基于PLC与凸轮组合控制的伺服压力机设计

张志强，付军，陈杰，杨钊

(中国工程物理研究院 材料研究所，四川 江油 621709)

0 引言

随着压力机在电子产品、汽车等制造领域应用的深入，普通的机械式压力机、液压式压力机、螺旋式压力机已难以满足实际生产的需求。冲压过程中的高精度、高效性和高柔性已经成为压力机的发展趋势，高速伺服压机便是集诸功能于一体的冲压设备[1-3]。

在伺服压机的设计需求中，交流伺服压机可根据生产的需要设定出不同的冲压速度和工作行程，同时保证冲压截止点的成形精度，抑制工件上飞边毛刺等缺陷的出现，满足重型负载冲压的要求。由于压机是集机电液于一体的系统，冲头的工作区域为非操作空间，势必导致在整个行程上以及在其他相关运动元器件上必须增加数个检测传感器，用于反馈冲头的位置信息以及其他信号，从而造成了压力机外围布线的冗余，极大影响了工作人员的有效操作空间，同时带来一定的安全隐患[4-5]。

为避免上述问题的出现，在设计冲压多级传动链上新增凸轮机构，不仅将运动中的各类位置信息全部集成到凸轮上，而且由凸轮与PLC一对一进行数据交换，精炼了整体的控制电路，有效地提升了设备后期的可维修性。

1 冲压工艺分析

压力机动力以交流伺服电机为主，最大冲压力满足630kN。压力机壳体采用铸造件，以最大限度地减小振动。系统工作时，在启动和停止时带加减速功能，有唯一确定的原点位置，实际操作过程中手/自动可切换，对冲压的零件个数能够实现连续计数，对电机、油缸、气缸、阀门等安全情况能够实时显示过载、欠压、报警等原因。再配以PLC为核心的控制，将电气系统、液压气动系统、伺服控制系统、面板操作系统全部集中控制，通过编程实现自动冲压的功能[6]，如图1所示。

图1 冲压功能流程图

2 压力机结构设计

2.1 规划传动路线

由于压力机在整个系统上需通过凸轮来实现信号的传递，整个传动系统由一级皮带传动，二级齿轮传动，带动输出轴向外输送功率，输出部分共分为3部分：1) 带动曲轴的转动，从而实现曲柄连杆机构的工作，达到冲压的目的；2) 带动三级锥齿轮传动，实现飞轮的运动，为整个结构工作储存能量；3) 带动三级皮带传动，由皮带来带动凸轮机构的运动。将所有的位置信息集成到凸轮机构上，通过凸轮转动的角度来实时反馈系统的运动状态。同时在冲头上下极限位置处，根据对应的转动角度增加限位开关，起到机械保护作用，如图2所示。

图2 冲压机传动路线图

2.2 结构参数计算

压力机的设计输入条件：公称压力为630kN，公称压力行程为50mm，制动时间0.2s，机械传动效率定为90%，由传动路线确定出电机的额定功率和转矩[7]：

(1)

(2)

式中：E为运动部分的能量，即飞轮在工作时储存的能量。Ke为电机启动转矩的安全过载系数，通常取2，α为电机启动加速转角，取20°，γ为机械传动的效率，n为冲头往返冲压的行程次数，Kδ为电机的安全系数。

满足负载与电机转动惯量的匹配关系如下：

负载的转动惯量转化到电机轴侧后：

(3)

式中：J0为电机轴的转动惯量(kg·M2)，J1为主皮带轮的转动惯量，J2为主轴的转动惯量，J3为曲轴的转动惯量，J4为锥齿轮轴的转动惯量，J5为凸轮轴的转动惯量。

i1平带传动比=1∶6；

i2齿轮传动比=1∶25；

i3锥齿轮传动比=1∶1；

i4同步带传动比=1∶1；

实际设计过程中，考虑压力机安全系数β，取1.5～2范围值，才能提供有效的冲压能量。

Je=βJ

(4)

