基于PLC的磷銅球液壓成型機高精度控制系統(tǒng)研究

張忠科，鄭江輝，趙早龍，趙長忠，王世卓

（1.蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050；2.金川鎳都實業(yè)有限公司，金昌 737100）

0 引言

磷銅球是電鍍用基本原材料。其主要用于印刷PCB電路板、汽車零件、五金等電鍍行業(yè)。銅球的生產方式通常為鍛造和鑄造。鑄造鋼球通常造成球形表面質量差，粗糙，內部晶粒粗大，影響材料的強度和硬度，相比于鑄造，鍛造球形表面質量好，具有一定的機械性能，韌性強，沖擊性能好，通過鍛造能改善球內部的微觀組織。目前企業(yè)內所采用的生產方法為鐓壓成形法。隨著自動化水平的提高，國內外企業(yè)大力提高自動化生產設備水平。通過不斷對設備進行改造升級，使其自動化水平逐漸提高，功能趨于完善。生產線的設計，控制及應用在生產過程中非常重要，PLC以其可靠性高，抗干擾能力強，編程簡單，功能強，性價比高，能耗低等特點，作為自動化領域常見的控制器已廣泛應用于工廠生產[1～4]。

本課題主要設計一種適用于磷銅球生產的微晶磷銅球液壓成型機，其主要由主機、導向裝置、矯直裝置、定尺送進裝置、夾緊裝置、剪切裝置、鐓壓裝置、頂球裝置、收集裝置等構成?？刂葡到y(tǒng)包括電氣控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)，監(jiān)控觸摸屏和電機的啟動裝置。系統(tǒng)采用工業(yè)以太網通訊方式，主站CPU通過擴展以太網模塊連接監(jiān)控觸摸屏，通過設定觸摸屏界面，可實現手動，半自動和全自動的生產方式，同時可以進行參數的調整與監(jiān)控。實現管理，分析，存儲功能。本文基于S7-200SmartPLC設計了生產線控制系統(tǒng)，其中定尺送進與鐓壓工序對胚料的直徑和長度有很嚴格的要求，其工藝過程直接影響銅球的加工質量和加工效率。因此銅球與銅桿的對應關系、尺寸精度以及鐓壓力大小是目前設備上需要解決的關鍵性問題。

1 機構及工作原理

磷銅球的生產控制過程主要分為導衛(wèi)單元、棒料矯直單元、定尺送進單元、剪切棒料單元、鐓壓成型單元和收集單元。在導向，矯直，定尺送進模塊均采用輥軸實現，矯直機構采用上下壓力輥擠壓棒料，使其達到預期效果。采用PLC、電磁鐵、伺服驅動系統(tǒng)、液壓傳動等機械部件實現從銅桿到銅球的自動化工藝。其主要機械結構簡圖如圖1所示。

圖1 機構工作原理

微晶磷銅球液壓液壓成型機根據所需成型工藝要求主要有以下動作：設定銅球直徑—銅桿導入—銅桿矯直—定尺送進—剪切缸動作—主缸動作—頂球—收集。根據銅球的直徑設定出胚料的長度和直徑，銅桿原材料由導向處進入機構，經矯直輥擠壓后銅桿水平進入定尺送進機構，采用間隔送進方式，在PLC控制下完成送進動作，達到精確的定尺長度后，此時胚料處于第一加工口，夾鉗驅動驅動夾鉗夾緊胚料，同時剪切驅動裝置控制剪刀移動至剪切刀口，通過監(jiān)測到夾緊信號后，夾鉗驅動與剪切驅動分別驅動夾鉗和剪刀同步移動至第二加工口，活動模經液壓驅動配合固定模將銅桿鍛壓成銅球，在活動模退回的過程中，頂球機構將銅球頂出，銅球依靠自身重力落入收集槽。

2 系統(tǒng)硬件設計

圖2為以PLC為核心的控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)采用西門子公司生產的S7-200 SMART可編程控制器、SINAMICS V90伺服驅動，執(zhí)行電機選取SIMOTICS S-1FL6高慣性伺服電機，選用與PLC配套的Smart 700IE觸摸屏，觸摸屏作為現場設備層的人機交互設備，除了必要的操作按鈕外，還實時顯示設備運行參數（定尺位移，送進速度等），用于操作員對設備參數進行修改和監(jiān)控。上位機通過內部局域網與觸摸屏相連，需設置同一IP地址即可對觸摸屏進行遠程監(jiān)控。并且可同時監(jiān)控多臺設備。PLC與設備之間通過主令操作來實現信號傳遞，通過發(fā)出信號控制執(zhí)行機構的運行，同時采集現場限位信號，壓力傳感器，位移傳感器，按鈕開關等，利用其內部指令分析處理，控制電磁閥動作，實現程序化運行。PLC通過采用OPC服務器與上位機軟件進行數據交互，就可以實現設備與上位機的通信，保證監(jiān)測功能。采用STEP 7-MicroWIN SMART軟件對PLC編程，Smart 700IE采用WinCC flexible 2008 SP4組態(tài)，用SINAMICS V-ASSISTANT軟件對伺服驅動參數設置，實現定尺送進。SINAMICS V90在兼顧設備平滑運行的同時還支持最高為1M編碼器Hz的脈沖輸入，保證了定位的精確性[5,6]。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3 球坯的尺寸確定及高精度坯料的實現

