基于PLC的夾緊力在線調控系統*

崔宇清，姜兆亮，儀 維

(山東大學高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南250061)

0 引 言

在金屬切削過程中，機床夾具用于保證工件相對于刀具的正確位姿，夾緊力過大會引起工件的加工變形，而過小則會導致加工狀態不穩定。因此，適宜的夾緊力有利于提高工件的切削質量。使用有限元分析方法［1］或高精度的激光測量技術［2］，可以得到不同裝夾方案下的工件變形。雖然利用多目標優化技術可以對夾緊力進行設計［3］，并能在一定程度上進行預測［4］，但是定位機構、夾緊元件還會引起工件的裝夾誤差［5-6］。因此，通過利用數控機床的工件夾緊力檢測系統［7］，能夠對工件夾緊力進行實時監測。

工件在切削過程中的瞬時受力狀態會不斷變化［8］，通過實時調整夾緊力可以有效減少工件變形。M.A.Mannan［9］采用伺服電機作為動力源調控夾緊力，它體積較大而提供的夾緊力較小。陳光明［10］采用高速開關閥控制夾緊力大小的方法精度不高，缺少上位計算機的組態軟件控制。在夾具系統中，采用液壓動力源比電機動力源體積緊湊且傳動平穩，其中電液比例減壓閥比伺服減壓閥成本低、抗污能力強，比高速開關閥控制精度高，比比例溢流閥［11］更容易添加支路且各支路互不影響。

因此，為了獲得精確而且實時可調的機床夾緊力，本研究采用PLC技術設計夾緊力在線調控系統。在HFAC系統中，通過控制電液比例減壓閥的出口壓力，實現切削過程中的夾緊力大小動態調節，為實現工件的切削加工變形閉環控制奠定基礎。

1 HFAC系統總體設計

HFAC系統主要包括夾緊結構、液壓系統和控制系統3部分(系統結構圖如圖1所示)。夾緊機構以傳統壓緊方式為基礎，和液壓缸集成為一體;液壓系統采用閉環控制方式，由液壓泵、液壓缸、電磁換向閥、電液比例減壓閥等部分組成;控制系統采用計算機作上位機，西門子S7-224XPCN PLC作控制器，利用夾緊機構末端的壓力傳感器獲得壓力值，并用WinCC組態軟件對夾緊力大小進行實時監控。

圖1 系統結構圖

HFAC系統工作流程如圖2所示。被加工工件在夾具中定位夾緊后，初始化夾緊力后采用隨時間變化的控制方式。切削開始后，夾緊機構末端的壓力傳感器動態檢測工件的夾緊力大小并通過組態軟件實時顯示。當在時刻t夾緊力值需要調整時，系統將壓力傳感器信號放大后經輸入模塊傳入PLC，再經PLC中的PID算法進行運算，輸出模擬量電壓或PWM信號傳入放大器，使輸出量以脈沖的方式輸出，傳給電液比例減壓閥并調節液壓缸內部壓力，通過液壓缸與液壓回路控制夾緊機構動作，以實現夾緊力的在線動態調控。

圖2 系統工作流程圖

2 液壓系統設計

2.1 液壓缸—負載的系統固有頻率

HFAC的系統壓力，即液壓泵站的調定壓力，應滿足執行元件克服最大負載和實現最大加速度的需要。由于夾具夾緊運動無外負載和較大質量執行元件，系統壓力定為 6 MPa，并選用內徑為32 mm，行程為50 mm的液壓缸。當不考慮液壓缸—負載系統與基座連接剛度時，其固有頻率為［12］:

式中:f0—液壓缸—負載質量系統的固有頻率，Hz;k—油液壓縮性形成的彈簧(稱為液壓彈簧)剛度，N/m;m—液壓缸驅動的質量，kg。

液壓彈簧剛度主要由“受壓縮”的油液體積決定，液壓缸的單側液壓彈簧剛度為:

式中:E—液壓油的彈性模量，值為(1～1.4)×109Pa;V—液壓缸的單側容積，m3。

所以，該系統的最低固有頻率為:

式中:α =AR/AK=0.75，AK—無桿腔面積，AR—環形面積。

該系統的最低固有角速度為:

實踐表明，f0＜4 Hz適用于對動態特性基本沒有要求的靜態電液比例控制系統;f0=4 Hz～15 Hz是電液比例控制系統固有頻率的優選范圍，該頻率適合于多數設備的固有頻率，可使電液比例控制系統獲得良好的性價比;f0≥30 Hz適用于對動態性能有高要求的設備。因此，所設計的液壓缸—負載系統的頻率滿足動態性能的控制要求。

2.2 電液比例減壓閥

通徑和油液要求是比例閥選用的兩個關鍵因素，額定流量過大會降低執行器的控制精度。本研究選用德國的ARGOHYTOS電液比例減壓閥，根據壓力－電流曲線(如圖3所示)選擇PVRM1-063/S三通直動式減壓閥，其安裝方式為螺紋插裝式，控制信號為100 Hz，最大進口壓力為5 MPa，最大流量為20 L/min。本研究利用它配置的數字式比例放大器(型號RT-PVDA-0X-D1)放大PLC發出的脈沖信號并傳入比例減壓閥，將PLC輸出的0～10 V的模擬量信號轉化為相應占空比的PWM信號。

