至料架上的板料達(dá)到設(shè)定數(shù)時(shí)，系統(tǒng)停止工作［1］。

圖1 自動(dòng)剪板機(jī)原理示意圖

2 液壓回路設(shè)計(jì)

在FluidSIM-H 軟件上設(shè)計(jì)的剪板機(jī)液壓回路如圖2 所示，液壓系統(tǒng)采用變量泵1 供油，先導(dǎo)式溢流閥2 用于設(shè)定系統(tǒng)的工作壓力(由壓力表及其開關(guān)4顯示)。二位二通電磁換向閥3 用于控制液壓系統(tǒng)的卸荷。壓緊缸13 和剪切缸14 的運(yùn)動(dòng)方向分別由二位四通電磁閥8 和9 控制。壓緊缸工作壓力較低，由減壓閥6 設(shè)定并由壓力表及其開關(guān)7 顯示。單向順序閥10 作平衡閥，用于防止釋壓時(shí)壓緊缸13 因自重下落。單向節(jié)流閥12 用于剪切缸14 下降時(shí)的回油節(jié)流調(diào)速。液控單向閥11 用于剪切缸上位時(shí)的鎖緊［2］。蓄能器15 作為能量貯存元件，用于系統(tǒng)的輔助油源。

圖2 剪板機(jī)液壓系統(tǒng)控制原理圖

3 PLC 控制設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓剪板機(jī)的控制要求，所設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)需要15 個(gè)輸入信號(hào)、8 個(gè)輸出信號(hào)，且都為開關(guān)量?？紤]到系統(tǒng)維護(hù)、功能擴(kuò)展、系統(tǒng)改造和經(jīng)濟(jì)性等因素，選用西門子S7-200 CPU 226 型PLC 作為控制器，它具有24 個(gè)輸入點(diǎn)和16 個(gè)輸出點(diǎn)，可滿足控制要求。系統(tǒng)I/O 分配及PLC 外圍接線如圖3 所示。

圖3 PLC I/O 接線圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

PLC 控制程序的流程圖如圖4 所示。

圖4 PLC 程序流程圖

由于系統(tǒng)有自動(dòng)、手動(dòng)、復(fù)位3 種工作方式，采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)使程序具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰、編寫方便的優(yōu)點(diǎn)。主程序中包括系統(tǒng)初始化程序、復(fù)位程序、手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序4 個(gè)子程序［3］。其中手動(dòng)/自動(dòng)的選擇由手動(dòng)選擇開關(guān)SA 來實(shí)現(xiàn)。

初始化程序主要完成泵的啟動(dòng)、系統(tǒng)升壓、板料剪切數(shù)的預(yù)設(shè)。這部分程序?yàn)橄到y(tǒng)的正常工作作好準(zhǔn)備。復(fù)位程序主要完成夾緊液壓缸、剪切刀具液壓缸回復(fù)到初始工作位置。手動(dòng)控制程序主要包括:急停按鈕SB0，用于切斷系統(tǒng)總電源以實(shí)現(xiàn)多地控制和系統(tǒng)安全;泵啟動(dòng)按鈕SB1，用于啟動(dòng)液壓泵電機(jī);加壓按鈕SB2，用于將系統(tǒng)壓力升至正常工作壓力;泵卸載按鈕SB3 既可作為正常的停止按鈕，又可作為急停按鈕;手動(dòng)按鈕SB4 實(shí)現(xiàn)傳送帶送料;手動(dòng)按鈕SB5 實(shí)現(xiàn)板料壓緊;手動(dòng)按鈕SB6 實(shí)現(xiàn)板料剪切;SB7 實(shí)現(xiàn)回原位狀態(tài);SB8 實(shí)現(xiàn)停止剪切。自動(dòng)控制程序分別由各種限位開關(guān)、行程開關(guān)、光電開關(guān)SQ1～SQ5 進(jìn)行信號(hào)采集，由PLC 讀入這些信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)板料剪切過程的自動(dòng)控制。根據(jù)I/O 端子分配、程序流程圖，在PLC 的編程軟件STEP 7 MicroWIN 中編寫梯形圖，便可得到液壓剪板機(jī)的PLC 控制程序(梯形圖略)。

4 FluidSIM 仿真與實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬

(1)FluidSIM 仿真

為了降低硬件設(shè)備在線調(diào)試運(yùn)行的未知性，提高程序的可靠性，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，先用PLCSIM 仿真軟件對(duì)編輯好的梯形圖進(jìn)行離線模擬。因Fluid-SIM-H 無法與PLCSIM 進(jìn)行直接通信，在此選用FESTO 公司開發(fā)的Vswitch 軟件，借助FluidSIM 提供的DDE 元件，通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)FluidSIMH 與PLCSIM 的聯(lián)合仿真［4］。其步驟為:先在Fluid-SIM 中，進(jìn)行DDE 通信設(shè)置;再進(jìn)入PLCSIM，仿真運(yùn)行液壓剪板機(jī)的PLC 控制程序;最后進(jìn)入Vswitch軟件，并啟動(dòng)Vswitch 軟件的數(shù)據(jù)交換［5］。DDE 輸入口從外部讀取按鈕、行程開關(guān)等數(shù)據(jù)到FluidSIM-H中，控制液壓回路的動(dòng)作;DDE 輸出口將液壓回路的繼電器線圈、電磁線圈等狀態(tài)信號(hào)輸出到PLCSIM中，從而完成仿真控制過程。仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1 s，圖5 為液壓剪板機(jī)仿真效果圖，圖中模擬了液壓剪板機(jī)自動(dòng)運(yùn)行一個(gè)周期內(nèi)各元件順序動(dòng)作狀態(tài)的變化。當(dāng)板料長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值(SQ1=1)，壓緊缸下行(行程200 mm)，壓塊到達(dá)下限(SQ3=1)3 s 后，剪切缸下行(SQ4=1，行程200 mm)，2 s 后，壓緊缸、剪切缸回程復(fù)位。從仿真結(jié)果可見，液壓剪板機(jī)的動(dòng)作控制符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 剪板機(jī)單周期運(yùn)行仿真效果

(2)實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬

在PLC 控制的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，按圖2 搭建剪板機(jī)液壓回路，按圖3 對(duì)PLC 的輸入輸出端進(jìn)行硬件接線，并將仿真調(diào)試好的梯形圖程序下載到S7-200 PLC 中并進(jìn)行模擬調(diào)試與運(yùn)行。調(diào)整各行程開關(guān)SQ2、SQ3、SQ4 的位置，并以按鈕開關(guān)或行程開關(guān)模擬送料到位SQ1、光電計(jì)數(shù)SQ5 等信號(hào)的動(dòng)作，觀測(cè)兩個(gè)液壓缸及各輸出元件的動(dòng)作、指示燈的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)束語

對(duì)液壓剪板機(jī)的油路及PLC 的控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過FluidSIM 軟件仿真與實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性與有效性。該法可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的未知性，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，為科研以及學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)搭建了很好的平臺(tái)，也可為類似的機(jī)電液(氣)一體化系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供借鑒。

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