特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔數(shù)控鉆床電控系統(tǒng)設(shè)計
2021-3-25 來源：- 作者：秦永晉 付力揚 郭亮 陳志勇
摘要：為進一步提高風(fēng)力發(fā)電機核心部件偏航軸承和變槳軸承的生產(chǎn)效率，針對使用的特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔加工工藝特殊的特點，研制了特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔數(shù)控鉆床。基于臺達PLC和人機界面作為控制系統(tǒng)，使用位置控制完成鉆孔、分度、攻絲的工作循環(huán)，提高了加工精度和生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強度。該設(shè)備每日可加工軸承40余套，年產(chǎn)值超過1千萬元。
關(guān)鍵詞：徑向油孔；數(shù)控鉆床；可編程控制器；人機界面
0 引言
特大型轉(zhuǎn)盤軸承，是一種能夠同時承受較大傾覆力矩和軸向、徑向負荷等綜合載荷的大型軸承，它的這種特性使其集傳動、旋轉(zhuǎn)、固定、支撐等多種功能于一身，多應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、港口機械等大型回轉(zhuǎn)裝置上。特大型轉(zhuǎn)盤軸承一般帶有安裝孔、潤滑油孔、內(nèi)齒圈或外齒圈以及密封裝置。它的潤滑油孔分布在軸承的外圈徑向上，油孔一般是階梯孔，有的孔還需要攻絲。
以圖 1 所示的某型號風(fēng)電特大型轉(zhuǎn)盤軸承加工為例，采用的工藝為鉆螺紋底孔，鉆沉孔，鉆注油底孔，攻絲。
圖1 轉(zhuǎn)盤軸承套圈油孔
在國內(nèi)，特大型轉(zhuǎn)盤軸承套圈的安裝孔、齒面以及溝道的加工都已經(jīng)有了專用加工設(shè)備，但對于轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔的加工則依然使用鉆床或搖臂鉆，先人工分度劃線，再進行裝夾，固定在工作臺座上，最后孔加工，這樣加工不僅分度和定位精度得不到保障，工件裝夾困難費時費力，同時自動化程度低、加工效率低下。為了解決上述問題，特設(shè)計特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔專用數(shù)控鉆床來進行徑向油孔的加工。
1 、設(shè)備結(jié)構(gòu)
機床結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2 所示。設(shè)備加工工序有鉆孔和攻絲，可以進行回轉(zhuǎn)運動和水平直線運動，主要由床身部件、回轉(zhuǎn)工作臺、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和拖板部件等8部分組成采用臥式結(jié)構(gòu)，床身固定在地基上并支承工作臺，由可編程控制器和人機界面控制拖板的進給運動、主軸的切削運動、工作臺的分度動作。
圖2 機床結(jié)構(gòu)簡圖
設(shè)備加工流程為：（1） 工件吊裝到臺面；（2） 手動更換刀具；（3） 定位、夾緊一次完成；（4） 回轉(zhuǎn)工作臺自動分度；（5） 依次鉆底孔、沉孔，再攻絲。該設(shè)備具有自動找正、自動夾緊功能，采用可編程控制器和人機界面控制，相比普通鉆床或搖臂鉆床自動化程度高、定位準(zhǔn)確、數(shù)控進刀、高速切削，大大提高了加工精度和生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強度[1-2]。
2 、電氣系統(tǒng)組成
該設(shè)備的動力系統(tǒng)由 6 大部分組成。主軸伺服電機負責(zé)完成刀具的旋轉(zhuǎn)，進給伺服電機完成刀具的進給，旋轉(zhuǎn)伺服電機完成轉(zhuǎn)臺分度，液壓電機負責(zé)軸承夾緊固定，冷卻冷卻電機負責(zé)切削時冷卻、排屑器電機完成排屑工作。機床電機及伺服驅(qū)動器接線如圖3所示[3]。
圖3 機床電機及伺服驅(qū)動器接線圖
2.1 PLC 控制系統(tǒng)
為保證攻絲的精度，主軸電機采用了位置控制；拖板的進給和轉(zhuǎn)臺的分度都要求位置精確，進給伺服電機、旋轉(zhuǎn)伺服電機也采用位置控制模式，所以選用的PLC至少要具有3組高速脈沖輸出的功能。經(jīng)過比較，最后采用中達電通股份有限公司的 EH2 系列的 PLC 作為主要控制系統(tǒng)。EH2 系列主機是有 2 組 AB 相200 k Hz 脈沖輸出、2 點 200 k Hz 脈沖輸出的可編程序控制器，PLC的具體型號為DVP40EH00T2 ，輸入輸出點數(shù)為40點。由于無法滿足鉆床的輸入輸出點數(shù)，所以增加了1 個 DVP16HP11T 輸入輸出各 8 個點的模塊。圖 4 所示為 PLC 的接線圖[4-5]，PLC的輸出點Y0-Y7是高速脈沖和方向輸出端，把輸出點Y0和Y1用來接主軸伺服驅(qū)動器的脈沖輸入；輸出點Y2和Y3接進給軸伺服驅(qū)動器的脈沖輸入，輸出點Y4和Y5接旋轉(zhuǎn)軸伺服驅(qū)動器脈沖輸入。
圖4 PLC接線圖
PLC擴展模塊接線圖如圖5所示[4-5]。
圖5 PLC擴展模塊接線圖[4-5]
