油壓機(jī)自動壓制產(chǎn)線上的節(jié)拍控制設(shè)計(jì)

江寧

（鄂州職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北鄂州436099 ）

油壓機(jī)以專用液壓油為工作介質(zhì)，通過液壓泵作為動力源，靠泵的作用力使液壓油通過液壓管路進(jìn)入油缸/活塞，作為動力源，對于三梁四柱壓力機(jī)則是驅(qū)動活動橫梁的升降運(yùn)動，以活動橫梁下方和工作臺上安裝的模具完成產(chǎn)品的加工，具有結(jié)構(gòu)簡單，用途廣泛，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，是一種通用型壓力機(jī)，非常適合做數(shù)字化全自動控制[1]。

1 工藝要求與設(shè)備

海綿鈦顆粒壓制加工是以壓力機(jī)為主體，自動壓制加工過程中，主要工藝是通過壓力機(jī)將顆粒狀物料壓制成密度≥3.1g/cm3，尺寸Φ100×60mm的餅狀柱體，單件制品高度尺寸偏差≤±5%，重量偏差＜2%，系統(tǒng)產(chǎn)能具備500kg/h 以上，最大壓力25MPa，具備一次性同時(shí)壓制2 塊制品的能力。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可計(jì)算出每20.8s需完成一次壓制循環(huán)，即壓力機(jī)采用全自動流水線生產(chǎn)的一個(gè)循環(huán)工作節(jié)拍時(shí)間不能高于20.8s。

生產(chǎn)線壓制工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1 所示，顆粒物料裝填準(zhǔn)備：原料原料斗1 下方的電動三通閥2 分流，一部分通過拖料車3 運(yùn)轉(zhuǎn)，一部分通過送料小車4 沿軌道5 轉(zhuǎn)運(yùn)至稱重料斗6，稱重裝置7 根據(jù)設(shè)置的重量自動稱重，稱重完成的物料通過稱重閥門8 裝入接料料斗9，由推料缸10 推動接料料斗右移，與接料料斗相連的推料桿12 將成品推出到成品料斗15 中，同時(shí)接料料斗到達(dá)壓力機(jī)17 中下模13 位置，氣動閥11開啟閥門，將物流裝入下模13。

圖1 壓制產(chǎn)線工藝設(shè)備示意圖

物料壓制流程：系統(tǒng)檢測下模13 有物料裝入且其他設(shè)備各自復(fù)位后，主缸18 空程快降，接近一定位置后轉(zhuǎn)慢降加壓，通過位移定位或壓力定壓方式，由工藝預(yù)先設(shè)定[2]，主缸到達(dá)設(shè)定值后顆粒通過上模16 和下模13 的模壓達(dá)到壓實(shí)壓制工藝要求，主缸18 快速回程，同時(shí)下頂缸14 頂出，壓制成形的餅狀成品略高于下模13 上平面，再次等待顆粒物料裝填，在裝填過程中推料桿12 同時(shí)將餅狀成品推出壓力機(jī)，落入成品料斗15。

2 控制流程設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)工藝流程非常清晰，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已盡量考慮到了節(jié)拍的要求。

根據(jù)工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能，需要對整個(gè)工藝流程重新進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留一定空間，便于調(diào)試時(shí)對意外情況的處理。壓力機(jī)設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 壓力機(jī)設(shè)備參數(shù)

工藝流程除滿足全自動一鍵啟動后，系統(tǒng)自動進(jìn)入連續(xù)工作模式，不需人工干預(yù)外，重點(diǎn)還需考慮節(jié)拍問題，按照一個(gè)節(jié)拍周期時(shí)間20.8s 進(jìn)行劃分設(shè)計(jì)，壓力機(jī)壓制主缸升降位置中，工進(jìn)距離根據(jù)松散物料高度到壓制成品高度可初步定為80mm，按工進(jìn)40mm/s 速度需時(shí)2s，快下距離定位300mm 方便進(jìn)料，按快下200mm/s 速度需時(shí)1.5s，回程距離則是380mm，按回程200mm/s 速度并增加泄壓時(shí)間0.5s共需時(shí)2.4s。其他頂缸升降，推料進(jìn)退，氣閥開閉等按設(shè)備實(shí)際結(jié)構(gòu)劃分時(shí)間根據(jù)設(shè)備參數(shù)計(jì)算，具體工藝流程時(shí)間見表2。

表2 工藝流程時(shí)間分配

上表中一個(gè)節(jié)拍合計(jì)需要19.1s，比理論節(jié)拍時(shí)間20.8s 低1.7s，考慮到各執(zhí)行件執(zhí)行的滯后性，本方案能滿足基本要求。在上述時(shí)間分配中，沒有考慮前料倉中的原料顆粒經(jīng)送料車輸送到稱重料斗，以及稱重后的物流裝入料盤的時(shí)間。實(shí)際上稱重料斗一次裝料可以滿足多次稱重需求。只需將稱重料斗中的料位檢測開關(guān)安裝在較高位置，就可以將該環(huán)節(jié)獨(dú)立于壓制流程之外，只需在控制系統(tǒng)中做好聯(lián)動互鎖即可；稱重裝置單次稱重可以做到只要接料盤中沒有物料，就可隨時(shí)向稱重裝置發(fā)訊，使其始終處于獨(dú)立稱重循環(huán)，與壓制流程之間只需一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號就可滿足要求。這種方案可最大限度降低節(jié)拍時(shí)間，提升產(chǎn)能，且壓力機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行空間充足，不會發(fā)生機(jī)械結(jié)構(gòu)的干涉碰撞，確保安全運(yùn)行。

