基于PLC與凸輪組合控制的伺服壓力機(jī)設(shè)計(jì)

張志強(qiáng)，付軍，陳杰，楊釗

(中國(guó)工程物理研究院 材料研究所，四川 江油 621709)

0 引言

隨著壓力機(jī)在電子產(chǎn)品、汽車等制造領(lǐng)域應(yīng)用的深入，普通的機(jī)械式壓力機(jī)、液壓式壓力機(jī)、螺旋式壓力機(jī)已難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。沖壓過程中的高精度、高效性和高柔性已經(jīng)成為壓力機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，高速伺服壓機(jī)便是集諸功能于一體的沖壓設(shè)備[1-3]。

在伺服壓機(jī)的設(shè)計(jì)需求中，交流伺服壓機(jī)可根據(jù)生產(chǎn)的需要設(shè)定出不同的沖壓速度和工作行程，同時(shí)保證沖壓截止點(diǎn)的成形精度，抑制工件上飛邊毛刺等缺陷的出現(xiàn)，滿足重型負(fù)載沖壓的要求。由于壓機(jī)是集機(jī)電液于一體的系統(tǒng)，沖頭的工作區(qū)域?yàn)榉遣僮骺臻g，勢(shì)必導(dǎo)致在整個(gè)行程上以及在其他相關(guān)運(yùn)動(dòng)元器件上必須增加數(shù)個(gè)檢測(cè)傳感器，用于反饋沖頭的位置信息以及其他信號(hào)，從而造成了壓力機(jī)外圍布線的冗余，極大影響了工作人員的有效操作空間，同時(shí)帶來一定的安全隱患[4-5]。

為避免上述問題的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)沖壓多級(jí)傳動(dòng)鏈上新增凸輪機(jī)構(gòu)，不僅將運(yùn)動(dòng)中的各類位置信息全部集成到凸輪上，而且由凸輪與PLC一對(duì)一進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，精煉了整體的控制電路，有效地提升了設(shè)備后期的可維修性。

1 沖壓工藝分析

壓力機(jī)動(dòng)力以交流伺服電機(jī)為主，最大沖壓力滿足630kN。壓力機(jī)殼體采用鑄造件，以最大限度地減小振動(dòng)。系統(tǒng)工作時(shí)，在啟動(dòng)和停止時(shí)帶加減速功能，有唯一確定的原點(diǎn)位置，實(shí)際操作過程中手/自動(dòng)可切換，對(duì)沖壓的零件個(gè)數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)計(jì)數(shù)，對(duì)電機(jī)、油缸、氣缸、閥門等安全情況能夠?qū)崟r(shí)顯示過載、欠壓、報(bào)警等原因。再配以PLC為核心的控制，將電氣系統(tǒng)、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、面板操作系統(tǒng)全部集中控制，通過編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖壓的功能[6]，如圖1所示。

圖1 沖壓功能流程圖

2 壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 規(guī)劃傳動(dòng)路線

由于壓力機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)上需通過凸輪來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)由一級(jí)皮帶傳動(dòng)，二級(jí)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)輸出軸向外輸送功率，輸出部分共分為3部分：1) 帶動(dòng)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作，達(dá)到?jīng)_壓的目的；2) 帶動(dòng)三級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛輪的運(yùn)動(dòng)，為整個(gè)結(jié)構(gòu)工作儲(chǔ)存能量；3) 帶動(dòng)三級(jí)皮帶傳動(dòng)，由皮帶來帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。將所有的位置信息集成到凸輪機(jī)構(gòu)上，通過凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)在沖頭上下極限位置處，根據(jù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度增加限位開關(guān)，起到機(jī)械保護(hù)作用，如圖2所示。

圖2 沖壓機(jī)傳動(dòng)路線圖

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

壓力機(jī)的設(shè)計(jì)輸入條件：公稱壓力為630kN，公稱壓力行程為50mm，制動(dòng)時(shí)間0.2s，機(jī)械傳動(dòng)效率定為90%，由傳動(dòng)路線確定出電機(jī)的額定功率和轉(zhuǎn)矩[7]：

(1)

(2)

式中：E為運(yùn)動(dòng)部分的能量，即飛輪在工作時(shí)儲(chǔ)存的能量。Ke為電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的安全過載系數(shù)，通常取2，α為電機(jī)啟動(dòng)加速轉(zhuǎn)角，取20°，γ為機(jī)械傳動(dòng)的效率，n為沖頭往返沖壓的行程次數(shù)，Kδ為電機(jī)的安全系數(shù)。