3.1 模型及球坯尺寸計算

定尺送進機構是影響銅球質量的關鍵，如圖所示為銅胚料擠壓過程，由塑性變形理論可知，金屬發(fā)生塑性變形時，首先沿阻力最小的方向流動，剛開始施加壓力時MN處的阻力遠大于環(huán)帶處的阻力，所以金屬流向環(huán)帶周圍，當上模和下模之間的距離逐漸縮小時環(huán)帶處的阻力逐漸增大，該阻力超過塑性變形金屬向兩極流動的阻力時，球坯被充滿[7]。在兩極設計有頂球機構，便于鐓球結束后及時將磷銅球頂出，防止發(fā)生碰撞，同時有利于排出模具中的空氣，使胚料充滿整個模具型腔。

圖中P為M點處鐓球正壓力，P1為鐓粗力，P2為斷面收縮力。已有學者證明，隨著上模的逐漸運動，θ逐漸變大，P1鐓粗力越大P2斷面收縮力越小。目前工業(yè)生產主要有球形球坯，錐鼓形球坯和橢球形球坯。由于θ的變化造成P1和P2的變化，由塑性成型原理可知錐鼓性球坯在剛開始更變形時，θ不變P1不變，因此金屬容易向兩極流動，減少了下層金屬的淤積，環(huán)帶較球形球坯較小，橢球的角度變量θ比圓和直線都大，理論上，材料更容易向兩極流動，環(huán)帶和兩極會更小[8,9]。因此，工業(yè)生產中為取得評價較高的球坯，選擇加工近似于球形的橢球型球坯。

圖3 橢球型球坯體積計算示意圖

剪切的銅胚料鐓壓成銅球的過程中，由于體積大小不變，因此可以得到銅胚料的直徑（d）與銅球直徑（D）之間的關系。

設銅桿直徑為d，切料后每段長度為L則壓縮比λ=L/d，D：銅球的直徑，由于鐓球前后體積不變的原理則V1=1/4πd2L，將球坯分為球臺（兩極由于體積太小忽略不計）和環(huán)帶（橢球型球坯環(huán)帶最?。﹥刹糠?。

環(huán)帶的體積：

環(huán)帶的體積可以看成是圓弧線f（x1）和f（x2）繞X軸旋轉一周所得的體積差：

C：環(huán)帶高度（0.2～0.4）；

k：環(huán)帶厚度（0.2～0.4）；

R：球的半徑。

體積為：

V1=V由此可得出銅桿的參數與球直徑的關系，壓縮比越大，兩極越大，環(huán)帶越小，反之，壓縮比越小兩極越小，環(huán)帶越大。這里我們取值0.48，根據所需要的銅球直徑計算出所對應的銅桿的參數如表1所示。

表1 銅球與銅桿主要參數

3.2 定尺機構位置控制

高精度控制是通過上位機發(fā)送不同的脈沖頻率，并以此作為指令來實現位置控制。其位置控制的精確量取決于脈沖信號的多少，一般而言脈沖數越多越可實現高精度控制。所以在定長系統(tǒng)，精加工方面多數采用的位置控制。

選用V90 控制模式設定為外部脈沖位置控制模式（PTI），在PTI方式下，使用SINAMICS VASSISTANTPTI軟件下V90參數設置。

在外部脈沖位置模式控制下，V90接收S7-200 SMART PLC發(fā)出的位置指令（脈沖和方向），經位置控制器處理后驅動伺服電機，伺服電機帶有編碼器，編碼器與PLC輸入口相連，編碼器將反饋脈沖做四倍頻處理，將反饋回的速度信息輸入速度控制回路，進行比較輸出差分信號構成速度閉環(huán)，同時編碼器每轉都會提供指定數量的脈沖作為PLC高速計數器的輸入，通過高速計數器的數值就能計算出定尺長度，在計數值少于預設值時輸出持續(xù)進行，當計數值等于預設值時產生中斷，形成位置閉環(huán)。當長度確定時PLC輸出信號給繼電器線圈，驅動夾緊缸和剪切缸電磁閥，將給定長度的磷銅桿剪切之后從第一加工口送往第二加工口，執(zhí)行鐓球動作。

3.3 設置電子齒輪比

PLC向伺服驅動器輸出指令脈沖控制電機運行距離和方向，伺服電機帶動工件移動的距離與增量式編碼器周反饋脈沖的比值決定位置反饋脈沖當量。電子齒輪比是用來建立指令脈沖當量與反饋脈沖當量的關系，使他們互相匹配，從而設定一個脈沖伺服電機行進多少距離。伺服電機脈沖指令當量定為ΔL=0.01mm。即1脈沖電機運行0.01mm，光電編碼器每轉脈沖數為N，負載齒輪直徑為D，反饋脈沖當量：

