一种基于PLC和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统的制作方法

本发明涉及一种基于PLC和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统，适用于机械领域。

背景技术：

随着机械制造业的迅猛发展，柔性化、智能化和信息化已成为21世纪机械制造业发展的总趋势，生产效率和产品的加工质量更是制造中备受关注的核心问题。夹具是制造系统的重要组成部分，对加工质量、生产率和生产成本都有着极其重要的影响。在数控加工中使用传统夹具时，除了自动化程度低、生产效率低外，其夹紧力不可控，不能适应切削力的变化，对一些结构复杂、精度要求高而且刚性小的薄壁零件，很难获得较高的加工质量。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于PLC和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统，该系统能够很好地适应加工过程中切削力的变化，在一定程度上提高了生产效率和加工质量。

本发明所采用的技术方案是：所述控制系统采用液压控制，可实现液压执行部分同液压站及控制部分的分离，以减小控制系统位于工作台上的体积。且基于高速开关电磁阀的液压控制系统，抗污染能力强，响应快，造价较低。同时，闭环控制保证了控制精度，PID确保系统在加压过程或者受到扰动时能很快回复到预定的压力大小。该数控夹具适应性控制系统主要包括3个子系统:液压系统、PLC控制系统和入机交互系统。

所述高速开关电磁阀是通过PWM(脉冲宽度调制)信号控制的。通过PWM脉冲信号控制进入和流出高速开关电磁阀的流量，可控制液压缸内压力的变化。当进行压力控制时，高速开关电磁阀的控制油口可交替地与进、出油口相通。控制腔压力需要升高时，可延长控制口与进油口相通时间；控制腔压力需要降低时，可延长控制口与回油口相通的时间。在PWM波作用下，使控制油口与进油口或回油口接通的时间长短不同，从而实现控制压力高低的目标，最终达到控制夹紧力的目的。

所述控制系统选定ENERPAC公司的SLLD-92转臂转动液压缸和HAWE公司的R2.5型径向柱塞泵，主要包括调速方案、压力控制方案和顺序动作等。

所述PLC控制子系统由硬件和软件两部分组成，PLC根据控制台发出指令，控制电机、溢流阀、换向阀以及高速开关电磁阀等各输出点的动作。在进行夹紧力控制时，PLC把经压力变送器采样而得的压力值与预置压力进行比较，通过PID环节，输出所需的PWM脉冲。在此基础上，PLC还具备自动功能、调整功能、报警功能、误操作防止功能、I/0点数的估计等功能。

所述PLC控制子系统的硬件部分包括PLC、扩展模块及PLC的外部设备，包括输入设备(如操作按钮、开关量及模拟量输入信号等)、执行元件(如接触器的线圈、电磁阀的线圈、指示灯等)，以及控制台、控制柜、控制面板等。依据控制系统的设计任务，初步拟用西门子公司生产的小型PLC产品S7-200PLC作为夹紧动作控制的核心。为了控制电机、卸荷溢流阀及两个三位四通阀的通断，选用具有8个输出点的EM222继电器输出模块。为了对压力变送器传送过来的模拟信号进行转换，选用具有4路模拟量输入的EM231模拟量输入模块。通过分析CPU和扩展模块，计算电源容量和对I/0地址进行分配。根据输入/输出元件地址分配表以及PLC的端子连线规定，此外，设计的控制面板和控制柜以方便工作人员对整个控制系统进行灵活的操作和控制。

所述软件部分即PLC监控程序，分调整和自动两个状态，通过STEP7-Micro/WIN32软件对S7-200PLC进行编程，实现PID调节器控制PWM波以调节压力，从而达到控制夹紧力的目的。通过编制PLC监控程序，保证了控制系统各部分在指令发出后按要求完成各自的正确动作。

