基于PLC控制的大型機翼壓鉚機設計

李春義 梁東東 穆建森

摘要：大喉深壓鉚機在我國，特別是飛機制造行業應用廣泛。文章運用氣液增壓能量守恒原理，PLC智能控制實現大喉深壓鉚機在飛機制造企業的廣泛使用，為企業解決生產工藝難題，彌補大喉深壓鉚機國內空白。

關鍵詞：大喉深；壓鉚機；氣液增壓；PLC控制

中圖分類號：V262 文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）03-0037-03

大喉深壓鉚機在我國，特別是飛機制造行業應用廣泛。隨著裝備制造業迅猛發展，大喉深大行程壓鉚設備尚為空白，我們經過工藝探索，從受力結構分析、焊接工藝安排、應力消除方法、控制原理、壓鉚工藝、PLC控制、電磁換向邏輯關系入手，研制了大喉深壓鉚機，通過PLC數字化智能控制監控壓鉚工藝，運用氣液增壓原理實現壓鉚手動、自動過程的壓鉚過程。從而實現了大喉深壓鉚機的設計制造，為某飛機制造企業解決了困擾發展的難題，為我國今后推廣大喉深壓鉚機奠定了基礎。

一、系統總體結構及工作原理

（一）總體結構

該設備由床身、壓力變送器、預壓式上下模氣液增壓缸、氣動回路、電氣控制回路構成。利用壓縮空氣作為傳遞動力，配合氣動控制系統的主要氣動元件與機械、液壓、電氣、PLC控制器等部分的動作，按照生產工藝要求完成鉚接功能。

（二）工作原理

壓鉚機的核心部件為氣液增壓缸，它以氣缸為動力，經油缸增力，從而以氣動方式達到等同于高壓油泵瞬間高壓效果。動作過程分為上下氣缸同步，分別空行程快進至模具壓緊機翼位置；油缸瞬間加壓行程實施鉚接過程；快速氣動退任意位置或起始位置三部分。人工送入工件到位，按啟動按鈕，上模氣液增壓缸快速下降到位，壓住工件檢測開關動作后，下模氣液增壓缸快速上升到夾緊工件有信號后，下模開始增壓，這時可能出現兩種情況：一種是監控的壓力在預先設定值范圍內達到設定值，增壓缸增壓到位后自動退回。另一種情況是在增壓缸增壓過程中或增壓缸增壓到位后，監控到壓力未達到設定值，設備報警并停止增壓，保持原位不動，必須手動退回。

（三）技術參數

1．采用氣液增壓技術，鉚接力可調，最大額定鉚接力350kN。

2．喉深2000mm。

3．壓鉚機成組鉚接模具支撐面間的最大距離600mm。

4．由地平面到壓鉚機的壓鉚中部平面的高度1500mm，支撐架高度1500mm。

5．上氣液缸活塞桿下平面低于壓鉚中部平面75mm。

6．上氣液缸總行程375mm。

7．下氣液增壓缸活塞桿上平面高于壓鉚中部平面50mm。

8．下氣液增壓缸總行程375mm，輔助行程355mm、鉚接行程20mm。

9．模具可轉動角度360°。

10．機床工作所需壓縮空氣壓力0.5～0.6MPa（超壓或欠壓報警），工作電壓220±10%V 50Hz。

11．一次工作循環壓縮空氣消耗量（全行程計算）0.024立方米。

12．每分鐘可工作次數：10～5次。

13．PLC控制。環境溫度-10℃～55℃。

二、系統硬件設計

（一）工作流程

考慮到噪聲和油污對環境的影響，該設備動力部分采用氣液控制，系統由氣液增壓缸，空氣過濾組合三聯件、電磁閥、單向節流閥、減壓閥、快速排氣閥、數顯壓力控制器等組成。如圖所示，系統中的減壓閥將系統壓力的大小調至合適的范圍，單向節流閥控制增壓缸的增壓速度，快速排氣閥加快增壓缸的回程速度，縮短設備節拍時間。