程序設(shè)計流程圖如圖 6 所示。圖 7 所示為 PLC 回原點程程是進給軸和旋轉(zhuǎn)軸的回原點指令。臺達PLC可編程邏輯控制器在使用原點回歸指令有特殊要求，原點回歸開始時的速度，EH/EH2/SV 主機 16 位指令可指定范圍 10～32 767 Hz，32 位指令可指定范圍 10～200 000 Hz。原點開關(guān)的輸入點只能使用X10～X17中的一個，EH/EH2/SV 主機若是指定外部輸入X10～X17以外的裝置
X、Y、M、S ，因其會受掃描周期影響，故會造成原點位置偏離，且不可與 DCNT、PWD 指令指定相同的X10～X17 輸入點[6]。
圖6 程序設(shè)計流程圖
圖7 PLC回原點程序[7]
2.2 人機界面控制系統(tǒng)
選用中達電通股份有限公司的DOP-B系列人機界面作為主要控制系統(tǒng)。控制器型號為 DOP-B10S115，屏幕尺寸為10.1 寸，65 536 色液晶顯示面板。直流 24 V 供電。具有精細高畫質(zhì)的顯示，它還有強大的控制器支持性，除了支持臺達全系列自動化產(chǎn)品外，還可與歐姆龍、西門子、圖6程序設(shè)計流程圖三菱等30多家廠商的PLC或設(shè)備進行通訊。另外，它還有豐富多樣的外圍，除標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口 RS232/RS485/RS422 外， DOP-B 人機還支持 USB、以太網(wǎng)、音效、SD 卡接口，它便利的宏指令和配方功能使編程更便捷[7]。
啟動鉆床后，調(diào)整界面如圖8所示，在此界面完成鉆床的相關(guān)調(diào)整動作，并通過各開關(guān)顯示鉆床是否調(diào)整到位。圖9所示為刀具選擇界面，界面采用了觸摸屏的配方功能，把各刀具相對應(yīng)的參數(shù)保存在斷電保護單元里，方便操作工調(diào)取各參數(shù)。
圖10所示為鉆床的主界面，鉆床調(diào)整完成后，開始自動加工時一般停留在主畫面，首先進行孔數(shù)設(shè)定，加工時畫面可以顯示圖上信息。圖11所示為觸摸屏角度設(shè)置界面，圖12所示為觸摸屏折鉆參數(shù)界面，都是為了方便操作工現(xiàn)場靈活調(diào)整在雜加工情況下的各種要求，并且最多可以一次加工 6 個油孔。圖13所示為觸摸屏報警界面，共有7種報警項目，可以保存100條歷史報警信息，方便操作工迅速發(fā)現(xiàn)問題并解決問題[8]。
圖8 觸摸屏調(diào)整界面
圖9 觸摸屏刀具選擇界面
圖10 觸摸屏主畫面界面
圖11 觸摸屏角度設(shè)置界面
圖12 觸摸屏折鉆參數(shù)界面
圖13 觸摸屏報警界面
2.3 位置控制及電子齒輪
該設(shè)備使用的 3 臺伺服電機都采用了位置控制模式，可以對速度和進行位置嚴(yán)格控制。現(xiàn)階段位置控制普遍應(yīng)用在各種定位場合，可以直接或間接替換各種步進傳動系統(tǒng)。伺服控制器通過接受程序脈沖信號來進行位置控制，脈沖數(shù)量決定了位置，脈沖頻率控制了電機的運行速度。一個脈沖對應(yīng)的位置參數(shù)量，取決于電子齒輪本身參數(shù)以及設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。位置控制中可能用到的參數(shù)[9]如表1所示。
表1 位置控制中可能用到的參數(shù)
機床使用了位置控制模式，于是電子齒輪比的設(shè)置就至關(guān)重要，它決定了機床的定位精度和加工精度。使用電子齒輪設(shè)定將一個脈沖對應(yīng)到一個位置當(dāng)量上。可以根據(jù)機械減速比等設(shè)置好電子齒輪，如指令單位與機械需要移動的位移匹配。設(shè)定電子齒輪本質(zhì)上只要知道電機軸旋轉(zhuǎn)一圈，控制器發(fā)的脈沖數(shù) （齒輪分母 Pn202）、編碼器分辨率 （齒輪分子 Pn201）。
PRONET編碼器為17位串型編碼器，即分辨率131 072 P/R。如：PLC要求1000脈沖一圈，電子齒輪比為Pn201/ Pn202=131 072/1 000。以進給軸為例，進給軸的減速比為5，滾珠絲杠的節(jié)距為10 mm， 1 指令單位為 0.001 mm，編碼器脈沖為 2 500 P/R，根據(jù)圖14所示電子齒輪比的計算原理：
0.01×51=255所以，Pn202為5，Pn201為25。對于旋轉(zhuǎn)軸而言，旋轉(zhuǎn)軸的減速比為360，1指令單位為0.005°，編碼器脈沖為 32 768 P/R，根據(jù)圖 14 所示電子齒輪比的計算原理。
所以，Pn202為50， Pn201 為32 768。
設(shè)置好各參數(shù)后，要進行斷電確認(rèn)。鉆床內(nèi)部圖如圖15所示。
圖14 電子齒輪比計算
圖15 鉆床內(nèi)部圖
3 、結(jié)束語
該油孔鉆床采用達電通股份有限公司的 EH2 系列的 PLC和DOP-B系列人機界面作為控制系統(tǒng)，采用交流伺服系統(tǒng)的位置控制模式保證機床的加工精度。機床的研制成功實現(xiàn)了特大型轉(zhuǎn)盤軸承徑向油孔的自動加工，提高了加工精度和效率讓企業(yè)對相關(guān)市場占有率大大提高。設(shè)備每日可加工軸承40 余套，年產(chǎn)值超過 1 千萬元。
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