基于PLC的夹紧力在线调控系统*

2013-09-15崔宇清姜兆亮

机电工程 2013年7期

崔宇清，姜兆亮，仪维

(山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南250061)

0 引言

在金属切削过程中，机床夹具用于保证工件相对于刀具的正确位姿，夹紧力过大会引起工件的加工变形，而过小则会导致加工状态不稳定。因此，适宜的夹紧力有利于提高工件的切削质量。使用有限元分析方法［1］或高精度的激光测量技术［2］，可以得到不同装夹方案下的工件变形。虽然利用多目标优化技术可以对夹紧力进行设计［3］，并能在一定程度上进行预测［4］，但是定位机构、夹紧元件还会引起工件的装夹误差［5-6］。因此，通过利用数控机床的工件夹紧力检测系统［7］，能够对工件夹紧力进行实时监测。

工件在切削过程中的瞬时受力状态会不断变化［8］，通过实时调整夹紧力可以有效减少工件变形。M.A.Mannan［9］采用伺服电机作为动力源调控夹紧力，它体积较大而提供的夹紧力较小。陈光明［10］采用高速开关阀控制夹紧力大小的方法精度不高，缺少上位计算机的组态软件控制。在夹具系统中，采用液压动力源比电机动力源体积紧凑且传动平稳，其中电液比例减压阀比伺服减压阀成本低、抗污能力强，比高速开关阀控制精度高，比比例溢流阀［11］更容易添加支路且各支路互不影响。

因此，为了获得精确而且实时可调的机床夹紧力，本研究采用PLC技术设计夹紧力在线调控系统。在HFAC系统中，通过控制电液比例减压阀的出口压力，实现切削过程中的夹紧力大小动态调节，为实现工件的切削加工变形闭环控制奠定基础。

1 HFAC系统总体设计

HFAC系统主要包括夹紧结构、液压系统和控制系统3部分(系统结构图如图1所示)。夹紧机构以传统压紧方式为基础，和液压缸集成为一体;液压系统采用闭环控制方式，由液压泵、液压缸、电磁换向阀、电液比例减压阀等部分组成;控制系统采用计算机作上位机，西门子S7-224XPCN PLC作控制器，利用夹紧机构末端的压力传感器获得压力值，并用WinCC组态软件对夹紧力大小进行实时监控。

图1 系统结构图

HFAC系统工作流程如图2所示。被加工工件在夹具中定位夹紧后，初始化夹紧力后采用随时间变化的控制方式。切削开始后，夹紧机构末端的压力传感器动态检测工件的夹紧力大小并通过组态软件实时显示。当在时刻t夹紧力值需要调整时，系统将压力传感器信号放大后经输入模块传入PLC，再经PLC中的PID算法进行运算，输出模拟量电压或PWM信号传入放大器，使输出量以脉冲的方式输出，传给电液比例减压阀并调节液压缸内部压力，通过液压缸与液压回路控制夹紧机构动作，以实现夹紧力的在线动态调控。

图2 系统工作流程图

2 液压系统设计

2.1 液压缸—负载的系统固有频率

HFAC的系统压力，即液压泵站的调定压力，应满足执行元件克服最大负载和实现最大加速度的需要。由于夹具夹紧运动无外负载和较大质量执行元件，系统压力定为 6 MPa，并选用内径为32 mm，行程为50 mm的液压缸。当不考虑液压缸—负载系统与基座连接刚度时，其固有频率为［12］:

式中:f0—液压缸—负载质量系统的固有频率，Hz;k—油液压缩性形成的弹簧(称为液压弹簧)刚度，N/m;m—液压缸驱动的质量，kg。

液压弹簧刚度主要由“受压缩”的油液体积决定，液压缸的单侧液压弹簧刚度为:

式中:E—液压油的弹性模量，值为(1～1.4)×109Pa;V—液压缸的单侧容积，m3。

所以，该系统的最低固有频率为:

式中:α =AR/AK=0.75，AK—无杆腔面积，AR—环形面积。

该系统的最低固有角速度为:

实践表明，f0＜4 Hz适用于对动态特性基本没有要求的静态电液比例控制系统;f0=4 Hz～15 Hz是电液比例控制系统固有频率的优选范围，该频率适合于多数设备的固有频率，可使电液比例控制系统获得良好的性价比;f0≥30 Hz适用于对动态性能有高要求的设备。因此，所设计的液压缸—负载系统的频率满足动态性能的控制要求。

2.2 电液比例减压阀

通径和油液要求是比例阀选用的两个关键因素，额定流量过大会降低执行器的控制精度。本研究选用德国的ARGOHYTOS电液比例减压阀，根据压力－电流曲线(如图3所示)选择PVRM1-063/S三通直动式减压阀，其安装方式为螺纹插装式，控制信号为100 Hz，最大进口压力为5 MPa，最大流量为20 L/min。本研究利用它配置的数字式比例放大器(型号RT-PVDA-0X-D1)放大PLC发出的脉冲信号并传入比例减压阀，将PLC输出的0～10 V的模拟量信号转化为相应占空比的PWM信号。

