隨著機械制造業的迅猛發展，柔性化、智能化和信息化已成為21世紀機械制造業發展的總趨勢，生產效率和產品的加工質量更是制造中備受關注的核心問題。夾具是制造系統的重要組成部分，對加工質量、生產率和生產成本都有著極其重要的影響。在數控加工中使用傳統夾具時，除了自動化程度低、生產效率低外，其夾緊力不可控，不能適應切削力的變化，對一些結構復雜、精度要求高而且剛性小的薄壁零件，很難獲得較高的加工質量。為解決這個問題，以高速開關電磁閥原理和PLC為基礎，設計了一種數控夾具適應性控制系統，該系統能夠很好地適應加工過程中切削力的變化，在一定程度上提高了生產效率和加工質量。

1 總體方案設計

　　以發動機缸蓋的加工工藝系統為研究對象，主要研究適應不同加工尺寸系列、不同數控加工工步切削力的數控夾具變夾緊力控制技術和控制系統，解決加工這類產品時缺乏與先進工藝技術及先進設備配套的數控夾具的問題，達到保證加工精度和提高勞動生產率的目的。

　　目前，通過高速開關電磁閥將液壓系統與計算機數字控制相結合是當前液壓控制系統發展的熱點之一。設計時采用液壓控制，可實現液壓執行部分同液壓站及控制部分的分離，以減小控制系統位于工作臺上的體積。且基于高速開關電磁閥的液壓控制系統，抗污染能力強，響應快，造價較低。同時，閉環控制保證了控制精度，ＰＩＤ 確保系統在加壓過程或者受到擾動時能很快回復到預定的壓力大小。該數控夾具適應性控制系統主要包括3個子系統：液壓系統、PLC控制系統和人機交互系統，如圖1所示

圖１　數控夾具適應性控制系統圖

2 高速開關電磁閥的夾緊力控制原理

　　高速開關電磁閥是通過PWM（脈沖寬度調制）信號控制的。通過PWM脈沖信號控制進入和流出高速開關電磁閥的流量，可控制液壓缸內壓力的變化。當進行壓力控制時，高速開關電磁閥的控制油口可交替地與進、出油口相通。控制腔壓力需要升高時，可延長控制口與進油口相通時間；控制腔壓力需要降低時，可延長控制口與回油口相通的時間。在PWM波作用下，使控制油口與進油口或回油口接通的時間長短不同，從而實現控制壓力高低的目標，最終達到控制夾緊力的目的。

3 液壓系統設計

　　液壓系統是數控夾具夾緊力控制系統的執行部分。在設計時考慮液壓系統的設計要求：

　　（1）兩夾緊液壓油缸夾緊力相同；

　　（2）夾緊時，缸蓋兩端為先，中間部分為后；

　　（3）實現密封加工。

　　以設計要求為前提，通過夾具系統負載和液壓系統工況分析，初選系統工作壓力，選定ＥＮＥＲＰＡＣ 公司的SLLD92轉臂轉動液壓缸和ＨＡＷＥ 公司的Ｒ２ ５型徑向柱塞泵，最終制定液壓系統基本方案，主要包括調速方案、壓力控制方案和順序動作等。得出液壓子系統的系統圖，如圖2所示。

圖2　液壓子系統的系統圖

　　根據系統設計要求，列出部分選型如下：

　　（1）電機。根據工作循環中液壓泵中比較恒定的壓力和流量，計算液壓泵的驅動功率，最終選取HAWE公司的AF90L／40-10電機，功率15KW，轉速1415r/min。

　　（2）液壓閥。根據系統中實際通過該閥的最大流量和工作壓力，選取閥件。選用貴州紅林生產的HSV-3202C7高速開關電磁閥控制壓力，額定壓力20MPa，額定流量9L/min，24V 直流驅動，最大工作頻率不小于200Hz，占空比20％ ～ 80％ 。

