基于軋制沖壓模擬裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳奎，夏平

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇蘇州， 215009）

軋制沖壓加工作為一種常見的金屬加工方式，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。隨著產(chǎn)品要求的不斷提高，對于加工過程的高效、精確和安全要求也日益迫切。而液壓系統(tǒng)作為軋制沖壓裝置中的關(guān)鍵部件，對于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加工壓力、精確的加工速度和可靠的工藝控制起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的軋制沖壓裝置使用機(jī)械傳動和氣動控制方式，但其在高速加工、精度控制和響應(yīng)速度方面存在一定的局限性。而液壓系統(tǒng)具有可調(diào)性強(qiáng)、響應(yīng)迅速、力矩大等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地滿足現(xiàn)代軋制沖壓裝置的加工要求。因此，對于液壓系統(tǒng)在軋制沖壓加工中的應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

本研究旨在針對軋制沖壓裝置設(shè)計(jì)一種基于液壓系統(tǒng)的高效、精確和安全的控制方案，以提高裝置的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過對液壓系統(tǒng)的需求分析和元件選擇，優(yōu)化系統(tǒng)的工作參數(shù)和控制策略，使其能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)、精確控制和靈活調(diào)節(jié)。同時(shí)，考慮到操作人員和設(shè)備的安全，設(shè)立一系列安全保護(hù)措施。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和可靠性，為軋制沖壓裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)，推動軋制沖壓加工技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

1 軋制沖壓模擬裝置的組成和工作流程

■1.1 軋制沖壓模擬裝置的組成

軋制沖壓模擬裝置由上料單元、馬達(dá)傳送單元、雙缸軋制單元、頂料單元、單缸沖壓單元、下料單元等組成，如圖1 所示。整套裝置的運(yùn)行由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，而三菱FX3U PLC作為控制系統(tǒng)的核心部件，對軋制沖壓模擬裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，人機(jī)交互觸摸屏則負(fù)責(zé)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 軋制沖壓模擬裝置的組成

■1.2 軋制沖壓模擬裝置的工作流程

本裝置完整的工作流程：按下復(fù)位按鈕，設(shè)備恢復(fù)初始狀態(tài)后，再按下啟動按鈕→定量柱塞泵先以二級壓力（低壓）啟動，延時(shí)一段時(shí)間后泵站控制閥得電，柱塞泵以一級壓力運(yùn)行，同時(shí)變量葉片泵啟動→延時(shí)3s →液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)→上料單元檢測到物料后，蜂鳴器鳴叫1s →頂料氣缸伸出頂緊上方的物料→延時(shí)2s →推料氣缸推出最下面的一塊物料（推料氣缸推料到位后氣缸縮回到位，頂料氣缸縮回，上方的物料在重力作用下落下），物料在傳送帶上以設(shè)定的速度向前運(yùn)行→液壓軋制雙缸以一定的速度伸出到底→沖壓單元入料傳感器檢測到物料后，擋料氣缸伸出擋住物料→沖壓單元物料到位傳感器檢測到物料后，液壓雙缸快速縮回到位→頂料單元的液壓缸伸起頂起物料→頂料單元的液壓缸無桿腔壓力達(dá)到壓力繼電器設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動沖壓單元液壓缸先以快進(jìn)速度下行至120mm 處→沖壓缸再以工進(jìn)速度伸出到底對物料進(jìn)行沖壓→保壓2s →沖壓缸快速退回→沖壓缸縮回到位，頂料缸縮回→延時(shí)1s，擋料氣缸縮回，物料繼續(xù)向前運(yùn)動→下料單元傳感器檢測到物料到位后，蜂鳴器鳴叫2s →下料單元進(jìn)取走傳送帶上的物料并進(jìn)行第1 塊物料的堆垛→繼續(xù)循環(huán)頂料、出料、軋制、沖壓及堆垛流程，完成剩余物料的加工和堆垛。物料全部堆垛完成后，蜂鳴器開始以3Hz 頻率鳴叫，液壓泵站及液壓馬達(dá)按照一定的順序停止運(yùn)行，最后蜂鳴器停止鳴叫。

