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       摘要: 結(jié)合生產(chǎn)加工的實(shí)際情況，分析了原深孔加工機(jī)床控制系統(tǒng)存在的缺陷，并根據(jù)用戶的需求提出了一種高自動(dòng)化的控制與檢測(cè)方案。系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)組成，可實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速和刀具進(jìn)給速度、進(jìn)給深度的任意控制，最大程度上保證了加工工藝的靈活性。同時(shí)，切削參數(shù)監(jiān)控功能在提高加工精度與效率的同時(shí)，保證了加工質(zhì)量，降低了廢品率。

      關(guān)鍵詞: 深孔加工; 控制系統(tǒng)改造; 切削參數(shù)監(jiān)測(cè)

 
      某企業(yè)深孔鉆鏜床采用繼電器接觸器控制系統(tǒng)控制，專(zhuān)門(mén)用來(lái)加工圓柱形深孔工件。鉆孔最大直徑100 mm，鉆孔深度范圍: 1 000 ～ 12 000 mm，工件夾持直徑范圍: 100 ～ 300 mm。原控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)易，自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度大; 原控制系統(tǒng)元器件老化，電氣線路受高壓油與切削液腐蝕，機(jī)床在加工過(guò)程中故障頻發(fā); 由于某些材料硬度高，深孔加工工藝復(fù)雜，因此在加工時(shí)容易出現(xiàn)打刀現(xiàn)象，倘若操控不當(dāng)，易導(dǎo)致鉆桿變形甚至折斷、工件報(bào)廢，從而給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)機(jī)床切削參數(shù)的監(jiān)控和控制系統(tǒng)的改造十分迫切。

      1 、改造方案規(guī)劃

      1. 1 主要結(jié)構(gòu)及改造技術(shù)難點(diǎn)

      深孔鉆鏜床是由床體、主軸箱、授油器、鉆桿箱、拖板箱、工件支架、鉆桿支架、主軸控制系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、高壓冷卻系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)組成。被加工工件一端由主軸前端的卡盤(pán)夾緊，隨主軸一起旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)，另一端由工件中心架輔助支撐定位。鉆頭由鉆桿箱帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)，絲杠在進(jìn)給電機(jī)的帶動(dòng)下推動(dòng)鉆桿箱實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

      圖1 深孔鉆鏜床結(jié)構(gòu)圖
 

      1. 2 電氣系統(tǒng)改造規(guī)劃

      圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

      2 、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，系統(tǒng)共需要20 個(gè)輸入點(diǎn)、20 個(gè)輸出點(diǎn)，則選用臺(tái)達(dá)推出的DVP-32EH2 高速精密定位型主機(jī)，結(jié)合其提供的運(yùn)動(dòng)控制指令及邏輯控制指令可方便實(shí)現(xiàn)控制要求。由于主軸變頻器和刀具變頻器的調(diào)速需要模擬電壓，而且系統(tǒng)要求功率監(jiān)控、需實(shí)時(shí)顯示主軸電機(jī)的電流及電壓值，所以擴(kuò)展2 臺(tái)模擬量輸入輸出模塊。

       2. 1 主軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       主軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用變頻器控制，原主軸箱機(jī)械結(jié)構(gòu)保留，但機(jī)械換擋功能廢棄，不僅可以實(shí)現(xiàn)多段速度的切換，還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速及轉(zhuǎn)矩控制。

       ( 1) 變頻器。該系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)VFD-E 系列變頻器，該變頻器具有多種控制方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，并根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，提供相應(yīng)電流及電壓矢量值輸出。
       ( 2) 無(wú)極調(diào)速控制。主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0 ～3 000 r /min，DA 模塊轉(zhuǎn)換數(shù)字量的范圍為0 ～ 3 200。正常加工時(shí)，操作者在觸摸屏設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速n，PLC根據(jù)設(shè)定參數(shù)經(jīng)計(jì)算得到DA 模塊應(yīng)當(dāng)輸出電壓的數(shù)字量: D = 3 200n /3 000，經(jīng)過(guò)DA 模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓后傳送至變頻器的頻率設(shè)定端。PLC 與變頻器的接線如圖3 所示。