圖3 壓力P與控制信號I特性曲線

3 控制系統設計

HFAC系統控制原理如圖4所示，主要包括壓力傳感器、液壓系統和PLC編程控制3部分。

圖4 控制系統原理圖

3.1 傳感器與輸入模塊

紐扣式壓力傳感器(NJHS-10)量程為1 000 N，需10 V外部供電，輸出信號為0～20 mV，傳感器信號放大器將傳感器輸出信號進行精密放大，將毫伏信號轉換成標準電壓信號輸出0～5 V或0～10 V后，直接與PLC輸入模塊連接。EM231-2HAI模擬量輸入模塊具有高速采集功能，16位精度，帶1路緊密橋壓輸出(10 V)，能夠有效完成數據采樣、濾波、存取、分析等功能。

3.2 控制信號類型

電液比例控制系統的控制信號包括模擬式和數字式兩種類型。其中，模擬式的脈沖寬度調制(PWM)控制功率輸出級為開關型結構，便于實現程序控制［13］。本研究利用西門子PLC S7-224XPCN實現對液壓系統中各種電磁閥的控制。該繼電器型PLC具有模擬量電壓輸出功能和PID調節功能。

3.3 控制系統開環增益

閉環控制系統的開環增益及組成為:

式中:Kc—閉環控制系統的開環增益;Kp—PID調節器的增益;Ka—比例放大器的增益，A/V;Kv—比例減壓閥的增益，MPa/A;Kh—執行元件的增益，N/MPa;Km—壓力傳感器的增益，V/N。

Kc的計算值由系統的穩定性、動態性能和控制精度校核的結果確定，其實際值由調試結果確定。初步設計時，可根據穩定性要求，按勞斯穩定判據確定的公式求得Kcmax，即:

在工程實踐中，ξ的取值為0.05～0.2。一般來說，系統結構確定后，Ka、Kv、Kh、Km的值不易再變，而回路的總增益又影響到系統的穩定性和控制精度等性能指標，因此該系統通過PLC編程調節PID控制程序的比例增益Kp來完成Kc的調節。

3.4 PLC 編程

PLC 編程［14］采用 STEP7-MicroWIN V4.0 系統的軟件編程向導，依次設置PID回路編號、PID回路給定值的范圍，比例增益(Kp)、采樣時間(TS)、積分時間(TI)、微分時間(TD)。

根據本傳感器的量程范圍，選擇單極性，不帶有20%偏移量。當回路輸出量的類型為模擬量時，設置輸出量的極性和范圍;為PWM脈沖輸出時，設置占空比周期為 0.01 s。

完成向導中的設置工作后，自動生成初始化子程序PIDx_INIT、中斷程序PID_EXE等。在程序中用SM0.0調用PIDx_INIT，并寫入模擬量輸入地址、給定值百分比和輸出值地址。CPU便會根據已設置的PID采樣時間，周期性地調用中斷程序PID_EXE，在PID_EXE中執行PID運算。

PID控制器需要整定比例增益、積分時間、微分時間、采樣周期4個參數，編程軟件內置有“PID調節控制面板”工具，用于PID參數的調試，可以同時顯示給定量SP、反饋量PV和調節器輸出MV的波形。其中，利用PID調節控制面板實現PID參數自動調節功能。

3.5 WinCC組態監控

HFAC選用西門子公司開發的WinCC組態軟件［15］。在WinCC中建立過程歸檔變量 presure對應PLC測得的壓力值并以500 ms采樣周期和存儲周期歸檔［16］;建立setpresure變量對應 PLC s7-200中的設定壓力的寄存器VD206。本研究選用WinCC Online Trend Control控件，動態顯示夾緊力隨時間變化的曲線(如圖5所示)。在規定的“變化時長”時間范圍內，夾緊力在初始壓力基礎上，每歷時一個“時間間隔”，機床夾緊力就會增加或減少一個“壓力變化”值。該系統可支持兩種不同的變化規律，分別從“時段1”、“時段2”進行設置。

圖5 可控夾緊力夾具系統組態軟件監控圖

4 實 驗

為驗證HFAC系統的夾緊力控制精度，本研究進行了測試實驗。實驗條件如下:油溫度25°，32號耐磨液壓油，5 μ高壓濾油器，溢流閥調定壓力為6 MPa，電液比例減壓閥流量為5 L/min，選用224XPCN繼電器型PLC。設定系統目標壓力從300 N增加到500 N，時間間隔為10 s，壓力變化值為50 N。實驗結果表明，夾緊機構末端的實際壓力精度在3%以內。

5 結束語

HFAC系統選用液壓作為動力源、電液比例減壓閥作為調壓元件、PLC作為控制器，設計了夾緊力實時可調的液壓夾具系統。通過實驗可知，該系統能夠在切削過程中動態調整機床夾緊力，其控制精度為3%。該系統結構簡便、成本較低、工作穩定可靠，能夠滿足金屬切削過程中的夾緊力動態可調需求，有利于獲得易變形工件的最優裝夾方案，以減小工件變形。在切削過程中影響機床夾緊力調控精度的因素較多，因此下一步工作是在PLC編程中增加誤差補償技術，以進一步提高控制精度。

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