為了確保操作人員和設(shè)備的安全，還要求整套系統(tǒng)具有以下基本功能：

（1）停止功能：物料離開上料單元后，按下停止按鈕，系統(tǒng)不會立即停止，而是繼續(xù)完成當(dāng)前物料的加工和堆垛后，才會停止上料，同時(shí)蜂鳴器以1Hz 的頻率提示。此時(shí)泵站與傳送系統(tǒng)不停止，再次按下啟動按鈕后，蜂鳴器停止報(bào)警，繼續(xù)上料運(yùn)行。

（2）復(fù)位功能：按下按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位時(shí)根據(jù)各傳感器是否處于初始狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的復(fù)位動作，在復(fù)位運(yùn)行過程中，再按復(fù)位按鈕不起作用。

（3）循環(huán)功能：系統(tǒng)啟動后，以完成所有物料的加工和堆垛為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)結(jié)束，系統(tǒng)自動回到初始狀態(tài)停止。

（4）急停功能：當(dāng)按下急停按鈕，無論系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，一律停止工作，雙缸軋制單元與沖壓單元無論在什么時(shí)候均縮回，系統(tǒng)復(fù)位后，才能重新開始。

2 液壓系統(tǒng)回路搭建與調(diào)試

根據(jù)上述軋制沖壓模擬裝置的工作流程，選擇適當(dāng)?shù)囊簤悍较蚩刂崎y、壓力控制閥、流量控制閥等液壓元件，搭建符合要求的板式或疊加式液壓回路，并結(jié)合行業(yè)安裝及調(diào)試工藝規(guī)范，完成軋制沖壓模擬裝置液壓系統(tǒng)回路的安裝與調(diào)試。

■2.1 物料傳輸單元

該單元負(fù)責(zé)物料的傳送，由變量葉片泵油路系統(tǒng)供油，選用板式液壓元件及比例調(diào)速閥來控制馬達(dá)的速度的變化，比例調(diào)速閥以輸入的電信號來改變節(jié)流閥的開度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量。為了更精確地控制物料傳送單元的流量和壓力，從而保證物料傳送過程中的平穩(wěn)性，將PID 算法應(yīng)用于比例調(diào)速閥控制中。

三位四通電磁換向閥處于中位時(shí)，變量液壓泵卸荷，液壓馬達(dá)浮動，因此選用“H”型中位機(jī)能的換向閥作為控制元件；同時(shí)為了讓液壓馬達(dá)具有正轉(zhuǎn)過載保護(hù)功能，在液壓正轉(zhuǎn)回路的進(jìn)油路上并聯(lián)安裝直動式溢流閥；最后在回油路上安裝渦輪流量傳感器并接入操作面板上的流量顯示儀，對液壓馬達(dá)回油路流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。物料傳送單元的液壓系統(tǒng)回路如圖2 所示。

圖2 物料傳送單元液壓回路

■2.2 雙缸軋制單元

該單元主要進(jìn)行物料的軋制，由定量柱塞泵油路系統(tǒng)供油，選用疊加式液壓元件來完成雙缸軋制單元油路系統(tǒng)安裝與調(diào)試。換向閥處于中位時(shí)，液壓泵不卸荷，執(zhí)行機(jī)構(gòu)浮動，因此選用“Y”型中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥；為了使液壓系統(tǒng)在停止工作時(shí)能夠保持位置穩(wěn)定，避免由于液壓力下降或電源失去時(shí)出現(xiàn)位置漂移現(xiàn)象，在回路上安裝疊加式液控單向閥；為實(shí)現(xiàn)液壓缸下行的速度可以調(diào)節(jié)，選擇疊加式單向節(jié)流閥安裝在回油路上，通過調(diào)節(jié)通過節(jié)流閥的液壓油流量控制軋制雙缸下行速度；最后為實(shí)現(xiàn)液壓雙缸下行（或上行）到底，液壓缸內(nèi)部的壓力可調(diào)，且不影響系統(tǒng)壓力，選擇在換向閥進(jìn)油口處安裝疊加式減壓閥，并在液壓缸無桿腔處安裝壓力表P3，通過觀察壓力表的指示值調(diào)試出液壓缸下行到底后無桿腔的壓力值。雙缸軋制單元的液壓系統(tǒng)回路如圖3(a)所示。

圖3 疊加式液壓回路的設(shè)計(jì)