       圖3 變頻器硬件連接圖

   
       2. 2 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器硬件連接圖

     ( 2) 進(jìn)給控制系統(tǒng)。用戶要求機(jī)床在加工時(shí)進(jìn)給速度、進(jìn)給量任意控制，而且要求在進(jìn)給過(guò)程中可以調(diào)速，選擇脈沖輸出指令PLSY 來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度及進(jìn)給量的控制。PLSY 指令格式如下:

     其中: S1 表示脈沖輸出頻率( 脈沖/秒) ; S2 表示脈沖輸出個(gè)數(shù); D 表示脈沖輸出裝置。進(jìn)給方向的控制由PLC 輸出端Y1 的通斷控制伺服驅(qū)動(dòng)器的方向信號(hào)即可。

     正 常加工時(shí)，操作者在觸摸屏上輸入進(jìn)給位移L與基準(zhǔn)進(jìn)給速度v，這兩個(gè)參數(shù)分別存入專(zhuān)用寄存器D 中，應(yīng)發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)S2 = L /δ式中: L 為伺服機(jī)構(gòu)的位移量( mm) ; δ 為伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量( mm/脈沖) ，脈沖當(dāng)量與絲杠螺距、減速機(jī)的減速比及伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)定參數(shù)有關(guān)。應(yīng)發(fā)送的脈沖頻率S1 = 60v /δ式中: v 為伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度( mm/min) ; δ 為伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量( mm/脈沖) 。PLC 程序中在每個(gè)掃描周期都需根據(jù)設(shè)定值計(jì)算S，這樣操作者可在觸摸屏上隨時(shí)更改進(jìn)給速度，滿足調(diào)速要求。

     2. 3 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

     ( 1) 觸摸屏選型。系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)的DOP-A 系列的DOP-A10THTD1 觸摸屏，該系列觸摸屏具有65536色TFT、800 像素× 600 像素顯示效果，支持USB 上下載，可連接打印機(jī)和U 盤(pán)、支持以太網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)監(jiān)控場(chǎng)合。

     ( 2) 觸摸屏軟件開(kāi)發(fā)。觸摸屏不僅可以認(rèn)為設(shè)定輸入相關(guān)加工參數(shù)，還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)加工參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。在解決觸摸屏與PLC 通信之后，即可完成與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的控制與檢測(cè)。觸摸屏的軟件開(kāi)發(fā)利用Screen Editor 2. 0 來(lái)完成，在軟件開(kāi)發(fā)階段分別完成觸摸屏與PLC 連接的數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂贩峙浔砭庉嫛⒖刂平缑媾c在線檢測(cè)界面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。最終設(shè)計(jì)出8 個(gè)控制界面與檢測(cè)界面，分別是主控制界面、主軸電機(jī)控制與檢測(cè)界面、伺服控制界面、液壓控制界面、冷卻系統(tǒng)控制界面、加工參數(shù)設(shè)定界面。如圖5 所示。

       圖5 控制、參數(shù)設(shè)定界面

     2. 4 輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

     由于機(jī)床床身較長(zhǎng)，所以采用多地控制，控制面板分布在主軸箱、授油器及鉆桿箱三處。在主軸箱按鈕站分別有急停、主軸啟動(dòng)、主軸停止3 個(gè)按鈕，授油器按鈕站除急停按鈕與壓力表外，所有操控均可由觸摸屏完成。為操作方便快捷，觸摸屏下方設(shè)置了常用的按鈕。鉆桿箱上設(shè)置急停、正向進(jìn)給、反向進(jìn)給、快速前進(jìn)、快速后退及進(jìn)給停止5 個(gè)按鈕。為節(jié)省PLC 的輸入輸出點(diǎn)，3 個(gè)急停按鈕采用常閉串聯(lián)的方式引入PLC 的X0 端子，其他功能相同的按鈕采用常開(kāi)并聯(lián)的方式引入PLC。