圖4 伺服驅動控制原理

因此電子齒輪比為：

同時應滿足0.02≤200。

本系統(tǒng)選用光電脈沖編碼器，直接將位移信號轉換為脈沖信號，為提高對位移的檢測精度，通常對輸出脈沖做四倍頻處理。本系統(tǒng)中S7-200SMART CPUST60脈沖輸出最高頻率為100KHz，S-1FL6額定轉速為2000r/min，因此定義PLC每秒100000個脈沖對應2000r/min，電機轉一圈對應脈沖數為：

經四倍頻處理N=12000，控制定尺輥傳動的齒輪直徑D為10/π，經換算電子齒輪比為12。圖5為PLC與伺服驅動的接線圖。

圖5 PLC與伺服驅動接線

PLC通過RS485接口的USS協議與V90通訊，并且通過數字量輸出檢查V90驅動狀態(tài)，RDY端表明伺服電機準備就緒，ALM表示報警信號，INP代表位置到達，通過PLC輸入端與PLC進行交互。同時PLC可以讀取編碼器的絕對位置r2521[0]（位置控制），根據指令輸出脈沖給驅動器，執(zhí)行相應的動作SON端代表伺服開啟，RESET端代表故障復位，PTI_A，PTI_B分別代表脈沖信號、方向信號。

3.4 銅球墩形力的計算及高精度控制實現

在一個鐓球過程中，通過位移指令來判斷鐓壓過程的是否完成。此處選擇液壓傳動的方式來控制銅球成型，采用電子元器件對信號進行采集和處理，選用電液伺服系統(tǒng)來實現對壓力，鐓球速度，位移的高精度控制[10]。

圖6 鐓球控制原理

圖6所示為鐓球控制原理圖。PLC接受到上位機發(fā)出的指令信號電壓時，控制液壓電磁閥接通，液壓缸活塞在精密導軌內帶動負載運動，負載移動距離由位移傳感器測得位移傳感器將所測得的位置信號轉換為電壓信號反饋給控制器，控制器采集給定信號的電壓值和反饋電壓值并計算差值得出偏差電壓信號，偏差電壓信號經伺服放大器轉化為電流信號作為伺服閥的輸入信號，伺服閥通過電流作用控制閥芯開口流量，調節(jié)鐓球的速度，位置和壓力。閥芯運動后產生的負載壓力通過壓力傳感器感應并將系統(tǒng)壓力轉換為模擬信號并傳送給PLC可編程控制器，PLC通過數據分析完成壓力的閉環(huán)控制。

4 高精度鐓球控制系統(tǒng)控制流程

程序設計是整個控制系統(tǒng)的核心部分，根據生產線的工作過程和工藝要求，確定系統(tǒng)的控制方式和控制方式，按工藝完成相應動作。微晶磷銅球液壓成型機工作時，首先進入系統(tǒng)初始化，電機系統(tǒng)電源接通，由PLC主機檢測各I/O端口，行程開關是否復位，通訊端口是否正常，若有錯誤情況，則將錯誤信息反饋到上位機報警界面上。若系統(tǒng)準備就緒，則檢測線材是否導入，若檢測到線材，PLC發(fā)出信號驅動伺服電機運轉進入定尺工序，PLC上的高速計數器開始讀取由編碼器發(fā)出的脈沖，從而計算尺寸，達到設定尺寸后，夾緊電磁閥得電，機械手夾緊線材，同時切斷線材送入第二加工口，之后液壓系統(tǒng)驅動主缸運作，使線材固定在模具上，在檢測到夾緊信號與切斷信號復位后進行鐓球，根據位移傳感器反饋的信號判斷鐓球階段，控制伺服閥開口來改變壓力，當主缸位移達到設定值時主缸復位，球坯成形進行落料統(tǒng)計。圖7為PLC流程。

圖7 控制流程圖

本文使用WINCC對遠程客戶端進行界面設計，為實現其監(jiān)控功能ances，其界面主要分為4個模塊，用戶界面，顯示界面，調試界面，報警界面。其中顯示界面包括定尺長度信息，剪切缸位移信息，主缸位移信息，鐓球個數，壓力信息。可以對生產過程中各參數進行實時監(jiān)測，異常時，系統(tǒng)報警，工位的報警指示燈會閃爍，系統(tǒng)停止運行，同時故障代碼會存儲，以便分析故障原因。

5 結語

本文通過對控制系統(tǒng)進行研究，設計了程序流程圖，針對磷銅球成型機的定尺設計以及鍛模問題，設計了基于PLC和液壓系統(tǒng)控制的自動化生產線，解決了銅球棒料尺寸設計問題，定尺送進問題以及提出了鍛模過程的位置控制原理圖。采用PLC和觸摸屏技術，使用軟硬件結合實現了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使自動化水平有了極大改善，提高了生產效率。目前控制系統(tǒng)在企業(yè)已獲成功應用。