■2.3 頂料單元

頂料單元的作用是將物料從傳送平臺上頂起，以便后續(xù)的沖壓單元進(jìn)行沖壓。該單元也由定量柱塞泵油路系統(tǒng)供油，同樣選用疊加式液壓元件來進(jìn)行回路的安裝與調(diào)試。由于頂料缸是單作用活塞式液壓缸，因此選擇兩位四通單電磁閥換向閥來控制頂料缸的伸出和縮回；選用疊加式溢流閥來實(shí)現(xiàn)頂料缸上行到底后，無桿腔壓力可調(diào)且系統(tǒng)壓力同步變化，在液壓缸無桿腔處安裝壓力表P4，在頂料缸上行到底后調(diào)出需要的壓力；最后調(diào)節(jié)疊加式壓力繼電器的調(diào)壓螺桿，使其在頂料單元液壓缸上行到底后，觸發(fā)相應(yīng)動作。該單元的液壓系統(tǒng)回路如圖3(b)所示。

■2.4 物料沖壓單元

本單元實(shí)現(xiàn)對物料的沖壓，同樣由定量柱塞泵油路系統(tǒng)供油，也選用疊加式液壓元件來進(jìn)行液壓回路的安裝與調(diào)試。選擇中位機(jī)能為“O”型（換向閥處于中位時(shí)，各油口均不通）的三位四通電磁換向閥；在沖壓缸下行進(jìn)油路上安裝疊加式電磁節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)沖壓缸具備的快進(jìn)、工進(jìn)和快退功能；并在整個(gè)系統(tǒng)回路進(jìn)油口安裝溢流閥，使沖壓缸下行（或上行）到底后液壓缸內(nèi)的壓力可以調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壓力隨之發(fā)生變化，并在沖壓缸無桿腔處安裝壓力表P5，調(diào)試出液壓缸下行到底時(shí)的壓力。該單元的液壓系統(tǒng)回路如圖3(c)所示。

3 控制系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由FX3U PLC 對液壓泵站、物料傳輸單元、軋制單元、頂料單元、沖壓單元、下料堆垛單元等功能的綜合控制。根據(jù)整套系統(tǒng)的工作流程，選擇FX3U-32MR/ES-A 型的PLC；模擬量輸入、輸出分別為FX2N-4AD 和FX2N-4DA模塊，均有4 路模擬量輸入、輸出。

■3.1 PLC 的I/O 配置

根據(jù)具體的應(yīng)用需求和外部設(shè)備的性質(zhì)，確定本系統(tǒng)的I/O 的類型包括數(shù)字輸入（DI）、數(shù)字輸出（DO）、模擬輸入（AI）和模擬輸出（AO），根據(jù)系統(tǒng)輸入和輸出類型合理分配I/O 地址，保證PLC 系統(tǒng)能夠正確地接收和發(fā)送信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制功能。本方案的I/O 配置如表1 所示。

表1 控制系統(tǒng)PLC的I/O分配表

■3.2 FX3U PLC 的控制接線圖

根據(jù)軋制沖壓模擬裝置系統(tǒng)的功能及表1 中系統(tǒng)的I/O配置方案，設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)的硬件接線圖，如圖4 所示。

圖4 軋制沖壓模擬裝置的PLC 接線圖

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集裝置的工作介質(zhì)液壓油溫度、軋制單元液壓缸的位移和速度、沖壓單元的位移和速度，需要將油箱內(nèi)的溫度傳感器、軋制單元的直線位移傳感器以及沖壓單元的直線位移傳感器接入FX2N-4AD 模塊的模擬量輸入1、模擬量輸入2 和模擬量輸入3 接口。將比例調(diào)速閥的位移傳感器接入FX2N-4DA 的模擬量輸出1 接口，由輸出的0~10V 模擬電壓來控制比例調(diào)速閥的閥口開度和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳送單元液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制。

■3.3 FX3U PLC 的程序設(shè)計(jì)

3.3.1 模擬量模塊及模擬量處理

根據(jù)FX3U PLC 系統(tǒng)的要求，將模擬量4AD 模塊和4DA 模塊正確地插入到PLC 的適當(dāng)槽口中，使用PLC 編程軟件，對模擬量模塊進(jìn)行配置，如圖5所示。