     3 、機(jī)床切削參數(shù)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

     3. 1 切削參數(shù)監(jiān)控理論推導(dǎo)

     刀具磨損由各種機(jī)械物理因素造成，包括刀刃的塑性變形、黏著、摩擦、切屑和熱疲勞等。刀具發(fā)生磨損時(shí)，后角變?yōu)?，后刀面與工件接觸面積增大。同時(shí)，刀尖圓弧半徑加大，刀具與工件間摩擦加劇，從而使機(jī)床消耗功率加大。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)主軸電機(jī)實(shí)時(shí)扭矩值，并依據(jù)相應(yīng)的公式，即可探測(cè)刀具的磨損。文中從機(jī)床電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)一體化的角度出發(fā)，在考慮各種能量損耗并存的前提下，以傳動(dòng)環(huán)節(jié)的能量流程為基礎(chǔ)建立了機(jī)床功率監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型。

     
  
     式中: Me為電極電磁轉(zhuǎn)矩;ω 為電機(jī)軸的角速度;M0、B、J 分別為機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)等效到電機(jī)軸上非載荷庫(kù)侖摩擦力矩、黏性阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Pc( t) 為切削功率;αt為系統(tǒng)載荷損耗系數(shù)。切削功率

     由式( 3) 可看出: 機(jī)床功率信息完全由主軸電機(jī)實(shí)時(shí)扭矩值決定。系統(tǒng)采用A/D 模塊采集主軸變頻器實(shí)時(shí)扭矩值，通過(guò)式( 3) 的計(jì)算得到主軸實(shí)時(shí)的鉆削功率。因此，鉆削加工時(shí)機(jī)床主軸功率的變化可以定量描述為時(shí)間的函數(shù)，加工參數(shù)相同的同種工件其加工過(guò)程具有相似的主軸功率/時(shí)間曲線，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由485 接口輸入PLC，進(jìn)行運(yùn)算和判斷，監(jiān)視切削過(guò)程中切削功率的變化情況。

      3. 2 主軸功率監(jiān)測(cè)與控制

     在大量的加工測(cè)試及研究分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)刀具破損失效時(shí)，深孔鏜床主軸功率變化主要包括以下幾種情況:

     ( 1) 圖6 ( a) 為正常加工時(shí)監(jiān)測(cè)主軸功率曲線。
     ( 2) 鉆頭持續(xù)鉆孔，由于刀具處于持續(xù)的磨損過(guò)程，因此監(jiān)測(cè)到的主軸功率大致呈現(xiàn)持續(xù)增加的現(xiàn)象，如圖6 ( b) 所示。
     ( 3) 根據(jù)主軸功率離散模型得出加工過(guò)程功率變化曲線: 當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生破損失效時(shí)，主軸功率曲線突然異常增大，如圖6 ( c) 所示。此時(shí)功率值超出預(yù)先設(shè)定的主軸鉆削功率的閾值Pmax，PLC 發(fā)出報(bào)警信號(hào)，控制面板報(bào)警燈閃爍。

     圖6 不同刀具狀態(tài)下鉆削加工主軸功率變化曲線

     當(dāng)功率超過(guò)設(shè)定的閾值，PLC 控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)反轉(zhuǎn)、退刀，主軸只承受裝夾工件下的空轉(zhuǎn)狀態(tài)，而不受切削載荷，因此此時(shí)檢測(cè)到的軸功率維持在一個(gè)較低的狀態(tài)。

     4 、結(jié)束語(yǔ)

     根據(jù)深孔加工機(jī)床的加工特點(diǎn)對(duì)機(jī)床原有電氣控制系統(tǒng)重新進(jìn)行研究，以PLC 作為控制系統(tǒng)的核心，取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)控制可靠性與控制精度的大幅提高。綜合考慮機(jī)床各個(gè)工位的控制特點(diǎn)和操作人員的工作特點(diǎn)，使用變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏等控制操作設(shè)備，從而達(dá)到對(duì)加工過(guò)程中的重要參數(shù)的數(shù)字化控制與檢測(cè)。