　　選擇HAWE生產的BF0／250溢流閥、GS2-1電磁閥通過VB11連接塊組合成而電磁溢流閥，溢流閥的額定壓力25MPa，最大流量12 L/min。

　　選擇HAWE生產的型號為NBVP16G-24G的三四通閥，額定壓力40MPa，額定流量2012 L/min，通徑6mm，24V直流驅動，額定功率27.6W。選用ＥＮＥＲＰＡＣ 公司的ＶＭＭＤ００２ 二位四通閥作為手動閥，以便于切斷油路，在蓄能器工作的情況下保壓。

4 PLC控制子系統設計

　　PLC控制子系統的核心任務就是實現夾緊力的控制。PLC控制子系統由硬件和軟件兩部分組成。PLC根據控制臺發出指令，控制電機、溢流閥、換向閥以及高速開關電磁閥等各輸出點的動作。在進行夾緊力控制時，PLC把經壓力變送器采樣而得的壓力值與預置壓力進行比較，通過POD環節，輸出所需的PWM 脈沖。在此基礎上，PLC還具備自動功能、調整功能、報警功能、誤操作防止功能、I/O點數的估計等功能。

　　4.1 PLC控制子系統硬件設計

　　硬件部分包括PLC、擴展模塊及PLC的外部設備，包括輸入設備（如操作按鈕、開關量及模擬量輸入信號等）、執行元件（如接觸器的線圈、電磁閥的線圈、指示燈等），以及控制臺、控制柜、控制面板等。

　　依據控制系統的設計任務，初步擬用西門子公司生產的小型PLC產品S7-200PLC作為夾緊動作控制的核心。為了控制電機、卸荷溢流閥及兩個三位四通閥的通斷，選用具有8個輸出點的EM222繼電器輸出模塊。為了對壓力變送器傳送過來的模擬信號進行轉換，選用具有４ 路模擬量輸入的EM231模擬量輸入模塊。通過分析CPU 和擴展模塊，計算電源容量和對I/O地址進行分配。根據輸入／輸出元件地址分配表以及PLC的端子連線規定，設計出PLC控制系統接線圖，如圖3所示。此外，設計的控制面板和控制柜以方便工作人員對整個控制系統進行靈活的操作和控制。

圖3PLC 控制系統接線圖

　　4.2 PLC控制子系統軟件設計

　　軟件部分即PLC監控程序，設計后需將其下載后存儲于PLC的存儲器中。整個系統分調整和自動兩個狀態，通過ＳＴＥＰ７Ｍｉｃｒｏ／ ＷＩＮ３２ 軟件對S7-200PLC進行編程，實現ＰＩＤ 調節器控制PWM波以調節壓力，從而達到控制夾緊力的目的。通過編制PLC監控程序，保證了控制系統各部分在指令發出后按要求完成各自的正確動作。

5 人機交互子系統的實現

　　人機交互子系統用于方便用戶與計算機的交互，便于用戶控制夾緊力和監控系統的運行狀態。人機互子系統由一臺計算機、安裝于計算機上的組態王軟件運行環境以及相應的開發程序所共同構成。通過配置設備、定義變量及壓力顯示控制函數、畫面設計等步驟完成對組態王監控程序的設計，以方便工作人員對系統的靈活操作。

6 系統測試

　　為了檢查系統運行的正確性和有效性，驗證系統是否達到了設計要求，對系統硬件和軟件設計參數或指標、性能等內容進行綜合、全面的檢驗。系統在調整狀態、自動預置狀態以及自動實時狀態下，電機、各電磁閥、各液壓缸完全按預定控制動作運動。PLC輸出波形與固態繼電器輸出波形一致，反映了高速開關電磁閥可以按預定要求工作。通過夾緊力階躍響應曲線，利用齊格勒尼柯爾斯第一法確定了控制系統的PID參數，得到了系統的性能參數：任一組夾緊力范圍為0～ 6000 N；受到壓力變送器的精度為１％的限制，夾緊力的控制精度為± 40N。

7 結論

　　以發動機缸蓋的加工工藝系統為研究對象，基于高速開關電磁閥控制原理，設計出以PLC為基礎的數控夾具壓力控制系統，能夠很好地適應缸蓋加工過程中切削力的變化，解決了傳統夾具生產效率低、夾緊力不可控等問題。實驗證明，該系統一定程度上提高了生產效率和加工質量