滿足負(fù)載與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的匹配關(guān)系如下：

負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)化到電機(jī)軸側(cè)后：

(3)

式中：J0為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·M2)，J1為主皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J2為主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J3為曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J4為錐齒輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J5為凸輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

i1平帶傳動(dòng)比=1∶6；

i2齒輪傳動(dòng)比=1∶25；

i3錐齒輪傳動(dòng)比=1∶1；

i4同步帶傳動(dòng)比=1∶1；

實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，考慮壓力機(jī)安全系數(shù)β，取1.5～2范圍值，才能提供有效的沖壓能量。

Je=βJ

(4)

還須考慮電機(jī)制動(dòng)保護(hù)裝置電機(jī)在帶制動(dòng)裝置后制動(dòng)力矩為Mp，則整個(gè)系統(tǒng)裝置應(yīng)滿足如下公式：

Mp+Me=Jeα

(5)

式中Me為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

綜合式(1)-式(5)，得出電機(jī)的額定功率為4.88kW，額定轉(zhuǎn)矩為17.6N·m，制動(dòng)力矩不得低于21N·m，選用松下A5系列MHME系列5kW伺服電機(jī)，配備MFDHTA464驅(qū)動(dòng)，便能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 凸輪轉(zhuǎn)角分布

凸輪的設(shè)計(jì)利用了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，將凸輪作為整個(gè)控制系統(tǒng)的主要循環(huán)控制結(jié)構(gòu)，由于系統(tǒng)的完整性，凸輪每轉(zhuǎn)到的一個(gè)位置同時(shí)對(duì)應(yīng)著整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)唯一的一個(gè)位置。因此，通過監(jiān)測(cè)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，便能得知各機(jī)構(gòu)此時(shí)的位置。如圖3所示，如SQ1代表吹氣閥門的工作狀態(tài)，SQ2代表計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)，在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)300°～330°之間處于有效工作時(shí)間，SQ7代表紅外傳感器的工作狀態(tài)。

圖3 凸輪轉(zhuǎn)角分布圖

3 壓力機(jī)控制系統(tǒng)

在結(jié)合四級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，自動(dòng)控制系統(tǒng)采用面板按鈕與觸摸屏相結(jié)合的操作界面，PLC為主控核心，由壓力機(jī)系統(tǒng)的外圍I/O點(diǎn)數(shù)，確定選用歐姆龍的CP1H系列CP1H-X40DT-D，外加模塊CPM1A-40EDR，同時(shí)外帶伺服控制系統(tǒng)，整套方案如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制方案圖

圖4中以PLC為主控制核心，向上接收操作面板傳來的信號(hào)，向下為各類設(shè)備輸出信號(hào)。同時(shí)，對(duì)于工作設(shè)備現(xiàn)有的工作狀態(tài)，通過傳感器反饋給PLC進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了整體的閉環(huán)控制。根據(jù)預(yù)定的方案和功能需求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電路方案，以方便為后期的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)做指引，部分電路如圖5所示。

圖5 壓力機(jī)部分電路圖

根據(jù)伺服的需要，首先通過380V/220V變壓為伺服提供工作電源U2、V2、W2和控制電源U3、V3，同時(shí)配置24 V的直流工作電源，為PLC、繼電器、電磁閥等設(shè)備提供工作電源。為保證控制的整體性，所有的按鈕信號(hào)SB,行程開關(guān)信號(hào)SQ，轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)SA均輸入到PLC輸入端進(jìn)行信號(hào)讀入；外接的元器件，如指示燈、繼電器、電磁閥均由PLC輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了PLC與凸輪的組合控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語

伺服壓力機(jī)作為沖壓、擠壓、拉伸等工藝中的必要設(shè)備，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過程序控制沖頭的啟動(dòng)停止及各瞬間位置、速度及加速度等參數(shù)，從而能夠?qū)ふ页鲎詈线m于工件的行程曲線，達(dá)到柔性化生產(chǎn)的要求。

在此基礎(chǔ)上，通過在結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新改動(dòng)，加入凸輪作為連接結(jié)構(gòu)與控制的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使得整套結(jié)構(gòu)更加緊湊，以最優(yōu)的方式達(dá)到?jīng)_壓工藝所需的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)提高工件的質(zhì)量、模具壽命，縮短工件的加工周期起到了關(guān)鍵的作用。

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