本发明的有益效果是：该系统能够很好地适应加工过程中切削力的变化，在一定程度上提高了生产效率和加工质量。

附图说明

图1是本发明的数控夹具适应性控制系统图。

图2是本发明的PLC控制系统接线图。

图中：X1、X2.蓄能器；Y1、Y2、Y3、Y4、Y5.液压缸；P0、P1、P2.压力变送器；SV1、SV2.手动阀；V1、V2.三位四通电磁换向阀；K1、K2、K3、K4.快换接头；T.温度传感器；K5、K6.安全球阀；V0.电磁溢流阀；L1、L2.滤油器；PM.液压泵；M.电动机；KO.压力表开关；YO.压力表；S.液位检测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，控制系统采用液压控制，可实现液压执行部分同液压站及控制部分的分离，以减小控制系统位于工作台上的体积。且基于高速开关电磁阀的液压控制系统，抗污染能力强，响应快，造价较低。同时，闭环控制保证了控制精度，PID确保系统在加压过程或者受到扰动时能很快回复到预定的压力大小。该数控夹具适应性控制系统主要包括3个子系统:液压系统、PLC控制系统和入机交互系统。

高速开关电磁阀是通过PWM(脉冲宽度调制)信号控制的。通过PWM脉冲信号控制进入和流出高速开关电磁阀的流量，可控制液压缸内压力的变化。当进行压力控制时，高速开关电磁阀的控制油口可交替地与进、出油口相通。

控制腔压力需要升高时，可延长控制口与进油口相通时间；控制腔压力需要降低时，可延长控制口与回油口相通的时间。在PWM波作用下，使控制油口与进油口或回油口接通的时间长短不同，从而实现控制压力高低的目标，最终达到控制夹紧力的目的。

控制系统选定ENERPAC公司的SLLD-92转臂转动液压缸和HAWE公司的R2.5型径向柱塞泵，主要包括调速方案、压力控制方案和顺序动作等。

如图2，PLC控制子系统由硬件和软件两部分组成，PLC根据控制台发出指令，控制电机、溢流阀、换向阀以及高速开关电磁阀等各输出点的动作。在进行夹紧力控制时，PLC把经压力变送器采样而得的压力值与预置压力进行比较，通过PID环节，输出所需的PWM脉冲。在此基础上，PLC还具备自动功能、调整功能、报警功能、误操作防止功能、I/0点数的估计等功能。

PLC控制子系统的硬件部分包括PLC、扩展模块及PLC的外部设备，包括输入设备(如操作按钮、开关量及模拟量输入信号等)、执行元件(如接触器的线圈、电磁阀的线圈、指示灯等)，以及控制台、控制柜、控制面板等。依据控制系统的设计任务，初步拟用西门子公司生产的小型PLC产品S7-200PLC作为夹紧动作控制的核心。为了控制电机、卸荷溢流阀及两个三位四通阀的通断，选用具有8个输出点的EM222继电器输出模块。为了对压力变送器传送过来的模拟信号进行转换，选用具有4路模拟量输入的EM231模拟量输入模块。通过分析CPU和扩展模块，计算电源容量和对I/0地址进行分配。根据输入/输出元件地址分配表以及PLC的端子连线规定，此外，设计的控制面板和控制柜以方便工作人员对整个控制系统进行灵活的操作和控制。

软件部分即PLC监控程序，分调整和自动两个状态，通过STEP7-Micro/WIN32软件对S7-200PLC进行编程，实现PID调节器控制PWM波以调节压力，从而达到控制夹紧力的目的。通过编制PLC监控程序，保证了控制系统各部分在指令发出后按要求完成各自的正确动作。

人机交互子系统用于方便用户与计算机的交互，更于用户控制夹紧力和监控系统的运行状态。人机交能是霍尔元件的线路或霍尔元件本身出了问题。用万用表检测，霍尔元件本身故障。解决措施:更换新的霍尔元件，再换刀，各种动作均正常，故障解决。

实际工作中，刀架的故障种类很多，具体问题还要具体分析，但根据电动刀架的工作原理及故障诊断实例，还是可以总结一些故障诊断的经验和规律。在电动刀架的故障诊断与维修中，可以从以下几个方面考虑：(1)首先要仔细观察故障现象，准确判断故障类型(机械或电气故障)。这一点非常关键，关系到是否能够快速准确解除故障。在观察故障现象时一定要仔细认真，不要放过任何一个细节，不要盲目下手。（2）充分利用PLC来进行故障诊断。通过PLC程序可以快速地诊断出刀架输出信号是否正常，从而可以快速判断故障的来源。(3)根据刀架控制原理及实践经验，刀架常见故障主要发生在刀架的位置检测兀件、锁紧装置、继电器及接触器触点上。借助检测工具、电路图等进行检测和分析，对刀架故障进行定位。定位故障后，采用更换或其他措施解决故障。