基于PLC控制的大型机翼压铆机设计

李春义 梁东东 穆建森

摘要：大喉深压铆机在我国，特别是飞机制造行业应用广泛。文章运用气液增压能量守恒原理，PLC智能控制实现大喉深压铆机在飞机制造企业的广泛使用，为企业解决生产工艺难题，弥补大喉深压铆机国内空白。

关键词：大喉深；压铆机；气液增压；PLC控制

中图分类号：V262 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）03-0037-03

大喉深压铆机在我国，特别是飞机制造行业应用广泛。随着装备制造业迅猛发展，大喉深大行程压铆设备尚为空白，我们经过工艺探索，从受力结构分析、焊接工艺安排、应力消除方法、控制原理、压铆工艺、PLC控制、电磁换向逻辑关系入手，研制了大喉深压铆机，通过PLC数字化智能控制监控压铆工艺，运用气液增压原理实现压铆手动、自动过程的压铆过程。从而实现了大喉深压铆机的设计制造，为某飞机制造企业解决了困扰发展的难题，为我国今后推广大喉深压铆机奠定了基础。

一、系统总体结构及工作原理

（一）总体结构

该设备由床身、压力变送器、预压式上下模气液增压缸、气动回路、电气控制回路构成。利用压缩空气作为传递动力，配合气动控制系统的主要气动元件与机械、液压、电气、PLC控制器等部分的动作，按照生产工艺要求完成铆接功能。

（二）工作原理

压铆机的核心部件为气液增压缸，它以气缸为动力，经油缸增力，从而以气动方式达到等同于高压油泵瞬间高压效果。动作过程分为上下气缸同步，分别空行程快进至模具压紧机翼位置；油缸瞬间加压行程实施铆接过程；快速气动退任意位置或起始位置三部分。人工送入工件到位，按启动按钮，上模气液增压缸快速下降到位，压住工件检测开关动作后，下模气液增压缸快速上升到夹紧工件有信号后，下模开始增压，这时可能出现两种情况：一种是监控的压力在预先设定值范围内达到设定值，增压缸增压到位后自动退回。另一种情况是在增压缸增压过程中或增压缸增压到位后，监控到压力未达到设定值，设备报警并停止增压，保持原位不动，必须手动退回。

（三）技术参数

1．采用气液增压技术，铆接力可调，最大额定铆接力350kN。

2．喉深2000mm。

3．压铆机成组铆接模具支撑面间的最大距离600mm。

4．由地平面到压铆机的压铆中部平面的高度1500mm，支撑架高度1500mm。

5．上气液缸活塞杆下平面低于压铆中部平面75mm。

6．上气液缸总行程375mm。

7．下气液增压缸活塞杆上平面高于压铆中部平面50mm。

8．下气液增压缸总行程375mm，辅助行程355mm、铆接行程20mm。

9．模具可转动角度360°。

10．机床工作所需压缩空气压力0.5～0.6MPa（超压或欠压报警），工作电压220±10%V 50Hz。

11．一次工作循环压缩空气消耗量（全行程计算）0.024立方米。

12．每分钟可工作次数：10～5次。

13．PLC控制。环境温度-10℃～55℃。

二、系统硬件设计

（一）工作流程

考虑到噪声和油污对环境的影响，该设备动力部分采用气液控制，系统由气液增压缸，空气过滤组合三联件、电磁阀、单向节流阀、减压阀、快速排气阀、数显压力控制器等组成。如图所示，系统中的减压阀将系统压力的大小调至合适的范围，单向节流阀控制增压缸的增压速度，快速排气阀加快增压缸的回程速度，缩短设备节拍时间。

