羅湛，陳亞

(1.大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連116024;2.貴州民族大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550000;3.北京富地紅華動力技術(shù)有限責(zé)任公司貴陽分公司，貴州貴陽550000)

隨著國內(nèi)人力成本的不斷上升，企業(yè)的利潤越來越低。為降低人工支出，就必須裁員或是遷往人力成本相對比較低的地區(qū)。搬遷對于很多企業(yè)來說，需要準(zhǔn)備巨大的搬遷費用，實際操作比較困難。因而對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備進行自動化改造，精簡員工人數(shù)，提高生產(chǎn)率是企業(yè)發(fā)展的必由之路。

1 工藝改進方案

某廠生產(chǎn)的法蘭狀零件材料選用45 鋼，毛坯的外圓、端面已經(jīng)完成半精加工，要求在圓周上加工4個均布的螺栓孔，并在上表面锪出沉頭孔。原來少量生產(chǎn)時，將工藝分為鉆孔和锪孔兩道工序完成，鉆孔和锪孔都使用簡易分度夾具，加工完一個孔后，手動旋轉(zhuǎn)分度盤進行分度，再加工下一個孔，定位夾緊都是人工完成，生產(chǎn)效率不高。隨著市場的變化，對該產(chǎn)品的需求量猛增，急需對工藝進行改進以提高產(chǎn)量。在對產(chǎn)品外形特點、加工要求、工廠設(shè)備狀況、財力狀況進行反復(fù)論證后，提出了PLC 和液壓相結(jié)合的孔加工系統(tǒng)設(shè)計方案，工藝設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 加工流程示意圖

控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC，定位、夾緊、卸料采用液壓缸驅(qū)動。刀具改用具有鉆、锪孔功能的復(fù)合刀具，即刀具的前端是鉆頭，后半段是锪鉆，刀具進給一次時，依次完成鉆孔和锪孔。對現(xiàn)有的鉆床進行改造，拆除主軸箱，安裝外協(xié)定制的復(fù)合主軸箱，并將進給機構(gòu)改為液壓驅(qū)動，新主軸箱上裝有4把刀具，一次進給可完成4 個孔的加工。工件定位采用平面和短V 塊進行定位，限制工件5 個自由度，使用短V 塊從另一端夾緊。工作時傳送裝置將工件從左側(cè)送入縱向槽，工件到達指定位置后，由磁性傳感器發(fā)出工件就位信號，夾緊V 塊快速將工件向定位V 塊開口處推動。由于V 塊具有自動定心功能，在運動過程中，自動將工件的圓心調(diào)整到夾緊V 塊的中心線上，保證工件不會與槽壁摩擦、擠壓造成卡料現(xiàn)象，在工件接近定位V 塊時減速調(diào)整，使工件正確定位。工件在夾緊過程中檢測夾緊缸的壓力，通過調(diào)整壓力開關(guān)，控制工件的夾緊力。工件加工完后，夾緊V 塊后退，頂出桿將工件頂出，再由推料桿將工件送入右端的料斗，同時啟動高壓氣源吹除切屑，為下一循環(huán)作準(zhǔn)備。改造的目標(biāo)是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高度自動化，提高生產(chǎn)效率。

2 數(shù)字閥設(shè)計思路

系統(tǒng)進給機構(gòu)采用液壓數(shù)字閥驅(qū)動。當(dāng)前市場上的數(shù)字閥價格較高，進口產(chǎn)品更昂貴，為此，選用價格較低的二位二通閥構(gòu)建數(shù)字閥，通過控制5 個二位二通閥的動作實現(xiàn)快速運動和工進。如圖2所示，閥5 是快速旁路，快進或快退時導(dǎo)通，此時壓力油主要通過閥5 快速進入油缸;截止時，進入油缸的壓力油受閥1、2、3、4 控制，以實現(xiàn)數(shù)字閥的功能。閥1、2、3、4 的開口面積嚴(yán)格按照1∶2∶4∶8 的比例選取，由于所有閥是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，各閥兩端的壓差相等，當(dāng)閥1、2、3、4 導(dǎo)通時，流量的比例關(guān)系是1∶2∶4∶8，若閥1 的流量是q，則閥2、3、4 的流量分別是2q、4q、8q，其對應(yīng)關(guān)系正好滿足二-十進制數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)系。通過控制閥1、2、3、4 的通斷，精確調(diào)整進入液壓缸的油量進而實現(xiàn)對活塞桿速度的控制。設(shè)閥1、2、3、4 的導(dǎo)通表示“1”，斷開表示“0”。閥1 導(dǎo)通時，二進制數(shù)為“0001”，十進制為“1”，進入缸體的流量為q，速度為v;閥1、3 導(dǎo)通時，二進制數(shù)為“0101”，十進制為“5”，進入缸體的流量為5q，速度為5v。當(dāng)然，實現(xiàn)上述調(diào)速必須保證調(diào)速閥的流量大于閥1、2、3、4 的輸入需求。綜上所述，當(dāng)調(diào)速閥6 的流量穩(wěn)定，就可以細(xì)分出16 種流量，液壓缸將獲得16 種進給速度。若是對調(diào)速閥進行標(biāo)定，改變調(diào)速閥的流量，缸體將有無限多種進給速度，在工進中可以隨時精確改變進給速度，實現(xiàn)多種速度的工進，特別適合復(fù)合刀具的進給驅(qū)動。這種驅(qū)動方式與傳統(tǒng)的機械傳動進給控制相比，工藝適應(yīng)范圍更廣。