圖1氣路原理

1.上模缸動作：下降電磁鐵YA0、YA1同時通電，上升時，電磁鐵YA、0YA1同時通電，

2.下模增壓缸動作：增壓缸快進，電磁鐵YA2通電，氣源進入增壓缸的快進端口，增壓缸快進，通過調節節流閥可得到理想的快進速度，夾緊行程開關接通為快進到位，增壓缸增壓，電磁鐵YA4通電，氣源進入增壓缸的增壓端口，增壓缸增壓上行，通過調節減壓閥及節流閥可得到理想的輸出壓力及增壓速度，壓力值達到設定值為增壓到位，增壓缸退回，YA4斷電，電磁鐵YA3通電，增壓缸的增壓端口及快進端口與大氣相通，氣源進入增壓缸的第二個退回端口，增壓缸下降退回原位。

（二）可編程控制器PLC

可編程控制器PLC作為本系統的控制核心，接受控制面板按鈕（或腳踏開關），上下模行程開關和壓力控制器的輸入信號，經過程序處理后發出輸出信號去控制電磁閥從而由氣缸來完成相應動作同時在執行過程中輸出顯示信息，如檢測結果顯示，壓力，超程報警。

本系統選用三菱公司生產的小型可編程控制器FX1N系列，適用于檢測、監控及運行中實現復雜控制功能，具有極高的性價比。按照設備控制功能的需要，PLC控制系統硬件設計框圖如圖2所示：

圖2 動作示意圖

（三）數顯壓力控制器

本設備在下模氣液增壓缸液壓回路內裝有一個壓力變送器，對壓鉚壓力大小實時監控，該壓力變送器是一種能感受壓力，并將壓力信號轉換成可傳遞到統一輸出信號的儀表，而且其輸出信號變送與壓力信號之間有一定的連續線性函數關系。壓力變送器主要由測壓元件傳感器，測量電路，和過程連接件等組成，它能將接收到的壓力信號轉變成標準的電流

〔4～20mA〕或電壓〔0～10V〕信號，以供控制器進行測量、指示和過程調節。

（四）電氣控制原理

圖3電氣原理圖一

圖4電氣原理圖二

三、性能特點

（一）高效節能，綠色環保

壓鉚基本原理是運用氣動回路控制氣缸動作，實現空行程快進和加緊工件過程，只是在短行程幾乎瞬間實現(大力士)液壓增壓鉚接功能，一次工作循環壓縮空氣消耗量（全行程計算）僅0.024立方米，和全液壓或全氣動實現鉚接設備相比，節能達到90%，并且對潔凈環境，避免泄露油污染有所改進。

（二）軟到位壓緊

在空行程中，上下模具伺服缸由壓縮空氣驅動，動作快，施力小，達到工件表面幾乎是“軟著陸”直到壓緊。

（三）氣液增壓模具壓鉚

圖5氣液增壓缸示意圖

（四）控制準確 定位精確

運用PLC技術，選用敏捷準確的檢測元件，周密細致的軟件控制，達到控制準確定位精確

（五）床身獨特機構

床身經過精確地受力分析，消除了機構余力；運用振動時效的方法，徹底消除了焊接應力，使床身的變形量接近于零。

四、PLC實現壓鉚過程的運動控制

（一）PLC程序

按照工作過程，結合氣液增壓缸的動作圖表，選擇規定的工作方式，使有關電磁閥在PLC程序設定的順序或條件下，完成點動、半自動和自動循環工藝流程。

（二）實現動作的典型程序段

壓鉚機程序：

（三）基本功能

1．上模具快速下移且行程范圍內任意位置可停止。

2．下模具快速上移且行程范圍內任意位置可停止。

3．鉚接過程上模具定位。

4．鉚接后，上、下模具同時自動退向原位，任意位置可停止。

5．鉚接后，鉚接行程退回原位置。

五、結論

大喉深或超大喉深大行程壓鉚機經過設計、制造、安裝、調試并投入運行，通過了飛機制造企業的驗收，達到了預期的設計效果。實際使用表明，該系統性能穩定，操作維護簡單方便，智能化控制精確，對提高生產效率和產品質量具有重要意義。

參考文獻

[1]王阿根．電氣可編程控制原理與應用[M]．2007.

[2]張舫．談氣液增壓缸的應用[J]．中小企業管理與科技，2009，（8）.

[3]楊瑩，邵英，等．可編程控制器案例教程[M]．清華大學出版社，2005.

作者簡介：李春義（1964-），男，陜西省機械研究院機電技術研發中心主任，高級工程師，研究方向：機電產品非標準設備的設計研發。

（責任編輯：趙秀娟）