液压仿形旋压机控制系统

杨绍忠

液压仿形旋压机控制系统

杨绍忠

（佛山市南海区信息技术学校，广东 佛山 528225）

针对人工旋压产品质量不稳定、数控旋压设备结构复杂等问题，设计液压仿形旋压机控制系统。介绍仿形阀在液压仿形旋压机液压控制回路的应用；液压仿形旋压机控制系统的硬件选型、电气设计、人机界面设计、控制程序开发及调试，实现仿形旋压机的自动化及柔性化。

自动控制；旋压技术；PLC控制；液压仿形；仿形阀

0　引言

旋压技术又称金属旋压成形技术，通过旋转使受力点由点到线、由线到面，同时在某个方向给予一定压力，使金属材料沿着这一方向变形和流动从而成形某一形状[1-3]。旋压成形的金属材料必须具有塑性变形和流动性能，且旋压成形不等同于塑性变形，它的成形过程涵盖了塑性变形和流动变形2种复杂工艺。

旋压成形方式有普通旋压成形和强力旋压成形2种。其中，普通旋压成形不改变坯料厚度，只改变坯料形状[4-5]；强力旋压成形既改变坯料厚度，又改变坯料形状，且旋压力较大，旋压机结构也较复杂[6-7]。根据旋轮移动方向与金属流动方向的关系，强力旋压成形可分为正旋和反旋[8-9]。同种材料，反旋成形所需的旋压力更大[10]。旋压成形方式的选择主要依据零件形状和工艺要求。

本文主要研究液压仿形旋压机用于咖啡壶的圆筒形胚料成形，成形方式采用强力旋压成形，成形过程采用正旋、反旋。由于生产的咖啡壶造型特别，人工旋压达不到产品质量稳定一致，数控旋压设备结构复杂，不利于成本控制，且旋压成形时所需的旋压力较大，故本文系统采用液压传动。

1　液压仿形旋压机

液压仿形旋压机主要由旋压轮、主轴变速箱、液压泵站、控制系统（包括液压控制系统与电气控制箱）等组成。旋压轮的横向、纵向进给分别由推进油缸、仿形油缸驱动。主轴变速箱以2.3 kW的三相异步电动机为动力源，经过皮带传动及主轴变速箱变速将动力传送到主轴，加工过程有运转和停止。

液压仿形旋压机单次仿形工作流程如图1所示，主要执行元件有夹紧油缸、推进油缸、仿形油缸、切边油缸。首先，放入坯料并由夹紧油缸夹紧；其次，主轴启动，由推进油缸带动仿形阀和仿形油缸横向推进旋压轮进行第1次仿形，完成后推进油缸退回，旋压轮进行第2次仿形；最后，由切边油缸进行毛边切除，夹紧油缸松开取下成品。

根据图1工作流程，设计各电磁阀动作如表1所示，这是电气控制箱PLC控制流程的实现依据。

图1 液压仿形旋压机单次仿形工作流程

表1 液压仿形旋压机控制系统电磁阀动作顺序表

1.1 液压控制系统

液压仿形旋压机液压控制系统原理图如图1所示，主要包括液压泵、换向阀、仿形阀、单向节流阀、液压单向阀和各路执行油缸等。

液压泵由3 kW的三相异步电动机带动叶片泵为液压控制系统提供压力油。开机启动后一般不停止运行，没有任务时接通电磁溢流阀对系统进行卸荷。液压控制系统关键元件是仿形阀，其将小功率的机械动作变为液压输出量（流量和压力），从而控制仿形油缸的进退比例，实现仿形加工。

本液压控制系统具有柔性化特点，相关参数可根据零件工艺进行修改。为方便产品工艺调试，系统工作方式包括手动控制、一次仿形和多次仿形3种。

图2 液压仿形旋压机液压控制系统原理图

1.2　电气控制箱

根据液压控制系统功能与控制要求，电气控制箱选用PLC控制器。PLC具有集成方便、调试简单、运行稳定、柔性化编程等特点，可适应不同产品工艺流程。由于液压仿形旋压机需调试、调用不同的产品工艺参数，因此，加装触摸屏，通过RS232与PLC主机通迅，方便操作。

1.2.1主要元件选择

1）被控对象主要有电机启动接触器2个、液压电磁阀9个、运行指示灯2个，共需I/O输出接口13个；使用触摸屏代替了大量手动按钮开关，只保留启动、停止按钮及推进油缸的前后限位开关，I/O输入接口仅需4个。综上所述，选用FX2N-48MR继电器输出型为控制主机。