图1气路原理

1.上模缸动作：下降电磁铁YA0、YA1同时通电，上升时，电磁铁YA、0YA1同时通电，

2.下模增压缸动作：增压缸快进，电磁铁YA2通电，气源进入增压缸的快进端口，增压缸快进，通过调节节流阀可得到理想的快进速度，夹紧行程开关接通为快进到位，增压缸增压，电磁铁YA4通电，气源进入增压缸的增压端口，增压缸增压上行，通过调节减压阀及节流阀可得到理想的输出压力及增压速度，压力值达到设定值为增压到位，增压缸退回，YA4断电，电磁铁YA3通电，增压缸的增压端口及快进端口与大气相通，气源进入增压缸的第二个退回端口，增压缸下降退回原位。

（二）可编程控制器PLC

可编程控制器PLC作为本系统的控制核心，接受控制面板按钮（或脚踏开关），上下模行程开关和压力控制器的输入信号，经过程序处理后发出输出信号去控制电磁阀从而由气缸来完成相应动作同时在执行过程中输出显示信息，如检测结果显示，压力，超程报警。

本系统选用三菱公司生产的小型可编程控制器FX1N系列，适用于检测、监控及运行中实现复杂控制功能，具有极高的性价比。按照设备控制功能的需要，PLC控制系统硬件设计框图如图2所示：

图2 动作示意图

（三）数显压力控制器

本设备在下模气液增压缸液压回路内装有一个压力变送器，对压铆压力大小实时监控，该压力变送器是一种能感受压力，并将压力信号转换成可传递到统一输出信号的仪表，而且其输出信号变送与压力信号之间有一定的连续线性函数关系。压力变送器主要由测压元件传感器，测量电路，和过程连接件等组成，它能将接收到的压力信号转变成标准的电流

〔4～20mA〕或电压〔0～10V〕信号，以供控制器进行测量、指示和过程调节。

（四）电气控制原理

图3电气原理图一

图4电气原理图二

三、性能特点

（一）高效节能，绿色环保

压铆基本原理是运用气动回路控制气缸动作，实现空行程快进和加紧工件过程，只是在短行程几乎瞬间实现(大力士)液压增压铆接功能，一次工作循环压缩空气消耗量（全行程计算）仅0.024立方米，和全液压或全气动实现铆接设备相比，节能达到90%，并且对洁净环境，避免泄露油污染有所改进。

（二）软到位压紧

在空行程中，上下模具伺服缸由压缩空气驱动，动作快，施力小，达到工件表面几乎是“软着陆”直到压紧。

（三）气液增压模具压铆

图5气液增压缸示意图

（四）控制准确 定位精确

运用PLC技术，选用敏捷准确的检测元件，周密细致的软件控制，达到控制准确定位精确

（五）床身独特机构

床身经过精确地受力分析，消除了机构余力；运用振动时效的方法，彻底消除了焊接应力，使床身的变形量接近于零。

四、PLC实现压铆过程的运动控制

（一）PLC程序

按照工作过程，结合气液增压缸的动作图表，选择规定的工作方式，使有关电磁阀在PLC程序设定的顺序或条件下，完成点动、半自动和自动循环工艺流程。

（二）实现动作的典型程序段

压铆机程序：

（三）基本功能

1．上模具快速下移且行程范围内任意位置可停止。

2．下模具快速上移且行程范围内任意位置可停止。

3．铆接过程上模具定位。

4．铆接后，上、下模具同时自动退向原位，任意位置可停止。

5．铆接后，铆接行程退回原位置。

五、结论

大喉深或超大喉深大行程压铆机经过设计、制造、安装、调试并投入运行，通过了飞机制造企业的验收，达到了预期的设计效果。实际使用表明，该系统性能稳定，操作维护简单方便，智能化控制精确，对提高生产效率和产品质量具有重要意义。

参考文献

[1]王阿根．电气可编程控制原理与应用[M]．2007.

[2]张舫．谈气液增压缸的应用[J]．中小企业管理与科技，2009，（8）.

[3]杨莹，邵英，等．可编程控制器案例教程[M]．清华大学出版社，2005.

作者简介：李春义（1964-），男，陕西省机械研究院机电技术研发中心主任，高级工程师，研究方向：机电产品非标准设备的设计研发。

（责任编辑：赵秀娟）