油壓機自動壓制產線上的節拍控制設計

江寧

（鄂州職業大學機械工程學院，湖北鄂州436099 ）

油壓機以專用液壓油為工作介質，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入油缸/活塞，作為動力源，對于三梁四柱壓力機則是驅動活動橫梁的升降運動，以活動橫梁下方和工作臺上安裝的模具完成產品的加工，具有結構簡單，用途廣泛，生產效率高等特點，是一種通用型壓力機，非常適合做數字化全自動控制[1]。

1 工藝要求與設備

海綿鈦顆粒壓制加工是以壓力機為主體，自動壓制加工過程中，主要工藝是通過壓力機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%，系統產能具備500kg/h 以上，最大壓力25MPa，具備一次性同時壓制2 塊制品的能力。根據上述數據可計算出每20.8s需完成一次壓制循環，即壓力機采用全自動流水線生產的一個循環工作節拍時間不能高于20.8s。

生產線壓制工藝設備結構見圖1 所示，顆粒物料裝填準備：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 運轉，一部分通過送料小車4 沿軌道5 轉運至稱重料斗6，稱重裝置7 根據設置的重量自動稱重，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，同時接料料斗到達壓力機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 壓制產線工藝設備示意圖

物料壓制流程：系統檢測下模13 有物料裝入且其他設備各自復位后，主缸18 空程快降，接近一定位置后轉慢降加壓，通過位移定位或壓力定壓方式，由工藝預先設定[2]，主缸到達設定值后顆粒通過上模16 和下模13 的模壓達到壓實壓制工藝要求，主缸18 快速回程，同時下頂缸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 同時將餅狀成品推出壓力機，落入成品料斗15。

2 控制流程設計

整個系統工藝流程非常清晰，結構設計中已盡量考慮到了節拍的要求。

根據工藝設備結構特點，要在保證產品質量的前提下實現產能，需要對整個工藝流程重新進行規劃設計，設計時需預留一定空間，便于調試時對意外情況的處理。壓力機設備參數見表1。

表1 壓力機設備參數

工藝流程除滿足全自動一鍵啟動后，系統自動進入連續工作模式，不需人工干預外，重點還需考慮節拍問題，按照一個節拍周期時間20.8s 進行劃分設計，壓力機壓制主缸升降位置中，工進距離根據松散物料高度到壓制成品高度可初步定為80mm，按工進40mm/s 速度需時2s，快下距離定位300mm 方便進料，按快下200mm/s 速度需時1.5s，回程距離則是380mm，按回程200mm/s 速度并增加泄壓時間0.5s共需時2.4s。其他頂缸升降，推料進退，氣閥開閉等按設備實際結構劃分時間根據設備參數計算，具體工藝流程時間見表2。

表2 工藝流程時間分配

上表中一個節拍合計需要19.1s，比理論節拍時間20.8s 低1.7s，考慮到各執行件執行的滯后性，本方案能滿足基本要求。在上述時間分配中，沒有考慮前料倉中的原料顆粒經送料車輸送到稱重料斗，以及稱重后的物流裝入料盤的時間。實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安裝在較高位置，就可以將該環節獨立于壓制流程之外，只需在控制系統中做好聯動互鎖即可；稱重裝置單次稱重可以做到只要接料盤中沒有物料，就可隨時向稱重裝置發訊，使其始終處于獨立稱重循環，與壓制流程之間只需一個聯絡信號就可滿足要求。這種方案可最大限度降低節拍時間，提升產能，且壓力機系統運行空間充足，不會發生機械結構的干涉碰撞，確保安全運行。

自動化產線功能，需要設計一個初始化復位功能，見圖2；根據表2 時間分配，將海綿鈦壓制工藝拆分為三個部分，分別為稱重料倉備料工藝，見圖3；接料盤備料工藝，見圖4；壓機自動壓制工藝，見圖5。

圖2 系統復位控制

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 壓機自動壓制流程

設備在維護或維修或停產重啟后，各部件需要回歸到初始狀態位置，系統設置復位控制流程，讓設備在初始位置待命，通過復位啟動功能完成。

料倉備料工藝流程獨立處理的前提是料倉在低料位信號發出后不影響稱重系統稱重，即在下一次小車輸送物料到達料倉前，料倉中剩余物料足夠支撐壓力機持續不中斷壓制工作流程。該流程按照設計一個周期不超過30s。

接料盤備料工藝流程獨立的前提是稱重系統一次稱重周期不超過18s，按照設計，稱重系統通過振動篩進行重量控制，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，稱重系統后收到放料信號，料盒閥門自動開啟放料，放料完成即關閉閥門，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出完成信號。稱重系統可以根據稱重參數設置，提供不同的周期，滿足整個系統的工藝質量和工藝節拍要求，具有很好的靈活性。

壓力機自動壓制工藝流程是整個系統中最繁忙和關鍵的環節，時間控制的精度直接決定產能的大小。其中推料缸進退共需8s，占用的時間最長，其次是壓力機升降所需的時間為5.9s。壓力機壓制的流程分兩種循環，一種是初始復位后的流程，此時需要推料缸前進先行向壓力機內的模具中裝填物料，待推料缸退回后限后，壓力機進行第二重壓制循環，該循環周期是產能所需要控制的節拍，由表2可知，理論節拍為19.1s，根據該產能，所有成品按照標準值可計算得出小時產能為550kg。

3 工藝應用

PLC 作為工業自動化控制系統的核心，功能強大，指令豐富，有專用的順序控制指令，本系統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，以一個寄存器字地址存放工藝流程當前步數，工藝流程圖對應的每一個方框代表一步，從上往下依次遞增，開始為0，這種設計，程序更簡潔，可讀性更好，且更容易擴展和修改，縮短調試時間[4]。全部控制程序結構見圖6，其中壓機壓制部分功能見圖7。

圖6 程序結構

圖7 壓機壓制部分工藝程序

三個工藝流程在一個PLC系統內分工合作，各自設置一個寄存器字作為流程步記錄并顯示。壓機自動壓制流程聯系工作，為關鍵流程，稱重料倉備料流程和接料流程間歇工作，通過PLC狀態位信息交互保證關鍵流程的連續性，壓力機不會出現空壓情況。同時在上位機對相關工藝參數可以設置，便于實現最優工藝與最低節拍時間。

調試中可以對主缸升降距離進行壓縮，加大推料缸的速度，將花費時間最長的環節進行優化，可以降低節拍，提高產能。

4 結論

根據海綿鈦自動壓制工藝要求，在分析系統結構特點與工藝關系的基礎上，將壓制產線工藝拆分為三個獨立工藝，根據工藝流程圖自定義順序控制字，實現整個工藝節拍時間保證，在此基礎上的自動化控制調試靈活，可讀性好，適用性強，為后期產能升級提供了方便。