振動下料機液壓及控制系統(tǒng)設計

1、摘要：在分析了新型振動下料機采用繼電器一接觸器控制方式存在不足的基礎上，指出 了對其進行PLC控制的必要性。分析了該振動下料機的基本構成及工作原理，建立了相應 的液壓系統(tǒng)。針對下料機正常工作對控制系統(tǒng)要求，確定了 PLC的輸入量及輸出量，建立 了 PLC控制的硬件接線圖，編制了相應的梯形圖控制軟件。大量實驗驗證了該控制方案的 可行性和實用性。關鍵詞：下料機；液壓系統(tǒng)；可編程控制器；梯形圖將金屬棒、管坯料按規(guī)定的尺寸分離切斷或鋸斷的所謂下料工序是機械加工工業(yè)特別是 鍛壓工業(yè)的第一道工序，也是獲得諸如普通的圓柱銷類標準件、內燃機活塞銷、金屬鏈條連 接銷、滾動軸承內外圈及滾子等零件毛坯的關鍵工序。但

2、是，目前在工業(yè)領域中，仍大量 存在下料效率低、自動化程度差、下料斷面質量差、下料造成的材料浪費嚴重成本高、下料 時的能耗大等問題，從而大大降低了產品的商業(yè)競爭性，所以開發(fā)出一種具有優(yōu)越性能的新 型下料方法勢在必行。為此本文作者在金屬棒、管坯料下料方面進行了 20多年長期不懈的探索和大量的研究 工作，在下料方面曾獲兩項國家自然科學基金資助。目前正根據(jù)本文作者所獲得的預制裂紋 的低應力棒料精密剪切方法的國家發(fā)明專利(88108351、1035971、1010289)需要，研制成功 了一種新型全自動振動下料機，該新型全自動振動下料機正申報國家發(fā)明專利。當該下料機 采用傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制方案時，

3、其電器動作噪聲大，控制系統(tǒng)接線復雜，維護困難， 在加上我國低壓電器質量差，更使該繼電器一接觸器控制系統(tǒng)故障率高，給實際工業(yè)生產帶 來了很大困難，特別是當改變工藝或使其控制功能更加完善時，需要改變硬件線路，這在工 業(yè)實際中操作完成是比較困難的。為此，本文采用了可編程控制器(PIE)對該下料機的振動下料過程進行控制的方案。實 際應用結果表明，該PIE控制方案具有通用性好、可靠性高、可以適應惡劣工作環(huán)境、控制 功能強大、編程使用方便、控制線路比較簡單等優(yōu)點，是一種較為理想的控制方法，值得在 工業(yè)實際中推廣應用。1振動下料機的基本構成及其液壓系統(tǒng)該振動下料機總的來說是由機械部分、液壓系統(tǒng)和電器控制三大

4、部分組成。為了便于對 其控制動作的分析敘述，這里將其按動作順序來分析，并且認為其是由送進機構、夾緊機構 和振動下料機構三部分組成，這三部分按工序從前到后的順序布置如圖1所示。圖1振動下料機的基本構成該振動下料機的工作原理為先將預制有環(huán)狀“V”字形缺El需要切斷分離的棒、管坯 料通過夾緊機構的液壓缸將其夾緊，送進機構的液壓缸將其逐漸送入到振動下料機中，然后 使棒料在振動下料機構中沿著環(huán)狀“V”字形缺El的根部產生低周疲勞斷裂，從而形成良 好的分離斷面。一旦棒料被分離切斷，夾緊機構的液壓缸松開，送進機構的液壓缸后退到位。 再重復循環(huán)上述的動作過程，進行下一個分離切斷動作?？紤]到該機正常工作所需的夾

5、緊力和送進力很大和控制的靈活方便性，該振動下料機的 夾緊和送進動作均采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)，其液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。為了提高其性能，圖 2中選用的兩換向閥均為濕式交流板式連接型電磁換向閥。考慮到該振動下料機正常工作 時，將棒料送入振動下料機構中所需要的送進力較小，相應地進入送進缸的油壓也較??；而 在圖2的液壓系統(tǒng)中采用的申福牌CY型軸向手動變量柱塞泵SCY141B的公稱油壓為 31.5MPa，因只有這樣的高油壓才能使夾緊缸產生足夠的夾緊力保證振動下料機正常工作， 為此本文作者選用了由山西榆次液壓元件廠制造的車輛用液壓缸DGJ50CE1 一 Y1（油壓 為16MPa行程為100ram）作為送進液壓