圖2 二位二通閥組成的數(shù)字閥原理圖

3 液壓設(shè)計原理圖

系統(tǒng)的液壓原理如圖3所示，傳送裝置將待加工工件輸送到極限位置后，輸送磁性開關(guān)觸發(fā)，傳送裝置停止，并給三位四通閥10 和二位二通閥11 發(fā)出控制信號，電磁鐵6YA 和7YA 通電，閥10 的P 口和A口導(dǎo)通，閥11 右位，夾緊缸14 的活塞桿伸出，將工件快速推向定位V 塊。在工件離定位V 塊約10 mm時缸14 的活塞桿觸發(fā)減速限位開關(guān)，7YA 斷電，閥11 復(fù)位，壓力油只經(jīng)過調(diào)速閥12 進入缸14 左腔，通過調(diào)整調(diào)速閥12，可以控制工件接近定位V 塊的速度。工件和定位V 塊充分接觸后，隨著夾緊力的增大，缸14 左腔壓力逐漸升高，夾緊力達到設(shè)定值時，壓力開關(guān)13 觸發(fā)，使電磁鐵YA6 斷電，閥10回到中位，工件定位和夾緊流程結(jié)束。與此同時，二位二通閥19、三位四通閥20 也收到壓力開關(guān)13 動作的信號，電磁鐵12YA、14YA 通電，壓力油主要經(jīng)調(diào)速閥4、閥19、閥20 進入進給缸21 的上腔，刀具快速向工件表面運動。刀具組件在距離工件表面5 mm時，觸發(fā)快進光電限位開關(guān)，12YA 立即斷電，壓力油只能經(jīng)過二位二通閥15、16、17、18 組成的數(shù)字閥進入進給缸21，實現(xiàn)精確工進。由于工件的待加工表面是兩個直徑不同的階梯孔，在鉆孔結(jié)束后，會觸發(fā)鉆孔行程光電限位開關(guān)，閥15、16、17、18 將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動作運動，降低進給速度，再進入锪孔加工。刀具在向下進給遇到下極限位置光電開關(guān)后，電磁鐵14YA 斷電，12YA、13YA 通電，閥19 導(dǎo)通，閥20 換到左位，壓力油主要經(jīng)閥4、19、20 進入缸21 下腔，活塞桿縮回，實現(xiàn)刀具快退。刀具快退到上行程極限后，撞擊進給上極限行程開關(guān)，12YA、13YA 斷電，5YA、7YA 得電，刀具進給停止，夾緊缸14 活塞桿縮回。夾緊V 塊縮回到極限位置時，5YA、7YA 斷電，2YA 通電，頂出缸6 的活塞桿將工件從定位V 塊頂出。缸6 的活塞桿運動受兩個行程開關(guān)控制，頂出缸活塞桿頂出到位后，2YA斷電，1YA 通電，閥5 換向，頂出桿快速縮回。當(dāng)缸6 的活塞桿退回到起始位置后，撞擊后行程開關(guān)，給換向閥5、8 發(fā)出控制信號，閥5 的1YA 斷電，閥5回到中位，閥8 的電磁鐵4YA 得電，推出缸9 的活塞桿將工件推入接料斗。推出桿撞到伸出極限行程開關(guān)后，4YA 斷電，3YA 通電，推出桿快速縮回，在撞上縮回行程開關(guān)后，向閥8、排屑?xì)庠撮_關(guān)、傳送裝置發(fā)控制信號，使3YA 斷電，換向閥8 中位，一次完整的加工流程結(jié)束，傳送裝置收到信號后，啟動下一工作循環(huán)。

圖3 系統(tǒng)液壓原理圖

4 PLC 控制設(shè)計

西門子PLC 產(chǎn)品線豐富，硬件可靠性高，軟件配套完善，市場占有率高，控制系統(tǒng)選擇其產(chǎn)品有利于確保整個加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于后期升級及維護。根據(jù)現(xiàn)有控制點數(shù)需求情況以及未來系統(tǒng)升級需要，最終選擇西門子S7-300 PLC。由于進給調(diào)速系統(tǒng)采用的是數(shù)字量控制，整個系統(tǒng)的信號檢測部分也都是開關(guān)量，所以控制系統(tǒng)程序設(shè)計相對容易。各控制量符號表如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)符號表

為使系統(tǒng)控制程序便于修改和維護，將數(shù)字閥部分的控制寫成16 個功能塊，每一個速度對應(yīng)一個功能塊。例如要實現(xiàn)“速度7”，對應(yīng)的二進制數(shù)為“0111”，PLC 的輸出端口就要使圖3 中的閥15、16、17 通電，閥18、19 斷電。功能塊的程序如下:

除控制數(shù)字閥的子塊外，另外編寫兩個塊用于設(shè)置鉆孔和锪孔速度，系統(tǒng)鉆孔和锪孔速度的初始值放在數(shù)據(jù)塊中，需要修改時通過觸摸屏進行設(shè)置，同時將加工的進程數(shù)據(jù)映射到觸摸屏上進行顯示。主程序部分是按照加工工藝流程依次編寫，整個系統(tǒng)完整的主程序如下所示:

5 結(jié)論

根據(jù)實際使用情況來看，也出現(xiàn)了一些問題，例如切屑清除不徹底造成定位誤差，夾緊不穩(wěn)定;盡管有鉆套引導(dǎo)，工件偏斜、刀具磨損不一致等現(xiàn)象使孔鉆偏，甚至出現(xiàn)刀具折斷現(xiàn)象;由于采用多把刀具同時進給，解決了速度問題，但是工藝適應(yīng)性差，若是加工其他更多規(guī)格的產(chǎn)品，則必須設(shè)計分度裝置，一次鉆一個孔，生產(chǎn)效率必然降低?？傊?，經(jīng)過運行初期反復(fù)調(diào)整后，系統(tǒng)運行正常，生產(chǎn)效率提高很多，基本達到預(yù)期要求。

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