还须考虑电机制动保护装置电机在带制动装置后制动力矩为Mp，则整个系统装置应满足如下公式：

Mp+Me=Jeα

(5)

式中Me为电机的额定转矩。

综合式(1)-式(5)，得出电机的额定功率为4.88kW，额定转矩为17.6N·m，制动力矩不得低于21N·m，选用松下A5系列MHME系列5kW伺服电机，配备MFDHTA464驱动，便能够满足设计要求。

2.3 凸轮转角分布

凸轮的设计利用了结构上的优势，将凸轮作为整个控制系统的主要循环控制结构，由于系统的完整性，凸轮每转到的一个位置同时对应着整个传动系统唯一的一个位置。因此，通过监测凸轮的转动角度，便能得知各机构此时的位置。如图3所示，如SQ1代表吹气阀门的工作状态，SQ2代表计数器的工作状态，在凸轮转动300°～330°之间处于有效工作时间，SQ7代表红外传感器的工作状态。

图3 凸轮转角分布图

3 压力机控制系统

在结合四级传动结构的基础上，自动控制系统采用面板按钮与触摸屏相结合的操作界面，PLC为主控核心，由压力机系统的外围I/O点数，确定选用欧姆龙的CP1H系列CP1H-X40DT-D，外加模块CPM1A-40EDR，同时外带伺服控制系统，整套方案如图4所示。

图4 系统控制方案图

图4中以PLC为主控制核心，向上接收操作面板传来的信号，向下为各类设备输出信号。同时，对于工作设备现有的工作状态，通过传感器反馈给PLC进行处理，从而实现了整体的闭环控制。根据预定的方案和功能需求，设计出相应的电路方案，以方便为后期的控制系统设计做指引，部分电路如图5所示。

图5 压力机部分电路图

根据伺服的需要，首先通过380V/220V变压为伺服提供工作电源U2、V2、W2和控制电源U3、V3，同时配置24 V的直流工作电源，为PLC、继电器、电磁阀等设备提供工作电源。为保证控制的整体性，所有的按钮信号SB,行程开关信号SQ，转换开关信号SA均输入到PLC输入端进行信号读入；外接的元器件，如指示灯、继电器、电磁阀均由PLC输出端输出，从而实现了PLC与凸轮的组合控制系统。

4 结语

伺服压力机作为冲压、挤压、拉伸等工艺中的必要设备，实际运转过程中，通过程序控制冲头的启动停止及各瞬间位置、速度及加速度等参数，从而能够寻找出最合适于工件的行程曲线，达到柔性化生产的要求。

在此基础上，通过在结构的创新改动，加入凸轮作为连接结构与控制的转换环节，使得整套结构更加紧凑，以最优的方式达到冲压工艺所需的运动参数，对提高工件的质量、模具寿命，缩短工件的加工周期起到了关键的作用。

[1] 赵升吨，张学来，高长宇.高速压力机的现状及其发展趋势[J]. 锻压装备与制造技术，2008(5)：2-4.

[2] 莫建华，郑加坤. 伺服压力机的发展现状及其应用[J]. 锻压装备与制造技术，2007(10)：3-4.

[3] 阮卫平，李卫平. 伺服压力机的研究及其发展前景[A]；2009年海峡两岸机械科技论坛论文集[C]. 佛山：2009：2-5.

[4] 金风明，窦志平. 伺服压力机在我国的发展现状[J]. 机电产品开发与创新，2012(4)：1-4.

[5] 孙友松，周先辉. 交流伺服压力机及其关键技术[J]. 锻压技术，2008(10)：3-5.

[6] Bilal Dogan，Thomas Hyde. Industrial Application Of Small Punch Testing For In-Service Component Condition Assessment: An Overview [J]. Materials And Fabrication，2012(5)：3-5.

[7] Shigehiko Kaneko，Hayato Suzuki. The Effect Of Punching Plates To Supress The Sloshing In A Gas Liquid Separator [J]. Pressure Vessel Technology，2014(7)：4-7.