6、缸。故在圖2的液壓系統(tǒng)送進缸支路中設置了減壓閥 JDFB10F，通過該減壓閥可將進入到送進缸的油壓從31. 5MPa減少到16MPa，保證了送 進液壓缸的安全工作。為了防止當夾緊缸夾緊棒料后送進缸產生送進動作時夾緊缸內的油壓下降導致夾緊力 不足，從而造成振動下料機無法正常分離切斷棒料，因而在圖2的液壓系統(tǒng)夾緊缸的支路中 設置了一個液控單向閥A1YHbl0B，其為內泄式，正向開啟壓力為0. 4MPa，當反向開 啟出口無背壓時，最小控制壓力為1. 6MPa。從圖2可看出，當夾緊缸夾緊棒料后，會使 送進缸在送進過程中柱塞泵出口的油壓下降，但由于液控單向閥A1YHbl0B的存在，夾 緊缸內的油不會倒流

7、，因此其缸內的油壓不會下降，因此夾緊力不變；而當夾緊缸反向朝右 運動放松棒料時，由于夾緊缸左腔油壓升高，圖2中的液控單向閥A1YHbl0B的控制口 內的油壓升高，在達到其反向啟動控制油壓1. 6MPa時，會使液控單向閥A1YHblOB反 向打開，從而可順利地使夾緊缸油腔的油通過其再由二位四通電磁閥24BI1 一 H10BT流 人油箱。?圖2振動下料機的液壓系統(tǒng)對圖2的液壓系統(tǒng)動作過程的分析后可看出，通過對兩個換向閥的線圈得失電的控制， 就可達到使夾緊缸和送進缸按照規(guī)定的順序動作之目的。下表列出了圖2中的各液壓元件在 一個完整的全自動下料循環(huán)中的工作順序及信號來源。液壓元件動作順序表2振動下料機

8、的PLc控制硬件根據(jù)該振動下料機上述的工作原理特別是其液壓系統(tǒng)的動作順序，結合所選用的德國西 門子公司的SIMATIC s7200 PLC產品的性能，在保證控制動作可靠、控制系統(tǒng)簡單、造 價低、控制功能強、編程方便的前提下，獲得了如圖3所示的振動下料機PLC控制硬件接線圖。圖3振動下料機PLC控制的硬件接線圖這種振動下料機用來產生振動的電動機為Y系列(IP44)封閉式三相異步電動機(Y132S1 2、5. 5kW、2900r/min、11. 1A),而油泵的驅動電動機為Y系歹列(IP44)封閉式三相異 步電動機(Y132M 4、7. 5kW、1440r / min、15. 4A)，由于這兩臺電

9、動機的額定功率和 電流均較大，因而必須選用兩個交流接觸器，而相應地控制這兩個交流接觸器動作的控制線 圈的電流仍很大，造成所選用的合適的西門子公司的S1MATIC s7200 PLC產品無法滿足 其正常工作的電流的要求；加之對振動電動機及油泵電動機的控制動作簡單，這兩臺電動機 一旦開動后就一直不停地運轉，直至停機為止。鑒于上述原因，本文將振動電動機和油泵電 動機開停的四個按鈕開關量均獨立于PIE之外，而仍保持原有的接觸器控制方案。相應的兩 個電動機開動運轉顯示用的兩個信號燈及電源信號燈也均獨立于PIE之外，不作為PLC的 輸出量，這樣就減少了 PIE的輸入和輸出量的數(shù)目，降低了所選用的PLC的價

10、格(因為PIE的 價格往往和其輸入輸出點的多少密切相關)，真正發(fā)揮了 PIE控制復雜系統(tǒng)和接觸器控制大 電流的優(yōu)勢，所以圖3中PIE的輸入量中沒有這兩個電動機的開停按鈕。從圖3中可看出，對該下料機進行PIE控制時，作為PIE的輸入量應包括了三個限位開 關XK1、XK2XK3，反映夾緊缸夾緊的壓力繼電器的電信號XK4整個運轉過程控制方式的 自動與手動選擇開關KA和KH，電路中控制電源開關KT (包括啟動按鈕KB和停止按扭 KS)以及手動操作時的4個開關K1、l(2、K3、K4，以上共計12個輸入量。輸出包括兩個 液壓電磁閥的三個電磁線圈DT1、DT2、DT3，四個信號燈，共計7個輸出量。從圖3可

