張忠科，鄭江輝，趙早龍，趙長(zhǎng)忠，王世卓

（1.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2.金川鎳都實(shí)業(yè)有限公司，金昌 737100）

0 引言

磷銅球是電鍍用基本原材料。其主要用于印刷PCB電路板、汽車零件、五金等電鍍行業(yè)。銅球的生產(chǎn)方式通常為鍛造和鑄造。鑄造鋼球通常造成球形表面質(zhì)量差，粗糙，內(nèi)部晶粒粗大，影響材料的強(qiáng)度和硬度，相比于鑄造，鍛造球形表面質(zhì)量好，具有一定的機(jī)械性能，韌性強(qiáng)，沖擊性能好，通過鍛造能改善球內(nèi)部的微觀組織。目前企業(yè)內(nèi)所采用的生產(chǎn)方法為鐓壓成形法。隨著自動(dòng)化水平的提高，國(guó)內(nèi)外企業(yè)大力提高自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備水平。通過不斷對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，使其自動(dòng)化水平逐漸提高，功能趨于完善。生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，控制及應(yīng)用在生產(chǎn)過程中非常重要，PLC以其可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)，性價(jià)比高，能耗低等特點(diǎn)，作為自動(dòng)化領(lǐng)域常見的控制器已廣泛應(yīng)用于工廠生產(chǎn)[1～4]。

本課題主要設(shè)計(jì)一種適用于磷銅球生產(chǎn)的微晶磷銅球液壓成型機(jī)，其主要由主機(jī)、導(dǎo)向裝置、矯直裝置、定尺送進(jìn)裝置、夾緊裝置、剪切裝置、鐓壓裝置、頂球裝置、收集裝置等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)包括電氣控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)，監(jiān)控觸摸屏和電機(jī)的啟動(dòng)裝置。系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，主站CPU通過擴(kuò)展以太網(wǎng)模塊連接監(jiān)控觸摸屏，通過設(shè)定觸摸屏界面，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)，半自動(dòng)和全自動(dòng)的生產(chǎn)方式，同時(shí)可以進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整與監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)管理，分析，存儲(chǔ)功能。本文基于S7-200SmartPLC設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，其中定尺送進(jìn)與鐓壓工序?qū)ε吡系闹睆胶烷L(zhǎng)度有很嚴(yán)格的要求，其工藝過程直接影響銅球的加工質(zhì)量和加工效率。因此銅球與銅桿的對(duì)應(yīng)關(guān)系、尺寸精度以及鐓壓力大小是目前設(shè)備上需要解決的關(guān)鍵性問題。

1 機(jī)構(gòu)及工作原理

磷銅球的生產(chǎn)控制過程主要分為導(dǎo)衛(wèi)單元、棒料矯直單元、定尺送進(jìn)單元、剪切棒料單元、鐓壓成型單元和收集單元。在導(dǎo)向，矯直，定尺送進(jìn)模塊均采用輥軸實(shí)現(xiàn)，矯直機(jī)構(gòu)采用上下壓力輥擠壓棒料，使其達(dá)到預(yù)期效果。采用PLC、電磁鐵、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)等機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)從銅桿到銅球的自動(dòng)化工藝。其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)構(gòu)工作原理