2）人机界面采用ET070，通过RS232接口与PLC主机通迅，具有较高的稳定性且成本较低。

3）其他主要元件选型如表2所示。

表2 其他主要元件

1.2.2 控制设计

根据液压控制系统控制要求，I/O分配表如表3所示。

电气控制箱电气原理图如图3所示，左边为主电路，KM1控制主电路电源；KM2，KM3分别独立控制主轴电机、液压泵电机的启停；FR1，FR2为热继电器，对主轴电机和液压泵电机进行过载保护：右边为控制电路，考虑系统简单且PLC工作稳定，没有安装AC隔离变压器。由于液压阀在加工过程中启动频繁，启动电流较大，因此在PLC输出端与电磁阀之间安装小型插拔式继电器转换，转换后KA1~KA9分别对应控制1DT~9DT。

1.3 控制系统软件设计

液压仿形旋压机控制系统软件设计包括人机界面、PLC程序设计。

1.3.1 人机界面

人机界面ET070为7寸电阻式触摸屏，具有触控灵敏、色彩丰富、组态应用功能简单、方便易用等特点，可满足系统需求。考虑到系统柔性化需求，人机界面分为手动和自动2种工作模式，如图4所示。

1.3.2 PLC程序设计

液压仿形旋压机控制系统被控对象较简单，且是逻辑控制，程序编写也相对简单。程序编写采用步进控制，方便修改和升级。另外，为方便操作以及更换产品时免于修改参数，程序设置10组参数保存功能，即一个产品调试量产后，可把相关参数保存到PLC的内部停电保持数字寄存器中，以后生产时可按编号调出来，如图5程序0~17所示。液压仿形旋压机控制系统PLC程序流程如图6所示。

表3 系统I/O分配表

图3 电气控制箱电气原理图

图4 人机界面

图5 液压仿形旋压机控制系统PLC部分关键程序

图6 液压仿形旋压机控制系统PLC程序流程

2　系统调试

在上位机模拟液压仿形旋压机控制系统相关动作流程，若动作流程没出错，便可联机调试。首先，手动调试，在没有启动液压泵时，通过人机界面手动操作控制各个电磁阀动作，检查相关I/O是否与控制对象对应；然后，自动调试，在没有启动液压泵时，通过手动触发各行程开关模拟动作信号，检查自动程序的运行逻辑。部分功能通过参数设置实现，如切边油缸可通过设置该缸的运行时间参数来确定是否启用该功能，若该参数为0，则取消该动作；最后，按要求逐个参数校验，达到相关工艺要求后便可保存。启动液压泵调试时，应注意液压控制系统卸荷。当旋压机系统各缸不工作时，观察电磁溢流阀1DT是否接通进行卸荷，若卸荷不正常会导致液压泵负荷加重、油路压力增大、油温升高。

系统调试重点在相关工艺调试，包括仿形针、仿形油缸的位置调整、推进油缸的前后限位开关位置调整、各油缸的伸出缩回速度及相关参数配套。根据计算和现场调试，液压控制系统通过电磁溢流阀控制油路整体压力为75 bar、仿形缸油路和推进缸油路都通过减压阀控制油路压力在60 bar~65 bar，可确保仿形油路稳定工作。

3　结语

液压仿形旋压机控制系统的关键在于仿形阀的应用，其实现由机械动作向液压输出量（流量和压力）转变，同时又通过执行油缸实现液压输出量向机械动作转变，从而加工出形状与仿形板相同工件。液压仿形旋压机控制系统相比传统人工旋压控制，具有节省人力、产品质量稳定的特点；与数控旋压机控制系统相比，其结构简单、成本更低，具柔性特点，特别适用于薄壁类回转形零件、产品的加工制造。

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Control System of Hydraulic Profiling Spinning Machine

Yang Shaozhong

(Nanhai Information Technology School, Foshan 528225, China)

Aiming at the problems of stable and inconsistent quality of manual spinning products and the complex structure of CNC spinning equipment, the application of tracing valve in the hydraulic circuit of profiling spinning machine tools, as well as the hardware selection of PLC control system for hydraulic profiling machines, System design, human-machine interface design, control program development and debugging realize the automation and flexibility of the profile spinning machine.

automation control; spinning technology; PLC control; hydraulic profiling;profiling valve

杨绍忠，男，1983年生，本科，机电高级讲师，主要研究方向：PLC自动控制系统应用、工业机器人系统集成应用。E-mail: YSZ1717@nhedu.net

TP23

A

1674-2605(2020)02-0007-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.02.007