黃 健 陳忠仁 林少茵

（中山職業(yè)技術學院，廣東中山 528404）

深孔鉆削加工（孔深和孔徑的比值＞10）在機械加工領域中占有非常重要的地位，約占孔加工量的40%以上。新型高強度、高硬度和高價值難加工深孔零件的不斷出現(xiàn)，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不斷提高，使得深孔加工成為機械加工的關鍵工序和加工難點。

對于小型加工企業(yè)，在沒有專用的深孔加工設備下，深孔加工尤其是細長孔的加工是機械加工中的一道難題，經(jīng)常會產(chǎn)生直徑變大，出現(xiàn)錐形等現(xiàn)象，從而達不到加工質量的要求。因此，在沒有專用深孔加工設備下，普通的深孔加工設備對于小型加工企業(yè)和個體加工戶就顯得尤為重要，如何利用現(xiàn)有老式普通設備解決深孔加工難題，就成為研究的課題。

1 原因分析

深孔加工為什么經(jīng)常會產(chǎn)生直徑變大、出現(xiàn)錐形等現(xiàn)象呢?

深孔加工是處于封閉或半封閉的狀態(tài)下進行的，故不能直接觀察到刀具的切削情況。目前只能憑經(jīng)驗，通過聽聲音、看切削、觀察機床負荷及壓力表、觸摸振動等外觀現(xiàn)象來判斷切削過程是否正常。

經(jīng)過試驗和分析總結得到，深孔鉆床的加工精度與主軸刀具或工件變形量關系密切，而熱變形是其中最主要成分［1－2］。

實際上深孔鉆床加工時刀具的切削熱是不易傳散的。一般的機械切削加工過程中有80%的切削熱被切屑帶走，而深孔鉆削只有40%，刀具占切削熱的比例較大，擴散遲、易過熱，刀口溫度可達600℃。所以，如果不采取強制有效的冷卻方式來冷卻刀具，深孔加工就會產(chǎn)生直徑變大、出現(xiàn)錐形等現(xiàn)象，達不到所要求的加工精度［3］。

2 改善主軸刀具熱變形的措施

因此，改善主軸刀具或工件的熱變形就顯得尤為突出。過去采取的降溫思路主要是改善冷卻和散熱條件、均衡結構、均化溫度分布，以實現(xiàn)刀具的降溫。例如，改善冷卻和散熱條件，用循環(huán)冷空氣、循環(huán)水或油等方法冷卻主要發(fā)熱體主軸刀具或工件，以此方法強制帶走主軸刀具上的熱量，進而減小熱變形量。但是，由于這些措施費時費力，不經(jīng)濟，效果不理想。

深孔鉆主軸刀具高速旋轉時容易過熱，且熱量擴散慢，刀口溫度可達600℃。對于此種情況，采取一種新的思路，即現(xiàn)場采集主軸刀具溫度，比較后，當采集溫度高于600℃的5%以上時則降低主軸刀具轉速，5 s時如果被檢測體的溫度有上升趨勢，則再次降低主軸刀具轉速，5 s后如果被檢測體的溫度恒定或下降到600℃及以下時，則提高主軸刀具轉速到正常轉速。在降低轉速的同時，不減弱原有的冷卻和潤滑強度。

其實，上述方法就是工業(yè)控制中的溫度控制。在自動控制系統(tǒng)中，溫度控制既可以使用單片機控制［4］，也可以采用 PLC 控制［5］，在此采用 PLC 控制。

3 PLC控制

3.1 PLC控制的優(yōu)點

工控現(xiàn)場離不開溫度控制，溫度數(shù)據(jù)的采集通常由溫度傳感器熱電偶、熱電阻來完成，而溫度數(shù)據(jù)的變換與處理方法很多［6］，可用溫度儀、工控機、PLC等。其中PLC對溫度的處理，其硬件構成可通過模塊化來實現(xiàn)，編程也很簡練，是理想的選擇。PLC還可對溫度進行模數(shù)和數(shù)模轉換，輸出對應的模擬量進而實現(xiàn)對溫度及其他設備的在線控制。PLC對溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行采集與處理時，溫度變量經(jīng)溫度傳感器送入PLC的溫度模塊，轉換后的數(shù)字量可被PLC以字的形式直接讀出。根據(jù)所需，在PLC存儲器內編制相應的梯形圖程序，對溫度進行單位轉換和數(shù)模轉換，進而實現(xiàn)對溫度的開環(huán)或閉環(huán)控制及溫度對其他設備的跟隨控制［7］。

3.2 PLC 的選型

本文選擇三菱FX2n系列PLC，F(xiàn)X2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。FX2n系列具備如下特點:最大范圍地包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，可以為工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。

三菱FX2n系列PLC為PT傳感器開發(fā)了溫度模塊。內置式24 V直流電源可用于外圍設備，如傳感器或其他元件。

3.3 熱電偶PT100

PT100是鉑熱電阻，它的阻值隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100 Ω，在100℃時它的阻值約為138.5 Ω。當PT100在0℃時，它的阻值為100 Ω，并會隨著溫度上升而成近似勻速地增長。鉑電阻的阻值隨溫度的變化而變化的計算公式為

式中:Rt為t℃時的電阻值，R0為0℃時的阻值，A、B、C為系數(shù)，實驗測定。

3.4 FX2n－4AD －PT 模塊

FX2n－4AD－PT模擬量特殊模塊將來自4個鉑溫度傳感器的輸入信號放大，并將數(shù)據(jù)轉換成12位的可讀數(shù)據(jù)，存儲在主處理單元。攝氏度和華氏度數(shù)據(jù)都可讀取，讀數(shù)分辨率是0.2～0.3℃。所有的數(shù)據(jù)輸入和參數(shù)設置都可以通過軟件控制來調整，使用PLC的TO、FROM應用指令來完成，在程序中占用8個輸入輸出點，一臺PLC最多可連接8個模塊［8］。