圖5 模擬量處理程序

對于模擬量輸入模塊，在PLC 程序中使用相應(yīng)的指令和參數(shù)，讀取模擬輸入模塊中的模擬信號。通過讀取這些信號，您可以獲得外部設(shè)備的狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的控制，如油箱的液壓油溫度超過25℃時(shí)，啟動冷卻風(fēng)扇進(jìn)行降溫。針對控制模擬輸出模塊，在PLC 程序中使用適當(dāng)?shù)闹噶詈蛥?shù)，控制模擬輸出模塊中的模擬信號。根據(jù)系統(tǒng)的要求和邏輯控制需要，輸出適當(dāng)?shù)哪M信號來驅(qū)動執(zhí)行器或調(diào)節(jié)外部設(shè)備。例如，調(diào)節(jié)模擬量D200 的值來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

由于軋制缸和沖壓缸的運(yùn)行速度無法直接獲取，需要通過PLC 從直線位移傳感器采集到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算獲得。在調(diào)試運(yùn)行速度時(shí)，首先將液壓雙缸或沖壓缸恢復(fù)初始位置，將圖3(a)中的疊加式單向節(jié)流閥開度調(diào)至最小，再接通三位四通電磁換向閥的左位，即Y0 輸出得電，之后邊緩慢調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥的開口大小邊觀察PLC 程序中D86 的數(shù)值，直至其顯示的數(shù)值為要求的速度值位置，最后再鎖緊調(diào)節(jié)螺桿，完成軋制單元液壓雙缸的下行速度調(diào)節(jié)。同理，在圖3(c)中疊加式電磁節(jié)流閥接通的情況下，通過調(diào)節(jié)電磁節(jié)流閥的調(diào)節(jié)螺桿，使D106 顯示的數(shù)值為要求的速度值，完成沖壓缸工進(jìn)速度的調(diào)節(jié)。

3.3.2 液壓馬達(dá)的PID 控制

在液壓馬達(dá)傳送物料系統(tǒng)中應(yīng)用PID 控制可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速或位置的精確控制。PID 控制是基于比例、積分和微分三個(gè)控制元素的組合控制方法，可以根據(jù)目標(biāo)值和實(shí)際輸出值之間的偏差來調(diào)節(jié)控制器輸出，從而使馬達(dá)達(dá)到期望的轉(zhuǎn)速或位置。

3.3.3 液壓雙缸、沖壓缸運(yùn)動流程控制

液壓軋制雙缸、頂料缸和沖壓缸的運(yùn)行流程為：液壓雙缸伸出到底后再縮回，當(dāng)其縮回到底后頂料缸伸出頂起物料，頂料缸無桿腔內(nèi)的壓力達(dá)到壓力繼電器設(shè)定的壓力后，壓力繼電器動作（X11 接通），從而驅(qū)動沖壓單元液壓缸快速下行，下行到120mm 處后沖壓缸速度控制閥（疊加式電磁節(jié)流閥）接通，沖壓缸開始以工進(jìn)速度沖壓物料，保壓2S 后，沖壓缸快速縮回至初始位置。軋制缸和沖壓缸的有效行程均為150mm，該流程的PLC 程序如圖6 所示。

圖6 液壓雙缸、頂料缸及沖壓缸運(yùn)行程序

■3.4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，觸摸屏和PLC 通常結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和系統(tǒng)控制。觸摸屏作為PLC 系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，提供了直觀的操作界面，使操作員能夠方便地監(jiān)控和控制工業(yè)過程。本系統(tǒng)采用了MCGS 觸摸屏，通過編制如圖7 所示的監(jiān)控畫面來更加直觀的監(jiān)測液壓系統(tǒng)各單元的運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 運(yùn)行監(jiān)控界面

4 結(jié)論

本文基于軋制沖壓模擬裝置進(jìn)行了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)控制系統(tǒng)的操作更加直觀和便捷，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單，可維護(hù)性，智能化，現(xiàn)代化的功效，人機(jī)交互界面操作簡單、直觀化，調(diào)試過程中參數(shù)修改簡單易實(shí)施，為操作者帶來了極大的方便。通過對其性能進(jìn)行了測試，可以有效模擬軋制沖壓過程，且該裝置具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和高度靈活性，滿足工業(yè)智能化的生產(chǎn)需求。