11、知，所選擇的PLC為德國西門子公司生產的s7200CPU216PLC，該PIE的 輸入量為24個，輸出量為16個，輸入采用兩組匯點式接線方式，輸出采用三組匯點式接線 方式，其輸入量為24DC (該直流24V為PIE自身提供)，輸出為繼電器控制方式，輸出電壓 為220交流，直接驅動圖2中的液壓電磁閥順序動作。圖3中的四個信號燈是為了實時檢測 動作過程設置，均采用交流6. 3V電源，該電壓由變壓器提供。3振動下料機的PIE控制軟件的設計根據(jù)上述控制的要求，經(jīng)過深入分析，采用由西門子公司提供的STEP7 一 Micro編制 系統(tǒng)軟件，在微機上編制振動下料機PIE控制梯形圖程序，然后用通訊電纜將控制程

12、序由微 機下載到PIE之內，經(jīng)反復調試修改并在實際的下料機上運行，獲得了圖4所示的控制梯形 圖，經(jīng)反復調試取得了比較滿意的控制效果。該控制程序由一個主程序和兩個子程序組成。主程序先進行系統(tǒng)各元件位置的初始化， 然后分別調用兩個子程序來完成所需的控制任務。初始化的目的在于保證周期工作時，各個 工作部分能處于相應的位置，否則就會給后面的加工帶來不便，因此在初始化中，要求夾緊 缸處于松開狀態(tài)，送進缸回退到位，在按下結束按鈕之后應使設備復位初始化。即工作之前 之后都初始化。兩種控制方式：手動和自動，由兩個子程序(即子程序1和子程序2)實現(xiàn)。 一個子程序進行手動控制，設置手動控制功能主要是為了進行不同材

13、質及直徑的棒料的振動 下料工藝參數(shù)的摸索研究。當然，正常生產中采用的是全自動控制方式。在圖4的梯形圖中，首先下料機進行初始化。程序一開始運行，PIE自動提供一個脈沖 SM0. 1在第一掃描周期閉合(ON)，輔助繼電器M0. 0得電，其常開觸點M0. 0閉合，10. 4 常閉觸點閉合，送進缸左行后退，兩位四通電磁閥斷電，夾緊缸處于松開狀態(tài)。當送進缸到 達左極限行程開關10. 4時，其常閉觸點斷開，左行控制線圈Q1. 2失電，送進缸停止運 動，完成初始化。子程序1為手動控制，子程序2為自動控制。因手動控制程序簡單，這里不再論述。下 面僅簡要介紹一下自動控制子程序的工作過程。當程序完成初始化后，按下

14、自動選擇按鈕 KA,調用子程序2,送進缸后退到位，常開觸點10. 4閉合，夾緊控制線圈Q1. 3得電， 夾緊缸夾緊，夾緊后壓力不斷升高，當壓力達到設定值時，壓力繼電器10. 5得電，其常開 觸點閉合，控制右行線圈Q1. 1得電，送進缸右行送進，送進到位后，碰到右行限位開關 10. 3，送進缸停止運動，延時繼電器T102得電，經(jīng)延時后，其常閉觸點T102斷開，控制 線圈Q1. 3斷電，夾緊缸松開，松開到位碰到限位開關10. 6,其常開觸點閉合，左行控制 線圈Q1. 2得電，送進缸左行后退，完成一個工作循環(huán)。?圖4振動下料機的控制梯形圖4結論振動下料機構通過對預制有裂紋的棒料施加振動力，使其在規(guī)定

15、的缺口部位產生低 周疲勞斷裂，達到分離切斷棒料的目的。該機的送進機構和夾緊機構應采用液壓傳動方法，在送進缸支路中應設置減壓閥， 在夾緊缸支路中應設置液控單向閥。在振動下料機PIE控制時，可將產生切料力的振動電機和油泵驅動電機和開?？刂?電路均獨立于PIE之外，這樣就可以降低所選用PIE的價格；對振動下料機的控制主要是對 液壓系統(tǒng)的兩個電磁換向閥的三個電磁線圈進行控制，并且振動下料機的PIE控制宜采用由 PLc自帶的24V直流電源提供的開關量輸入方式，輸出為交流繼電器方式的PIE。振動下料機PLC控制的軟件采用梯形圖方式，且由主程序和子程序組成。主程序應 首先使液壓系統(tǒng)各元件可靠地初始化。兩個子