3.5 深孔鉆床的PLC控制系統(tǒng)

3.5.1 主軸刀具溫度的間接采集

主軸刀口溫度可達600℃，這是可以忍受的極限溫度，冷卻液給刀具冷卻時帶走刀具旋轉產(chǎn)生的高溫。由于冷卻液的高速流動性，冷卻液在刀具出口的溫度不是很高，實驗測得（室溫20℃時）刀具溫度與冷卻液在刀具出口處溫度的對應關系:630℃∶38℃;620℃∶36℃;610℃∶34℃;600℃∶33℃。

系統(tǒng)的控制方案采用溫度比較法，使用2個溫度傳感器PT100，一個溫度傳感器感知一個恒溫發(fā)熱裝置（恒溫在33℃，功率25 W，對應于主軸刀具溫度600℃），另一個溫度傳感器感知冷卻液在刀具出口處的溫度。PLC通過溫度傳感器及溫度模塊將上述2個溫度參數(shù)讀入內存，與恒溫33℃值比較，根據(jù)兩者的差值來控制變頻器，使變頻器改變主軸電動機的轉速，以減緩刀具熱量的產(chǎn)生，此時冷卻液的流量保持不變，以控制熱交換的速度。因此，對冷卻液來說，以出液口的溫度和恒定溫度的比較值作為控制依據(jù)，實現(xiàn)出液口溫度和恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明主軸刀具產(chǎn)生的熱量大，應降低主軸的轉速;溫差小，說明主軸刀具產(chǎn)生的熱量小，應提高主軸的轉速，達到高精度控制的目的。

深孔鉆床的PLC控制系統(tǒng)功能結構如圖1所示。

3.5.2 模擬量特殊模塊與PLC控制

FX2n－4AD－PT模擬量特殊模塊與PLC接線如圖2所示。CH1通道接收冷卻液傳感器的數(shù)據(jù)，CH2通道接收恒溫傳感器的數(shù)據(jù)。此處給CH2通道的PT100傳感器制作一個恒熱裝置，25 W低功耗，置于PT100傳感器的感知桿上。CH1通道的PT100溫度傳感器置于刀具的冷卻液出口處。

PLC控制程序比較FX2n－4AD－PT的CH1、CH2通道所采集的溫度信息，當CH1通道所采集的溫度低于CH2通道所采集的溫度時，PLC輸出一個Y1觸點;當CH1通道所采集的溫度高于CH2通道所采集的溫度時，PLC需輸出一個Y2觸點;系統(tǒng)程序根據(jù)Y1、Y2觸點的閉合情況可以分別控制變頻器輸出不同的轉速（3.5.3所述）。溫差比較PLC控制程序如圖3所示。

3.5.3 主軸電動機的變頻控制

主軸電動機的變頻控制如圖4所示，變頻器采用三菱E700系列變頻器。

變頻器的PLC控制程序如圖5所示。按下主軸電動機啟動按鈕SB1（X14），S20狀態(tài)工作，主軸常速旋轉。當主軸刀具溫度過高，CH1通道值高于CH2通道值，Y2接通，關閉S20狀態(tài)，打開S30狀態(tài)，主軸中速旋轉。5 s時檢測到CH1通道值低于CH2通道值，則Y2關閉，Y1處于接通狀態(tài)，程序返回S20狀態(tài)，主軸常速旋轉;若5 s時檢測到CH1通道值繼續(xù)高于CH2通道值，此時Y2還處于接通狀態(tài)，則程序狀態(tài)S30關閉，S40狀態(tài)被打開，主軸低速旋轉。再5 s時檢測到CH1通道值低于CH2通道值，則Y2關閉，Y1處于接通狀態(tài)，程序返回S20狀態(tài)，主軸常速旋轉。

4 結語

通過實際工程驗證，實現(xiàn)了深孔鉆床主軸刀具的自動控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有控制精度高、進入穩(wěn)定狀態(tài)所需時間短、性能比高、硬件連接方便、軟件易實現(xiàn)等特點，解決了深孔加工尤其是在細長孔的加工中產(chǎn)生的直徑變大、出現(xiàn)錐形等問題。此設計方法對其他類型的溫差設備的設計也有借鑒作用，具有較好的推廣應用價值。

［1］Lin Z，Chang J.The building of spindle thermal displacement model of high speed machine center［J］.International Journal of Advanced Manu—faetufing Technology，2007，34:556 －566.

［2］仇健，劉啟偉，李曉飛，等.臥式數(shù)控機床主軸溫度場分布及對機床熱變形的影響［J］.制造技術與機床，2011（8）:114－119.

［3］張寶紅，張治民，張星，等.杯形件溫引伸數(shù)值模擬［J］.塑性工程學報，2004，11（3）:86 －88.

［4］石雄.恒溫槽高精度恒溫自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝，2005（1）:32－34.

［5］徐濾非.PLC在溫度控制系統(tǒng)中的應用［J］.現(xiàn)代電子技術，2004，27（13）:62－63.

［6］王魁漢.溫度測量實用技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［7］殷華文，朱清慧.可編程序控制器及工業(yè)控制網(wǎng)絡［M］.西安:西安地圖出版社，2001.

［8］三菱.FX系列特殊功能模塊用戶手冊［Z］.