基于PLC和高速开关电磁阀的数控夹具压力控制系统设计

　　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。为解决这个问题，以高速开关电磁阀原理和PLC为基础，设计了一种数控夹具适应性控制系统，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。

1 总体方案设计

　　 以发动机缸盖的加工工艺系统为研究对象，主要研究适应不同加工尺寸系列、不同数控加工工步切削力的数控夹具变夹紧力控制技术和控制系统，解决加工这类产品时缺乏与先进工艺技术及先进设备配套的数控夹具的问题，达到保证加工精度和提高劳动生产率的目的。

　　目前，通过高速开关电磁阀将液压系统与计算机数字控制相结合是当前液压控制系统发展的热点之一。设计时采用液压控制，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控制系统和人机交互系统，如图1所示

图１　数控夹具适应性控制系统图

2 高速开关电磁阀的夹紧力控制原理

　　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。

3 液压系统设计

　　液压系统是数控夹具夹紧力控制系统的执行部分。在设计时考虑液压系统的设计要求：

　　（1）两夹紧液压油缸夹紧力相同；

　　（2）夹紧时，缸盖两端为先，中间部分为后；

　　（3）实现密封加工。

　　以设计要求为前提，通过夹具系统负载和液压系统工况分析，初选系统工作压力，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，最终制定液压系统基本方案，主要包括调速方案、压力控制方案和顺序动作等。得出液压子系统的系统图，如图2所示。

图2　液压子系统的系统图

　　根据系统设计要求，列出部分选型如下：

　　（1）电机。根据工作循环中液压泵中比较恒定的压力和流量，计算液压泵的驱动功率，最终选取HAWE公司的AF90L／40-10电机，功率15KW，转速1415r/min。

　　（2）液压阀。根据系统中实际通过该阀的最大流量和工作压力，选取阀件。选用贵州红林生产的HSV-3202C7高速开关电磁阀控制压力，额定压力20MPa，额定流量9L/min，24V 直流驱动，最大工作频率不小于200Hz，占空比20％ ～ 80％ 。

　　选择HAWE生产的BF0／250溢流阀、GS2-1电磁阀通过VB11连接块组合成而电磁溢流阀，溢流阀的额定压力25MPa，最大流量12 L/min。

　　选择HAWE生产的型号为NBVP16G-24G的三四通阀，额定压力40MPa，额定流量2012 L/min，通径6mm，24V直流驱动，额定功率27.6W。选用ＥＮＥＲＰＡＣ 公司的ＶＭＭＤ００２ 二位四通阀作为手动阀，以便于切断油路，在蓄能器工作的情况下保压。