微晶磷銅球液壓液壓成型機(jī)根據(jù)所需成型工藝要求主要有以下動(dòng)作：設(shè)定銅球直徑—銅桿導(dǎo)入—銅桿矯直—定尺送進(jìn)—剪切缸動(dòng)作—主缸動(dòng)作—頂球—收集。根據(jù)銅球的直徑設(shè)定出胚料的長(zhǎng)度和直徑，銅桿原材料由導(dǎo)向處進(jìn)入機(jī)構(gòu)，經(jīng)矯直輥擠壓后銅桿水平進(jìn)入定尺送進(jìn)機(jī)構(gòu)，采用間隔送進(jìn)方式，在PLC控制下完成送進(jìn)動(dòng)作，達(dá)到精確的定尺長(zhǎng)度后，此時(shí)胚料處于第一加工口，夾鉗驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)夾鉗夾緊胚料，同時(shí)剪切驅(qū)動(dòng)裝置控制剪刀移動(dòng)至剪切刀口，通過監(jiān)測(cè)到夾緊信號(hào)后，夾鉗驅(qū)動(dòng)與剪切驅(qū)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)夾鉗和剪刀同步移動(dòng)至第二加工口，活動(dòng)模經(jīng)液壓驅(qū)動(dòng)配合固定模將銅桿鍛壓成銅球，在活動(dòng)模退回的過程中，頂球機(jī)構(gòu)將銅球頂出，銅球依靠自身重力落入收集槽。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2為以PLC為核心的控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 SMART可編程控制器、SINAMICS V90伺服驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行電機(jī)選取SIMOTICS S-1FL6高慣性伺服電機(jī)，選用與PLC配套的Smart 700IE觸摸屏，觸摸屏作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的人機(jī)交互設(shè)備，除了必要的操作按鈕外，還實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)（定尺位移，送進(jìn)速度等），用于操作員對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修改和監(jiān)控。上位機(jī)通過內(nèi)部局域網(wǎng)與觸摸屏相連，需設(shè)置同一IP地址即可對(duì)觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。并且可同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)設(shè)備。PLC與設(shè)備之間通過主令操作來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞，通過發(fā)出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，同時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)限位信號(hào)，壓力傳感器，位移傳感器，按鈕開關(guān)等，利用其內(nèi)部指令分析處理，控制電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)程序化運(yùn)行。PLC通過采用OPC服務(wù)器與上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與上位機(jī)的通信，保證監(jiān)測(cè)功能。采用STEP 7-MicroWIN SMART軟件對(duì)PLC編程，Smart 700IE采用WinCC flexible 2008 SP4組態(tài)，用SINAMICS V-ASSISTANT軟件對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)定尺送進(jìn)。SINAMICS V90在兼顧設(shè)備平滑運(yùn)行的同時(shí)還支持最高為1M編碼器Hz的脈沖輸入，保證了定位的精確性[5,6]。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3 球坯的尺寸確定及高精度坯料的實(shí)現(xiàn)

3.1 模型及球坯尺寸計(jì)算

定尺送進(jìn)機(jī)構(gòu)是影響銅球質(zhì)量的關(guān)鍵，如圖所示為銅胚料擠壓過程，由塑性變形理論可知，金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，首先沿阻力最小的方向流動(dòng)，剛開始施加壓力時(shí)MN處的阻力遠(yuǎn)大于環(huán)帶處的阻力，所以金屬流向環(huán)帶周圍，當(dāng)上模和下模之間的距離逐漸縮小時(shí)環(huán)帶處的阻力逐漸增大，該阻力超過塑性變形金屬向兩極流動(dòng)的阻力時(shí)，球坯被充滿[7]。在兩極設(shè)計(jì)有頂球機(jī)構(gòu)，便于鐓球結(jié)束后及時(shí)將磷銅球頂出，防止發(fā)生碰撞，同時(shí)有利于排出模具中的空氣，使胚料充滿整個(gè)模具型腔。

圖中P為M點(diǎn)處鐓球正壓力，P1為鐓粗力，P2為斷面收縮力。已有學(xué)者證明，隨著上模的逐漸運(yùn)動(dòng)，θ逐漸變大，P1鐓粗力越大P2斷面收縮力越小。目前工業(yè)生產(chǎn)主要有球形球坯，錐鼓形球坯和橢球形球坯。由于θ的變化造成P1和P2的變化，由塑性成型原理可知錐鼓性球坯在剛開始更變形時(shí)，θ不變P1不變，因此金屬容易向兩極流動(dòng)，減少了下層金屬的淤積，環(huán)帶較球形球坯較小，橢球的角度變量θ比圓和直線都大，理論上，材料更容易向兩極流動(dòng)，環(huán)帶和兩極會(huì)更小[8,9]。因此，工業(yè)生產(chǎn)中為取得評(píng)價(jià)較高的球坯，選擇加工近似于球形的橢球型球坯。

圖3 橢球型球坯體積計(jì)算示意圖

剪切的銅胚料鐓壓成銅球的過程中，由于體積大小不變，因此可以得到銅胚料的直徑（d）與銅球直徑（D）之間的關(guān)系。

設(shè)銅桿直徑為d，切料后每段長(zhǎng)度為L(zhǎng)則壓縮比λ=L/d，D：銅球的直徑，由于鐓球前后體積不變的原理則V1=1/4πd2L，將球坯分為球臺(tái)（兩極由于體積太小忽略不計(jì)）和環(huán)帶（橢球型球坯環(huán)帶最?。﹥刹糠帧?/p>