图3 压力P与控制信号I特性曲线

3 控制系统设计

HFAC系统控制原理如图4所示，主要包括压力传感器、液压系统和PLC编程控制3部分。

图4 控制系统原理图

3.1 传感器与输入模块

纽扣式压力传感器(NJHS-10)量程为1 000 N，需10 V外部供电，输出信号为0～20 mV，传感器信号放大器将传感器输出信号进行精密放大，将毫伏信号转换成标准电压信号输出0～5 V或0～10 V后，直接与PLC输入模块连接。EM231-2HAI模拟量输入模块具有高速采集功能，16位精度，带1路紧密桥压输出(10 V)，能够有效完成数据采样、滤波、存取、分析等功能。

3.2 控制信号类型

电液比例控制系统的控制信号包括模拟式和数字式两种类型。其中，模拟式的脉冲宽度调制(PWM)控制功率输出级为开关型结构，便于实现程序控制［13］。本研究利用西门子PLC S7-224XPCN实现对液压系统中各种电磁阀的控制。该继电器型PLC具有模拟量电压输出功能和PID调节功能。

3.3 控制系统开环增益

闭环控制系统的开环增益及组成为:

式中:Kc—闭环控制系统的开环增益;Kp—PID调节器的增益;Ka—比例放大器的增益，A/V;Kv—比例减压阀的增益，MPa/A;Kh—执行元件的增益，N/MPa;Km—压力传感器的增益，V/N。

Kc的计算值由系统的稳定性、动态性能和控制精度校核的结果确定，其实际值由调试结果确定。初步设计时，可根据稳定性要求，按劳斯稳定判据确定的公式求得Kcmax，即:

在工程实践中，ξ的取值为0.05～0.2。一般来说，系统结构确定后，Ka、Kv、Kh、Km的值不易再变，而回路的总增益又影响到系统的稳定性和控制精度等性能指标，因此该系统通过PLC编程调节PID控制程序的比例增益Kp来完成Kc的调节。

3.4 PLC 编程

PLC 编程［14］采用 STEP7-MicroWIN V4.0 系统的软件编程向导，依次设置PID回路编号、PID回路给定值的范围，比例增益(Kp)、采样时间(TS)、积分时间(TI)、微分时间(TD)。

根据本传感器的量程范围，选择单极性，不带有20%偏移量。当回路输出量的类型为模拟量时，设置输出量的极性和范围;为PWM脉冲输出时，设置占空比周期为 0.01 s。

完成向导中的设置工作后，自动生成初始化子程序PIDx_INIT、中断程序PID_EXE等。在程序中用SM0.0调用PIDx_INIT，并写入模拟量输入地址、给定值百分比和输出值地址。CPU便会根据已设置的PID采样时间，周期性地调用中断程序PID_EXE，在PID_EXE中执行PID运算。

PID控制器需要整定比例增益、积分时间、微分时间、采样周期4个参数，编程软件内置有“PID调节控制面板”工具，用于PID参数的调试，可以同时显示给定量SP、反馈量PV和调节器输出MV的波形。其中，利用PID调节控制面板实现PID参数自动调节功能。

3.5 WinCC组态监控

HFAC选用西门子公司开发的WinCC组态软件［15］。在WinCC中建立过程归档变量 presure对应PLC测得的压力值并以500 ms采样周期和存储周期归档［16］;建立setpresure变量对应 PLC s7-200中的设定压力的寄存器VD206。本研究选用WinCC Online Trend Control控件，动态显示夹紧力随时间变化的曲线(如图5所示)。在规定的“变化时长”时间范围内，夹紧力在初始压力基础上，每历时一个“时间间隔”，机床夹紧力就会增加或减少一个“压力变化”值。该系统可支持两种不同的变化规律，分别从“时段1”、“时段2”进行设置。

图5 可控夹紧力夹具系统组态软件监控图

4 实验

为验证HFAC系统的夹紧力控制精度，本研究进行了测试实验。实验条件如下:油温度25°，32号耐磨液压油，5 μ高压滤油器，溢流阀调定压力为6 MPa，电液比例减压阀流量为5 L/min，选用224XPCN继电器型PLC。设定系统目标压力从300 N增加到500 N，时间间隔为10 s，压力变化值为50 N。实验结果表明，夹紧机构末端的实际压力精度在3%以内。

5 结束语

HFAC系统选用液压作为动力源、电液比例减压阀作为调压元件、PLC作为控制器，设计了夹紧力实时可调的液压夹具系统。通过实验可知，该系统能够在切削过程中动态调整机床夹紧力，其控制精度为3%。该系统结构简便、成本较低、工作稳定可靠，能够满足金属切削过程中的夹紧力动态可调需求，有利于获得易变形工件的最优装夹方案，以减小工件变形。在切削过程中影响机床夹紧力调控精度的因素较多，因此下一步工作是在PLC编程中增加误差补偿技术，以进一步提高控制精度。

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