胡振華 楊福合 龐明超 王俊元 曾志強

(中北大學機械工程與自動化學院，山西 太原030051)

某企業(yè)T2120 深孔鏜床采用繼電器接觸器控制，主要用來進行鉆削動車車軸的深孔。由于原控制元器件老化及線路受液壓油、切削液腐蝕，機床在加工過程中故障頻發(fā);原控制功能簡易，自動化程度低，導致工人勞動強度大;由于動車車軸材料硬度高，深孔加工工藝過程復雜，因此在加工時容易出現(xiàn)打刀現(xiàn)象，如若操控不及時，容易導致鉆桿扭曲變形甚至折斷、工件報廢，從而給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，對機床的改造十分迫切。

1 總體改造方案

T2120 深孔加工鏜床結(jié)構(gòu)形式為臥式，機床主要由床體、主軸箱、集屑器、授油器、鉆桿箱、工件支架、鉆桿支架、高壓冷卻系統(tǒng)組成。機床結(jié)構(gòu)如圖1 所示。被加工的車軸一端由主軸前端的卡盤夾緊，隨主軸一起旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主運動，另一端由工件中心架輔助支撐定位。鉆頭由鉆桿箱帶動高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)切削運動，應用電磁調(diào)速器控制調(diào)速電動機，從而帶動絲杠推動鉆桿箱實現(xiàn)進給運動。

1.1 原控制狀態(tài)

深孔鏜床采用繼電器接觸器控制，主軸傳動系統(tǒng)、刀桿傳動都是由三相異步交流電動機傳動，采用齒輪換擋調(diào)速，不僅無法滿足主軸調(diào)速、轉(zhuǎn)矩控制、進給量控制的要求，而且無法監(jiān)控加工工程中的主要參量，加工全完憑借操作人員經(jīng)驗，因此加工可靠性大大降低。深孔鏜床原電氣控制框圖如圖2 所示。

1.2 改造方案

根據(jù)機床的具體結(jié)構(gòu)及實際加工的要求，確定了如下改造方案:

(1)主軸傳動系統(tǒng)采用變頻器控制，從而滿足無級調(diào)速及轉(zhuǎn)矩控制的要求，原主軸箱機械系統(tǒng)不做改動，但主軸換檔功能廢棄不用。

(2)原進給系統(tǒng)采用電磁調(diào)速器實現(xiàn)的調(diào)速電動機控制，只能控制進給速度，不能調(diào)節(jié)鉆孔深度，而且其轉(zhuǎn)速范圍是100 ～800 r/min，采用齒輪減速后最小進給量在20 mm/min。而加工的工件材料比較特殊，為保證良好斷屑，要求進給速度在8 ～15 mm/min，故改用伺服電動機控制，以保證正常加工。

(3)在加工中添加功率檢測功能，實時監(jiān)控主軸電動機的功率，從而間接判斷刀具的狀態(tài)。當出現(xiàn)打刀現(xiàn)象時，系統(tǒng)自動停止進給并報警。

(4)機床采用PLC 實現(xiàn)自動控制，添加觸摸屏實現(xiàn)人機交互，以方便修改各加工參數(shù)。

所設計的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

2 控制系統(tǒng)硬件與軟件設計

2.1 PLC 的選擇

根據(jù)輸入輸出點數(shù)，系統(tǒng)共需要15 個輸入點、15個輸出點，所以選用臺達推出的DVP -32EH 高速精密定位型主機。該PLC 具有2 點200 kHz 高速脈沖輸出，結(jié)合其提供的運動控制指令可方便地控制伺服驅(qū)動器。

變頻器的調(diào)速需要模擬電壓，而且系統(tǒng)要求功率監(jiān)控、實時顯示主軸電動機的電流值，所以擴展一臺模擬量輸入輸出模塊DVP06XA -H2。該模塊具有4 點模擬量輸入及2 點模擬電壓輸出，輸入輸出分辨率全為14 -bit，足以滿足系統(tǒng)需求并可透過主機以FROM/ TO 指令來讀寫模塊內(nèi)數(shù)據(jù)，或以MOV 指令直接讀取對應通道的平均值。