自動化產(chǎn)線功能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)初始化復(fù)位功能，見圖2；根據(jù)表2 時(shí)間分配，將海綿鈦壓制工藝拆分為三個(gè)部分，分別為稱重料倉備料工藝，見圖3；接料盤備料工藝，見圖4；壓機(jī)自動壓制工藝，見圖5。

圖2 系統(tǒng)復(fù)位控制

圖3 稱重料倉備料工藝流程

圖4 接料盤備料工藝流程

圖5 壓機(jī)自動壓制流程

設(shè)備在維護(hù)或維修或停產(chǎn)重啟后，各部件需要回歸到初始狀態(tài)位置，系統(tǒng)設(shè)置復(fù)位控制流程，讓設(shè)備在初始位置待命，通過復(fù)位啟動功能完成。

料倉備料工藝流程獨(dú)立處理的前提是料倉在低料位信號發(fā)出后不影響稱重系統(tǒng)稱重，即在下一次小車輸送物料到達(dá)料倉前，料倉中剩余物料足夠支撐壓力機(jī)持續(xù)不中斷壓制工作流程。該流程按照設(shè)計(jì)一個(gè)周期不超過30s。

接料盤備料工藝流程獨(dú)立的前提是稱重系統(tǒng)一次稱重周期不超過18s，按照設(shè)計(jì)，稱重系統(tǒng)通過振動篩進(jìn)行重量控制，稱重完成的物料在料盒中存放，待推料缸在后限且接料盤中沒有物料時(shí)，稱重系統(tǒng)后收到放料信號，料盒閥門自動開啟放料，放料完成即關(guān)閉閥門，又重新下一次的稱重工作，每次稱重完成后都會向料盤備料工藝發(fā)出完成信號。稱重系統(tǒng)可以根據(jù)稱重參數(shù)設(shè)置，提供不同的周期，滿足整個(gè)系統(tǒng)的工藝質(zhì)量和工藝節(jié)拍要求，具有很好的靈活性。

壓力機(jī)自動壓制工藝流程是整個(gè)系統(tǒng)中最繁忙和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，時(shí)間控制的精度直接決定產(chǎn)能的大小。其中推料缸進(jìn)退共需8s，占用的時(shí)間最長，其次是壓力機(jī)升降所需的時(shí)間為5.9s。壓力機(jī)壓制的流程分兩種循環(huán)，一種是初始復(fù)位后的流程，此時(shí)需要推料缸前進(jìn)先行向壓力機(jī)內(nèi)的模具中裝填物料，待推料缸退回后限后，壓力機(jī)進(jìn)行第二重壓制循環(huán)，該循環(huán)周期是產(chǎn)能所需要控制的節(jié)拍，由表2可知，理論節(jié)拍為19.1s，根據(jù)該產(chǎn)能，所有成品按照標(biāo)準(zhǔn)值可計(jì)算得出小時(shí)產(chǎn)能為550kg。

3 工藝應(yīng)用

PLC 作為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的核心，功能強(qiáng)大，指令豐富，有專用的順序控制指令，本系統(tǒng)采用西門子小型系列S7-200PLC 可滿足要求[3]，不使用其自帶的順序控制指令，以一個(gè)寄存器字地址存放工藝流程當(dāng)前步數(shù)，工藝流程圖對應(yīng)的每一個(gè)方框代表一步，從上往下依次遞增，開始為0，這種設(shè)計(jì)，程序更簡潔，可讀性更好，且更容易擴(kuò)展和修改，縮短調(diào)試時(shí)間[4]。全部控制程序結(jié)構(gòu)見圖6，其中壓機(jī)壓制部分功能見圖7。

圖6 程序結(jié)構(gòu)

圖7 壓機(jī)壓制部分工藝程序

三個(gè)工藝流程在一個(gè)PLC系統(tǒng)內(nèi)分工合作，各自設(shè)置一個(gè)寄存器字作為流程步記錄并顯示。壓機(jī)自動壓制流程聯(lián)系工作，為關(guān)鍵流程，稱重料倉備料流程和接料流程間歇工作，通過PLC狀態(tài)位信息交互保證關(guān)鍵流程的連續(xù)性，壓力機(jī)不會出現(xiàn)空壓情況。同時(shí)在上位機(jī)對相關(guān)工藝參數(shù)可以設(shè)置，便于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工藝與最低節(jié)拍時(shí)間。

調(diào)試中可以對主缸升降距離進(jìn)行壓縮，加大推料缸的速度，將花費(fèi)時(shí)間最長的環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，可以降低節(jié)拍，提高產(chǎn)能。

4 結(jié)論

根據(jù)海綿鈦?zhàn)詣訅褐乒に囈螅诜治鱿到y(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工藝關(guān)系的基礎(chǔ)上，將壓制產(chǎn)線工藝拆分為三個(gè)獨(dú)立工藝，根據(jù)工藝流程圖自定義順序控制字，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝節(jié)拍時(shí)間保證，在此基礎(chǔ)上的自動化控制調(diào)試靈活，可讀性好，適用性強(qiáng)，為后期產(chǎn)能升級提供了方便。