螺旋葉片調節式壓制模具自動控制系統的設計

梁寶英，郤智強，王永清

（1.山西大同大學機電工程學院，山西大同 037003；2.晉能控股煤業集團白洞礦業大同有限公司，山西大同 037000；3.山西大同大學計算機與網絡工程學院，山西大同 037009）

1 結構方案設計

采煤機滾筒螺旋葉片的自動調節式壓制模具包括一個上模和一個下模，上模與下模結構相同，主要由5 塊筋板（其中中間一塊為固定筋板，兩邊各兩塊為可動筋板）組成，每塊可動筋板都由一個支撐底座支撐，并鉸接一個電缸，在每塊可動筋板兩端下方各安裝一個液壓缸；支撐底座和液壓缸均固定在基板上，電缸與基板鉸接[4]。壓制模具結構示意圖如圖1。

圖1 上模（或下模）結構示意圖

模具主要通過調節每塊可動筋板擺動角度使待壓制的螺旋葉片螺旋升角達到設計要求，其調節的方法是：在自動控制系統作用下，啟動電缸工作，就會推動模具中可動筋板繞固定支點擺動，當擺到設計的角度時，電缸就停止工作；再啟動可動筋板下方兩端液壓缸開始工作，直到與可動筋板接觸，液壓缸就可停止工作。

上模和下模分別安裝在壓力機上，上模與壓力機上活塞桿相連接，下模固定在壓力機機架上。如果將待壓制螺旋葉片放置在上、下模之間，啟動壓力機，上模就隨活塞桿移動，直到完成葉片的沖壓成形。

2 控制系統設計

采煤機滾筒螺旋葉片的自動調節式壓制模具的控制系統由液壓控制系統和電氣控制系統兩部分組成。其中，每塊可動筋板擺動通過電氣控制系統控制，每塊可動筋板下方液壓缸運動由液壓控制系統和電氣控制系統共同控制作用下完成。

2.1 液壓控制系統設計

液壓缸用于防止筋板受工作載荷時的擺動，同時起到支撐筋板作用。螺旋葉片可自動調節式模具由結構相同的上模和下模組成，液壓控制系統原理相同，均采用串聯方式，與壓力機的共用一個液壓站，上模或下模的液壓控制系統原理如圖2。液壓缸的運動是由液壓控制回路實現的，每個液壓缸是獨立運動的，在每個活塞桿與連接冒連接軸上安裝一個行程開關，通過行程開關控制液壓缸移動距離，通過三位四通電磁換向閥控制液壓缸的活塞桿伸出、縮回動作。在液壓缸活塞桿伸出控制回路中設計單向節流閥是控制液壓缸活塞桿伸出運行快慢，液控單向閥防止活塞桿受力向相反運動，溢流閥起到安全保護作用[5]。

圖2 上模（或下模）液壓系統原理圖

以其中液壓缸4為例，其工作過程為：

（1）液壓缸活塞桿伸出（1YA通電）

進油路：壓力機油泵→三位四通換向閥1左位→液控單向閥2→單向節流閥3→液壓缸4下腔A。

回油路：液壓缸4 上腔B→三位四通換向閥左位→油箱。

綜上所述，林業生態建設是林業工程發展的基礎，造林技術是保證林業建設的重要手段。因此，造林水平的高低直接影響到林業生態工程的健康發展和我國經濟和生態環境的發展。面對當前造林工作中存在的問題，對林業生態工程行業提出有效的解決方案具有重要意義。

（2）液壓缸4活塞桿停止（1YA斷電）

當活塞桿伸到預定行程，觸及行程開關41，換向閥1YA斷電，換向閥1恢復中位，活塞桿停止動作。

（3）液壓缸4活塞桿縮回（2YA通電）

進油路：壓力機油泵→三位四通換向閥1 右位→液壓缸上腔B。

回油路：液壓缸4 下腔A→單向節流閥3→液控單向閥2→三位四通換向閥1右位→油箱。

2.2 電氣控制系統設計

由于PLC程序控制系統具有強大功能，電路受電磁干擾小，控制精度高，程序邏輯性強，編程方便，運行穩定，所以電氣控制系統采用PLC 程序控制系統。控制系統設計主要包括硬件設計和程序的設計。

2.2.1 控制系統硬件設計

控制系統硬件主要包括PLC控制器、伺服電機及其驅動器、電磁閥、中間繼電器、行程開關、I/O板、操作面板等部分。觸摸屏作為控制系統的人機交互界面；觸摸屏、按鈕、傳感器為PLC 提供輸入信號，控制器（PLC）根據運動指令要求控制伺服電機驅動器、中間繼電器來驅動伺服電機、液壓缸電磁閥，完成模具中可動筋板的擺動、液壓缸活塞桿的運動，同時將伺服電機和液壓缸運動的相關信息反饋給上位機，通過上位機界面完成對電機和液壓缸的調控。自動調節式模具的上模和下模各采用1 個PLC 獨立控制，并且上、下模的PLC控制系統相同，其控制系統原理如圖3[6]。

圖3 上模（或下模）PLC控制系統原理

上模（或下模）PLC 控制系統中有24 個數字信號送給PLC，還設置4個控制按鈕，分別實現“啟動”“停止”“復位”“急停按鈕”功能，共需要28個數字信號輸入端口。PLC 控制4 臺步進電機，實現移動方向、行程和速度，控制8個電控直流電流24V電磁閥來實現液壓缸活塞桿的伸縮以及控制伸出的速度；3 個信號燈，需要23 個數字信號輸出端口和4 個高速脈沖量輸出端口，具體I/O 地址分配見表1[7]。根據I/O 口使用情況，上模和下模各選一個西門子S7-1200 系列S7-1214 DC/DC/DC 型號CPU的PLC控制器，再各配一個AE04 模擬量擴展模塊，滿足系統需要。螺旋葉片調節式壓制模具中央處理器模塊接線圖如圖4。

表1 I/O 地址分配表

圖4 中央處理器模塊接線圖

2.2.2 控制系統軟件設計

控制程序設計是自動調節式模具完成動作的關鍵，控制系統軟件設計主要是PLC 程序設計，通過PLC 程序使電缸運動，從而帶動可動筋板的擺動、液壓缸活塞桿移動。自動調節式模具上模和下模工藝流程（圖5）相同，其中任一筋板動作及其支撐油缸的PLC 控制系統控制程序框圖如圖6[8-9]。

圖5 上模（或下模）工藝流程圖

圖6 1號筋板和其支撐油缸的控制程序框圖

程序設計采用模塊化設計，根據筋板和液壓缸動作的時序圖來完成，用梯形圖編制控制程序，方便、直觀，還可以在線監控程序的運行狀態。其中1 號支撐油缸工作梯形圖[10]如圖7。經在線監控和反復調試，最終達到控制的要求，保證葉片調節式壓制模具參數調節動作可靠性和精確度。

3 結論

通過PLC 自動控制系統調節可動筋板擺動的角度和筋板支撐油缸活塞桿伸縮運動，從而實現螺旋葉片壓制模具參數的自動調節，使待壓制螺旋葉片的螺旋升角能夠精確滿足設計要求，提高葉片壓制精度和壓制效率，提高螺旋葉片壓制模具的自動化程度。該控制系統具有定位準確、操作方便、易于實現的特點，可滿足葉片壓制模具參數調節的要求，進一步促進企業智能化升級改造。