压装液压压力机系统设计

引 言

    机器零件的装配过程中，常常具有轴套类零件的压装工序。压装工序常常安排在装配流水线之间。为了适应装配流水线高速、高效的工序节拍，通常要求压装液压压力机具有高速、轻压装力和节能可靠的性能，而普通液压压力机虽具有通用性，但其速度和效率往往不能满足要求。本液压压力机采用PLC控制，能实现对压装力值的设定和自动控制，压头位移的设定和控制，也能显示压力值和位移值，操作方便，工作可靠，简化了复杂的硬件接线线路，而且使控制具有极强的柔性和功能的可拓展性。与此同时，在此压力机液压系统中，采用了一个特制的快速运动缸，靠充液阀补油，来实现压头快速下行，速度快、效率高，功率利用也更为合理。

1 液压压力机液压传动系统设计

    1.1 液压传动系统工作原理

    液压控制系统原理如图1，快速运动缸17驱动压头完成的工作循环为：启动卸载—快速下行—慢速加压—快速返回—原位停止。由于快速下行和慢速加压过程速度相差较大，在回路中采用了特制的快速运动缸17。

图1 液压控制系统原理

    当泵启动，电磁铁YV1、YV2、YV3、YV4均断电，完成启动卸载动作。

    当电磁铁YV2、YV3通电，叶片泵3输出油液只进入快速运动缸17的B油口，因缸承压面积小，压头快速向下运动。此时，由充液阀15向A油口补油，快速下行速度可由单向节流阀13进行调节。二位四通换向阀9切换至左位，由压力表10来显示快速下行的工作压力。

    当电磁铁YV2、YV3通电，叶片泵3输出油液一方面进入快速运动缸17的B油口，另一方面由于系统工作压力升高将顺序阀14打开，叶片泵3输出的油液同时通过顺序阀14进入快速运动缸17的A油口，液压缸17承压面积增大，压头由快速下行改为慢速加压过程。慢速加压过程的运动速度可由节流阀5进行调节。此时，将二位四通换向阀9切换至左位，由压力表10来显示慢速加压过程的工作压力。

    当电磁铁YV1通电，叶片泵3输出油液进入快速运动缸17的C油口，压头快速返回。快速运动缸17的A油口排出的油液，经充液阀15流回油箱16，缸17的B油口排出的油液，经单向节流阀13，三位四通换向阀8回到油箱12。

    1.2 快速运动缸主要尺寸的确定

    快速运动缸的结构图如图2所示。

图2 快速运动缸的结构图

    液压控制系统的性能参数：最大压装力100 kN，最大行程300 mm，快进的速度85 mm／s，工进的速度7～15 mm／s，快退的速度120 mm／s。

    1)缸筒内径D的确定

    试选用内径D＝125 mm的液压缸筒。

    

    式中 P——液压缸的工作压力(MPa)
    F——液压缸最大压装力(N)
    S——液压缸的有效承压面积(㎡)
    取D＝125 mm。

    2)大活塞杆直径d1的确定

    按快速返回的速度要求来确定大活塞杆直径。

    

    式中 D——液压缸缸筒的内径(m)
    d1——大活塞杆的外径(mm)
    υ3——快退时候的速度(m／s)
    qn——泵额定流量(m3／s)；取16 L／min
    取d1＝110 mm。

    3)小活塞杆直径d2的确定

    按快速下行的速度要求来确定小活塞杆直径。

    

    式中 d2——小活塞杆的外径(m)
    υ2——快进时的速度(m／s)
    qn——泵额定流量(m3／s)

    考虑到并帽和小导套的直径都要大于小活塞杆的直径，要适当地减小小活塞杆的直径，而减小的活塞杆直径能满足快进时的速度要求，并且通过叠加式单向节流阀的调节作用，对快进的速度进行调节。
    取d2＝35 mm。

2 液压压力机PLC自动控制系统设计

    PLC控制的液压压力机通过压力传感器和位移传感器，将测得的压力和位移信号放大，传输至可编程控制器(PLC)，与设定的压力和位移进行比较，据此判断是否要加压、减压或者工进等，然后将比较后产生的信号传递给阀，从而控制压力和位移。该装置既实现了对压力值的设定和自动控制，也可以显示压力值和位移值，具有计数的功能。

    控制系统设计为手动和自动两种工作模式：手动用于调试、维修状态；自动用于正常工作状态。报警、手动、自动3种状态可以用三色指示灯不同颜色来显示，压力机处于不同工序时的工作情况，用控制柜面板上的指示灯来显示。当出现紧急停车时，除了三色灯灯光会显示，还有声音报警器报警。手动与自动状态可以实现无扰切换，工作时可以显示位移和油压信息，除了工作时位移可以调整外，还设有上下限以防止压力机或工件损伤出现事故，工作压力也设定一定范围，防止压力过高或者过低对生产造成不利。

2.1 控制系统配置及PLC选型

    选用某公司S7-200系列小型PLC，具体型号为224XP，该型号有14个开关量输入，10个开关量输出，集成两个模拟量输入，再扩展一个数字量输入输出模块，性价比高，经济适用。

    2.2 PLC控制系统输入输出说明

    根据主机功能和控制过程，系统输入／输出信号及PLC地址编号如附表1所示。

表1 输入／输出信号及PLC地址

    2.3 PLC控制系统程序及说明

    采用STEP7编程软件进行编程，其PLC控制系统(自动控制部分)的状态转移图程序如附图3所示，因文章篇幅的限制，其余部分的状态转移图程序略去，由状态转移图可编写相应系统的顺控指令程序。

图3 PLC控制系统状态转移图

    1)系统初始化程序

系统的初始化程序主要是泵的启动，主缸回原位(包括下行调整和回程调整)。这部分程序是为系统的正常工作做好准备。工作中先启动泵，将外界输入的压力及位移值与原先设定值进行比较，从而进行主缸的下行调整和回程调整。

    2)运行程序

    在运行过程中，主要是通过位移值之间的相互比较，自动进行的是主缸的下行、工进、保压或快退状态，所有运行状态数据的收集可以通过光幕传感器来完成。

3 结 论

    压装液压压力机，采用了PLC控制系统压力及压头位移，能实现对压力值的设定和显示，测量位移的设定和显示，控制精度高、操作方便、性能稳定。依靠特制的快速运动缸，来实现快速向下运动，可以在不增加液压泵流量的情况下获得较快的速度，效率高，功率利用更加合理，在生产中取得了满意的效果。

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