2.2 主軸控制設計

(1)變頻器

機床在加工時，工件由主軸帶動單方向旋轉(zhuǎn)。為達到更佳切削效果，要求主軸能夠無級調(diào)速。本系統(tǒng)采用臺達VFD-B 系列變頻器。該變頻器具有多種控制方式，并能根據(jù)外在負載轉(zhuǎn)矩，提供適當?shù)碾娏麟妷菏噶恐递敵?，與PLC 的通訊方式采用RS-485 通訊。

(2)主軸控制系統(tǒng)

主軸電動機轉(zhuǎn)速范圍為0 ～2 900 r/min，變頻器輸入電壓為0 ～10 V，對應DA 轉(zhuǎn)換所需數(shù)字量D 的范圍為0 ～4 000。所以系統(tǒng)加工時，用戶在觸摸屏輸入主軸轉(zhuǎn)速n后，PLC 根據(jù)用戶輸入經(jīng)計算得到DA模塊應當輸出電壓的數(shù)字量:D=4 000n/2 900。這個數(shù)字量經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)換變換成模擬電壓后輸出給變頻器的頻率設定端，從而實現(xiàn)主軸電動機的無級調(diào)速。

2.3 伺服控制設計

(1)伺服電動機及驅(qū)動

系統(tǒng)要求進給速度可調(diào)、進給位移任意可調(diào)，為保證控制精度，故選用伺服電動機驅(qū)動方案［6］。伺服電動機采用臺達公司ECM 交流伺服電動機，選擇驅(qū)動器為ASD-B2023 -A。利用臺達DVP-EH 輸出脈沖命令(回原點、寸動、正反轉(zhuǎn)、速度模式切換)驅(qū)動伺服驅(qū)動器，進而達到位置控制的效果。

(2)進給控制系統(tǒng)

用戶要求機床在加工時進給速度、進給量任意控制，而且要求在進給過程中可以調(diào)速，采用了如圖4 所示的半閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)。臺達PLC 提供有一系列運動控制指令，如定位指令DRVI/DRVA，可同時給定輸出脈沖頻率、脈沖個數(shù)、方向，便于伺服控制。

系統(tǒng)運行時，用戶在觸摸屏上輸入進給位移L與基準進給速度V，這兩個參數(shù)分別存入PLC 的斷電保持型寄存器D 中，應發(fā)送的脈沖個數(shù)S2=L/δ。式中，L為伺服機構(gòu)的位移量，mm;δ 為伺服機構(gòu)的脈沖當量，mm/脈沖。脈沖當量與絲杠螺距、減速機的減速比及伺服驅(qū)動器設定參數(shù)有關(guān)。應發(fā)送的脈沖頻率S1=60V/δ。式中，V為伺服機構(gòu)的進給速度，mm/min;δ為伺服機構(gòu)的脈沖當量，mm/脈沖。PLC 程序中在每個掃描周期都需根據(jù)輸入值計算S，用戶可在觸摸屏上隨時更改進給速度，滿足加工過程中的調(diào)速要求。

2.4 加工參數(shù)監(jiān)控設計

正常鉆削時，鉆削功率是逐漸增大或減小的，不會發(fā)生突變，正常停機時，功率變化率小。刀具在鉆削過程中發(fā)生打刀現(xiàn)象時，功率會突然增大或減小即出現(xiàn)較大的階躍，根據(jù)信號的微分特性可知，其功率的微分量將產(chǎn)生一個較明顯的尖脈沖。所以，可以利用刀具打刀現(xiàn)象時，功率的微分這一脈沖信號作為識別信號。因此，實時測量鉆削功率，對鉆削功率進行微分，分析鉆削功率的變化率可以判別刀具是否發(fā)生打刀現(xiàn)象。

根據(jù)鉆削加工理論，深孔鉆削時扭矩T及主軸所需鉆削功率P為

主軸采用三相異步電動機，其轉(zhuǎn)速為n=60f/p(1-s)，式中f為電動機頻率、p為磁極對數(shù)、s為轉(zhuǎn)差率。

將式(1)代入式(2)，可得:

式中:CM為扭矩系數(shù);XM為軸向力指數(shù);YM為軸向力修正系數(shù);KM=KMmKMw為扭矩修正系數(shù)。

功率值只與主軸電動機的頻率值f有關(guān)。系統(tǒng)采用A/D 模塊采集主軸變頻器頻率值，通過式(3)的計算得到主軸實時的鉆削功率值。監(jiān)測模型如下:

假設P代表鉆削功率，Pmax為刀具破損時的切削功率的閾值，則系統(tǒng)報警要求滿足的條件為:dp/dt≧Pmax。

因此，鉆削加工時機床主軸輸入功率的變化可以定量描述為時間的函數(shù)，加工參數(shù)相同的同種工件其加工過程具有相似的主軸功率/時間曲線，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由RS485 接口輸入PLC，進行運算和判斷，監(jiān)視切削過程中切削功率的變化率。當?shù)毒咂茡p時，由于切削功率產(chǎn)生突變，PLC 識別到這種突變后就發(fā)出報警信號。

2.5 觸摸屏的選擇與程序開發(fā)

(1)硬件選型

為了方便用戶設定各種加工參數(shù)，對主要加工參數(shù)進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)采用臺達的DOP -B07S515 觸摸屏，該系列觸摸屏具有65536 色、800 ×600 像素顯示效果，內(nèi)置3MB/82MB Flash ROM、支持USB 上下載，支持以太網(wǎng)絡等特點，廣泛應用于各種工業(yè)監(jiān)控場合。

由于觸摸屏與PLC 分別位于機床面板、電氣柜，距離較遠，故觸摸屏與PLC 的連接采用RS-485 通訊。

(2)觸摸屏軟件開發(fā)

在加工過程中，刀具的工作狀況是無法用肉眼進行觀測。若要判斷刀具是否磨損必須由操作人員通過觸摸鉆桿憑經(jīng)驗判斷。由于使用這種方法的勞動強度較大，所以有時未能發(fā)現(xiàn)刀具的磨損現(xiàn)象，將導致鉆桿彎曲、變形、損壞、折斷。為消除因刀具磨損引發(fā)的各種問題，減少損失，必須實時監(jiān)測刀具的磨損情況，如磨損嚴重時及時報警，暫停加工。本文通過對主軸電動機功率的實時檢測，從而間接判斷刀具的工作狀態(tài)。使用模擬量輸入輸出模塊分別讀取主軸電動機變頻器的電壓值、電流值、頻率值，PLC 進行邏輯運算后可以將主軸電動機的實時功率值以曲線形式顯示在觸摸屏上。應用Screen Editor 畫面編輯軟件開發(fā)本系統(tǒng)的控制界面、參數(shù)設定以及監(jiān)測界面。部分控制、檢測、參數(shù)設定界面如圖5 所示。

3 改造后的精度與效益

3.1 機床精度水平

機床的精度測量包括直線運動定位精度及直線運動重復定位精度、直線運動的原點返回精度的測量，通過激光干涉儀自動測量并按標準公式計算出結(jié)果。

(1)直線運動定位精度 為反映多次定位中全部誤差，規(guī)定每一個定位點按5 次測量數(shù)據(jù)算出平均值和散差±3δ。定位精度曲線是由各定位點平均值連貫起來的一條曲線上加上3δ。散帶構(gòu)成定位點散帶，實測各軸達到0.02 mm/1 000 mm。

(2)直線運動重復定位精度 在靠近各坐標行程的中點及兩端的任意3 個位置進行測量，每個位置用快速移動定位，重復做7 次定位，求出最大差值。以3個位置中最大差值的1/2，附上正負符號作為該坐標的重復定位精度。實測各軸達到±0.003 mm。

(3)直線運動的原點返回精度 直線運動的原點返回精度是特殊點的重復定位精度，測量方法與重復定位精度相同，實測各軸達到±0.002 mm。

表1 控制系統(tǒng)改造前后加工效率和經(jīng)濟效益對比

3.2 改造前后各項指標對比

對T2120 深孔鏜床改造前后加工效率和經(jīng)濟效益進行對比如表1 所示。由表中的對比數(shù)據(jù)可已看出:機床經(jīng)改造后，其加工效率和加工精度明顯提高，加工成本大大降低，故障及事故發(fā)生的概率大為降低，因此改造效果十分明顯。

4 結(jié)語

根據(jù)深孔鏜床的加工特點，控制以PLC 作為控制核心，取代原有的繼電器接觸器控制，從而使系統(tǒng)的可靠性與機床的精度大幅提高，經(jīng)濟效益顯著。綜合考慮機床各工位的控制特點和操作人員的操縱習慣，使用變頻器、伺服驅(qū)動器、觸摸屏等控制操作設備使操作更為方便簡單，而且實現(xiàn)了對重要的加工參數(shù)的數(shù)字化控制與檢測。

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