環(huán)帶的體積：

環(huán)帶的體積可以看成是圓弧線f（x1）和f（x2）繞X軸旋轉(zhuǎn)一周所得的體積差：

C：環(huán)帶高度（0.2～0.4）；

k：環(huán)帶厚度（0.2～0.4）；

R：球的半徑。

體積為：

V1=V由此可得出銅桿的參數(shù)與球直徑的關(guān)系，壓縮比越大，兩極越大，環(huán)帶越小，反之，壓縮比越小兩極越小，環(huán)帶越大。這里我們?nèi)≈?.48，根據(jù)所需要的銅球直徑計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的銅桿的參數(shù)如表1所示。

表1 銅球與銅桿主要參數(shù)

3.2 定尺機(jī)構(gòu)位置控制

高精度控制是通過上位機(jī)發(fā)送不同的脈沖頻率，并以此作為指令來實(shí)現(xiàn)位置控制。其位置控制的精確量取決于脈沖信號(hào)的多少，一般而言脈沖數(shù)越多越可實(shí)現(xiàn)高精度控制。所以在定長(zhǎng)系統(tǒng)，精加工方面多數(shù)采用的位置控制。

選用V90 控制模式設(shè)定為外部脈沖位置控制模式（PTI），在PTI方式下，使用SINAMICS VASSISTANTPTI軟件下V90參數(shù)設(shè)置。

在外部脈沖位置模式控制下，V90接收S7-200 SMART PLC發(fā)出的位置指令（脈沖和方向），經(jīng)位置控制器處理后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶有編碼器，編碼器與PLC輸入口相連，編碼器將反饋脈沖做四倍頻處理，將反饋回的速度信息輸入速度控制回路，進(jìn)行比較輸出差分信號(hào)構(gòu)成速度閉環(huán)，同時(shí)編碼器每轉(zhuǎn)都會(huì)提供指定數(shù)量的脈沖作為PLC高速計(jì)數(shù)器的輸入，通過高速計(jì)數(shù)器的數(shù)值就能計(jì)算出定尺長(zhǎng)度，在計(jì)數(shù)值少于預(yù)設(shè)值時(shí)輸出持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)計(jì)數(shù)值等于預(yù)設(shè)值時(shí)產(chǎn)生中斷，形成位置閉環(huán)。當(dāng)長(zhǎng)度確定時(shí)PLC輸出信號(hào)給繼電器線圈，驅(qū)動(dòng)夾緊缸和剪切缸電磁閥，將給定長(zhǎng)度的磷銅桿剪切之后從第一加工口送往第二加工口，執(zhí)行鐓球動(dòng)作。

3.3 設(shè)置電子齒輪比

PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器輸出指令脈沖控制電機(jī)運(yùn)行距離和方向，伺服電機(jī)帶動(dòng)工件移動(dòng)的距離與增量式編碼器周反饋脈沖的比值決定位置反饋脈沖當(dāng)量。電子齒輪比是用來建立指令脈沖當(dāng)量與反饋脈沖當(dāng)量的關(guān)系，使他們互相匹配，從而設(shè)定一個(gè)脈沖伺服電機(jī)行進(jìn)多少距離。伺服電機(jī)脈沖指令當(dāng)量定為ΔL=0.01mm。即1脈沖電機(jī)運(yùn)行0.01mm，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為N，負(fù)載齒輪直徑為D，反饋脈沖當(dāng)量：

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)控制原理

因此電子齒輪比為：

同時(shí)應(yīng)滿足0.02≤200。

本系統(tǒng)選用光電脈沖編碼器，直接將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，為提高對(duì)位移的檢測(cè)精度，通常對(duì)輸出脈沖做四倍頻處理。本系統(tǒng)中S7-200SMART CPUST60脈沖輸出最高頻率為100KHz，S-1FL6額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，因此定義PLC每秒100000個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)2000r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)為：

經(jīng)四倍頻處理N=12000，控制定尺輥傳動(dòng)的齒輪直徑D為10/π，經(jīng)換算電子齒輪比為12。圖5為PLC與伺服驅(qū)動(dòng)的接線圖。

圖5 PLC與伺服驅(qū)動(dòng)接線

PLC通過RS485接口的USS協(xié)議與V90通訊，并且通過數(shù)字量輸出檢查V90驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，RDY端表明伺服電機(jī)準(zhǔn)備就緒，ALM表示報(bào)警信號(hào)，INP代表位置到達(dá)，通過PLC輸入端與PLC進(jìn)行交互。同時(shí)PLC可以讀取編碼器的絕對(duì)位置r2521[0]（位置控制），根據(jù)指令輸出脈沖給驅(qū)動(dòng)器，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作SON端代表伺服開啟，RESET端代表故障復(fù)位，PTI_A，PTI_B分別代表脈沖信號(hào)、方向信號(hào)。

3.4 銅球墩形力的計(jì)算及高精度控制實(shí)現(xiàn)

在一個(gè)鐓球過程中，通過位移指令來判斷鐓壓過程的是否完成。此處選擇液壓傳動(dòng)的方式來控制銅球成型，采用電子元器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和處理，選用電液伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力，鐓球速度，位移的高精度控制[10]。

圖6 鐓球控制原理

圖6所示為鐓球控制原理圖。PLC接受到上位機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)電壓時(shí)，控制液壓電磁閥接通，液壓缸活塞在精密導(dǎo)軌內(nèi)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，負(fù)載移動(dòng)距離由位移傳感器測(cè)得位移傳感器將所測(cè)得的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)反饋給控制器，控制器采集給定信號(hào)的電壓值和反饋電壓值并計(jì)算差值得出偏差電壓信號(hào)，偏差電壓信號(hào)經(jīng)伺服放大器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)作為伺服閥的輸入信號(hào)，伺服閥通過電流作用控制閥芯開口流量，調(diào)節(jié)鐓球的速度，位置和壓力。閥芯運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的負(fù)載壓力通過壓力傳感器感應(yīng)并將系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并傳送給PLC可編程控制器，PLC通過數(shù)據(jù)分析完成壓力的閉環(huán)控制。

4 高精度鐓球控制系統(tǒng)控制流程

程序設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)生產(chǎn)線的工作過程和工藝要求，確定系統(tǒng)的控制方式和控制方式，按工藝完成相應(yīng)動(dòng)作。微晶磷銅球液壓成型機(jī)工作時(shí)，首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化，電機(jī)系統(tǒng)電源接通，由PLC主機(jī)檢測(cè)各I/O端口，行程開關(guān)是否復(fù)位，通訊端口是否正常，若有錯(cuò)誤情況，則將錯(cuò)誤信息反饋到上位機(jī)報(bào)警界面上。若系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，則檢測(cè)線材是否導(dǎo)入，若檢測(cè)到線材，PLC發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入定尺工序，PLC上的高速計(jì)數(shù)器開始讀取由編碼器發(fā)出的脈沖，從而計(jì)算尺寸，達(dá)到設(shè)定尺寸后，夾緊電磁閥得電，機(jī)械手夾緊線材，同時(shí)切斷線材送入第二加工口，之后液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主缸運(yùn)作，使線材固定在模具上，在檢測(cè)到夾緊信號(hào)與切斷信號(hào)復(fù)位后進(jìn)行鐓球，根據(jù)位移傳感器反饋的信號(hào)判斷鐓球階段，控制伺服閥開口來改變壓力，當(dāng)主缸位移達(dá)到設(shè)定值時(shí)主缸復(fù)位，球坯成形進(jìn)行落料統(tǒng)計(jì)。圖7為PLC流程。

圖7 控制流程圖

本文使用WINCC對(duì)遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)其監(jiān)控功能ances，其界面主要分為4個(gè)模塊，用戶界面，顯示界面，調(diào)試界面，報(bào)警界面。其中顯示界面包括定尺長(zhǎng)度信息，剪切缸位移信息，主缸位移信息，鐓球個(gè)數(shù)，壓力信息?？梢詫?duì)生產(chǎn)過程中各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，異常時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，工位的報(bào)警指示燈會(huì)閃爍，系統(tǒng)停止運(yùn)行，同時(shí)故障代碼會(huì)存儲(chǔ)，以便分析故障原因。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了程序流程圖，針對(duì)磷銅球成型機(jī)的定尺設(shè)計(jì)以及鍛模問題，設(shè)計(jì)了基于PLC和液壓系統(tǒng)控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線，解決了銅球棒料尺寸設(shè)計(jì)問題，定尺送進(jìn)問題以及提出了鍛模過程的位置控制原理圖。采用PLC和觸摸屏技術(shù)，使用軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使自動(dòng)化水平有了極大改善，提高了生產(chǎn)效率。目前控制系統(tǒng)在企業(yè)已獲成功應(yīng)用。